thiết kế hệ thống nhà thông minh ứng dụng iot

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN -ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÀ T

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN -ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN

VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH

ỨNG DỤNG IOT

Người hướng dẫn: TS Phạm Duy Dưởng Sinh viên thực hiện: Hoàng Quốc Việt

Nguyễn Chiến Thắng Mã sinh viên: 1911505510247

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA: ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

TÓM TẮT Tên đề tài: Thiết kế hệ thống nhà thông minh ứng dụng IOT Sinh viên thực hiện 1: Hoàng Quốc Việt MSV: 1911505510247 Sinh viên thực hiện 2: Nguyễn Chiến Thắng MSV: 1911505510141

Nhóm thực hiện đề tài: “Thiết kế hệ thống nhà thông minh ứng dụng IOT” sử dụng

Arduino để nhận dữ liệu từ thiết bị ngoại vi bên ngoài như: cảm biến, công tắc sau đó điều khiển các thiết bị điện theo yêu cầu, kết hợp điều khiển từ xa và điều khiển tại chỗ, giám sát hệ thống thông qua app Blynk

Xây dựng được một hệ thống quản lý, điều khiển, giám sát các thiết bị một cách thuận tiện và dễ dàng nhất

Từ đó, hoàn thiện, tiến hành vận hành hệ thống một cách tối ưu nhất và đúng với thực tế của đề tài Cùng với đó, sẽ đánh giá tính khả thi về các giải pháp đề ra sau khi hoàn thành đồ án

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ

THUẬT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

Thiết kế, hệ thống nhà thông minh ứng dụng IoT

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

- Sử dụng Arduino, app Blynk, kết hợp giữa điều khiển từ xa và điều khiển tại chỗ

3 Nội dung chính của đồ án:

Nội dung 1: Tổng quan về đề tài Nội dung 2: Tổng quan về vi điều khiển Arduino, phần mềm Arduino IDE Nội dung 3: Thiết kế và chế tạo phần cứng

Nội dung 4: Xây dựng chương trình điều khiển Nội dung 5: Kết luận, hướng phát triển

- Hệ thống nhà thông minh - Điều khiển và giám sát qua nút nhấn vật lý và màn hình LCD - Giao diện điều khiển và giám sát qua HMI

- Giao điện điều khiển và giám sát qua ứng dụng Blynk

LỜI NÓI ĐẦU

Sau hơn 4 năm học tại trường đại học Đồ án tốt nghiệp kỹ sư là môn học cuối cùng đánh dấu sự kết thúc quá trình rèn luyện và học tập các kiến thức cơ bản, đồng thời đã mở ra những con đường thực tế đi vào cuộc sống của chúng em trong tương lai Quá trình làm đồ án giúp chúng em tổng hợp, thu thập lại các kiến thức đã được học trong suốt những năm tháng qua, qua đó rèn luyện được những khả năng tính toán và giải quyết các vấn đề trong thực tế

Trong quá trình làm đồ án này chúng em gặp không ít những trở ngại và khó khăn do vốn kiến thức còn nhiều hạn chế Dù bận rộn rất nhiều công việc nhưng các Thầy Cô vẫn giành nhiều tâm huyết và thời gian để hướng dẫn chúng em Thầy Cô luôn quan tâm, hướng dẫn và sửa chữa những vấn đề quan trọng giúp chúng em định hướng và làm việc theo quan điểm đúng đắn, chính sự nhiệt huyết và tận tâm của Thầy đã giúp chúng em có được tinh thần, một niềm tin và khối kiến thức phong phú để đến ngày hôm nay đồ án tốt nghiệp của chúng em được hoàn thành

Với tất cả tấm lòng biết ơn sâu sắc, chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu cùng toàn thể quý Thầy Cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật – Đại Học Đà Nẵng, các Thầy Cô khoa Điện- Điện Tử, bộ môn Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa đã chân tình hướng dẫn, giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình học tập tại trường, đặc biệt là Thầy Phạm Duy Dưởng – Giảng viên hướng dẫn đồ án này

Sau cùng chúng em xin cảm ơn gia đình, người thân luôn bên cạnh ủng hộ và động viên Cảm ơn tất cả bạn bè đã gắn bó và cùng học tập, giúp đỡ chúng mình trong suốt thời gian qua, cũng như trong quá trình hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

TP Đà Nẵng, ngày tháng 12 năm 2023

Sinh viên thực hiện

Hoàng Quốc Việt_Nguyễn Chiến Thắng

CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đề tài Thiết kế hệ thống nhà thông minh ứng dụng IOT

được tiến hành một cách minh bạch, công khai Mọi thứ được dựa trên sự cố gắng cũng như sự nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ không nhỏ và hướng dẫn tận tình của thầy Phạm Duy Dưởng

Các số liệu và kết quả nguyên cứu được đưa ra trong đồ án là trung thực Những phần có sử dụng tài liệu tham khảo có trong đồ án đã được liệt kê và nêu rõ tại phần tài liệu tham khảo

Nếu như sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và chịu tất cả các kỹ luật của bộ môn cũng như nhà trường đề ra

Sinh viên thực hiện {Chữ ký và ghi rõ họ tên}

Hoàng Quốc Việt-Nguyễn Chiến Thắng

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 2

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 1

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 2

1.1 Tổng quan nhà thông minh 2

1.2 Lý do chọn đề tài 3

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài 3

1.3.1 Ý nghĩa khoa học 3

1.3.2 Thực tiễn đề tài 3

1.4 Đối tượng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu 4

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 4

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu 4

1.5 Mục tiêu nghiên cứu 4

1.6 Tổng quan phương án thiết kế 4

1.6.1 Tổng quan giải pháp nhà thông minh phù hợp 4

2.1 Tổng quan về vi điều khiển Arduino 9

2.1.1 Lịch sử ra đời của Arduino [4] 9

2.1.2 Khái niệm Arduino 9

2.1.3 Cấu tạo của Arduino 9

2.1.4 Ứng dụng của nền tảng Arduino 9

2.1.5 Khả năng kết nối của Arduino 10

2.2 Tổng quan về Arduino Uno R3 [3] 10

2.2.1 Tổng quan thông số của Arduino Uno R3 10

2.2.2 Sơ đồ chân của Arduino Uno R3 11

2.3 Tổng quan về ESP8266 [5] 13

2.3.1 Giới thiệu về ESP8266 13

2.3.2 Tổng quan về các phiên bản phổ biến của ESP8266 13

2.4 Tổng quan về ESP32 [6] 17

2.4.1 Cấu hình ESP32 17

2.4.2 Sơ đồ chân của ESP32 19

2.5 Tổng quan về phần mềm Arduino IDE [7] 22

2.5.1 Khái niệm phần mềm Arduino IDE 22

2.5.2 Hoạt động của Arduino IDE 23

2.5.3 Các chức năng của Arduino IDE 23

2.6 Tổng quan về phần mềm Blynk 27

2.6.1 Giới thiệu phần mềm Blynk 27

2.6.2 Cách sử dụng phần mềm Blynk 28

2.6.3 Cài đặt thư viện Blynk cho phần mềm Arduino IDE 30

CHƯƠNG 3:THIẾT KẾ HỆ THỐNG VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH 31

3.1 Thiết kế hệ thống 31

3.1.1 Tính toán, lựa chọn mạch điều khiển 31

3.1.2 Tính chọn module đo điện năng tiêu thụ 36

3.1.3 Tính chọn cảm biến phát hiện khí Gas [14] 37

3.1.4 Tính chọn động cơ cửa cho hệ thống cửa 38

3.1.5 Tính chọn camera cho hệ thống cửa 39

3.2 Quy trình công nghệ 40

3.2.1 Quy trình công nghệ 1 40

3.2.2 Quy trình công nghệ 2 40

3.2.3 Tiêu chí lựa chọn quy trình công nghệ 41

3.2.4 Lựa chọn quy trình công nghệ tối ưu 41

3.3 Chế tạo mô hình 41

3.3.1 Các thiết bị sử dụng trong mô hình 41

3.3.2 Thiết kế phần ứng 57

3.3.3 Thi công mô hình 58

CHƯƠNG 4:LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 62

4.1 Sơ đồ đấu nối 62

4.1.1 Sơ đồ mạch động lực 62

4.1.2 Sơ đồ mạch điều khiển 63

4.2 Bảng phân công vào ra 69

4.3 Lưu đồ thuật toán 71

4.3.1 Lưu đồ thuật toán chương trình chính 71

4.3.2 Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển bằng smartphone 72

4.3.3 Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển trực tiếp 74

4.3.4 Lưu đồ thuật toán chương trình cảm biến 74

4.3.5 Lưu đồ thuật toán chương trình camera 75

4.3.6 Chương trình điều khiển cửa 76

4.3.7 Chương trình cài đặt 77

4.4 Giao diện điều khiển, giám sát 78

4.4.1 Giao diện trên Smartphone 78

4.4.2 Giám sát trên HMI 80

4.5 Chương trình điều khiển 81

4.5.1 Chương trình điều khiển ESP32 Master 81

4.5.2 Chương trình điều khiển Arduino Uno Slave 1 81

4.5.3 Chương trình điều khiển ESP8266 Slave 2 81

4.5.4 Chương trình điều khiển ESP32 Slave 3 81

CHƯƠNG 5:THỬ NGHIỆM, PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT QUẢ 825.1 Thử nghiệm hệ thống 82

