Việc xây dựng một mô hình hệ thống nhà thông minh cần thực hiện tìm hiểu nhữngkhả năng cần thiết cho một nhà ở rộng lớn, bao gồm việc lựa chọn các cảm biến phùhợp, thiết bị và giao thức
Giới thiệu
Với sự phát triển về các công nghệ thông minh và truyền thông trong trong thế kỉ
21 này, việc xây dựng một môi trường sống thông minh và tiện lợi cho không gian sống đang trở thành một xu hướng tất yếu, không thể phủ nhận trong xã hội hiện đại ngày nay. Đề tài "Thiết kế và thi công mô hình hệ thống giám sát và điều khiển trong nhà thông minh" hướng đến mục tiêu phát triển mô hình hệ thống tiên tiến, linh hoạt và đa năng, trong không gian sống thông minh Công nghệ LoRa (Long Range) được lựa chọn làm chuẩn truyền thông nền tảng truyền thông chính giữa các nút mạng, tượng trưng cho các phòng trong nhà.
LoRa là công nghệ truyền thông không dây nổi bật với khả năng truyền dẫn dữ liệu tầm xa hiệu quả mà vẫn tiết kiệm năng lượng Với các ưu điểm này khiến LoRa trở thành lựa chọn phù hợp lý tưởng cho việc kết nối các thiết bị trong mạng lưới nhà thông minh, đặc biệt khi cần xuyên qua các rào cản vật lý như tường hoặc nhà rộng lớn, nhiều phòng.
Hệ thống bao gồm các node đại diện cho từng phòng hoặc xa hơn là khu vực trong nhà thông minh Mỗi node được trang bị các cảm biến thu thập dữ liệu trong các khu vực, các phòng như nhiệt độ, độ ẩm, chất lượng không khí, mức tiêu thụ điện năng và được hiển thị tại các node thông qua màn hình LCD Ngoài ra, các Slave cũng được trang bị các thiết bị kiểm soát như công tắc và thiết bị để thực hiện các hành động điều khiển tương ứng.
Thông qua kết nối LoRa, các node truyền dữ liệu đến trạm trung tâm (gateway) là nơi để xử lý và điều khiển toàn bộ hệ thống Theo đó, người dùng có thể dễ dàng quản lý và kiểm soát mọi hoạt động trong nhà từ xa thông qua vị trí trạm trung tâm hoặc riêng tại vị trí các node hoặc thông qua website của hệ thống Kiến tạo môi trường IOTs (Internet Of Things) phù hợp cho một mạng lưới nhà thông minh rộng lớn hiện đại.
Mục tiêu đề tài
Với các định hướng, tiêu chỉ được đề ra là phát triển một hệ thống thông minh, đa năng và linh hoạt, sử dụng công nghệ LoRa để kết nối và điều khiển các node trong nhà thông minh rộng lớn Với việc mỗi node tượng trưng cho một phòng hoặc khu vực trong ngôi nhà hướng tới việc tạo ra một môi trường sống thông minh hiệu quả, và thuận tiện cho người sử dụng với mạng lưới rộng lớn Vậy nên đề tài chú ý vào các chỉ tiêu chính dưới đây. Đầu tiên là mô hình hệ thống sử dụng 1 master (trạm trung tâm) tại khu vườn và 2 slaves (2 node) cho mỗi khu vực trong nhà, ở đây là phòng bếp và phòng khách, với việc sử dụng giao thức truyền thông LoRa để truyền dữ liệu từ các Slaves đến trạm trung tâm (gateway, Master) Tại Master có chức năng kiểm soát các thiết bị tại các Slaves và tại chính Master thông qua khả năng truyền gói tin, có thể theo dõi được các thông số nhiệt độ, độ ẩm đất, mức khí gas, chất lượng không khí, và trạng thái bật tắt của các thiết bị tại Slave thông qua màn hình LCD của Master bằng khả năng nhận gói tin.
Tại Slave có chức năng nhận gói tin điều khiển thiết bị từ Master, và cũng có thể tự điều khiển thông qua nút bấm vật lý Có thể theo dõi các thông số môi trường mức khí gas hoặc chất lượng không khi tại riêng mỗi Slave và theo dõi năng lượng tiêu thụ điện năng thông qua LCD, sau đấy Slave sẽ gửi gói tin chứa các thông số cảm biến và trạng thái thiết bị của Slave tới cho Master.
Master và Slave có khả năng cảnh báo khi các mức độ như mức khí gas, chất lượng không khí, độ ẩm đất không đạt mức cho phép qua các buzzer.
Thứ hai là người dùng có thể quan sát và kiểm soát trên web nhờ vào kết nối Wifi để giúp người dùng được quản lý một cách đầy đủ, trực quan hơn với khả năng điều khiển các thiết bị và theo dõi các thông số môi trường của Master và Slaves từ xa cách thuận tiện hơn Người dùng cũng có thể theo dõi tiền điện theo mức năng lượng tiêu thụ điện tại các khu vực của slave để tính tổng tiền điện trên web.
Giới hạn đề tài
Đề tài còn nhiều hạn chế về thời gian và các kiến thức chuyên ngành nên mô hình hệ thống vẫn còn nhiều giới hạn như:
• Cần xem xét lại và phát triển, xây dựng một mô hình với mức chi phí thấp hơn, cần tăng thêm sự an toàn cho chủ nhà với các thiết bị camera hay, cảm biến chống trộm.
• Mô hình hệ thống còn khá sơ sài, không có tính thẩm mỹ cao, hoạt động điều khiển thiết bị chưa được trơn tru, hoàn hảo
Phương pháp nghiên cứu
Mô hình tập trung vào việc giao tiếp bằng chuẩn truyền thông LoRa để điều khiển và giám sát:
• Nghiên cứu chuẩn truyền thông LoRa và kết nối, giao tiếp giữa slave và master.
• Nghiên cứu về các module, thiết bị phù hợp cho mô hình hệ thống.
• Nghiên cứu, tìm hiểu về Firebase cho việc làm chỗ lưu trữ dữ liệu và kết nối với web để quan sát và quản lý thiết bị tại các khu vực.
Bố cục đồ án
Chương 1: TỔNG QUAN Chương đầu tiên mô tả toàn cảnh về hệ thống nhà thông minh trong thời đại công nghệ phát triển ngày nay và việc sử dụng chuẩn truyền thông, áp dụng cho ngôi nhà rộng lớn với nhiều thiết bị với các thông số, giá trị cần được giám sát.
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Là chương tiếp theo sẽ cung cấp tổng quan về các cơ sở lý thuyết có liên quan được áp dụng trong đây Và các thông số, thông tin về các thiết bị phần cứng, module dùng cho việc thi công mô hình trong đề tài.
