Tài liệu về đồ án "Nhà thông minh điều khiển bằng Blynk sử dụng ESP32" là tài liệu mô tả chi tiết về một dự án thực tế về việc xây dựng một hệ thống nhà thông minh sử dụng vi điều khiển ESP32 và ứng dụng điều khiển từ xa Blynk. Trong tài liệu này, bạn sẽ tìm thấy thông tin về cấu trúc của hệ thống nhà thông minh, bao gồm các thiết bị như cảm biến, thiết bị điều khiển, ESP32, module kết nối Wi-Fi, và ứng dụng Blynk trên điện thoại hoặc máy tính bảng. Tài liệu sẽ mô tả cụ thể về cách kết nối, cài đặt và lập trình ESP32 để tương tác với ứng dụng Blynk và điều khiển các thiết bị trong nhà thông minh. Ngoài ra, tài liệu cũng sẽ hướng dẫn về cách thiết kế giao diện trực quan trên ứng dụng Blynk để người dùng có thể dễ dàng điều khiển các thiết bị trong nhà thông minh. Bạn cũng sẽ tìm thấy thông tin về cách thiết lập các chức năng tự động hoặc hẹn giờ trên ứng dụng Blynk để tối ưu hóa việc sử dụng hệ thống. Tài liệu này sẽ giúp bạn hiểu rõ về cách tích hợp ESP32 và ứng dụng Blynk để xây dựng một hệ thống nhà thông minh hiệu quả và dễ dàng sử dụng.
KHẢO SÁT – PHÂN TÍCH YÊU CẦU CÔNG NGHỆ
Đặt vấn đề
Nhà thông minh là một trong những giải pháp công nghệ tiên tiến, giúp cho cuộc sống của bạn trở nên thuận tiện và thoải mái hơn Dù bạn đang đi làm hoặc ở trong nhà cũng có thể dễ dàng ra lệnh cho các thiết bị tự động bật/ tắt.
Những lợi ích chính của việc đặt tất cả các thiết bị được kết nối từ xa này trong nhà của bạn là sự tiện lợi, an ninh và tiết kiệm năng lượng Cụ thể, chúng ta có thể kể đến những ưu điểm tuyệt vời như sau:
Bằng cách tự động hóa nhiều công việc hàng ngày, các thiết bị điều khiển nhà thông minh có thể giúp ngôi nhà của bạn hoạt động trơn tru hơn
Nhà thông minh điều khiển bằng giọng nói tự động có thể khởi động máy pha cà phê của bạn, bật đèn, cài đài phát thành đài yêu thích của bạn, thậm chí vòi hoa sen sẽ mở cho bạn ngay khi chuông báo thức kêu Smart home mang lại sự tiện lợi khi trải nghiệm các thiết bị thông minh trong nhà của bạn.
Thông qua kết nối của ngôi nhà thông minh Google với Internet, bạn luôn có thể biết những gì đang diễn ra trong nhà ngay cả khi bạn không ở đó
Camera an ninh thông minh cho phép bạn xem nguồn cấp dữ liệu trực tiếp từ phòng khách, hoặc sân sau trên điện thoại thông minh của mình
Cảm biến thông minh có thể gửi cảnh báo đến điện thoại của bạn nếu có chuyển động trong nhà của bạn hoặc khi cửa mở
Khóa cửa thông minh có thể cho bạn biết ai đã về nhà và khi nào (tiện dụng để theo dõi những đứa trẻ sử dụng chìa khóa chốt cửa, ngoài ra không cần phải lo lắng về việc chúng làm mất chìa khóa).
Bật hệ thống sưởi hoặc máy lạnh trên đường về nhà, bằng bộ điều chỉnh nhiệt thông minh thông qua điện thoại thông minh một cách dễ dàng.
Nhờ kết nối internet, bạn có thể quản lý tất cả các thiết bị tiêu thụ năng lượng một cách dễ dàng từ điện thoại thông minh của mình Đặt các thiết bị sử dụng nhiều theo lịch trình để chúng chỉ chạy khi được yêu cầu
Nhờ đó tiết kiệm năng lượng, quản lý từng phòng trong nhà của bạn để nó chỉ sáng và ấm khi được sử dụng Và theo dõi lượng năng lượng mà nhà bạn đang sử dụng bằng phích cắm thông minh, để bạn có thể biết nơi để cắt giảm chi phí điện hợp lý.