5.1.1 Đối tượng thử nghiệm: 82

5.1.2 Điều kiện thử nghiệm: 82

5.1.3 Quy trình thử nghiệm: 82

5.1.4 Thống kê kết quả: 82

5.2 Phân tích và đánh giá 87

5.2.1 Tốc độ kết nối wifi của các bộ điều khiển 87

5.2.2 Tốc độ phản hồi lệnh điều khiển của hệ thống 87

5.3 Kết quả 87

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

PHỤ LỤC 1

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Mô hình tổng quát nhà thông minh [1] 2

o Hình 1.2: Sơ đồ cấu hình 2 dây RS485 6

Hình 1.3: Sơ đồ cấu hình 4 dây RS485 7

Hình 2.1: Arduino Uno R3 11

Hình 2.2: Sơ đồ chân của Arduino Uno R3 12

Hình 2.3: Sơ đồ chân Module ESP8266 ESP-01 13

Hình 2.4: Module Wifi ESP8266-12E 14

Hình 2.5: Sơ đồ chân Module ESP8266 NodeMCU 15

Hình 2.6: Sơ đồ chân Wemos D1 Mini 16

Hình 2.7: Sơ đồ chân NodeMCU ESP32 17

Hình 2.8: Sơ đồ chân Module ESP32 19

Hình 2.9: Thanh cửa sổ window bar 23

Hình 2.18: Tạo Project mới 29

Hình 2.19: Gửi Auth Token về Gmail 29

Hình 2.20: Chọn Widget Box 30

Hình 2.21: Chọn pin cho khối Widget Box 30

Hình 2.22: Cài đặt thư viện Blynk cho phần mềm Arduino IDE 30

Hình 3.1: Arduino ESP32-WROOM-32E 31

Hình 3.2: Module chuyển đổi TTL sang RS-485 MAX485 RS485 32

Hình 3.3: Công tắc cảm ứng 33

Hình 3.4: Module Relay 5V 34

Hình 3.5: Sơ đồ chân Module Relay 5 V 35

Hình 3.6: Bộ chuyển đổi nguồn 220 VAC-5 VDC 2 A 36

Hình 3.7: Module đo điện AC PZEM-004T 36

Hình 3.8: Cảm biến phát hiện khí Gas MP-2 37

Hình 3.9: Motor cổng cánh tay đòn QK_E400 38

Hình 3.10: ESP32_CAM 39

Hình 3.11: Arduino Uno R3 41

Hình 3.12: Module ESP8266 WIFI NodeMCU 43

Hình 3.13: Module ESP32-CAM 44

Hình 3.14: Cảm Ứng 1 Chạm Điện Dung TTP223B Mini 46

Hình 3.15: Module Cảm Biến Thẻ Từ RFID MFRC-522 RC522 46

Hình 3.30: Sơ đồ khối mô hình hệ thống 57

Hình 3.31: Sơ đồ khối điều khiển trung tâm 58

Hình 3.32: Phác thảo mô hình 58

Hình 3.33: Hình ảnh tủ điều khiển ESP32 Master 59

Hình 3.34: Hình ảnh tủ điều khiển Arduino Uno Slave 1 59

Hình 3.35: Hình ảnh tủ điều khiển ESP8266 Slave 2 60

Hình 3.36: Hình ảnh tủ điều khiển ESP32 Slave 3 60

Hình 3.37: Hình ảnh hoàn thiện mô hình hệ thống 61

Hình 4.1: Sơ đồ mạch động lực 62

Hình 4.2: Sơ đồ đấu nối ESP32_MASTER 64

Hình 4.3: Sơ đồ đấu nối UNO_SLAVE 1 65

Hình 4.4: Sơ đồ đấu nối ESP8266_SLAVE 2 67

Hình 4.5: Sơ đồ đấu nối ESP32_SLAVE 3 68

Hình 4.6: Sơ đồ đấu nối ESP32 CAM_SLAVE 4 69

Hình 4.7: Lưu đồ thuật toán chương trình chính mô hình hệ thống 72

Hình 4.8: Lưu đồ thuật toán chế độ điều khiển bằng smartphone 73

Hình 4.9: Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển trực tiếp 74

Hình 4.10: Lưu đồ thuật toán chương trình cảm biến 75

Hình 4.11: Lưu đồ thuật toán chương trình camera 75

Hình 4.12: Chương trình điều khiển cửa 76

Hình 4.13: Chương trình cài đặt 77

Hình 4.14: Giao diện điều khiển thiết bị trên app Blynk 78

Hình 4.15: Giao diện giám sát điện năng trên app Blynk 79

Hình 4.16: Giao diện giám sát cảm biến trên app Blynk 79

Hình 4.17: Giao diện Settime bật tắt thiết bị trên app Blynk 80

Hình 4.18: Giao diện chính trên HMI 80

Hình 4.19: Giao diện giám sát trên HMI 80

MỤC LỤC BẢNG THÔNG SỐ

Bảng 2.1: Chân SPI của ESP32 22

Bảng 3.1:Bảng liệt kê điện áp và dòng điện của các linh kiện trong mạch 35

Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật màn hình HMI nextion 53

Bảng 3.3: Thông số môi trường làm việc và độ tin cậy 53

Bảng 3.4: Hiệu suất giao diện màn hình HMI nextion 54

Bảng 3.5: Tính năng bộ nhớ HMI nextion 54

Bảng 4.1: Các relay điều khiển tương ứng 62

Bảng 4.2: Chân kết nối của DHT11 63

Bảng 4.3: Chân kết nối của MQ2 63

Bảng 4.4: Chân kết nối của PZEM004T 63

Bảng 4.5: Chân kết nối của Module RS485 63

Bảng 4.6: Chân kết nối của Màn hình HMI 64

Bảng 4.7: Chân kết nối của màn hình LCD 65

Bảng 4.8: Chân kết nối của Module RFID MFRC 522 -RC522 66

Bảng 4.9: Chân kết nối của Module mở rộng PCF8574T 66

Bảng 4.10: Chân kết nối của Module RS485 66

Bảng 4.11: Chân kết nối của PCF8574T 66

Bảng 4.12: Chân kết nối của Module RS485 67

Bảng 4.13: Chân kết nối của Màn hình LCD 68

Bảng 4.14: Bảng phân công đầu vào ra của ESP32 Master 69

Bảng 4.15: Bảng phân công đầu vào ra Arduino Uno Slave 1 70

Bảng 4.16: Bảng phân công đầu vào ESP8266 Slave 2 70

Bảng 4.17: Bảng phân công đầu ra ESP8266 Slave 2 70

Bảng 4.18: Bảng phân công đầu vào ra ESP32 Slave 3 71

Bảng 4.19: Bảng phân công đầu vào ra ESP32 CAM Slave 4 71

Bảng 5.1: Bảng thống kê tốc độ kết nối wifi 82

Bảng 5.2: Bảng thống kê tốc độ phản hồi lệnh điều khiển khi không có wifi 83

Bảng 5.3: Bảng thống kê tốc độ phản hồi lệnh điều khiển khi tín hiệu wifi 10 % 84

Bảng 5.4: Bảng thống kê tốc độ phản hồi lệnh điều khiển khi tín hiệu wifi 50 % 85Bảng 5.5: Bảng thống kê tốc độ phản hồi lệnh điều khiển khi tín hiệu wifi 100 % 86