Chương 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG Đây là chương đưa ra các yêu cầu, đặc tính kỹ thuật của hệ thống Nêu ra các phần về thiết kế phần cứng, phần mềm, sơ đồ khối và cách thức hoạt động của hệ thống.
Chương 4: KẾT QUẢ THỰC HIỆN Đây là chương đưa ra kết quả của mô hình, tự đánh giá và đưa ra các nhận xét dựa trên kết quả đã kiểm thử được từ mô hình hệ thống.
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Chương cuối sẽ đúc kết lại quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài Từ đó đưa ra những kết luận, qua đó đem tới thêm các chức năng nhằm phát triển cho hệ thống trong tương lai cách hoàn hảo hơn.
Tổng quan về hệ thống giám sát và điều khiển trong nhà thông minh
Hình 2.1: Hình ảnh minh họa hệ thống nhà thông minh (nguồn Internet) Ở hình 2.1 trên, thấy được rằng nhà thông minh được trang bị rất nhiều những công nghệ như : Wifi, Lora, các khả năng tự động hóa, nhiều cảm biến, giúp cho chủ nhà có được rất nhiều tiện nghi và an toàn với khả năng kiểm soát và quản lý căn nhà cách thuận tiện hơn Với những ưu điểm như trên đã giúp cho nhà thông minh trở nên "trào lưu" trong thời kỳ phát triển ngày nay.
Các mô hình nhà thông minh hiện nay đang được phát triển mạnh mẽ trong các khu vực đô thị, làm cho cuộc sống của chúng ta trở nên tiện lợi, an toàn, thoải mái và tiết kiệm năng lượng hơn Tuy nhiên trong hệ thống nhà thông minh thông thường, việc kết nối các thiết bị và cảm biến bị giới hạn hoặc thường phụ thuộc vào một mạng lưới có dây hoặc mạng Wi-Fi Vậy nên, việc sử dụng công nghệ LoRa giữa các node tạo ra một sự linh hoạt lớn hơn, cho phép mở rộng hệ thống một cách dễ dàng mà không cần phải lo lắng về vấn đề về độ phủ sóng hoặc hạn chế về cơ sở hạ tầng.
Giới thiệu tổng quan về các giao thức truyền thông
Wifi
Hình 2.2: Hình ảnh minh họa Wifi
Wifi, là từ viết gọn của từ ” Wireless Fidelity” còn được gọi là mạng IEEE 802.11 là một hệ thống truy cập Internet không dây Hoạt động dựa trên sóng vô tuyến, có khả năng kết nối các thiết bị với mạng Internet trong một khoảng cách nhất định.
Hình 2.2 cho thấy, để sử dụng Wifi và kết nối internet thì cần trang bị một bộ thu phát Wifi (Router) Bộ thu là một thiết bị có khả năng thu sóng Wifi, chuyển đổi thành tín hiệu sóng vô tuyến và truyền đi bằng một Ăng-ten Router có vai trò thu và phát sóng Wifi, chuyển đổi dữ liệu giữa thiết bị và mạng Internet.
Sóng Wifi ngày nay được sử dụng rộng rãi, khác với sóng vô tuyến khác là sóng Wifi thu phát ở tần số từ 2.4 GHz đến 5 GHz Hiện nay có nhiều chuẩn Wifi khác nhau, mỗi chuẩn có ưu và nhược điểm riêng:
• Chuẩn 802.11: Là chuẩn mạng không dây đầu tiên được IEEE ra mắt năm 1977. Chuẩn 802.11 chỉ có tốc độ tối đa là 2Mbps với băng tầng 2.4GHz Nhưng sự ra đời của chuẩn 802.11 đã trờ thành tiền đề để phát triển các chuẩn mạng sau này.
• Chuẩn 802.11b: Ra mắt vào 1999, có khả năng hỗ trợ tốc độ phát đến 11 Megabit/s với băng tần 2.4 GHz Nhưng Chuẩn 802.11b có nhược điểm là dễ bị nhiễu từ các thiết bị điện tử khác.
• Chuẩn 802.11a: Ra mắt năm 1999, chuẩn 802.11a hoạt động với tốc độ 54 megabit/s và tần số 5 GHz giúp tránh bị nhiễu từ các thiết bị khác Chuẩn 802.11a có nhược điểm là khả năng xuyên tường kém và giá thành cao.
• Chuẩn 802.11g: hoạt động với tốc độ 54 megabit/s nhờ sử dụng mã OFDM với tần số 2.4 GHz.
• Chuẩn 802.11n: Ra mắt năm 2009 và hiện đang là chuẩn mạng được sử dụng phổ biến Nhờ có ưu thế phạm vi lớn, tốc độ cao và giá cả hợp lý, chuẩn hoạt động vào tốc độ truyền 300 megabit/s và hoạt động được với tần số 2.4 GHz và cả tần số 5 GHz.
• Chuẩn 802.11ac: Ra mắt năm 2013, hoạt động với tốc độ 173 megabit/s với tần số
5 GHz Nhưng lại có giá thành cao và chưa được phổ biến.
• Chuẩn 802.11ad: Ra mẳt năm 2014, Chuẩn 802.11ad có tốc độ truyền 70 megabit/s với tần số 60GHz Tuy có tốc độ cao nhưng khả năng xuyên tường kém
• Chuẩn 802.11ax: ra mắt vào năm 2019 còn có tên gọi khác là Wifi 6, là bản cập nhật mới của chuẩn mạng không dây, với tốc độ nhanh hơn, hiệu suất được cải thiện và dung lượng lớn.
Một số ưu điểm nổi bật của mạng wifi:
• Tiện lợi, đơn giản, gọn nhẹ không cần cáp truyền thống.
• Phạm vi kết nối rộng (còn tùy thuộc vào router).
• Dễ sửa đổi và nâng cấp.
• Thuận tiện dễ di chuyển.
• Phạm vi kết nối có giới hạn.
• Tốc độ truy cập có thể giảm nếu có nhiều người truy cập.
Chuẩn kết nối 802.11n hiện đang là chuẩn được sử dụng nhiều nhất tại Việt Nam hiện nay dựa vào các ưu điểm như tốc độ truyền, phạm vi và giá cả hợp lý [1].
Giao thức UART
UART (hình minh họa 2.3) từ viết tắt của từ Universal Asynchronous Receiver- Transmitter hay còn gọi là bộ truyền nhận dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ, đây là giao thức truyền thông đại trà được sử dụng nhất hiện nay Nó được dùng nhiều ở tại thiết bị như máy tính, hệ thống nhúng,
Về nguyên tắc truyền dữ liệu, UART sẽ chuyển dữ liệu đã thu từ bus dữ liệu Dữ liệu được chuyển từ bus dữ liệu đến UART truyền ở dạng song song Sau khi UART truyền nhận dữ liệu song song từ bus dữ liệu, nó sẽ thêm một bit start, một bit chẵn lẻ và một bit stop, để tạo ra gói dữ liệu (data packet) Tiếp đến, gói dữ liệu được truyền ra nối tiếp từng bit tại chân Tx UART nhận đọc gói dữ liệu từng bit tại chân Rx của nó UART nhận sau đó chuyển đổi dữ liệu trở lại dạng song song, loại bỏ bit start, bit chẵn lẻ và bit stop Sau cùng, UART nhận chuyển gói dữ liệu song song với bus dữ liệu ở đầu nhận.