Lí do chọn đề tài
Nhà thông minh (smarthome) là ngôi nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử để có thể điều khiển các thiết bị trong nhà (chiếu sáng, rèm cửa, bình nóng lạnh, điều hòa, hệ thống âm thanh đa vùng…) một cách tự động hoặc qua điện thoại thông minh kết nối internet Nói cách khác, nhà thông minh ứng dụng công nghệ thông tin và thiết bị điện tử để việc điều khiển ngôi nhà trở nên dễ dàng hơn.
Hình 1.1 Điều khiển toàn bộ thiết bị bằng điện thoại thông minh
Nhà thông minh có thể dễ dàng điều khiển chỉ với 1 chiếc smartphone thông qua việc kết nối với hệ thống điều khiển bằng wifi hoặc thông qua kết nối Bluetooth.
Chúng ta có thể hiểu nhà thông minh là một chỉnh thể mà trong đó tất cả các thiết bị điện tử gia dụng đều được kết nối với thiết bị điều khiển trung tâm và có thể phối hợp với nhau để cùng thực hiện một chức năng.Các thiết bị này có thể đưa ra cách xử lí tình huống được lập trình trước hoặc được điều khiển giám sát từ xa nhằm mục đích tạo cho con người một cuộc sống ngày càng tiện nghi an toàn.
Phạm vi ứng dụng đề tài
Qua sự nghiên cứu phát triển không ngừng nhờ ứng dụng các công nghệ như hồng ngoại, điện thoại thông minh, IoT, công nghệ đám mây…nhà thông minh có thể tự động giúp bạn làm những công việc trong nhà như tự động hút bụi, tự động bật máy giặt Ngày nay bạn có thể ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để điều khiển ngôi nhà bằng giọng nói.
Các thành phần của hệ thống nhà thông minh bao gồm các cảm biến (như cảm biến nhiệt dộ, cảm biến ánh sáng hoặc do cử chỉ), các bộ điều khiển hoặc máy chủ và các thiết bị chấp hành khác Nhờ hệ thống cảm biến, các bộ điều khiển và máy chủ có thể theo dõi các trạng thái bên trong ngồi nhà để đưa ra các quyết định điều khiển các thiết bị chấp hành một cách phù hợp nhằm đảm bảo môi trường sống tốt nhất cho con người.
Ngoài ra, cùng với sự phát triển của các thiết bị điện tử cá nhân như máy tính bảng và điện thoại thông minh cùng hạ tầng thông tin ngày càng tiên tiến như internet hoặc các mạng thông tin di động wifi, 3G, 4G, ngày nay các hệ thống nhà thông minh còn cung cấp khả năng tương tác với người sử dụng thông qua các giao diện cảm ứng trên smart phone cho phép con người có thể giám sát và điều khiển ngôi nhà từ bất cử đầu.
Tùy theo theo nhu cầu, người sử dụng có thể cấu hình hệ thống theo kịch bản bất kì như lập trình hẹn giờ tắt đèn khi ngủ, hoặc quên tắt tivi, kéo rèm của số, khi tới nơi làm việc, họ có điều khiển qua điện thoại smartphone để điều khiển từ xa Tùy theo mức độ sử dụng mà mức giá của Nhà Thông Minh sẽ dao động từ vài triệu đến vài trăm triệu đồng cho một ngôi nhà.
Yêu cầu công nghệ
Điều khiển thiết bị điện tử từ xa: người dùng có thể dễ dàng bật/tắt và điều chỉnh các thiết bị điện tử trong nhà qua app blink mà không cần phải có mặt tại đó Ví dụ, bạn có thể bật/tắt bình nóng lạnh trước khi về nhà để có nước nóng sẵn sàng.
Giám sát các thiết bị từ xa: người dùng có thể giám sát nhiệt độ, độ ẩm trong nhà qua app blynk.