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt IOT Internet Of Things Mạng lưới kết nối vạn vật internet TXD Transmitted Data Truyền dữ liệu

RXD Received Data Nhận dữ liệu CPU Central Process Unit Khối xử lý trung tâm WIFI Wireless Fidelity Sử dụng sóng vô tuyến để truyền tín hiệu RAM Random Access Memory Bộ Nhớ truy nhập ngẫu nhiên ROM Read Only Memory Bộ Nhớ chỉ đọc

GPI General Purpose Input

Thiết kế hệ thống nhà thông minh ứng dụng IoT

MỞ ĐẦU

Xã hội thế kỷ 21 chứng kiến sự phát triển vượt bậc của công nghệ và đánh dấu sự mở đầu của những thiết bị thông minh Smart phone, Smart Tivi đều là những thiết bị ngày càng phổ biến, thông dụng trong đời sống hằng ngày của con người Đúng như tên gọi, những thiết bị này không những có khả năng đáp ứng những yêu cầu cơ bản của con người, mà còn hơn thế, các thiết bị smart ra đời đã thay thế con người trong việc kiểm soát và điều khiển các chức năng khác 1 cách chuyên nghiệp, dễ dàng và hiệu quả

Tiếp nối thành công của những thiết bị thông minh ấy, Smart home ra đời như một sự khởi đầu táo bạo về tư duy làm chủ công nghệ ngay trong cuộc sống của con người Một ngôi nhà thông minh với khả năng thấu hiểu tư duy điều khiển của con người nhanh chóng trở thành đề tài công nghệ có sức hấp dẫn

Nhà thông minh hay smart home, home automation là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có tác dụng tự động hóa hoàn toàn hoặc bán tự động, thay thế con người trong thực hiện một hoặc một số thao tác quản lý, điều khiển Hệ thống điện tử này giao tiếp với chủ nhân nhà thông qua bảng điện tử được đặt sẵn trong nhà, phần mềm điện thoại di động, máy tính bảng hoặc một giao diện web

Với sự phát triển của khoa học công nghệ và đô thị hóa, yêu cầu của con người về môi trường sống và điều khiển thiết bị ngày càng cao Chính vì vậy nhu cầu về nhà thông minh ngày càng phát triển

Là sinh viên theo học chuyên ngành “Điện Tự Động Hóa Công nghiệp” cùng những nhu cầu, ứng dụng thực tế cấp thiết cho người sử dụng, phục vụ tốt cho sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa, trong quá trình tìm tham khảo và tìm hiểu một số nhu cầu thực

tiễn của cuộc sống, nhóm chúng em đã lên ý tưởng, “Thiết kế hệ thống nhà thông

Thiết kế hệ thống nhà thông minh ứng dụng IoT

1.1 Tổng quan nhà thông minh

Ngày nay, khi đời sống ngày càng được nâng cao, những nhu cầu của con người đòi hỏi những sự tiện nghi và hỗ trợ tốt nhất Cùng với đó là sự mở rộng không ngừng của mạng lưới internet trên khắp các vùng quốc gia và lãnh thổ làm cho việc giám sát và điều khiển hệ thống qua mạng internet trở thành tất yếu Từ những yêu cầu và điều kiện thực tế đó, ý tưởng về ngôi nhà thông minh được hình thành, nơi mà mọi hoạt động của con người đều được hỗ trợ và giúp đỡ một cách linh hoạt, ngoài ra ngôi nhà còn có thể tự động quản lý một cách thông minh nhất

Hình 1.1: Mô hình tổng quát nhà thông minh [1] Sự thông minh của một ngôi nhà (Hình 1.1) được thể hiện trên 4 phương diện như sau:

- Thứ nhất, là khả năng tự động hóa Căn nhà được trang bị hệ thống các cảm biến như: cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến khí gas, cảm biến báo cháy, cảm biến vật cản, cảm biến ánh sáng… với khả năng tự động hoạt động theo điều kiện môi trường Nhà thông minh giúp chúng ta giám sát được mức tiêu thụ điện, nước tốt hơn so với thông thường

- Thứ hai, là khả năng thỏa mãn nhu cầu của người sử dụng Chủ nhân ngôi nhà có thể điều khiển theo ý muốn hoặc theo những kịch bản được lập trình sẵn

- Thứ ba, là khả năng bảo mật, giám sát an ninh Hệ thống giám sát an ninh, báo cháy, báo rò rỉ khí gas sẽ tự động báo trạng thái của ngôi nhà qua mạng internet

- Thứ tư, là khả năng điều khiển, cảnh báo từ xa thông qua kết nối internet thông qua wifi, Các thiết bị như: bóng đèn, điều hòa, tivi, tủ lạnh, cũng đều được kết nối tới

Thiết kế hệ thống nhà thông minh ứng dụng IoT

mạng internet Người sử dụng chỉ cần có một thiết bị kết nối internet là có thể theo dõi dữ liệu từ các cảm biến và điều khiển các thiết bị trong nhà theo ý muốn của bản thân

1.2 Lý do chọn đề tài

Quá trình đô thị hóa ngày càng nhanh, nhu cầu sử dụng công nghệ tăng cao, đây chính là các yếu tố thúc đẩy các nước đẩy mạnh đầu tư cho sự phát triển của công nghệ thông minh

Nhà thông minh hiện đang là xu hướng công nghệ của kỷ nguyên Internet kết nối vạn vật (IOT) Theo các chuyên gia dự đoán đây chắc chắn là xu hướng tất yếu của tương lai Mặc dù hiện nay nhà thông minh được nhìn nhận là mang đến nhiều tính năng và tiện ích ấn tượng, song thách thức và sự phát triển trong tương lai của xu hướng nhà thông minh vẫn hiện hữu và được nhiều người dùng quan tâm chú ý

Trước đây bạn chỉ thấy nhà thông minh trên phim ảnh hoặc trong trí tưởng tượng Nhưng hiện nay các giải pháp công nghệ internet kết nối vạn vật - IoT đã và đang được nghiên cứu và triển khai rộng rãi, hướng tới kết nối toàn diện các thiết bị thông minh qua internet Các ứng dụng IoT đang ngày càng phổ biến và xuất hiện thường xuyên ở cả những hoạt động hàng ngày của người dân Đây là tiền đề cho sự ra đời của nhà thông minh - Smarthome, kết hợp trí tuệ nhân tạo AI vào quản lý và vận hành nhà ở để hướng tới sự tiện nghi, chăm sóc sức khỏe, an ninh, an toàn và tiết kiệm năng lượng cho người dùng

Nhận thấy được xu hướng tất yếu của nhà thông minh trong tương lai, nhóm chúng em lựa chọn đề tài “Thiết kế hệ thống nhà thông minh ứng dụng IoT”

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài

1.3.1 Ý nghĩa khoa học

Xây dựng cơ sở khoa học về khả năng ứng dụng và hoạt động của mô hình, góp phần tăng cường khả năng tiếp thu và ứng dụng tiến bộ khoa học công nghệ phù hợp, sát với thực tế phát triển, mở ra một hướng đi tích cực trong việc ứng dụng tiến bộ khoa học công nghệ vào cuộc sống

1.3.2 Thực tiễn đề tài

Hiện nay, các giải pháp công nghệ internet kết nối vạn vật - IoT đang được nghiên cứu và triển khai rộng rãi, hướng tới kết nối toàn diện các thiết bị thông minh qua internet Các ứng dụng IoT đang ngày càng phổ biến và xuất hiện thường xuyên ở cả những hoạt động hàng ngày của người dân, một trong những ứng dụng phổ biến nhất của IoT là nhà thông minh - Smart Home, kết hợp trí tuệ nhân tạo AI vào quản lý và vận hành nhà ở để hướng tới sự tiện nghi, chăm sóc sức khỏe, an ninh, an toàn và tiết kiệm năng lượng cho người dùng

Thiết kế hệ thống nhà thông minh ứng dụng IoT

1.4 Đối tượng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu

Hệ thống nhà thông minh: - Nghiên cứu cách thức lưu trữ và truyền tải dữ liệu qua mạng Internet - Nghiên cứu về cách thức giao tiếp và truyền tải dữ liệu qua truyền thông RS485 - Nghiên cứu, xây dựng thuật toán, ứng dụng điều khiển trên điện thoại di động