Hình 2.3: Hình ảnh minh họa mô tả UART
Một số lợi thế và hạn chế của UART.
• Phương pháp truyền đơn giản, giá cả hợp lý.
• Cấu trúc gói dữ liệu có thể tùy biến.
• Có bit chẵn lẻ để phát hiện lỗi.
• Tốc độ chuyển cần đạt xấp xỉ 10%.
• Không thích hợp dùng trong các ứng dụng yêu cầu nhiều master và slave [2].
Giao thức SPI
SPI (hình minh họa 2.4) viết gọn của từ Serial Peripheral Interface hay giao tiếp ngoại vi nối tiếp là một giao thức truyền thông ở chế độ full-duplex (song công toàn phần) Điều này có nghĩa là quá trình truyền và nhận dữ liệu có thể diễn ra đồng thời trong cùng một thời điểm SPI là một loại giao thức kiểu Master – Slave, trong đấy có thể có một master nhưng có thể có nhiều slave.
Hình 2.4: Hình ảnh minh họa mô tả SPI
SPI còn được biết đến là chuẩn kết nối bốn dây (four-wire) bằng cách sử dụng bốn đường tín hiệu (hay bốn dây) Những dây đó là:
• MOSI (Master out Slave in): là ngõ truyền tín hiệu từ thiết bị truyền master tới thiết bị nhận slave.
• MISO (Master in Slave out): là ngõ truyền tín hiệu từ thiết bị truyền slave tới thiết bị nhận master.
• SCK (Serial Clock): xung giữ nhịp.
• CS (Chip select): chọn chip.
Một vài áp dụng thực tế của SPI: trong các công cụ như: các bộ chuyển đổi số, một số loại cảm biến, các loại bộ nhớ, [3].
Giao thức I2C
I2C (hình minh họa 2.5) viết gọn của từ “Inter-Integrated Circuit”, là một phương thức truyền thông có khả năng truyền tín hiệu giữa trạm xử lý trung tâm với nhiều IC trên cùng một board mạch với việc chỉ sử dụng hai đường truyền dữ liệu, được nghiên cứu và thiết kế bởi Philips Semiconductors.
I2C là một phương thức truyền thông nối tiếp đồng bộ, được hiểu là các bit tín hiệu được truyền từng bit một liên tiếp theo các khoảng chu kỳ, được sắp đặt bởi một tín hiệu xung clock.
Hình 2.5: Hình ảnh minh họa mô tả I2C
I2C có một số đặc tính sau:
• Chỉ cần có hai đường dây (bus) chung để kiểm soát bất kỳ thiết bị.
• Tốc độ truyền tín hiệu có khả năng thay đổi phụ thuộc vào tình huống.
• Sử dụng cơ chế địa chỉ 7 bit để nhận biết một thiết bị trên bus [4].
Giới thiệu công nghệ LoRa
Công nghệ LoRa (Long Range) (hình minh họa 2.6) là một công nghệ truyền thông dữ liệu thông qua sóng vô tuyến và truyền không dây, được xây dựng để phục vụ nhu cầu kết nối trong các ứng dụng Internet of Things (IoT) Triển khai với dải tần ISM (Industrial, Scientific, and Medical) cách tự do, mang đến nhiều ưu điểm so với các công nghệ truyền thông khác.
Hình 2.6: Hình ảnh minh họa công nghệ LoRa
Một số nét đặc biệt của LoRa:
• Phạm vi truyền dẫn xa: LoRa sử dụng kỹ thuật phân tán phổ (spread spectrum) để chuyển phát tín hiệu tới nhiều kênh tần số riêng biệt, không bị rơi vào tình trạng nhiễu khi đang thực hiện việc chuyển phát các dữ liệu với khoảng cách lớn.
• Tiết kiệm năng lượng: LoRa modulation (kỹ thuật điều chế) đem tới việc tối ưu hóa hiệu suất chuyển phát và giảm được năng lượng tiêu thụ, phù hợp cho các thiết bị IoT hoạt động với nguồn năng lượng hạn chế.
• Chi phí thấp: LoRa sử dụng dải tần miễn phí, không yêu cầu cơ sở hạ tầng mạng phức tạp, giúp giảm thiểu chi phí triển khai và vận hành.
Với những nét đặc biệt trên LoRa được áp dụng phổ biến trong chuyên ngành IoT như:
• Giám sát môi trường: Giám sát mức không khí, nước, nhiệt độ, độ ẩm,
• Quản lý năng lượng: Đọc giá trị từ các thiết bị đo đạc điện năng, nước, gas,
• Theo dõi: Định vị và theo dõi vị trí của xe cộ, container, hàng hóa,
• Và nhiều ứng dụng IoT khác.
Một số ưu và nhược điểm của công nghệ LoRa Ưu điểm:
• Khả năng truyền dẫn xa: LoRa nổi bật với khả năng truyền dữ liệu lên đến vài km, thích hợp cho các mạng IoT phủ rộng kể cả khu vực nông thôn Đây là điểm mạnh so với các công nghệ khác khi triển khai mạng rộng lớn.
• Tiêu thụ năng lượng thấp: LoRa được phát triển có khả năng tiết kiệm năng lượng, giúp kéo dài thời gian hoạt động hơn cho thiết bị Nhờ vậy, thiết bị có thể hoạt động lâu dài mà không cần thay pin thường xuyên, giảm chi phí vận hành và nâng cao hiệu quả hệ thống.
• Khả năng thích ứng cao: LoRa có khả năng xử lý nhiễu tốt, đảm bảo kết nối ổn định trong môi trường nhiễu cao như khu công nghiệp hay đô thị Nhờ vậy, dữ liệu được truyền tải đáng tin cậy ngay cả trong điều kiện khắc nghiệt.
• Tốc độ truyền dẫn chậm: So với một số công nghệ khác, LoRa có tốc độ chuyển phát tín hiệu chậm Tuy nhiên, nó phù hợp với các ứng dụng không yêu cầu dung lượng truyền tải lớn, ưu tiên độ ổn định và tiết kiệm năng lượng.
• Ràng buộc bởi dải băng thông: LoRa sử dụng dải tần ISM chung với các thiết bị khác, dẫn đến hạn chế về băng thông và khả năng đa nhiệm Tuy nhiên, việc quản lý và lên kế hoạch chuyển phát tín hiệu hợp lý có thể giúp LoRa hoạt động hiệu quả [5].
