Báo cáo bài tập lớn môn thiết bịđiện thông minh tên đề tài thiết kế ổ cắm điện thông minh

Với mục đích có được kiếnthức nền tảng của môn học, làm nền cho các dự án lớn hơn sau này như ngôi nhà thông minh, hay điều khiển trong công nghiệp sử dụng IOTs,...Ngoài việc hoàn thành

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘIKHOA ĐIỆN

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN THIẾT BỊĐIỆN THÔNG MINH

Tên đề tài:

Thiết kế ổ cắm điện thông minh

Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Việt Anh Nguyễn Văn Quảng 2020605327 Nguyễn Việt Hưng 2021606826 Nguyễn Thành Vũ 2020605388 Bùi Công Tuấn 2020605184

Giáo viên hướng dẫn :Nguyễn Việt Anh

NỘI DUNG

Đề tài: Thiết kế ổ cắm điện thông minh

PHẦN THUYẾT MINH 1 Tổng quan chung về thiết bị điện thông minh

2 Thiết kế ổ cắm điện thông minh

- Điều khiển thông qua Wifi – không giới hạn khoảng cách - Điều khiển thông qua nút ấn

3 Xây dựng mô hình thực nghiệm4 Đánh giá kết quả

Ngày giao đề tài: 17/07/2022 Ngày hoàn thành: 04/09/2022

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Nguyễn Việt Anh

Hình 1 3: Cấu trúc của IoT 8

Hình 2 3: Module relay 1 kênh 5V-220V 10A 15

Hình 2 4: Module NodeMCU ESP8266 15

Hình 2 5: Bóng đèn 15

Hình 2 6: Công tắc 15

Hình 2 7: Module NodeMCU ESP8266 CP2102 16

Hình 2 8: Lưu đồ thuật toán 17

Hình 2 15: Giao diện sau khi cài đặt 27

YHình 3 1: Mặt trước của mô hình 28

Hình 3 2: Mặt sau mô hình 29

Hình 3 3: Mô hình khi chưa nhấn công tắc 29

Hình 3 4: Công tắc trên app chưa được bật 30

Hình 3 5: Công tắc trên app được bật lên 31

Hình 3 6: Đèn khi được bật 32

Lời nói đầu

Trong những năm gần đây, IoT đang là một khái niệm quen thuộc, là câu "cửa miệng" trong các hội thảo về khoa học công nghệ Việc ứng dụng IoT vào mọi mặt của đời sống đang trở nên vô cùng cấp bách và cần thiết Theo xu hướng đó nhóm em

quyết định chọn Đề tài: Thiết kế ổ cắm điện thông minh Với mục đích có được kiến

thức nền tảng của môn học, làm nền cho các dự án lớn hơn sau này như ngôi nhà thông minh, hay điều khiển trong công nghiệp sử dụng IOTs,

Ngoài việc hoàn thành báo cáo với những công việc trên thì nó còn có ý nghĩa sâu sắc đối với sinh viên thực hiện Một lần nữa sinh viên được thực hành những kiến thức học được từ ghế nhà trường sẽ giúp hình thành những sản phẩm công nghiệp, được sử dụng, cầm tay lắp những cảm biến mà từ trước chỉ nằm trên trang giấy Trong quá trình tiến hành không thể không gặp những khó khăn vấp phải, Tuy nhiên do hạn chế về kinh nghiệm thực tế và thời gian thực hiện nên việc giải quyết đề tài không thể tránh khỏi những thiếu sót Do đó rất mong sự chỉ bảo thêm của thầy.

Downloaded by TOM BOY (tomboy2@gmail.com)

Chương 1: Tổng quan về ổ cắm điện thông minh 1.1 Khái niệm về thiết bị thông minh

Thiết bị điện thông minh cho phép kết nối các thiết bị trong nhà với nhau để tạo thành một mạng lưới thuận tiện cho việc giám sát, điều khiển từ xa và có khả năng tự động xử lý và thông báo đến cho người dùng Đem lại sự an toàn, tiện nghi và tiết kiệm

1.2 Ổ cắm điện thông minh

Ổ cắm thông minh là loại công tắc giúp người dùng có thể đóng/mở các thiết bị điện như: Bóng đèn, quạt, thông qua thao tác cực kì đơn giản là chạm vào phím cảm ứng hoặc có thể điều khiển từ xa bằng điện thoại hay máy tính bảng.