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu

- Khảo sát thực tế - Nghiên cứu lý thuyết - Thiết lập phương án thiết kế, xây dựng quy trình công nghệ, lưu đồ thuật toán - Viết chương trình điều khiển, thiết kế mô hình mô phỏng, kiểm thử

- Sửa lỗi và hoàn thiện hệ thống

1.5 Mục tiêu nghiên cứu

Thiết kế hệ thống nhà thông minh, với các chức năng cụ thể: - Điều khiển từ xa các thiết bị điện trong nhà như quạt, đèn - Hệ thống cảm biến và báo động

- Hệ thống cửa tự động, camera giám sát - Dễ dàng điều khiển thông qua điện thoại Smartphone bất kể nơi nào có internet - Thiết lập thời gian bật tắt của các thiết bị

Với đề tài này giúp sinh viên có nhiều kiến thức về các thiết bị, tập thói quen nghiên cứu phục vụ công việc, có thể ứng dụng trong thực tế

Yêu cầu được điều khiển từ xa các thiết bị qua wifi là phải chạy một cách chính xác, ổn định, gọn nhẹ, dễ lắp đặt, dễ sửa chữa và chi phí thấp

1.6 Tổng quan phương án thiết kế

1.6.1 Tổng quan giải pháp nhà thông minh phù hợp

Nhà thông minh tích hợp các hệ thống cơ bản như hệ thống điều khiển ánh sáng, hệ thống an ninh, hệ thống điều khiển rèm, hệ thống kiểm soát môi trường, thiết bị cảm ứng… Việc điều khiển các hệ thống này thông qua một phần mềm cài đặt trên điện thoại hoặc máy tính có kết nối internet, bạn có thể điều khiển nó từ bất kỳ đâu hoặc điều khiển bằng giọng nói

Bạn có thể tự do lựa chọn các giải pháp theo nhu cầu như: - Điều khiển, giám sát, đặt lịch hẹn giờ cho một hoặc nhiều thiết bị thông minh trên

điện thoại, máy tính bảng thông qua mạng internet hoặc mạng nội bộ (local) - Thiết lập các ngữ cảnh đa dạng, phong phú, cá nhân hóa theo sở thích của chủ nhà - Thiết lập các hệ thống tự động giúp cảnh báo an ninh – an toàn hoặc chạy tự động

một (hoặc nhiều) thiết bị cùng lúc bằng các điều kiện riêng - Giám sát ngôi nhà mọi lúc, mọi nơi bằng camera và các cảm biến báo động

Thiết kế hệ thống nhà thông minh ứng dụng IoT

- Tự kích hoạt các ngữ cảnh phù hợp dựa trên các chỉ số môi trường trong nhà

1.6.2 Tổng quan vấn đề kỹ thuật

Nhà thông minh (Smart Home) là căn nhà được tích hợp các thiết bị, điện tử được điều khiển, giám sát, truy cập từ xa Khác với nhà tự động (Home Automation) đơn thuần chỉ là các thiết bị hoạt động theo lịch trình cài đặt sẵn, Smart Home được xây dựng trên nền tảng khái niệm Internet vạn vật (IoT) Tại đây, các thiết bị trong nhà có thể trao đổi thông tin với nhau, điều chỉnh các chức năng theo thói quen sinh hoạt hàng ngày của người dùng

Vấn đề đặt ra ở đây là làm thế nào để các thiết bị trong nhà có thể trao đổi thông tin với nhau và với người dùng Việc trao đổi thông tin này có thể diễn ra một cách đồng bộ hoặc không, nhưng phải đảm bảo được tính linh hoạt và ổn định

Vì vậy ta nên dựa vào các công nghệ smarthome hiện nay, kèm theo đó là yêu cầu và hoàn cảnh của người sử dụng để đưa ra các giải pháp phù hợp

1.6.3 Tổng quan công nghệ smarthome

Các ngôi nhà thông minh hiện nay sử dụng 3 loại công nghệ phổ biến là: - Công nghệ điều khiển có dây: Công nghệ này có ưu điểm là ổn định về mặt đường

truyền Tuy nhiên, công nghệ này không phù hợp với nhà đã xây, đang sử dụng vì phải đục khoét tường để lắp đặt gây khó khăn

- Công nghệ điều khiển bằng truyền Internet: Sóng wifi có ưu điểm là dễ dàng lắp đặt và dễ dàng sử dụng, tuy nhiên nhược điểm là dễ bị mất ổn định nếu đường truyền gặp vấn đề

- Công nghệ Zigbee: Hệ thống công nghệ Zigbee ổn định hơn và tiết kiệm điện năng hơn so với sóng wifi Nhưng Zigbee chỉ hoạt động tốt nhất đối với nhà có diện tích không quá lớn và không quá nhiều lớp tường

Đối với những căn biệt thự hay penhouse thì sử dụng công nghệ có dây sẽ tối ưu hơn cả Còn với nhà chung cư, nhà ở thì thì công nghệ không dây sẽ phù hợp nhất

1.7 Tiêu chí lựa chọn

- Độ chuẩn xác cao, hệ thống ổn định - Điều khiển và lắp đặt thuận tiện, dễ dàng sử dụng - Khả năng đáp ứng của sản phẩm cao, ứng dụng được các công nghệ hiện đại - Phù hợp với hoàn cảnh sử dụng

+ Nhà đã có hệ thống điện + Nhà bắt đầu xây dựng

1.8 Lựa chọn phương án hệ thống

Sau khi đưa ra các phương án phân tích về các tiêu chí lựa chọn, các mặc tính năng, ưu, nhược điểm cũng như chất lượng và hiệu quả của những phương án thiết kế Chúng ta sẽ lựa chọn kết hợp giữa các phương án tạo thành một hệ thống hoàn thiện:

Thiết kế hệ thống nhà thông minh ứng dụng IoT

1.8.1 Lựa chọn công nghệ smarthome

Dựa vào hoàn cảnh sử dụng chúng em lựa chọn kết hợp giữa công nghệ điều khiển có dây và công nghệ điều khiển không dây, nhằm đảm bảo tính linh hoạt trong yêu cầu của hệ thống và người dùng

1.8.1.1 Công nghệ điều khiển có dây

Nhóm chúng em lựa chọn giao tiếp RS-485 [2]: - Khái niệm RS-485:

+ RS485 là một phương thức giao tiếp nối tiếp giữa máy tính và các thiết bị trong ngành công nghiệp, viễn thông, POS, … Hay còn được gọi là TIA-485 (-A) hoặc EIA-485 RS485 còn được đặc biệt sử dụng ở các môi trường nhiễu có phạm vi đường truyền rộng lớn, đường cáp đi đường dài trong môi trường nhiễu

+ RS485 không chỉ là giao diện từ thiết bị đến thiết bị đơn lẻ mà còn là tổ hợp truyền thông có chức năng tạo ra các mạng đơn giản của nhiều thiết bị Có thể liên kết lên tới 32 thiết bị trên một cặp dây đơn với hệ thống dây nối đất có khoảng cách lên đến 1200m

- Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Rs485: + Cấu tạo RS-485:

o Cấu tạo của RS-485 được mô phỏng như hình minh họa Cáp RS-485 được tạo thành từ những sợi cáp nhỏ bằng đồng, xoắn với nhau theo từng cặp nối dài Bên cạnh sự đơn giản cũng có một số ưu điểm và nhược điểm đi kèm Với cấu tạo là những cặp xoắn nối tiếp khả năng nhiễu đối với chuẩn truyền thông RS485 là rất ít, nhưng khi xuất hiện hiện tượng này thì các cặp khác cũng sẽ bị kéo theo

o Tiếp nối các sợi cáp xoắn là lớp vỏ bọc được làm bằng nhựa PVC dùng để phân biệt tín hiệu, có tính cách ly điện cực Đáp ứng được nhiệt độ dao động từ -10 0C đến 75 0C