Giới thiệu các linh kiện sử dụng trong thiết kế
ESP32
ESP32 là vi điều khiển được phát triển bởi Espressif Systems Với khả năng được tích hợp cả Wi-Fi và Bluetooth, ESP32 cung cấp khả năng kết nối thiết bị IoT với mạng không dây và truyền dữ liệu một cách dễ dàng Nó cũng được trang bị một loạt các giao tiếp ngoại vi như SPI, I2C, UART, Thêm vào đó nó còn sở hữu số lượng chân GPIO lớn tới 30 chân giúp cho việc kết nối phong phú hơn Trong ESP còn có hệ điều hànhRTOS (Real-Time Operating System) là một hệ điều hành được thiết kế để phục vụ các ứng dụng yêu cầu thời gian thực, nơi các nhiệm vụ phải được thực hiện trong các khoảng thời gian chính xác, RTOS trong ESP32 có hai kiến trúc là FreeRTOS và Duel-core. Trong đề tài này nhóm lập trình cho ESP32 theo kiến trúc Duel-core.
Nhờ mở ra khả năng đa dạng trong vấn đề kết nối với nhiều các cảm biến, thiết bị điện tử khác và trở nên phổ biến hơn trong các ứng dụng IoT từ nhỏ đến lớn Với những khả năng đặc biệt trên ESP32 được chọn trong đề tài này để làm vi điều khiển chính ở cả Master và Slave.
Thông số kỹ thuật (Bảng 2.1) của ESP32 NodeMCU LuaNode32 :
Bảng 2.1: Bảng đặc tính kỹ thuật ESP32 NodeMCU LuaNode32
Hình 2.7: Sơ đồ chân của ESP32 NodeMCU LuaNode32
ESP32 NodeMCU LuaNode32 30 chân (hình 2.7) được tích hợp những tính năng sau [6]:
• Chân chỉ làm input: GPIO 34, 35, 36, 39 Các chân này không có nội điện trở kéo lên hay kéo xuống.
• Chân Analog to Digital Converter (ADC): GPIO 34, 39, 32, 33, 34, 35, 25, 26, 27,
0, 2 , 4, 12, 13, 14, 15 Các chân ADC2 có thể xảy ra lỗi khi đang được kết nối Wifi, vậy nên có thể đổi sang chân ADC1 khi đang kết nối Wifi.
• Digital to Analog Converter (DAC): GPIO 25, 26 để chuyển đổi tín hiệu digital thành output tín hiệu điện áp tương tự (analog)
• GPIO RTC: giống với các chân ADC , các GPIO này có chức năng kêu dậy ESP32 khỏi chế độ deep sleep.
• I2C: Hai chân GPIO 21 (SDA), 22 (SCL).
• SPI: MOSI: GPIO 23, 13 / MISO: GPIO 19, 12 / CLK: GPIO 18,14 / CS: GPIO 5,15
Module SX1278 LoRa Ra-02 Ai-Thinker
SX1278 LoRa Ra-02 Ai-Thinker (hình 2.8) được trang bị chip SX1278 của công ty SEMTECH là module truyền nhận dữ liệu không dây được phát triển cho ứng dụng LoRa (Long Range) với khả năng cung cấp kết nối từ xa và tiêu thụ năng lượng thấp phù hợp các ứng dụng IoT (Internet of Things) hiện nay.
Hình 2.8: Hình ảnh thực tế Module SX1278 LoRa Ra-02 Ai-Thinker
Với các tính năng chính của SX1278 LoRa Ra-02 bao gồm khả năng chuyển tín hiệu rộng lớn, đến tận vài kilômét trong trường hợp lý tưởng và khả năng tiêu hao năng lượng thấp giúp cho nó được tin dùng trở thành lý tưởng cho các thực nghiệm yêu cầu ít biến động, độ tin cậy cao và phù hợp trong đề tài này.
Dưới đây là đặc tính kỹ thuật (bảng 2.2) của SX1278 LoRa Ra-02
Bảng 2.2: Bảng đặc tính kỹ thuật SX1278 LoRa Ra-02
Module Relay 5V
Module Relay là một thành phần quan trọng trong các ứng dụng điều khiển, hoạt động như một công tắc điện tử được điều khiển bằng một tín hiệu điện, thường là từ một vi điều khiển hoặc mạch điều khiển khác Khả năng căn bản của một Relay là mở hoặc đóng mạch điện khi nhận được tín hiệu điều khiển Điều này cho phép nó thực hiện các chức năng như kiểm soát thiết bị điện.
Trong đề tài này nhóm chọn Module Relay 5V (hình 2.9) kích mức Cao/Thấp, là nhờ khả năng chọn mức cao hoặc thấp để điều khiển và có opto cách ly để bảo vệ vi điều khiển trong trường hợp xấu.
Hình 2.9: Hình ảnh thực tế Module Relay 5V (nguồn Internet)
Dưới đây là bảng thông (bảng 2.3) số kỹ thuật Module Relay 5V kích mức Cao/Thấp:
Bảng 2.3: Đặc tính kỹ thuật module Relay 5V
Module DHT11 Cảm biến nhiệt độ độ ẩm
Cảm DHT11 từ lâu đã luôn được sử dụng đại trà, phổ biến trong các dự án IoT hiện nay khi theo dõi các thông số của khu vực môi trường Dựa vào độ uy tín cũng như mức chi phí thấp, module dht11 rất phù hợp trong đề tài và được trang bị trên cả master và slave.
Hình 2.10: Hình ảnh thực tế Module DHT11 (nguồn Internet) Dưới đây là bảng thông số (bảng 2.4, 2.5) DHT11:
Bảng 2.4: Đặc tính kỹ thuật của module DHT11
Bảng 2.5: Bảng thông tin các chân (pinout) của DHT11
Module MQ5 Cảm biến khí Gas
MQ-5 (hình 2.11) là loại mạch cảm biến khí gas được ứng dụng rộng rãi tại các thực nghiệm như cảnh báo sự xuất hiện của khí gas độc hại trong môi trường sống Có thiết kế nhỏ gọn và dễ dàng kết nối, MQ-5 có thể được trang bị vào các hệ thống đo và giám sát khí gas. Đặc điểm nổi bật của MQ-5 là khả năng phát hiện một loạt các loại khí như LPG, khí gas, khí than Với khả năng có độ nhạy cao, giúp phát hiện sớm các mức độ khí độc đáng lo ngại Cảm biến này phù hợp trong đề tài và được sử dụng trong khu vực phòng bếp, là một slave trong hai slaves của hệ thống.