Hệ thống cảnh báo: hệ thống báo cháy tự động sẽ gửi tin nhắn sms và gọi điện báo đến cho người dùng trong trường hợp có sự cố hỏa hoạn sảy ra, từ đó giảm được các thiệt hại không mong muốn. Điều khiển các thiết bị trong nhà: quạt, đèn, thông qua hệ thống nút nhấn.
Tổng quan về đề tài
Mô hình nhà thông minh là một đề tài thú vị trong lĩnh vực thiết kế Nhà thông minh là một hệ thống tự động hoá được tích hợp công nghệ thông tin và truyền thông để cung cấp sự tiện nghi, an toàn và tiết kiệm năng lượng cho người sử dụng Mô hình nhà thông minh thường bao gồm các thiết bị và cảm biến kết nối với nhau thông qua mạng internet, cho phép người dùng điều khiển và giám sát từ xa các chức năng trong nhà như ánh sáng, nhiệt độ, an ninh và giải trí Điều này mang lại sự thuận tiện và tiết kiệm thời gian cho người sử dụng Mô hình nhà thông minh cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường sự kết nối và giao tiếp giữa con người và công nghệ, đồng thời đóng góp vào việc phát triển bền vững và thông minh của các đô thị hiện đại
Lựa chọn phương án thiết kế
Với đề tài thiết kế mô hình nhà thông minh( SMART HOME) để đáp ứng các yêu cầu công nghệ đề ra nhóm 1 chúng em quyết định lựa chọn phương án: thiết kế mô hình nhà thông minh gồm 2 phần: phần hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị trong nhà, phần hệ thống báo cháy tự động qua sms.
Hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị trong nhà của mô hình sẽ gồm:
- Hệ thống điều khiển: Hệ thống điều khiển có thể được điều khiển từ xa thông qua điện thoại thông minh sử dụng module esp32.
- Cảm biến: cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 để đo nhiệt độ và độ ẩm trong nhà.
- Thiết bị điều khiển: quạt, đèn chiếu sáng
Hệ thống báo cháy tự động qua sms :
- Hệ thống điều khiển: sử dụng vi điều khiển 16f877a
- Cảm biến: cảm biến nhiệt độ lm35 và cảm biến khí gas MQ2
- Thiết bị điều khiển: module sim800l
PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ SẢN PHẨM
Sơ đồ bố chí thiết bị
Hình 2.1: sơ đồ bố trí thiết bị
Mạch điều khiển và động lực
2.2.2 Mạch điều khiển và động lực a) Mạch diều khiển và động lực phần điều khiển chiếu sáng và dộ ẩm từ xa
Hình 2.3: Sơ đồ động lực và điều khiển b) Sơ đồ nguyên lý của mạch báo cháy
Hình 2.4 : Sơ đồ nguyên lý của mạch báo cháy
2.2.3 Lựa chọn thiết bị a, Hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị trong nhà
ESP32 là một series các vi điều khiển trên một vi mạch giá rẻ, năng lượng thấp có hỗ trợ WiFi và dual-mode Bluetooth Dòng ESP32 sử dụng bộ vi xử lý Tensilica Xtensa LX6 ở cả hai biến thể lõi kép và lõi đơn, và bao gồm các công tắc antenna tích hợp,
RF balun, bộ khuếch đại công suất, bộ khuếch đại thu nhiễu thấp, bộ lọc và module quản lý năng lượng.
Các tính năng của ESP32 bao gồm:
CPU: Bộ vi xử lý Xtensa lõi kép (hoặc lõi đơn) 32-bit LX6, hoạt động ở tần số
240 MHz (160 MHz cho ESP32-S0WD và ESP32-U4WDH) và hoạt động ở tối đa 600 MIPS (200 MIPS với ESP32-S0WD/ESP32-U4WDH)
Bộ đồng xử lý (co-processor) công suất cực thấp (Ultra low power, viết tắt: ULP)
Hệ thống xung nhịp: CPU Clock, RTC Clock và Audio PLL Clock
Bộ nhớ nội: 448 KB bộ nhớ ROM và 520 KB bộ nhớ SRAM
Kết nối không dây: Wi-Fi: 802.11 b/g/n và Bluetooth: v4.2 BR/EDR và BLE
Hỗ trợ tất cả các tính năng bảo mật chuẩn IEEE 802.11, bao gồm WFA, WPA/ WPA2 và WAPI.