Hình 1.2: Sơ đồ cấu hình 2 dây RS485

Thiết kế hệ thống nhà thông minh ứng dụng IoT

+ Nguyên lý hoạt động: Dữ liệu khi được truyền qua 2 dây trong trạng thái xoắn lại Khi dây xoắn lại khả năng chống nhiễu cao và tín hiệu đường truyền sẽ tốt hơn Trong mạng RS485 được chia thành 2 cấu hình: Cấu hình 2 dây (hệ thống bán song công), cấu hình 4 dây (hệ thống song công toàn phần)

o Sơ đồ cấu hình 2 dây (Hình 1.2): Hệ thống bán song công 2 dây được truyền theo hướng tại một thời điểm nhất định Tín hiệu TX và RX cùng chia sẻ một cặp dây giúp tiết kiệm chi phí cài đặt Trong sơ đồ này, hệ thống máy phát và hệ thống máy thu sẽ kết nối với mỗi nút trên cặp xoắn Tuy nhiên sẽ bị giới hạn ở chế độ bán song công, phải chú ý đến độ trễ của vòng

o Sơ đồ cấu hình 4 dây: Cấu hình này hoạt động khác với cấu hình 2 dây, dữ liệu truyền đến và truyền đi đồng thời từ các nút, đồng thời nhận và truyền dữ liệu 2 dây sẽ có nhiệm vụ truyền, 2 dây còn lại sẽ có nhiệm vụ nhận Trong sơ đồ này (Hình 1.3), cổng chính và máy phát sẽ kết nối với nút nhận dữ liệu trên cặp xoắn Tuy nhiên, sơ đồ này bị giới hạn trong giao tiếp chính và phụ, nơi các nút không giao tiếp với nhau

Hình 1.3: Sơ đồ cấu hình 4 dây RS485 - Ưu, nhược điểm của RS-485: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động RS-485 đã được thay

đổi nhiều so với những sản phẩm đi trước + Ưu điểm:

o Sản phẩm tân biến, cải thiện được các điểm yếu của sản phẩm RS-232 đi trước o Có thể giao tiếp, kết nối cùng lúc nhiều máy phát trên cùng hệ thống mạng o Kết nối được nhiều thiết bị trên cùng một hệ thống mạng

o Đối với điện trở đầu vào 12Ω thì sẽ kết nối được với 32 thiết bị Hoặc các đầu vào có điện trở khác cũng có thể kết nối lên đến 256 thiết bị

o Khi RS485 kết nối với các thiết bị ở khoảng cách xa có thể dùng thêm bộ lặp để tăng số lượng thiết bị kết nối

Thiết kế hệ thống nhà thông minh ứng dụng IoT

o Mỗi tín hiệu kết nối với hai dây tín hiệu sẽ truyền nhanh với khoảng cách xa hơn

+ Nhược điểm: o Cùng lúc truyền nhiều thiết bị trên cùng một dây thì thời gian đáp ứng sẽ chậm o Các thiết bị kết nối phải chung chuẩn RS485 thay cho Analog hiện hữu o Cần có kiến thức về RS485 để sử dụng

1.8.1.2 Công nghệ điều khiển không dây

Nhóm chúng em sử dụng giao tiếp thông qua wifi Wifi là một phương thức công nghệ không dây sử dụng sóng vô tuyến để truyền dữ liệu

- Ưu điểm: + Dễ lắp đặt, sử dụng + Không cần sử dụng thêm dây dẫn, tiết kiệm chi phí - Nhược điểm:

+ Tốc độ truyền nhận dữ liệu chậm hơn có dây + Môi trường truyền thông của mạng không dây là không khí nên khả năng bảo mật

không cao + Rất khó quản lý thông tin trên đường truyền + Dễ mất ổn định nếu đường truyền có vấn đề

1.8.2 Lựa chọn giải pháp

- Lựa chọn các giải pháp theo nhu cầu như: + Hệ thống tưới cây theo giờ trong ngày + Hệ thống camera giám sát

+ Khoá cửa sử dụng mật khẩu và thẻ từ + Hệ thống phát hiện, cảnh báo khí gas + Hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm, điện năng tiêu thụ + Điều khiển các thiết bị qua smartphone

+ Điều khiển thiết bị bằng giọng nói

Thiết kế hệ thống nhà thông minh ứng dụng IoT

PHẦN MỀM ARDUINO IDE

2.1 Tổng quan về vi điều khiển Arduino

2.1.1 Lịch sử ra đời của Arduino [4]

Arduino được ra đời tại thị trấn Ivrea, nước Ý và được đặt dựa theo tên của vị vua King Arduino vào thế kỷ thứ IX (1002-1014) Arduino chính thức được đưa ra giới thiệu vào năm 2005, nó được xem là một công cụ cho sinh viên học tập tại Interaction Design Institute Ivrea (Viện thiết kế tương tác Ivrea) Giáo sư Massimo Banzi là một trong những người đồng phát triển Arduino và cũng là giảng viên tại Ivrea

Dường như không có một sự tiếp thị hay quảng cáo nào về Arduino, thế nhưng tin tức về phần mềm này vẫn lan truyền với tốc độ chóng mặt nhờ vô vàn lời truyền miệng tốt đẹp của những người dùng đầu tiên Arduino nổi tiếng trên toàn thế giới, đến nỗi có người còn tìm đến thị trấn Ivrea chỉ để tham quan nơi đã sản sinh nền tảng thú vị này

Người dùng có thể mua các board Arduino ở dạng được lắp sẵn hoặc dưới dạng các kit tự làm lấy Thông tin thiết kế của phần cứng được công khai để những ai muốn tự tay làm ra mạch Arduino có thể tự thực hiện được (mã nguồn mở)

Theo ước tính, khoảng giữa năm 2011 đã có hơn 300 ngàn mạch Arduino chính thức đã được sản xuất thương mại Đến năm năm 2013 có khoảng 700 ngàn mạch chính thức đã được đưa tới tay người sử dụng

2.1.2 Khái niệm Arduino

Arduino là nền tảng tạo mẫu điện tử mã nguồn mở, được sử dụng nhằm xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận tiện, dễ dàng hơn

Nền tảng mẫu này giống như một máy tính thu nhỏ, giúp người dùng lập trình và thực hiện các dự án điện tử mà không cần phải đến các công cụ chuyên dụng để phục vụ việc nạp code

Phần mềm này tương tác với thế giới bên ngoài thông qua các cảm biến điện tử, đèn và động cơ

2.1.3 Cấu tạo của Arduino

Phần cứng Arduino là bảng mạch nguồn mở, cùng bộ vi xử lý và chân đầu vào/ đầu ra (I/ O) để liên lạc, điều khiển các đối tượng vật lý (Led, servo, nút, v.v.) Bảng mạch thường được cấp nguồn qua USB hoặc nguồn điện bên ngoài, cho phép cung cấp năng lượng cho các phần cứng, cảm biến khác

Là phần mềm nguồn mở tương tự như C++ Môi trường phát triển tích hợp Arduino (IDE – Integrated Development Environment) cho phép bạn soạn thảo, biên dịch code, nạp chương cho board

2.1.4 Ứng dụng của nền tảng Arduino

Một số ứng dụng của Arduino trong đời sống phải kể đến như:

Thiết kế hệ thống nhà thông minh ứng dụng IoT

- Điều khiển các thiết bị cảm biến âm thanh, ánh sáng - Làm máy in 3D

- Làm đàn bằng ánh sáng - Làm lò nướng bánh, thông báo khi bánh đã chín - Arduino có khả năng đọc các thiết bị cảm biến, điều khiển động cơ, … - Chính vì vậy nên mã nguồn mở này được dùng để làm bộ xử lý trung tâm trên rất

nhiều loại robot - Arduino còn có thể được sử dụng để tương tác với Joystick, màn hình, … khi chơi

các game như Tetrix, phá gạch, Mario… - Dùng để chế tạo ra máy bay không người lái - Điều khiển đèn giao thông, làm hiệu ứng đèn Led nhấp nháy trên các biển quảng

cáo - Ngoài ra, Arduino còn rất nhiều ứng dụng hữu ích khác tùy thuộc vào sự sáng tạo

của người sử dụng - Ví dụ: Muốn kết nối Internet thì có Ethernet shield, điều khiển động cơ thì có Motor

shield, kết nối nhận tin nhắn thì có GSM shield, … Khá đơn giản, chỉ cần tập trung vào việc “lắp ghép” các thành phần này và sáng tạo ra các ứng dụng cần thiết là được