Hình 2.11: Hình ảnh thực tế cảm biến khí Gas MQ5 (nguồn Internet)
Dưới đây là bảng thông số (bảng 2.6, 2.7) MQ5:
Bảng 2.6: Đặc tính kỹ thuật của module cảm biến MQ5
Bảng 2.7: Bảng thông tin các chân module cảm biến MQ5
Module MQ 135 Cảm biến chất lượng không khí
Cảm biến chất lượng không khí MQ135 là một trong những loại cảm biến phổ biến được sử dụng để đo chất lượng khí trong không khí, như khí Sulphide, hơi Benzene, khói và các khí độc hại khác.
Module MQ135 thường được áp dụng trong các thực nghiệm liên quan đến theo dõi chất lượng không khí trong các môi trường như trong khu vực phòng, công nghiệp, và các dự án IoT (Internet of Things) Nhờ có độ nhạy tốt, tuổi thọ cao và tính ổn định, cảm biến phù hợp trong đề tài này và sẽ được dùng cho slave được đặt trong phòng khách.
Hình 2.12: Hình ảnh thực tế Module MQ135 (nguồn Internet) Dưới đây là bảng thông số (bảng 2.8, 2.9) MQ135:
Bảng 2.8: Đặc tính kỹ thuật module MQ 135
Bảng 2.9: Bảng thông tin các chân module cảm biến MQ 135
Module Cảm biến độ ẩm đất
Là một loại Module cảm biến (hình 2.13) thiết yếu trong lĩnh vực nông nghiệp, trồng trọt Nó có khả năng đo lường phần trăm độ ẩm trong đất, từ trạng thái khô đến trạng thái đủ độ ẩm Qua việc theo dõi sự biến đổi của độ ẩm đất, người dùng có thể điều chỉnh lượng nước được cung cấp cho cây trồng một cách chính xác Nhờ những khả năng trên cảm biến phù hợp cho khu vực vườn nhà là master trong hệ thống.
Hình 2.13: Hình ảnh thực tế module cảm biến độ ẩm đất (nguồn Internet)
Dưới đây là bảng thông tin (bảng 2.10, 2.11) về đặc tính của module:
Bảng 2.10: Đặc tính kỹ thuật của module độ ẩm đất
Bảng 2.11: Bảng thông tin các chân của module độ ẩm đất
Module Cảm biến đo điện năng PZEM-004T V3
Cảm biến PZEM-004T V3 (hình 2.14) là một thiết bị đo lường điện năng được thiết kế để giám sát và quản lý điện năng tiêu thụ trong các hệ thống điện, là phiên bản cải tiến, mang đến độ chính xác cao hơn và khả năng tích hợp dễ dàng với các hệ thống vi điều khiển như arduino, esp,
PZEM-004T V3 có khả năng đo đạc các thông số quan trọng như điện áp (voltage),dòng điện (current), công suất (power), và năng lượng tiêu thụ (energy), là lựa chọn lý tưởng cho các dự án giám sát điện năng trong gia đình và công nghiệp Cảm biến đo dòng điện bằng biến dòng (CT) được kẹp quanh dây pha hoặc dây trung tính của tải CT cảm nhận từ trường xung quanh dây dẫn và tạo ra dòng điện nhỏ tỷ lệ với dòng điện chạy qua dây dẫn Sau đấy Module đo dòng điện đi qua và chuyển đổi thành tín hiệu số Cảm biến PZEM-004T v3 kết nối trực tiếp với nguồn điện AC để đo điện áp Công suất sẽ được module tính bằng công thức sau P = V x I xcosa Với V là hiệu điện áp đo được,
I là dòng điện,cosalà hiệu số công suất ( là tỷ lệ giữa công suất thực (P) và công suất biểu kiến (S), trong đó S được tính bằng tích của điện áp và dòng điện (S = V x I)).
Hình 2.14: Hình ảnh thực tế cảm biến PZEM 004T V3 (nguồn Internet)
Dưới đây là bảng đặc tính kỹ thuật (bảng 2.12) của PZEM-004T V3:
Bảng 2.12: Đặc tính kỹ thuật của PZEM 004T V3
Với các thuộc tính như điện áp, dòng điện, công suất, năng lượng đo từ PZEM thấy được rằng PZEM có thể đo được gần như hầu hết các thiết bị điện tử tại nơi ở với mức sai số thấp Trở thành cảm biến phù hợp cho các khu vực phòng bếp, phòng khách (khu vực của hai Slaves).
LCD 1602
Module LCD 1602 (hình 2.15) có khả năng hiển thị 16x2 ký tự Có khả năng giao tiếp dễ dàng với các vi điều khiển esp32, arduino,
Màn hình hiển thị LCD 1602 có những điểm mạnh nổi bật như: khả năng hiển thị nhiều ký tự (chữ cái, con số, ký tự đặc biệt, ), có công suất thấp, giá thành thấp, dễ dàng lập trình hiển thị, Vậy nên module phù hợp trong đề tài để hiển thị các thông số tại các khu vực, trang bị tại master và hai slaves.
Hình 2.15: Hình ảnh thực tế Module LCD 1602 (nguồn Internet)
Dưới đây là bảng thông số (bảng 2.13) các chân LCD:
Bảng 2.13: Bảng thông số các chân LCD 1602
Module chuyển đổi I2C
Được sử dụng để kết nối với màn hình LCD (hình 2.16), giúp chuyển giao tiếp LCD một cách đơn giản chỉ với 2 chân (SCL, SDA) Hỗ trợ cho nhiều LCD như LCD1602,LCD2004, Module trang bị thêm biến trở để điều chỉnh độ sáng của màn hình LCD, với giá thành thấp độ bền cao.
Hình 2.16: Hình ảnh thực tế Module chuyển đổi I2C (nguồn Internet)
Dưới đây là thông số (bảng 2.14) các chân của Module chuyển đổi I2C:
Bảng 2.14: Bảng thông tin các chân module I2C
Các linh kiện phụ
Các linh kiện, thiết bị còn lại trong hệ thống cũng là những linh kiện không thể thiếu trong đề tài Với những linh kiện như: còi buzzer để cảnh báo, các nút nhấn để kiểm soát thiết bị tại các khu vực phòng, công cụ cung cấp nguồn hoạt động cho Master, hai Slaves. Đề tài sẽ được tiến hành phát triển theo những linh kiện đã được trình bày ở trên vì những khả năng chúng đưa ra bảo đảm được các yêu cầu hệ thống.
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG
Yêu cầu hệ thống và đặc tính kỹ thuật
Yêu cầu hệ thống
Dựa trên những hệ thống giám sát và điều khiển trong nhà thông minh thì mô hình hệ thống được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu sau:
• Mô hình hệ thống giao tiếp giữa master và hai slave qua giao tiếp LoRa, Master được đặt tại sân vườn và hai slave tại lần lượt các phòng là phòng khách, phòng bếp.
