Thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển thông minh iot trong

Trang 1 1HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH IOT TRONGKHU SMARTCAMPUSAPPLYING IOTS ON

1 HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH IOT TRONG

KHU SMARTCAMPUS

APPLYING IOTS ON SMART CAMPUS MODEL

Nguyễn Phước Thái 1 , Nguyễn Kim Tuấn 2 , Nguyễn Hữu Tuấn 2 , Nguyễn Thành Linh 3 ,Trịnh Thanh Tâm 3

1Lớp 18ĐT1, 2Lớp 18ĐT2, 3Lớp 17ĐT1, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng

GVHD: TS Nguyễn Thị Khánh Hồng

Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt - Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu, thiết kế

và chế tạo “Ứng dụng IoTs trong xây dựng mô hình trường học

thông minh” Mô hình này giúp giám sát và điều khiển việc điểm

danh sinh viên; bật/tắt các thiết bị điện; hệ thống cảnh báo cháy

nổ; hệ thống tự động chiếu sáng trong sân vườn; và hệ thống

cảnh báo khi di chuyển các thiết bị trong phòng học sử dụng

mạng Wifi/3G/4G Giải pháp kỹ thuật điều khiển dựa trên các

công nghệ như lập trình ESP32 và ứng dụng kỹ thuật IoTs này

giúp quản lý trong khuôn viên trường đại học một cách tối ưu, tiết

kiệm sức lao động, dễ dàng kiểm soát và điều khiển từ xa

Abstract - This paper presents the results of researching,

designing and manufacturing "Application of IoTs on smart campus models" This model helps to monitor and control student attendance; turn on / off electrical appliances; fire alarm system; Automatic lighting system in the university yard; and warning system when moving devices in the classroom using Wifi / 3G / 4G network Engineering solutions based on technologies are such as ESP32 programming and the application of IoTs technology for optimal university management, labor saving, easy remote control.

Từ khóa - IoTs; Smart Campus; Phòng học thông minh; Điều

khiển thông minh; ESP32 Classroom; Smart Control; Module; ESP32.Key words - Internet of Things; Smart Campus; Smart

1 Đặt vấn đề

Cuộc cách mạng công nghệ 4.0 hiện nay đang diễn ra

và phát triển ở nhiều nước trên thế giới, và khái niệm thiết

bị thông minh, tủ lạnh thông minh, tivi thông minh phát

triển trên nền tảng IOTs,… được sử dụng rộng rãi trong

thế giới công nghệ ngày nay, làm vạn vật xung quanh

chúng ta không còn là những vật dụng vô tri vô giác mà

phần nào sẽ trở thành người bạn đồng hành và giúp ích

cho chúng ta trong cuộc sống hiện tại cũng như trong

tương lai.Với nhu cầu ngày càng cao của con người về sử

dụng các thiết bị thông minh, có thể điều khiển 1 chiếc

tivi bằng điều hướng bàn tay, giọng nói… Ở Việt Nam đã

và đang bắt đầu xây dựng các mô hình nhà thông minh,

thành phố thông minh, tại Đà Nẵng đã tổ chức cuộc thi về

“Smart Campus” với đa dạng các chủ đề: học tập thông

minh, văn phòng thông minh, an ninh thông minh, nhận

dạng thông minh, dịch vụ quản lí thông minh qua đó giúp

sinh viên tự do phát huy khả năng cũng như tư duy về

“Smart Campus” [1]

“Smart Campus” được thể hiện qua các dịch vụ thông

minh phục vụ trong khuôn viên trường đại học, được xây

dựng dựa trên nền tảng phần cứng và phần mềm với các

công cụ mã nguồn mở và linh hoạt, nhằm phục vụ 03 mục

tiêu chính:

 Tối ưu hoá các hoạt động dạy, học và quản lý

trong trường, đặc biệt hỗ trợ việc đào tạo đa ngành,

thông qua các dịch vụ tích hợp trên công nghệ IoTs;

 Tạo tiền đề triển khai các dự án nghiên cứu phối

hợp giữa các đối tác giáo dục, chính phủ và doanh

nghiệp, dựa trên IoTs và Trí tuệ nhân tạo để phát triển

một nền tảng hợp nhất các giải pháp về phân tích, thiết

kế, quản lý, mô phỏng cho một “khuôn viên thông

minh” (Smart Campus), nhằm hướng đến “thành phố thông minh” (Smart City);

 Tăng cường chuyển giao công nghệ từ các kết quả đạt được của các đề tài và hướng đến khởi nghiệp Học tập thông minh, văn phòng thông minh, an ninh thông minh, nhận dạng thông minh, dịch vụ quản lí thông minh, dịch vụ thông minh quản lí đời sống sinh viên, qua