2.1.5 Khả năng kết nối của Arduino

- Arduino hoạt động độc lập - Kết nối với một máy tính, cho phép truy cập dữ liệu cảm biến từ thế giới bên ngoài

và cung cấp thông tin phản hồi - Các Arduino có thể liên kết với nhau - Mạch điều khiển Arduino có thể kết nối với các thiết bị điện tử khác - Arduino có khả năng kết nối với các chip điều khiển

- Lập trình Arduino IDE có thể kết nối với nhiều nền tảng Điều này đồng nghĩa với việc bạn có thể khởi động trên Windows, Macintosh OSX điều hành Linux (các hệ thống vi điều khiển khác chỉ chạy Windows)

2.2 Tổng quan về Arduino Uno R3 [3]

2.2.1 Tổng quan thông số của Arduino Uno R3

Thông số kỹ thuật của Arduino Uno R3 (Hình 2.1) như sau: - Vi xử lý: ATmega328P

- Điện áp hoạt động: 5 Volts - Điện áp vào giới hạn: 7 đến 20 Volts - Dòng tiêu thụ: khoảng 30 mA

- Số chân Digital I/O: 14 (với 6 chân là PWM) - UART: 1

Thiết kế hệ thống nhà thông minh ứng dụng IoT

- I2C: 1 - SPPI: 1

Hình 2.1: Arduino Uno R3 - Số chân Analog: 6

- Dòng tối đa trên mỗi chân I/O: 30 mA - Dòng ra tối đa (5 V): 500 mA

- Dòng ra tối đa (3.3 V): 50 mA - Bộ nhớ flash: 32 KB với 0.5KB dùng bởi bootloader - SRAM: 2 KB

- EEPROM: 1 KB - Clock Speed: 16 MHz

2.2.2 Sơ đồ chân của Arduino Uno R3

Sơ đồ chân của Arduino Uno R3 được thể hiện như Hình 2.2: - Chân cấp năng lượng:

+ 5V: cấp điện áp 5 V đầu ra, dùng để cấp nguồn cho các linh kiện điện tử kết nối với Arduino

+ 3.3 V: chức năng tương tự như cấp nguồn 5 V nhưng đây là cấp điện áp 3.3 V đầu ra

+ Ground: hay còn gọi là chân GND, là cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạn dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau

+ Vin (Voltage Input): tương tự như chân 5 V, nhưng thêm chức năng cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO thay vì cắm USB, bạn nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

Thiết kế hệ thống nhà thông minh ứng dụng IoT

- Các cổng vào/ra (I/O): Arduino cung cấp nhiều các chân I/O (hay còn gọi là Pin) để ta giao tiếp hay gửi lệnh điều khiển các thiết bị, dưới đây là sẽ nói về các chân sử dụng nhiều nhất và phân chúng làm các loại như sau:

Hình 2.2: Sơ đồ chân của Arduino Uno R3 + Các chân Digital:

o Phiên bản Arduino Uno R3 được sử dụng 14 chân digital từ 0 đến 13 dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Nó chỉ có 2 mức điện áp có thể điều khiển là 0 V và 5 V với dòng điện vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40 mA Ngoài ra một số chân digital có chức năng đặc biệt là chân PWM

o Chân PWM: là các chân có dấu “~” đằng trước, các chân này cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 đến 255) tương ứng với mức giao động điện áp của chân từ 0 V đến 5 V, khác với các chân không phải PWM, chỉ có thể chọn giá trị 0 V hoặc 5 V

+ Các chân Analog: Arduino UNO có 6 chân analog (A0 đến A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 đến 1023) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0 V đến 5 V Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác

+ Chân TXD và RXD: Đây là các chân Serial dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive – RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp dữ liệu với các thiết bị cần sử dụng thông qua 2 chân này, ngoài ra có thể sử dụng 2 chân này để nạp code cho mạch mà không cần thông qua USB của mạch

Thiết kế hệ thống nhà thông minh ứng dụng IoT

2.3 Tổng quan về ESP8266 [5]

2.3.1 Giới thiệu về ESP8266

ESP8266 là một module Wi-Fi với khả năng kết nối Internet và được tích hợp sẵn trên một số board nhúng như NodeMCU, Wemos, và ESP-01 ESP8266 có thể hoạt động như một điểm truy cập (access point), một client kết nối đến một điểm truy cập khác, hoặc cả hai đều được Nó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng IoT (Internet of Things) như cảm biến thông minh, hệ thống kiểm soát thiết bị, hoặc các ứng dụng điều khiển từ xa Module này có giá thành rẻ và rất dễ sử dụng, cùng với đó là khả năng tương thích với nhiều loại vi điều khiển khác nhau

- Các phiên bản phổ biến của ESP8266 trên thị trường: + ESP-01

+ ESP-12E + ESP8266 NodeMCU + Wemos D1 Mini + NodeMCU ESP32

2.3.2 Tổng quan về các phiên bản phổ biến của ESP8266

2.3.2.1 ESP8266 WIFI ESP-01

ESP8266 ESP-01 là một module IoT được thiết kế dựa trên vi điều khiển ESP8266 của công ty Espressif Systems Đây là phiên bản module nhỏ gọn nhất trong các phiên bản của ESP8266 với kích thước chỉ 24 mm x 14 mm

Hình 2.3: Sơ đồ chân Module ESP8266 ESP-01

Thiết kế hệ thống nhà thông minh ứng dụng IoT

ESP-01 có tích hợp sẵn một bộ phát WiFi, đủ để kết nối với mạng internet và truyền dữ liệu Module này còn được tích hợp một cổng giao tiếp chuẩn UART, cho phép truyền dữ liệu giữa ESP8266 và các thiết bị khác như Arduino, Raspberry Pi, hoặc máy tính thông qua cổng COM ESP8266 01 cũng có khả năng lập trình và nạp firmware thông qua cổng UART, giúp cho việc phát triển ứng dụng IoT trở nên đơn giản hơn

- Thông số kỹ thuật của Module Wifi ESP8266 ESP-01: + Chip Wi-Fi: ESP8266EX

+ Nguồn cấp: 3.0 V ~ 3.6 VDC + Chế độ hoạt động: 80 mA ~ 170 Ma + Chế độ chờ: < 1.0 Ma

+ Chuẩn giao tiếp: Wi-Fi 802.11 b/g/n + Tốc độ truyền dữ liệu: 110 ~ 460800 bps (tùy chọn) + Điện áp: 3.3 VDC

+ Kích thước: 24 mm x 14 mm x 3 mm + Anten: PCB Anten hoặc IPEX anten ngoài (tùy chọn) - Sơ đồ chân ESP8266 ESP-01 (Hình 2.3):

2.3.2.2 ESP8266 WIFI ESP-12E

ESP-12E (Hình2.3) là một trong những phiên bản nâng cấp của ESP8266, có tích hợp thêm bộ khuếch đại công suất (PA) và bộ lọc tín hiệu RF (LNA), giúp tăng cường khả năng thu phát sóng Wi-Fi Ngoài ra, ESP-12E còn tích hợp nhiều chân IO (Input/Output) và hỗ trợ giao tiếp SPI, I2C, UART, ADC, PWM và các tính năng GPIO Với các tính năng này, ESP8266 12E rất phổ biến trong các ứng dụng IoT và các dự án điện tử thông minh

Hình 2.4: Module Wifi ESP8266-12E - Thông số kỹ thuật của Module Wifi ESP-12E:

+ SoC: ESP8266EX + CPU: Tensilica L106 32-bit RISC

Thiết kế hệ thống nhà thông minh ứng dụng IoT

+ Tần số hoạt động: 80 MHz + Điện áp hoạt động: 3.0 – 3.6 V + Flash: 4 MB

+ SRAM: 80 KB + WiFi: 802.11 b/g/n 2.4 GHz, hỗ trợ WPA/WPA2 + Anten: PCB anten tích hợp

+ GPIO: 16 GPIO được gán số, hỗ trợ chức năng GPIO, PWM, I2C, SPI, ADC + Kích thước: 24.8 x 14.3 x 3 mm

- Sơ đồ chân Module Wifi ESP8266-12E (Hình 2.4):

2.3.2.3 ESP8266 WIFI NodeMCU

ESP8266 NodeMCU là một nền tảng IoT mã nguồn mở, được phát triển bởi một nhóm kỹ sư tại Trung Quốc Nền tảng này được xây dựng trên ESP8266, một vi điều khiển Wi-Fi SoC (System on a Chip) được sản xuất bởi Espressif Systems NodeMCU cung cấp một bộ SDK để lập trình cho ESP8266 bằng ngôn ngữ Lua hoặc C++ Với các tính năng như Wi-Fi, GPIO, ADC, I2C, SPI, PWM và một số tính năng khác, NodeMCU ESP8266 được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng IoT như kiểm soát thiết bị, thu thập dữ liệu và giao tiếp với các thiết bị khác