• Master có khả năng điều khiển các thiết bị tại Master và các thiết bị tại Slave bằng nút nhấn và Slave cũng có khả năng tự điều khiển thiết bị tại khu vực của nó khi đang giao tiếp qua LoRa Slave gửi giá trị cảm biến thu được tại các khu vực của Slave đến cho Master.
• Có khả năng cảnh báo thông qua buzzer tại các khu vực của Slave và Master khi các các giá trị các cảm biến thu được khi vượt ngưỡng đã cài đặt trước, như vượt ngưỡng của cảm biến khí gas (hơn 50%) tại phòng bếp, vượt ngưỡng của cảm biến chất lượng không khí (hơn 50%) tại phòng khách, vượt ngưỡng của cảm biến độ ẩm đất (hơn 15%) tại khu vườn.
• Người chủ có thể theo dõi các giá trị từ cảm biến, tính toán tiền điện và kiểm soát các thiết bị tại khu vực qua web nhờ vào kết nối Wifi.
Đặc tính kỹ thuật
Mô hình hệ thống giám sát và điều khiển cần đáp ứng các đặc tính kỹ thuật sau:
• Độ tin cậy và chính xác của hệ thống cần có độ tin cậy cao, sai sót thấp, quy mô truyền dữ liệu có phạm vi rộng phù hợp cho nhà thông minh rộng lớn.
• Cơ sở dữ liệu của hệ thống được cập nhật thường xuyên để người dùng có thể theo dõi và điều khiển thuận tiện, hợp lý.
Phân tích triển khai hệ thống
Xây dựng khối cảm biến
Là khối thu nhập các số liệu từ cảm biến tại các khu vực lần lượt là khu vườn (Master), phòng bếp, phòng khách (hai Slaves) Do hai Slave có ngoại hình và chân cảm biến giống nhau nên nhóm sẽ chỉ đưa một hình ảnh về Slave như bên dưới (hình 3.2, 3.3, 3.4).
Cả Master và Slave đều dùng Esp32 làm vi điều khiển chính, và có cảm biến DHT11 giống nhau tại mỗi khu vực, và khác cảm biến còn lại Tại Master và Slave còn có còi buzzer để cảnh báo người dùng về các mức thông số từ cảm biến thu nhập ở các khu vực.
Hình 3.2: Hình ảnh kết nối khối cảm biến và khối cảnh báo của Master
Hình 3.3: Hình ảnh kết nối khối cảm biến và khối cảnh báo của Slave
Hình 3.4: Hình ảnh kết nối khối cảm biến pzem và Slave Để có thể biết rõ hơn về các đấu nối chân, dưới đây là các bảng đấu nối từ các hình ảnh trên (bảng 3.1, 3.2, 3.3, 3.4).
Bảng 3.1: Bảng đấu nối các chân của Esp32 và DHT11 (Master và Slave)
Bảng 3.2: Bảng đấu nối các chân của Esp32 và MQ5/ MQ135/ Cảm biến độ ẩm đất(Master và Slave)
Bảng 3.3: Bảng đấu nối các chân của Esp32 và PZEM (Slave)
Bảng 3.4: Bảng đấu nối các chân của Esp32 và còi buzz (Master và Slave)
Xây dựng khối hiển thị
Khối hiển thị là khối kết nối giữa màn hình LCD và vi điều khiển Esp32, có ở cả Master và Slave.
Khối hiển thị đem tới cho chủ nhà các thông số tại các khu vực, và tại Master còn cung cấp thêm thông số như khí gas, độ sạch không khí và chế độ của đèn, quạt trong các khu vực Slaves.
Dưới đây là hình ảnh và bảng đấu nối của khối hiển thị (hình 3.5, bảng 3.5).
Hình 3.5: Hình ảnh kết nối khối hiển thị
Bảng 3.5: Bảng đấu nối các chân của Esp32 và LCD 1602 module i2c
Xây dựng khối điều khiển
Là khối kiểm soát tất cả các thiết bị điện từ của các khu vực bằng việc sử dụng nút bấm tại các khu vực của Master và Slave.
Tại hình 3.6 Master có sáu nút bấm, để điều khiển hai thiết bị (relay) tại Master và hai Slaves Với sơ đồ nối chân như ảnh trên , nút bấm điều khiển relay tại Master sẽ được nối với GPIO39 và GPIO4, với các Slave tại các phòng lần lượt là GPIO34, GPIO35 và GPIO 16, GPIO 17.
Hình 3.6: Hình ảnh kết nối khối điều khiển tại Master
Các relay sẽ là công tắc để kiếm soát bật/ tắt đèn và máy bơm ở khu vực của Master(khu vực sân vườn).
Hình 3.7: Hình ảnh kết nối khối điều khiển tại Slave Để quan sát cách chính xác hơn, dưới đây là bảng đấu nối chân của khối điều khiển master và slave (bảng 3.6, 3.7) :
Bảng 3.6: Bảng đấu nối các chân của khối điều khiển Master
Bảng 3.7: Bảng đấu nối các chân của khối điều khiển Slave
Tại Slave (hình 3.7) các nút bấm được nối lần lượt vào các chân GPIO 34, GPIO35,Relay được nối như khối điều khiển của master lần lượt là GPIO 26, GPIO 27 CácSlaves vẫn có các nút bấm riêng để kiểm soát các thiết bị tại khu vực phòng của nó.Khối điều khiển ở Slave và Master đều có các nút bấm là nút bấm nhấn nhả Việc thêm các điện trở vào nút bấm để làm giảm nhiễu giúp tránh các tín hiệu truyền vào bị lỗi.
Xây dựng khối giao tiếp LoRa
Đây là khối quan trọng nhất có thể thu nhập được dữ liệu từ các khu vực của Slave và gửi dữ liệu cảm biến cho Master, cũng như khả năng điều khiển của Master tới Slave. Dưới đây là hình ảnh và bảng đấu nối chân của khối giao tiếp (hình 3.8, bảng 3.8):
Hình 3.8: Hình ảnh kết nối của khối giao tiếp LoRa
Bảng 3.8: Bảng đấu nối chân của Esp32 và Module LoRa
Xây dựng mạch in
Mạch in được vẽ trong đề tài bằng phần mềm protues.
Hình 3.9: Hình ảnh mạch in trong phần mềm protues Ở mạch trên (hình 3.9), Esp32 nằm giữa cắm vào các đầu lỗ cắm(jump) có 8 hàng (jump 8 đầu nằm thứ bốn và thứ năm từ trái qua phải), các jump 8 đầu thứ ba và thứ sáu là được đấu nối đối diện với các chân của Esp32 Hai jump 4 đầu ngoài cùng bên phải là chỗ đấu nối với module lora, jump 4 đầu còn lại (nằm trên bên phải) là đầu nối với LCD. Các jump 2 đầu lần lượt là chỗ đấu nối với tụ điện (J9, J8) và còi buzzer (J6) Hai hàng jump 8 đầu ngoài cùng bên trái qua lần lượt là hàng VIN (5V) và GND Mạch in được áp dụng cho cả Master và Slave ở riêng Slave các điện trở R5, R6 sẽ không có tại mạch.