Ổ cắm điện thông minh là thiết bị điện thông minh cho phép người sử dụng có thể điều khiển, giám sát hoạt động đối tượng cần điều khiển bằng cách trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua wifi, bluetooth,…

Nguyên lí hoạt động

Ổ cắm điện có nguyên lý hoạt động tương đối đơn giản:

Bên trong ổ cắm điện thông minh được tích hợp một công tắc ( relay, triac,…) Hình 1.1 Công tắc thông minhHình 1 1: Ổ cắm thông minh

Khi chúng ta đóng công tắc: cực động sẽ tiếp xúc với cực tĩnh làm kín mạch cho dòng điện chạy qua và thiết bị sẽ hoạt động, gửi tín hiệu điến vi điều khiển.

Khi cắt công tắc: cực động tách khỏi cực tĩnh làm hở mạch sẽ làm ngắt điện khỏi thiết bị, gửi tín hiệu đến vi điều khiển.

Thiết lập nút ấn online trên các app để có thể điều khiển được thiết bị thông qua việc giao tiếp và đồng bộ dữ liệu của vi điều khiển.

Ngoài ra, khi bạn ra khỏi nhà vẫn có thể điều khiển các thiết bị trong nhà được, đây là đặc điểm mà rất nhiều người yêu thích và tin dùng.

Ưu điểm:

- An toàn, chống rò rỉ điện

Ổ cắm thông minh hoàn toàn cách điện giúp hạn chế tối đa trường hợp chập cháy, rò rỉ điện, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người sử dụng.

Trong trường hợp có sự cố điện, bạn hoàn toàn có thể dùng điều khiển từ xa để ngắt điện mà không cần dùng tay bấm/ gạt/ tút dây khỏi ổ trực tiếp như Ổ cắm cơ truyền thống.

- Điều khiển mọi lúc, mọi nơi

Với tính năng điều khiển từ xa, bạn sẽ không cần di chuyển đến tận nơi có ổ cắm nhiều lần để bật/ tắt/ kết nối thiết bị Đặc biệt với những ai hay quên thì Ổ cắm thông minh sẽ là giải pháp tối ưu.

Những lúc ở xa nhà, bạn chỉ cần chạm vào màn hình điện thoại hoặc máy tính bảng là có thể dễ dàng tắt các thiết bị không cần thiết Nhờ đó mà tiết kiệm được điện năng đồng thời nâng cao tuổi thọ cho các thiết bị điện tử trong nhà Ngoài ra bạn có thể chia sẻ thiết bị kết nối trong nhà giữa các thành viên trong gia đình mà không cần kết nối một thiết bị nhiều lần.

Dễ lắp đặt, cài đặt, cấu hình thiết bị, bất cứ thợ điện hoặc người dùng hiểu cơ bản về điện đều có thể lắp đặt được.

- Không cần phát sinh thêm bộ điều khiển trung tâm để chuyển ngôn ngữ truyền thông sang router wifi.

- Không bị phụ thuộc vào bộ điều khiển trung tâm Khi bộ điều khiển

Downloaded by TOM BOY (tomboy2@gmail.com)

trung tâm hỏng hoặc mất kết nối, mọi công tắc vẫn hoạt động độc lập - Không bị hiện tượng thắt nút cổ chai khi phát sinh lỗi.

Nhược điểm: Giá thành khá cao.Ứng dụng:

Ổ cắm thông minh được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, ngành nghề, có thể sử dụng theo từng mục đích khác nhau.

Ứng dụng Ổ cắm thông minh trong biệt thự, nhà ở, khu dân cư: Dùng làm công tắc cho hệ thống đèn chiếu sáng như ở cổng nhà, sân vườn, ban công, hoặc ở những nơi bạn không tiện dùng tay để bật/tắt điện, hay không thể thao tác trong một số trường hợp xác định khác.

Ứng dụng trong các nhà hàng, quán rượu, khách sạn: Dùng làm công tắc cho các hệ thống chiếu sáng, hệ thống máy điều hòa, máy nóng lạnh Cho phép bạn kiểm tra và giám sát hoạt động của các thiết bị một cách dễ dàng Có thể ngắt hoạt động của các thiết bị ở những phòng trống hay ở những khu vực cần thiết khác nhờ những cảm biến tự động hay điều khiển từ xa.