Secure boot (tạm dịch: khởi động an toàn)
1024-bit OTP, lên đến 768-bit cho khách hàng
Tăng tốc mã hóa phần cứng: AES, SHA-2, RSA, elliptic curve cryptography
Bộ ổn áp nội với điện áp rơi thấp (internal low-dropout regulator)
Miền nguồn riêng (individual power domain) cho RTC
Dòng 5 μA cho chế độ deep sleepA cho chế độ deep sleep
Trở lại hoạt động từ ngắt GPIO, timer, đo ADC, ngắt với cảm ứng điện dung
Hình 2.5: Sơ đồ chân esp 32
- Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11
DHT11 là một cảm biến kỹ thuật số giá rẻ để cảm nhận nhiệt độ và độ ẩm Cảm biến này có thể dễ dàng giao tiếp với bất kỳ bộ vi điều khiển vi nào như Arduino, Raspberry Pi, để đo độ ẩm và nhiệt độ ngay lập tức.
DHT11 là một cảm biến độ ẩm tương đối Để đo không khí xung quanh, cảm biến này sử dụng một điện trở nhiệt và một cảm biến độ ẩm điện dung.
Số chân Tên chân Mô tả
2 Data Đầu ra cả nhiệt độ và độ ẩm thông qua dữ liệu nối tiếp
3 NC Không có kết nối và do đó không sử dụng
Hình 2.6: Sơ đồ chân cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11
Thông số kỹ thuật DHT11
- Phạm vi cảm biến độ ẩm: 20% - 90% RH, sai số ±5%RH
- Phạm vi cảm biến nhiệt độ: 0°C ~ 50°C, sai số ±2°C
- Tần số lấy mẫu tối đa: 1Hz (1 giây 1 lần)
- Kích thước: 23 * 12 * 5 mm b, Hệ thống báo cháy tự động qua sms
PIC16F877A là một VI điều khiển PIC 40 chân và được sử dụng hầu hết trong các dự án và ứng dụng nhúng Nó có năm cổng bắt đầu từ cổng A đến cổng E Nó có ba bộ định thời trong đó có 2 bộ định thời 8 bit và 1 bộ định thời là 16 Bit Nó hỗ trợ nhiều giao thức giao tiếp như giao thức nối tiếp, giao thức song song, giao thus I2C. PIC16F877A hỗ trợ cả ngắt chân phần cứng và ngắt bộ định thời.
Kích thước bộ nhớ chương trình ( Kbyte ) 14
Tốc độ CPU tối đa ( MHz ) 20
Chọn chân ngoại vi ( PPS ) Không
Bộ tạo xê dịch bên trong Không
Số kênh ADC 14 Độ phân giải ADC tối đa ( bit ) 10
ADC với giám sát Không
Số bộ chuyển đổi DAC 0 Độ phân giải DAC tối đa 0
Tham chiếu điện áp nội bộ Có
Số bộ định thời 8 bit 2
Số bộ định thời 16 bit 1
Bộ định thời đo tín hiệu 0
Bộ định thời số lượng giới hạn phần cứng 0
Số đầu ra PWM 0 Độ phân giải PWM tối đa 10
Bộ định thời góc Không
Bộ tăng cường toán học Không
Bộ định thời giám sát có hành lang cửa số ( WWDT ) Không
Bộ tạo giao động được điều khiển bằng số 0
Nhiệt độ hoạt động giải trí tối thiểu ( * C ) – 40 Nhiệt độ hoạt động giải trí tối đa ( * C ) 125 Điện áp hoạt động giải trí tối thiểu ( V ) 2 Điện áp hoạt động giải trí tối đa ( V ) 5.5 Điện áp cao hoàn toàn có thể Không
Hình 2.7: sơ đồ chân vi điều khiển pic 16F877A
Dòng chờ : 10mA. Ứng dụng
Sữ dụng để cảnh báo từ xa thông qua mạng di dộng.