Thiết kế phần mềm
Lưu đồ thuật toán tổng quan của Master hoạt động như sau (hình 3.10).
Hình 3.10: Lưu đồ hệ thống Master
Khi Esp32 được khởi động và các cảm biến, thiết bị khác được cấp nguồn Esp32 bắt đầu khởi tạo các Task để thực thi (hai Task được chia ra hoạt động trên mỗi core của ESP32 theo kiến trúc Duel-core trong RTOS giúp tối ưu hóa hiệu suất và phân phối tải công việc) Task Lora: Master bắt đầu khởi động module LoRa, sau đấy Master sẽ gửi gói tin tới Slave để điều khiển relay Slave (nếu nhấn nút điều khiển Slave trên Master sẽ đổi biến trạng thái relay của Slave ví dụ từ f sang t và ngược lại) Ví dụ tín hiệu gói tin gửi sẽ là 1f 1t 2f 2t, ở đây Master sẽ truyền tới lần lượt từng Slave để điều khiển relay của Slave, trong đấy lần lượt 1f 1t là tắt đèn (1f, f là tắt), bật quạt (1t, t là bật) ở Slave 1 (phòng bếp) và tương tự với Slave 2 (phòng khách) là 2f 2t Sau khi nhận gói tin truyền lại từ các Slaves, Master phân tách gói tin và lưu vào các biến phù hợp Tiếp theo Master sẽ đẩy dữ liệu các biến lấy được từ cảm biến và biến lưu chế độ lúc đấy của relay từ hai Slaves, hiển thị các giá trị cảm biến của Master và giá trị cảm biến khí gas, cảm biến chất lượng không khí từ các khu vực Slave lên LCD. Ở task Firebase: Master bắt đầu kết nối Wifi, Firebase, sau đấy đẩy tất cả các dữ liệu đã thu thập được tại Master và Slave (lấy được ở task Lora) gửi lên Firebase và từ Firebase lên web Master sẽ lấy dữ liệu trên Firebase là trạng thái các thiết bị để điều khiển thiết bị Master và gửi gói tin trạng thái thiết bị đã lấy từ Firebase tới Slave để điều khiển thiết bị của Slave.
Lưu đồ thuật toán tổng quan của Slave (hình 3.11):
Hình 3.11: Lưu đồ hệ thống Slave
Nhìn vào lưu đồ trên, đầu tiên Slave sẽ nhận lệnh từ Master để bật tất thiết bị (relay), ví dụ như trên là nhận gói tin 1f 1t 2f 2t và nếu như Slave 1 (phòng bếp) nhận được sẽ điều khiển tương ứng bật tắt đèn quạt lần lượt theo tín hiệu gói tin là 1f, 1t Tiếp theo Slave sẽ điều khiển relay của Slave bằng nút nhấn tại Slave Cuối cùng Slave sẽ gom các giá trị cảm biến, trạng thái relay và tín hiệu nút nhấn vật lý có được bấm không rồi gom lại thành gói tin để gửi tới cho Master và hiển thị thông số cảm biến tại khu vực lên LCD quy trình tiếp tục lặp lại.
Lưu đồ giải thuật cảnh báo tại Slave và Master: Dưới đây là lưu đồ giải thuật cảnh báo (hình 3.12).
Hình 3.12: Lưu đồ hệ thống cảnh báo
Khi các thông số cảm biến lấy được như khí gas tại khu vực phòng bếp, mức chất lượng không khí tại phòng khách và độ ẩm đất tại khu vườn vượt mức được cài đặt thì còi buzzer tại khu vực đấy sẽ kêu để cảnh báo cho người dùng.
Lưu đồ cập nhật chế độ của relay (hình 3.13).
Hình 3.13: Lưu đồ cập nhật chế độ của relay
Dựa vào lưu đồ trên, đây là lưu đồ tại Master Đầu tiên Master sẽ nhận tín hiệu khi nút nhấn vật lý được bấm từ Slave (count_s=1) hoặc nút nhấn vật lý tại Master(count_m=1) thì sẽ gửi chế độ của các relay lên firebase, sau khi cập nhật xong sẽ chỉnh lại các biến count_m và count_s về bằng không Cuối cùng khi cả count_m và count_s bằng không thì các relay sẽ luôn được kiểm soát theo như các nút bấm ảo.
Arduino IDE
Arduino IDE (Integrated Development Environment) là công cụ phát triển mã nguồn mở dành cho Arduino (cũng có thể dùng để lập trình cho một số vi điều khiển khác), đóng vai trò quan trọng để viết mã và triển khai ứng dụng cho các bo mạch vi điều khiển.
Hình 3.14: Giao diện Arduino IDE (version 1.8.19)
Arduino IDE có các ưu điểm để nhóm thực hiện đề tài dùng để lập trình cho hệ thống như:
• Lập trình dễ dàng: Arduino IDE sử dụng ngôn ngữ lập trình C/C++, giúp người dùng dễ dàng làm quen.
• Người dùng đông đảo, tài liệu phong phú: Nhận được nhiều sự trao đổi từ cộng đồng lớn, đa dạng các nguồn thông tin và thư viện cho việc lâp trình.
Dưới đây là hình ảnh các thư viện thuộc mã code của master và slave.
Hình 3.15: Hình ảnh mã code các thư viện thuộc Master
Các thư viện SPI.h, và LoRa.h là thư viện để sử dụng các hàm trong mã để chuyển phát các tín hiệu, thông số qua LoRa, thư viện Wire.h và LiquidCrystal_I2C.h để hỗ trợ việc hiển thị lên LCD Còn lại là thư viện để truy cập Firebase qua Wifi.
Hình 3.16: Hình ảnh mã code các thư viện thuộc Slave
Giống như Master ở các thư viện để chuyển phát bằng LoRa, và thư viện cho LCD.Tại Slave có thêm thư viện để có thể sử dụng các hàm cho việc lấy các giá trị điện.
Google Firebase
Google Firebase là hệ thống cải tiến ứng dụng được thiết kế để hỗ trợ các nhà phát triển xây dựng và vận hành ứng dụng di động hoặc web một cách dễ dàng và hiệu quả. Bên dưới là ảnh sau khi tạo được project làm nơi lưu trữ cho đề tài (hình 3.17).