Ứng dụng của Ổ cắm thông minh trong nông nghiệp: Dùng để bật tắt máy tưới, máy sục khí hồ cá, soi sáng vườn tược, máy ấp,… một cách tự động.

1.3 IoT

1.3.1 Khái niệm về IoT

IoT viết tắt Internet of Things là mạng lưới thiết bị kết nối Internet hay Internet kết nối vạn vật Trong đó toàn bộ vật dụng được tích hợp các bộ phận điện tử, phần mềm, cảm biến để trở nên thông minh hơn.[ CITATION Ngu15 \l 1033 ]

Hình 1 2: IoTs

Ứng dụng của IoT trong đời sống : các thiết bị trong nhà thông minh, thiết bị theo dõi sức khỏe, thành phố thông minh hay là trang trại thông minh,…

IoT giúp việc theo dõi, điều khiển, truy cập, thu thập số liệu một cách chính xác và nhanh chóng ở mọi lúc mọi nơi là xu hướng phát triển của thế giới.

1.3.2 Cấu trúc của IoT

Cấu trúc của IoT gồm có 4 giai đoạn đó là: lớp cảm biến, lớp mạng, lớp xử lí dữ liệu và lớp thực thi thông minh.

Lớpcảm

Hình 1.3 Cấu trúc của IoT Hình 1 3: Cấu trúc của IoT

Downloaded by TOM BOY (tomboy2@gmail.com)

biến:

Là các cảm biến nhận diện được những thay đổi thông số vật lí của môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng,…và gửi dữ liệu thu thập được qua mạng

Lớp mạng:

Là mạng lưới mạng internet, mạng nội bộ có chức năng tổng hợp, chuyển đổi dữ liệu analog của cảm biến sang digital và truyền dẫn dữ liệu đó

Lớp xử lí dữ liệu:

Đây là nơi xử lí các dữ liệu của IoT Tại đây, dữ liệu được tiếp nhận sau đó phân tích và xử lí trước khi gửi dữ liệu đến trung tâm dữ liệu, đây còn là nơi dữ liệu được theo dõi và quản lí.

Lớp thực thi thông minh:

Đây là lớp cuối cùng của IoT, là nơi dữ liệu đã được xử lí sẽ ứng dụng vào các mục đích như chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, chăn nuôi, nhà ở,…

1.4 Giao tiếp thế giới thực1.4.1 Khái niệm về WIFI

WIFI viết tắt của từ Wireless Fidelity là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến, giống như điện thoại, truyền hình và radio.

Hệ thống này đã được sử dụng rất phổ biến ở nhiều quốc gia vùng lãnh thổ, trong nhiều lĩnh vực khác nhau như kinh doanh, hộ gia đình, và các điểm phát WIFI công cộng.

Hình 1 4: Wifi

Các sóng vô tuyến sử dụng cho WIFI gần giống với các sóng vô tuyến sử dụng cho các thiết bị như điện thoại, truyền hình, … nó có thể chuyển và nhận sóng vô tuyến, chuyển đổi các mã nhị phân 1 và 0 sang sóng vô tuyến và ngược lại

Tuy nhiên, sóng Wifi có một số khác biệt so với các sóng vô tuyến khác ở chỗ: - Chúng truyền và phát tín hiệu ở 2,4GHz, 5GHz, 60GHz, có thể thấy tần số này

cao hơn so với tần số được sử dụng trong điện thoại 50MHz và radio 100MHz Chuẩn Wi-Fi 802.11:

- Chuẩn 802.11b là phiên bản đầu tiên trong lĩnh vực này Đây là một chuẩn chậm nhất và rẻ nhất, nên nó ít phổ biến hơn so với các chuẩn khác.

- Chuẩn 802.11n cũng phát ở tần số 2,4 GHz, nhưng nhanh hơn - Chuẩn 802.11a, tốc độ xử lý đạt 300 megabit/s.

- Chuẩn 802.11ac phát ở tần số 5 GHz - Chuẩn 802.11ad phát ở tần số 60 GHz.

1.4.2 Khái niệm về Internet

Internet là một hệ thống thông tin toàn cầu, có thể được truy nhập công

cộng gồm nhiều mạng máy tính được liên kết với nhau Hệ thống này sẽ truyền thông

Downloaded by TOM BOY (tomboy2@gmail.com)

tin theo kiểu chuyển gói dữ liệu (packet switching) dựa trên một giao thức liên mạngđã được chuẩn hóa (địa chỉ IP) Hệ thống này bao gồm hàng ngàn mạng máy tính

nhỏ của các doanh nghiệp, các viện nghiên cứu và các trường đại học hay của người dùng cá nhân.