Hình 2.5: Sơ đồ chân Module ESP8266 NodeMCU - Thông số kỹ thuật của NodeMCU:

+ Microcontroller: ESP8266EX + Điện áp hoạt động: 3.3 V DC + Số chân I/O: 17 chân GPIO + Kết nối mạng: WiFi 802.11 b/g/n + Giao diện mạng: TCP/IP

+ Đồng hồ thời gian thực (RTC): không tích hợp

Thiết kế hệ thống nhà thông minh ứng dụng IoT

+ Bộ nhớ trong: 4 MB + RAM: 80 KB

+ Cổng nạp: Micro-USB + Hỗ trợ các giao thức: MQTT, CoAP, HTTP/HTTPS + Kích thước: 49 x 24.5 x 13 mm

- Sơ đồ chân ESP8266 NodeMCU (Hình 2.5):

2.3.2.4 Wemos D1 Mini

Wemos D1 Mini là một board phát triển IoT nhỏ gọn, dựa trên module wifi ESP8266EX Nó được thiết kế để dễ dàng sử dụng và lập trình thông qua cổng micro USB và trình biên dịch Arduino IDE Wemos D1 Mini có đầy đủ các tính năng cần thiết cho các ứng dụng IoT, bao gồm kết nối wifi, GPIO, ADC, SPI, I2C…, và rất thích hợp cho các dự án DIY IoT

Hình 2.6: Sơ đồ chân Wemos D1 Mini - Thông số kỹ thuật của Wemos D1 Mini:

+ MCU: ESP8266EX + Kích thước: 34.2 mm x 25.6 mm + Điện áp hoạt động: 3.3 V

+ Pin đầu vào tối đa: 3.3 V + Điện áp USB: 5 V DC + Pin đầu ra tối đa: 3.3 V/1A + GPIO: 11 GPIO (đều hỗ trợ PWM, I2C, 1-Wire) + ADC: 1 (10 bit)

+ Tốc độ xung nhịp: 80 MHz/160 MHz + Bộ nhớ trong: 4 MB

+ Wi-Fi: IEEE 802.11 b/g/n + Kết nối USB: Micro-USB

Thiết kế hệ thống nhà thông minh ứng dụng IoT

+ Hỗ trợ OTA (Over The Air) để nạp chương trình không cần dây cáp - Sơ đồ chân Wemos D1 Mini (Hình 2.6):

2.3.2.5 NodeMCU ESP32

NodeMCU ESP32 là một module IoT (Internet of Things) với khả năng kết nối WiFi và Bluetooth Nó là phiên bản nâng cấp của ESP8266 với nhiều tính năng mới và cải tiến, bao gồm hai nhân xử lý Tensilica Xtensa LX6, bộ nhớ Flash lên đến 4 MB, RAM lên đến 520 KB, tốc độ xử lý lên đến 240 MHz và hỗ trợ nhiều giao tiếp như SPI, I2C, UART, CAN và Ethernet ESP32 được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng IoT, bao gồm điều khiển thiết bị, cảm biến, hệ thống đo lường và giám sát

- Sơ đồ chân của NodeMCU ESP32 (Hình 2.7):

Hình 2.7: Sơ đồ chân NodeMCU ESP32 - Thông số kỹ thuật của NodeMCU ESP32:

+ Vi xử lý: Tensilica Xtensa LX6, hai nhân, lên đến 240 MHz + Bộ nhớ trong: 520 KB SRAM

+ Bộ nhớ ngoài: 4 MB Flash Memory + Wi-Fi: 802.11 b/g/n/e/i (2,4 GHz) + Bluetooth: v4.2 BR/EDR và BLE + GPIO: 36

+ UART, SPI, I2C, I2S, DAC, ADC, PWM, GPIO + Cổng kết nối: micro USB

+ Nguồn điện: 2.2 V – 3.6 VDC + Kích thước: 18 x 25.5 mm

2.4 Tổng quan về ESP32 [6]

2.4.1 Cấu hình ESP32

- CPU: + CPU: Xtensa Dual-Core LX6 microprocessor

Thiết kế hệ thống nhà thông minh ứng dụng IoT

+ Chạy hệ 32 bit + Tốc độ xử lý từ 160 MHz đến 240 MHz + ROM: 448 Kb

+ Tốc độ xung nhịp từ 40 Mhz ÷ 80 Mhz (có thể tùy chỉnh khi lập trình) + RAM: 520 Kb SRAM liền chip Trong đó 8 Kb RAM RTC tốc độ cao – 8Kb

RAM RTC tốc độ thấp (dùng ở chế độ DeepSleep) + Hỗ trợ 2 giao tiếp không dây

+ Wi-Fi: 802.11 b/g/n/e/i + Bluetooth: v4.2 BR/EDR và BLE - Hỗ trợ tất cả các loại giao tiếp:

+ 2 bộ chuyển đổi số sang tương tự (DAC) 8 bit + 18 kênh bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) 12 bit + 2 cổng giao tiếp I2C

+ 3 cổng giao tiếp UART + 3 cổng giao tiếp SPI (1 cổng cho chip FLASH) + 2 cổng giao tiếp I2S

+ 10 kênh ngõ ra điều chế độ rộng xung (PWM) + SD card/SDIO/MMC host

+ Ethernet MAC hỗ trợ chuẩn: DMA và IEEE 1588 + CAN bus 2.0

+ IR (TX/RX) - Cảm biến tích hợp trên chip ESP32:

+ 1 cảm biến Hall (cảm biến từ trường) + 1 cảm biến đo nhiệt độ

+ Cảm biến chạm (điện dung) với 10 đầu vào khác nhau - Bảo mật:

+ Hỗ trợ tất cả các tính năng bảo mật chuẩn IEEE 802.11, bao gồm WFA, WPA/WPA2 và WAPI

+ Khởi động an toàn (Secure boot) + Mã hóa flash (Flash encryption) + 1024-bit OTP, lên đến 768-bit cho khách hàng + Tăng tốc phần cứng mật mã: AES, SHA-2, RSA, mật mã đường cong elliptic

(ECC – elliptic curve cryptography), bộ tạo số ngẫu nhiên (RNG – random number generator)

- Nguồn điện hoạt động: + Điện áp hoạt động: 2,2 V ÷ 5,6 V + Nhiệt độ hoạt động: -40 0C ÷ +85 0C

Thiết kế hệ thống nhà thông minh ứng dụng IoT

+ Số cổng GPIO: 36 - Ứng dụng:

+ Module được dùng nhiều trong các ứng dụng thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị qua WiFi, Bluetooth

+ Sử dụng cho các ứng dụng tiết kiệm năng lượng, điều khiển mạng lưới cảm biến, mã hóa hoặc xử lí tiếng nói, xử lý Analog-Digital trong các ứng dụng phát nhạc, hoặc với các file MP3

2.4.2 Sơ đồ chân của ESP32

Chip ESP32 bao gồm 48 chân với nhiều chức năng khác nhau Không phải tất cả các chân đều lộ ra trên các module ESP32 và một số chân không thể được sử dụng Mặc dù bạn có thể định nghĩa các thuộc tính chân trên phần mềm, nhưng có các chân được gán theo mặc định như trong hình sau (đây là ví dụ cho module ESP32 DEVKIT V1 DOIT có 36 chân – vị trí chân có thể thay đổi tùy thuộc vào nhà sản xuất)

Sơ đồ chân module ESP32 được thể hiện như Hình 2.8:

Hình 2.8: Sơ đồ chân Module ESP32 - Chân Input Only: GPIO từ 34 đến 39 là các chân chỉ đầu vào Các chân này không

có điện trở kéo lên hoặc kéo xuống bên trong Chúng không thể được sử dụng làm đầu ra, vì vậy chỉ sử dụng các chân này làm đầu vào:

+ GPIO34 + GPIO35 + GPIO36 + GPIO39 - Chân tích hợp Flash trên ESP32: GPIO 6 đến GPIO 11 dùng để kết nối Flash SPI

trên chip ESP-WROOM-32, không khuyến khích sử dụng cho các mục đích sử dụng

Thiết kế hệ thống nhà thông minh ứng dụng IoT

khác + GPIO6 (SCK/CLK) + GPIO7 (SDO/SD0) + GPIO8 (SDI/SD1) + GPIO9 (SHD/SD2) + GPIO10 (SWP/SD3) + GPIO11 (CSC/CMD) - Chân cảm biến điện dung: ESP32 có 10 cảm biến điện dung bên trong Các cảm

biến này có thể phát hiện được sự thay đổi về điện áp cảm ứng trên các chân GPIO Các chân cảm ứng điện dung cũng có thể được sử dụng để đánh thức ESP32 khỏi chế độ ngủ sâu (deep sleep) Các chân ESP32 này có chức năng như 1 nút nhấn cảm ứng, có thể phát hiện sự thay đổi về điện áp cảm ứng trên chân

Các cảm biến cảm ứng bên trong đó được kết nối với các GPIO sau: + TOUCH0 (GPIO4)

+ TOUCH1 (GPIO0) + TOUCH2 (GPIO2) + TOUCH3 (GPIO15) + TOUCH4 (GPIO13) + TOUCH5 (GPIO12) + TOUCH6 (GPIO14) + TOUCH7 (GPIO27) + TOUCH8 (GPIO33) + TOUCH9 (GPIO32) - Bộ chuyển đổi tương tự số sang ADC (Analog to Digital Converter): ESP32 có 18 kênh đầu vào ADC 12 bit (trong khi ESP8266 chỉ có 1 kênh ADC 10 bit) Các kênh đầu vào ADC có độ phân giải 12 bit Điều này có nghĩa là bạn có thể nhận được các giá trị tương tự từ 0 đến 4095, trong đó 0 tương ứng với 0 V và 4095 đến 3,3 V Bạn cũng có thể thiết lập độ phân giải cho các kênh thông qua chương trình (code) Đây là các GPIO có thể được sử dụng làm ADC và các kênh tương ứng:

+ ADC1_CH0 (GPIO36) + ADC1_CH1 (GPIO37) + ADC1_CH2 (GPIO38) + ADC1_CH3 (GPIO39) + ADC1_CH4 (GPIO32) + ADC1_CH5 (GPIO33) + ADC1_CH6 (GPIO34) + ADC1_CH7 (GPIO35)

Thiết kế hệ thống nhà thông minh ứng dụng IoT

+ ADC2_CH0 (GPIO4) + ADC2_CH1 (GPIO0) + ADC2_CH2 (GPIO2) + ADC2_CH3 (GPIO15) + ADC2_CH4 (GPIO13) + ADC2_CH5 (GPIO12) + ADC2_CH6 (GPIO14) + ADC2_CH7 (GPIO27) + ADC2_CH8 (GPIO25) + ADC2_CH9 (GPIO26) - Bộ chuyển đổi số sang tương tự DAC (Digital to Analog Converter): Có 2 kênh

DAC 8 bit trên ESP32 để chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự Các kênh này chỉ có độ phân giải 8 bit, nghĩa là có giá trị từ 0 ÷ 255 tương ứng với 0 ÷ 3.3 V Đây là các kênh DAC:

+ DAC1 (GPIO25) + DAC2 (GPIO26) - Các chân thời gian thực RTC: Các chân này có tác dụng đánh thức ESP32 khi trong

chế độ ngủ sâu (Low Power Mode) Sử dụng như 1 chân ngắt ngoài - Các chân RTC:

+ RTC_GPIO0 (GPIO36) + RTC_GPIO3 (GPIO39) + RTC_GPIO4 (GPIO34) + RTC_GPIO5 (GPIO35) + RTC_GPIO6 (GPIO25) + RTC_GPIO7 (GPIO26) + RTC_GPIO8 (GPIO33) + RTC_GPIO9 (GPIO32) + RTC_GPIO10 (GPIO4) + RTC_GPIO11 (GPIO0) + RTC_GPIO12 (GPIO2) + RTC_GPIO13 (GPIO15) + RTC_GPIO14 (GPIO13) + RTC_GPIO15 (GPIO12) + RTC_GPIO16 (GPIO14) + RTC_GPIO17 (GPIO27) - Chân PWM: ESP32 LED PWM có 16 kênh độc lập có thể được cấu hình để tạo tín

hiệu PWM với các thuộc tính khác nhau Tất cả các chân có thể hoạt động như đầu

Thiết kế hệ thống nhà thông minh ứng dụng IoT

ra đều có thể được sử dụng làm chân PWM (GPIO từ 34 đến 39 không thể tạo PWM) Để xuất PWM, bạn cần định nghĩa các thông số này trong code:

+ Tần số tín hiệu + Chu kỳ làm việc + Kênh PWM + Chân GPIO xuất tín hiệu ra - Chân I2C: ESP32 có hai kênh I2C và bất kỳ chân nào cũng có thể được đặt làm

SDA hoặc SCL Khi sử dụng ESP32 với Arduino IDE, các chân I2C mặc định là: + GPIO21 (SDA)

+ GPIO22 (SCL) - Chân ngắt ngoài: Tất cả các chân ESP32 đều có thể sử dụng ngắt ngoài - Chân SPI: Theo mặc định, ánh xạ chân cho SPI là (Bảng 2.1):

Bảng 2.1: Chân SPI của ESP32

2.5 Tổng quan về phần mềm Arduino IDE [7]

2.5.1 Khái niệm phần mềm Arduino IDE

Arduino IDE là một phần mềm mã nguồn mở chủ yếu được sử dụng để viết và biên dịch mã vào module Arduino

Đây là một phần mềm Arduino chính thức, giúp cho việc biên dịch mã trở nên dễ dàng mà ngay cả một người bình thường không có kiến thức kỹ thuật cũng có thể làm được

Nó có các phiên bản cho các hệ điều hành như MAC, Windows, Linux và chạy trên nền tảng Java đi kèm với các chức năng và lệnh có sẵn đóng vai trò quan trọng để gỡ lỗi, chỉnh sửa và biên dịch mã trong môi trường

Có rất nhiều các module Arduino như Arduino Uno, Arduino Mega, Arduino Leonardo, Arduino Micro và nhiều module khác

Mỗi module chứa một bộ vi điều khiển trên bo mạch được lập trình và chấp nhận thông tin dưới dạng mã

Mã chính, còn được gọi là sketch, được tạo trên nền tảng IDE sẽ tạo ra một file Hex, sau đó được chuyển và tải lên trong bộ điều khiển trên bo

Môi trường IDE chủ yếu chứa hai phần cơ bản: Trình chỉnh sửa và Trình biên dịch, phần đầu sử dụng để viết mã được yêu cầu và phần sau được sử dụng để biên dịch và tải mã lên module Arduino

Môi trường này hỗ trợ cả ngôn ngữ C và C ++

Thiết kế hệ thống nhà thông minh ứng dụng IoT

2.5.2 Hoạt động của Arduino IDE

Khi người dùng viết mã và biên dịch, IDE sẽ tạo file Hex cho mã File Hex là các file thập phân Hexa được Arduino hiểu và sau đó được gửi đến bo mạch bằng cáp USB Mỗi bo Arduino đều được tích hợp một bộ vi điều khiển, bộ vi điều khiển sẽ nhận file hex và chạy theo mã được viết

2.5.3 Các chức năng của Arduino IDE

Arduino IDE bao gồm các phần khác nhau: - Window bar (Hình 2.9): Thanh cửa sổ bao gồm tên của File và phiên bản phần mềm Arduino IDE.Thanh menu bao gồm:

+ File + Edit + Sketch + Tools + Help

Hình 2.9: Thanh cửa sổ window bar

- File (Hình 2.10):

+ New: tạo một file mới (Ctrl + N) + Open: sử dụng để mở file đã được lưu trước đó (Ctrl + O) + Open Recent: hiển thị danh sách rút gọn các chương trình đã mở gần đây + Sketchbook: hiển thị các sketch hiện tại mà bạn đã sử dụng cho project của mình + Examples: Ví dụ về một vài vấn đề cơ bản để tham khảo

+ Close: đóng cửa sổ màn hình chính (Ctrl + W) + Save: được sử dụng để lưu sketch hiện tại (Ctrl + S)