Điều khiển các thiết bị từ xa bằng cách sữ dụng SMS hoặc gọi điện thoại.
Phù hợp để sử dụng trong mục đích nghiên cứu học tập
Hình 2.8: Sơ đồ chân mudun SIM800L
- Module cảm biến phát hiện lửa
Module Cảm biến phát hiện lửa được trang bị một cảm biến tia lửa và bộ lọc kỹ thuật số (digital filter) để cho ra tín hiệu kỹ thuật số Ngoài ra, nó cũng có thể cho ra tín hiệu analog, vì vậy bạn có thể lựa chọn kiểu tín hiệu đầu ra thích hợp để xử dụng Bạn có thể kết nối tới cảm biến này với 4 chân header và tối thiểu là 3 chân
Ngoài ra, cảm biến phát hiện lửa cũng có thể phát hiện các nguồn sáng khách với bước sóng 760 nm ~ 1100 nm Cảm biến này hoạt động trong góc nhìn 60 độ Với độ nhạy đặc biệt với quang phổ ngọn lửa và lỗ gắn M3, bạn có thể dễ dàng kết hợp module này với những dự án của mình.
Phát hiện lửa và các nguồn sáng khác có bước sóng tương đương với 940nm
Giao tiếp:Analog hoặc digital
Khoảng cách phát hiện: 20cm (1V) ~ 100cm (4.8V)
Nhiệt độ hoạt động: -25 độ C đến +85 độ C
Hình 2.9: Module cảm biến phát hiện lửa
Mạch Giảm Áp LM2596 là module giảm áp có khả năng điều chỉnh được dòng ra đến 3A LM2596 là IC nguồn tích hợp đầy đủ bên trong Tức là khi cấp nguồn 9v vào module, sau khi giảm áp ta có thể lấp được nguồn 3A < 9v như 5V hay 3.3V Thông số kỹ thuật
Module nguồn không sử dụng cách ly
Kích thước mạch: 53mm x 26mm
2.2.4 Lưu đồ thuật toán a)Lưu đồ thuật toán điều khiển thiết bị chiếu sáng từ xa và tại chỗ b) Lưu đồ thuật toán điều khiển thiêt bị báo cháy qua SMS
Chương trình điều khiển hệ thống báo cháy.
Chương trình điều khiển và giám sát thiết bị qua internet
Giao diện cài đặt app blynk
THI CÔNG SẢN PHẨM
Bảng vật tư
stt Tên linh kiên Số lượng Ghi chú
3 Module cảm biến phát hiện lửa
4 Module cảm biến ánh sáng 1 Sử dụng quang trở
13 Bóng LED đơn 1 túi LED 2.5v (đèn báo)
14 Bóng LED NEON 12v Dài 5 m LED12v (đèn chiếu sáng)
15 Tấm fomex 1200 x 2400 mm Dày 5 mm
16 Dây dẫn điện Dài 15m Loại 0.3mm
Thi công sản phẩm
Hình 3.1: Sơ đồ PCB mạch điều khiển từ xa các thiết bị qua esp32 trước khi in
Hình 3.2: Sơ đồ PCB mạch điều khiển từ xa các thiết bị qua esp32 sau khi in
Hình 3.3: Sơ đồ PCB mạch báo cháy qua SMS trước khi in
Hình 3.4: Sơ đồ PCB mạch báo cháy qua SMS sau khi in
Bước 1: Kiểm tra linh kiện trước khi thi công.
Bước 3: Đo đặc cát tấm fomex làm mô hình.
Bước 4: Lắp mạch thử nghiệm trước khi lắp ráp vào mô hình (hàn mạch).
Bước 5: Lắp ráp các linh kiện vào mô hình theo sơ đồ bố trí thiết bị.
Bước 6: Kiểm tra sơ đồ đấu nối trước khi cấp điện.
Bước 7: Cấp nguồn và vận hành sản phẩm.