Chuyển gói dữ liệu (packet switching) là một loại kĩ thuật gửi dữ liệu từ máy

tính nguồn tới nơi nhận (máy tính đích) qua mạng dùng một loại giao thức thoả mãn 3 điều kiện sau:

- Dữ liệu cần vận chuyển được chia nhỏ ra thành các gói có kích thước và định dạng xác định.

- Mỗi gói như vậy sẽ được chuyển riêng rẽ và có thể đến nơi nhận bằng các đường truyền khác nhau Như vậy, chúng có thể dịch chuyển trong cùng thời điểm

- Khi toàn bộ các gói dữ liệu đã đến nơi nhận thì chúng sẽ được hợp lại thành dữ liệu ban đầu.

Hình 1 5:Internet

Địa chỉ IP bất kỳ thiết bị mạng nào bao gồm bộ định tuyến, bộ chuyển mạch

mạng, máy vi tính, máy chủ hạ tầng, máy in, máy fax qua Internet, và vài loại điện thoại tham gia vào mạng đều có địa chỉ riêng, và địa chỉ này là đơn nhất trong phạm vi của một mạng cụ thể Vài địa chỉ IP có giá trị đơn nhất trong phạm vi Internet toàn cầu, trong khi một số khác chỉ cần phải đơn nhất trong phạm vi một công ty.

Hình 1 6: Địa chỉ IP

1.5 Độ an toàn và tính bảo mật của Ổ cắm điện thông minh1.5.1 Độ an toàn

Vấn đề an toàn với các thiết bị điện thông minh, người dùng không cần phải chạm tay trực tiếp vào ổ cắm để kết nối và bật tắt các thiết bị mà chỉ cần một cái chạm nhẹ trên smartphone hoặc có thể điều khiển bằng giọng nói.

Trong trường hợp bắt buộc phải chạm vào công tắc để tắt bật thiết bị thì khi đó các nút công tắc thông minh cũng sẽ được làm bằng mặt kính cách điện cạnh cổ cắm Do đó, bàn tay của người dùng sẽ không tiếp xúc trực tiếp với nguồn điện, trách được rủi ro điện giật.

Sử dụng nguồn internet riêng cho hệ thống công tắc thông minh Vì khi sử dụng chung hệ thống internet rất dễ bị người lạ truy cập vào để hệ thống công tắc thông minh, làm mất tính bảo mật của hệ thống.

Downloaded by TOM BOY (tomboy2@gmail.com)

Đặt mật khẩu mạnh sử dụng kí tự đặc biệt, số, chữ viết hoa để tăng tính bảo mật cho hệ thống

Chương 2: Thiết kế Ổ cắm thông minh điều khiển bóng đèn 2.1 Ứng dụng Blynk

Với đề tài về công tắc thông minh này, nhóm quyết định sẽ tạo ra 1 mô hình công tắc thông minh với chức năng cơ bản là có thể điều khiển từ xa (qua app Blynk) và điều khiển trực tiếp bằng công tắc vật lý.

Blynk là một phần mềm mã nguồn mở được thiết kế cho các ứng dụng IoT(Internet of Things) Ứng dụng giúp người dùng điều khiển phần cứng từ xa, có thể hiển thị dữ liệu cảm biến, lưu trữ dữ liệu, biến đổi dữ liệu hoặc làm nhiều việc khác Nền tảng Blynk có ba phần chính:

- Blynk App – Ứng dụng Blynk cho phép khởi tạo giao diện cho các dự án - Blynk Server – Chịu trách nhiệm giao tiếp qua lại hai chiều giữa điện thoại và

phần cứng.

- Blynk Library – Thư viện chứa các nền tảng phổ biến, giúp việc giao tiếp phần cứng với Server dễ dàng hơn.