đó giúp cho sinh viên và giảng viên được tự do lựa chọn

và phát huy khả năng cũng như tính sáng tạo của bản thân đối với chủ đề mà họ lựa chọn

Với nhu cầu bức thiết của con người và xã hội, dựa theo những gì đã được học tập và tìm hiểu nhóm chúng

em quyết định thực hiện đề tài: “THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH IOT TRONG KHU SMARTCAMPUS”

Đề tài “ Smart Campus” của chúng em được thể hiện qua các dịch vụ thông minh phục vụ trường đại học, được xây dựng dựa trên nền tảng phần cứng và phần mềm với các công cụ mã nguồn mở và linh hoạt, nhằm phục vụ,tối

ưu hoá các hoạt động dạy, học và quản lý trong trường học

2 Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình

2.1 Nhiệm vụ và chức năng của mô hình

Mô hình điều khiển trường học thông minh được nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hoạt động theo các chức năng như sau:

Phòng thí nghiệm:

 Điểm danh(Thẻ ID)

 Bật tắt các thiết bị điện

 Cảnh báo cháy nổ

 Cảnh báo di chuyển các thiết bị thí nghiệm

Nguyễn Phước Thái, Nguyễn Kim Tuấn, Nguyễn Hữu Tuấn 2

Phòng học

 Điểm danh(Thẻ ID)

 Bật tắt các thiết bị điện

 Cảnh báo cháy nổ

Sân Trường

 Điều khiển nhiệt độ và độ ẩm

 Điều khiển hệ thống đèn chiếu sang theo ánh sáng

2.2 Mô hình điều khiển

Hình 1: Nguyên lý hoạt động của mô hình điều khiển

trường học thông minh

Sử dụng Module ESP32 tích hợp sẵn kết nối Wi-Fi và

Bluetooth, thông qua các sensor sử dụng mạng Wi-Fi để

kết nối và truyền dữ liệu nhiệt độ, dộ sáng, độ dịch

chuyển đồ vật [2]

Sever: lưu thông tin điểm danh học sinh/sinh viên

trong các buổi học thể hiện theo dạng danh sách mà giáo

viên có thể dễ dàng quản lý được

Hình 2: Sơ đồ khối của mô hình

2.2.1 Quản lý chiếu sáng

Hệ thống chiếu sáng của nhà trường được bố trí rất

nhiều trong các phòng học cũng như sân trường Do đó,

việc quản lý và điều khiển bật tắt các thiết bị trở nên mất

nhiều thời gian Trong đề tài nghiên cứu này, cảm biến

chuyển động và cảm biến ánh sáng được sử dụng để có

thể tự động hóa cho công việc này

2.2.2 Quản lý nhiệt độ và độ ẩm

Hệ thống sử dụng cảm biến nhiệt độ và độ ảm để có

thể lấy được mức nhiệt độ và độ ẩm của khuông viên nhà

trường và hiển thị màn hình LCD 128 *64

2.3 Thiết kế và chế tạo mô hình

2.3.1 Khối mạng Wifi/3G

ESP32-WROOM-32 [3] là một module với nhiều tính năng cải tiến hơn các module dòng ESP8266 khi hỗ trợ thêm các tính năng Bluetooth và Bluetooth Low Energy (BLE) bên cạnh tính năng WiFi Sản phẩm sử dụng chip ESP32-D0WDQ6 với 2 CPU có thể được điều khiển độc lập với tần số xung clock lên đến 240 MHz

Module hỗ trợ các chuẩn giao tiếp SPI, UART, I2C và I2S và có khả năng kết nối với nhiều ngoại vi như các cảm biến, các bộ khuếch đại, thẻ nhớ (SD card)…

Ở chế độ sleep dòng điện hoạt động là 5 µA nên thích hợp cho các ứng dụng dùng pin như các thiết bị điện tử đeo tay Ngoài ra module còn hỗ trợ cập nhật firmware từ

xa (OTA) do đó người dùng vẫn có thể có những bản cập nhật mới nhất của sản phẩm

Hình 3: Module Wifi ESP32 - WROOM.

Các thông số kỹ thuật:

Bật tắt các thiết bị điện

 Kích thước: 18 mm x 20 mm x 3 mm

 CPU: Xtensa Dual-Core 32-bit LX6 với tần số hoạt động lên đến 240 MHz

 Bộ nhớ trong:

+ 448 KBytes ROM cho booting và các tính năng của lõi chip

+ 520 KBytes SRAM trên chip dùng cho dữ liệu

và các lệnh instruction

+ 8 KBytes SRAM trong RTC (gọi là RTC SLOW Memory) để truy xuất bởi các bộ co-processor

+ 8 KBytes SRAM trong RTC (gọi là RTC FAST Memory) dùng cho lữu dữ liệu, truy xuất bởi CPU khi RTC đang boot từ chế độ Deep-sleep

+ 1 Kbit EFUSE, với 256 bit cho hệ thống (địa chỉ MAC và cấu hình chip), 768 còn lại cho ứng dụng người dùng, gồm cả mã hóa bộ nhớ Flash và định ID cho chip

 Kết nối WiFi:

+ Wi-Fi: 802.11 b/g/n/e/i

3 HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020

+ Bluetooth: BR/EDR phiên bản v4.2 và BLE

 Ethernet MAC hỗ trợ chuẩn: DMA và IEEE 1588

 Bus hỗ trợ mang CAN 2.0

 Giao tiếp ngoại vi:

+ Bộ chuyển đổi ADC 12 bit, 16 kênh

+ Bộ chuyển đổi 8-bits DAC: 2 kênh

+ 10 chân để giao tiếp với cảm biến chạm (touch

sensor)

+ IR (TX/RX)

+ Ngõ ra PWM cho điều khiển Motor

+ LED PWM: 16 kênh

+ Cảm biến Hall

+ Cảm biến nhiệt độ

+ 4 X SPI

+ 2 X I²S

+ 2 X I²C

+ 3 X UART

 Nhiệt độ hoat động ổn định: -40C đến 85C

 Điện áp hoạt động: 2.2-3.6V

 Dòng tiêu thụ ổn định: 80mA

2.3.2 Các hình ảnh của mô hình

Hình 4: Demo bật / tắt hế thống đèn

Sử dụng cảm biến ánh sáng để có thể bật/tắt hệ thống

chiếu sáng tại sân trường

Hình 5: Demo cảnh báo cháy

Sử dụng cảm biến lửa để phát hiện cháy và cảnh báo

qua còi hú Buzz

Hình 6: Demo cánh báo khi di chuyển thiết bị

Ở đây, sử dụng cảm biến tiệm cận để phát hiện sự di chuyển của thiết bị và cảnh báo qua còi hú Buzz

3 Kết quả và thảo luận

Hệ thống đã đạt được các tiêu chí như đã đề ra của nhóm Hoạt động với mức độ chính xác và ổn định 90-95% Tuy nhiên mô hình hệ thống còn nhiều vấn đề cần cải thiện hơn ví dụ: tính thẩm mỹ của mô hình, quy mô của mô hình cũng như dễ dàng vận chuyển…

Hệ thống sử dụng Module ESP 32 – WROOM giúp ta

có thể truy cập dữ liệu thông qua Webserver để quản lý và hiển thị dữ liệu

Hình 7: Mô hình thiết kế trường học thông minh

Một số hình ảnh sơ đồ mạch nguyên lý của các khối điều khiển:

Hình 8: Sơ đồ mạch của hệ thống trường học thông minh

Nguyễn Phước Thái, Nguyễn Kim Tuấn, Nguyễn Hữu Tuấn 4

Hình 9: Sơ đồ mạch của cảm biến PIR trong việc điều khiển

bật tắt hệ thống đèn chiếu sáng trong phòng

Hình 10: Sơ đồ mạch của khối điều khiển điểm danh tự

động, cảm biến lửa và cảm biến nhiệt độ và độ ẩm

4 Kết luận

Bài báo đã trình bày kết quả nghiên cứu “THIẾT KẾ

VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH

IOT TRONG KHU SMARTCAMPUS ” Mô hình đã

được thi công hoàn tất các mục tiêu đề ra, cơ cấu hoạt động tốt, nhận tín hiệu và xử lý các trường hợp khá ổn định Từ mô hình này có thể xây dựng được nhiều ứng dụng có ý nghĩa thực tiễn cao, có khả năng phát triển và

mở rộng Đây là sản phẩm thực tế, có thể áp dụng triển khai tại các trường học

Tuy nhiên, các ứng dụng đòi hỏi nhiều kiến thức về các lĩnh vực khác như phần cứng, phần mềm, mạng máy tính ở một trình độ cao hơn Do đó, trong khuôn khổ đề tài này vẫn còn nhiều vấn đề tồn tại và cần có thời gian để hoàn thiện, nâng cấp trong tương lai

Lời cảm ơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Thị Khánh Hồng, Phó Trưởng phòng Phòng Quản lý Khoa học và Hợp tác Quốc tế, giảng viên khoa Điên – Điện Tử, trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật – Đại học Đà Nẵng,

đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện tốt nhất để em có thể hoàn thành được đề tài nghiên cứu này theo đúng thời gian dự kiến

“Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng trong đề tài có mã số SV 2020-206”

Tài liệu tham khảo

[1] https://www.baodanang.vn/channel/5411/201905/ket-noi-xay-dung-thanh-pho-thong-minh-3176419/index.htm

[2]https://iotmaker.vn/esp32-wroom-32.html [3] https://arduinokit.vn/esp8266