2.2 Sơ đồ khối của mô hình

Hình 2 2: Sơ đồ khối

2.3 Nguyên lí hoạt động của mô hình

Module thu/phát wifi esp 8266 NodeMCU sẽ kết nối router wifi để gửi dữ liệu đến Blynk server thông qua mã “auth token” nhận được Dữ liệu được gửi từ module NodeMCU và app Blynk sẽ được đồng bộ Sau đó từ Blynk server, module NodeMCU sẽ đọc dữ liệu và điều khiển ON/OFF bóng đèn ( khi điều khiển trên app Blynk) Còn app Blynk, từ Blynk server cũng sẽ đọc dữ liệu và hiển thị trên app Blynk ( khi điều khiển bằng công tắc vật lý).

Vi điều khiển sẽ thực hiện chương trình đã được nạp vào từ trước đó để đưa tín

2.4 Tính toán thiết kế hệ thống điều khiển 2.4.1 Lựa chọn thiết bị có trong mô hình

Thông số kỹ thuật Module ESP 12F

- Phiên bản firmware: Node MCU - Chip nạp và giao tiếp UART: CH340

- GPIO tương thích hoàn toàn với firmware - Node MCU - Cấp nguồn: 3.3VDC

- GIPO giao tiếp mức 3.3VDC.

- Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash - Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino.

 Relay SDR chân 5v 10A

Mô tả sản phẩm:

Relay 5 chân SRD 12VDC là loại linh kiện đóng ngắt điện cơ đơn giản Nó gồm 2 phần chính là cuộn hút và các tiếp điểm.

Hình 2.10 Diode Hình 2.9 AMS 1117

Hình 2.9 Mạch nguồn 5v 600mA Hình 2.10 Transistor C1815

 - Dòng AC max: 10 A

 - Dòng AC min: 6 A

 - Diameter, PCB hole: 1.3 mm

 - Length / Height, external: 22 mm

 - Material, contact: Silver alloy

Điện trở là sự cản trở dòng điện của một vật dẫn điện, nếu một vật dẫn điện tốt thì điện trở nhỏ, vật dẫn điện kém thì điện trở lớn, vật cách điện thì điện trở là vô cùng lớn.

Giá trị điện trở đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện của điện trở Yêu cầu cơ bản đối với giá trị điện trở đó là ít thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm và thời gian, Điện trở dẫn điện càng tốt thì giá trị của nó càng nhỏ và ngược lại.

 Nút ấn 4 chân

Thông số kỹ thuật:

- Nút nhấn không giữ, sử dụng cho điều khiển mạch, reset, - Sử dụng làm nút nguồn, nút nhấn trong các mạch điện tử

 Opto PC817

PC817 là một opto được sử dụng rất phổ biến, nó chứa một LED hồng ngoại và một transistor quang trong một gói Opto hay còn được gọi là cách ly quang là những linh kiện dạng IC có từ 4 chân đến nhiều chân, chủ yếu được sử dụng để cách ly hai mạch với nhau

Hoạt động của nó rất đơn giản, khi một điện áp được đặt vào LED hồng ngoại được nối trên chân 1 và 2, LED sẽ được kích hoạt và ánh sáng được nhận bởi transistor quang bên trong làm cho nó ở trạng thái bão hòa từ đó nối chân 3 và 4 với nhau PC817 là một opto được sử dụng rộng rãi và ho t đ ng trong ạ ộ m ch đi n t ch v i nhi m v cách ly Nếếu b n cầần nhiếầu tác v cách ly h nạ ệ ử ỉ ớ ệ ụ ạ ụ ơ cùng lúc thì b n cũng có th s d ng các opto khác có ch a vài LED hồầng ạ ể ử ụ ứ ngo i và transistor quang trong m t gói duy nhầếtạ ộ .

Thông số kỹ thuật PC817

Loại gói: Dip 4 chân và SMT Loại transistor: NPN

Dòng cực góp tối đa (IC): 50mA

Điện áp cực góp - cực phát tối đa (VCEO): 80V Điện áp bão hòa cực góp - cực phát: 0,1 đến 0,2 Điện áp cực phát - cực gốc tối đa (VEBO): 6V Công suất tiêu tán cực góp tối đa (Pc): 200 mW

Nhiệt độ lưu trữ và hoạt động phải là: -55 đến +120 độ C để lưu trữ và -30 đến +100 để hoạt động

 Tụ SMD

Tụ dán (hay tụ điện dán smd) về cơ bản giống như tụ điện thông thường Tuy nhiên về hình dáng bên ngoài thay vì có chân thì nó được làm liền thành một khối ở hai đầu.

Tụ dán được sử dụng với số lượng lớn trong sản xuất các thiết bị điện tử.