Hình 3.17: Hình ảnh project tại trang chủ Google Firebase
Tại đề tài này, nhóm dùng Realtime Database làm nơi lưu trữ các thông số từ cảm biến lấy được và tín hiệu hoạt động của relay Và cũng là nơi giao tiếp hai chiều nằm giữa giữa web và hệ thống.
Kết nối Firebase và Web
Tạo dữ liệu Realtime Database
Realtime Database trên Firebase là một dịch vụ cơ sở dữ liệu đám mây được thiết kế để lưu trữ và đồng bộ dữ liệu giữa các ứng dụng di động và web trong thời gian thực.
Nhờ việc tạo và quản lý dữ liệu dễ dàng và hiệu quả của Realtime Database, nhóm đã tạo được thành công các dữ liệu cần thiết trên firebase realtime database.
Hình 4.1: Ảnh thực tế Realtime database của hệ thống
Tại hình 4.1 trên, dữ liệu được chia thành hai loại có đường dẫn là cảm biến (cam- bien) và thiết bị (thietbi) để lưu các dữ liệu cần thiết Với dữ liệu cảm biến sẽ là: doam, nhietdo, energy, Thiết bị là các dữ liệu BULB_01, AIR_01,
Tại khu vục phòng khách sẽ là: doam, nhietdo, energy, gas, power, với hai thiết bị là BULB_01, AIR_01 Phòng bếp là: doam_kit, nhietdo_kit, energy_kit, gas_kit,power_kit, có hai thiết bị là BULB_201, AIR_201 Sân vườn là: doam_gar, nhietdo_gar,energy_gar, gas_gar, power_gar, và hai thiết bị tên là BULB_01_gar, STINK_gar.
Thiết kế, lập trình web hệ thống
Web hệ thống được viết và lập trình bằng ngôn ngữ HTML (HyperText Markup Language), CSS (Cascading Style Sheets) và Javascripts để tạo ra giao diện, kết nối và đồng bộ hóa với Firebase.
Hình 4.2: Hình ảnh trang web phòng khách
Hình 4.3: Hình ảnh trang web phòng bếp
Hình 4.4: Hình ảnh trang web sân vườn
Khác với sân vườn (garden hình 4.4) Tại trang web phòng khách (livingroom) và phòng bếp (kitchen) trên hình 4.3, 4.2 là khu vực của lần lượt 2 salve có thêm các thông số từ cảm biến đo dòng điện PZEM là các giá trị Power và Energy, trong đấy energy là dữ liệu để tính toán giá điện cho cả hai khu vực của hai slave Còn lại sẽ là các giá trị từ các cảm biến, nút bẩm ảo điều khiển 2 thiết bị mỗi khu vực, và giá trị cảm biến khí gas tại khu vực phòng bếp, chất lượng không khí tại khu vực phòng khách, và độ ẩm đất tại sân vườn.
Hình 4.5: Hình ảnh cập nhật giá tiền điện
Người chủ có thể tính giá điện bằng cách nhập giá trị tiền điện (hình 4.5) trên kWh
(Energy) Trang web sẽ tính tổng giá trị kWh của cả hai phòng là phòng khách và phòng bếp rồi nhân cho giá trị tiền điện bạn đã nhập để đưa ra số tiền điện (theo đơn vị ViệtNam đồng).
Kết quả thiết kế mô hình hệ thống
Mô hình Master
Hình 4.6: Hình ảnh thực tế mô hình Master
Mô hình master (hình 4.6) được thiết kế với sáu nút bấm để kiếm soát các thiết bị của cả hệ thống (ở đây các thiết bị được thay thế tượng trưng bằng bóng đèn), màn hình hiển thị thông số cảm biến khí gas tại cả hai khu vực phòng khách, phòng bếp và độ ẩm đất tại khu vực sân vườn.
Mô hình master có kích thước xấp xỉ 20x11x13 và được thi công bằng miếng bìa fomex Mô hình được cấp nguồn qua cốc sạc 5VDC, dây cấp nguồn cho đèn (220VAC).
Mô hình Slave
Hình 4.7: Hình ảnh thực tế mô hình với hai Slaves
Mỗi mô hình Slave (hình 4.7) được thiết kế có 2 nút nhấn để điều khiển thiết bị của slave tại khu vực đấy (ở đây các thiết bị được thay thế tượng trưng bằng bóng đèn), màn hình hiển thị thông số cảm biến nhiệt độ, khí gas (hoặc chất lượng không khí) và các giá trị như power và energy.
Mô hình slave có kích thước xấp xỉ 25x15x16 và cũng được thi công bằng bìa fomex Mô hình được cấp nguồn qua cốc sạc 5VDC, dây cấp nguồn cho đèn (220VAC) và đầu cắm âm để đo điện năng của thiết bị.
Thống kê hệ thống sau thử nghiệm
Sau khi bắt tay vào việc xây dựng mô hình hệ thống xong nhóm đã thực hiện các thử nghiệm hệ thống.
Hình 4.8: Hình ảnh thực tế Master hiển thị tín hiệu hoạt động của các relay tại phòng bếp (Slave 1)
Hình 4.9: Hình ảnh thực tế Master hiển thị thông số MQ5 tại phòng bếp (Slave 1)
Tại hai hình 4.8, 4.9 màn hình LCD của Master đã đưa ra đúng thông số từ cảm biến MQ5 với tên hiển thị là G1 Hình ảnh thực tế cũng cho thấy đèn và quạt của Slave
1 lần lượt đang bật và tắt cũng đã được thấy bên LCD của Master (B1: ON, A1: OFF).
Hình 4.10: Hình ảnh thực tế Master hiển thị tín hiệu hoạt động của các relay tại phòng khách (Slave 2)
Hình 4.11: Hình ảnh thực tế Master hiển thị thông số MQ135 tại phòng khách (Slave 2) Ở trên hai hình 4.10, 4.11 nhìn thấy rằng màn hình LCD của Master đưa ra đúng thông số từ cảm biến MQ135 với tên hiển thị là G2 Hình ảnh thực tế cũng cho thấy đèn và quạt của Slave 2 đều đang bật và đồng bộ theo bên LCD của Master (B2: ON, A2:
Hình 4.12: Hình ảnh thực tế đồng bộ web với Master (khu vườn)
Hình 4.13: Hình ảnh thực tế đồng bộ web với Slave 1 (phòng bếp)
Hình 4.14: Hình ảnh thực tế đồng bộ web với Slave 2 (phòng khách)
Tại các hình 4.12, 4.13, 4.14 thấy được rằng tại Master và hai Slaves đều hiển thị đúng các tín hiệu hoạt động của thiết bị và các thông số lên web.
Dưới đây là bảng thống kê để đánh giá, sau nhiều lần thử nghiệm (bảng 4.1).
Bảng 4.1: Bảng thống kê thử nghiệm mô hình hệ thống
Đánh giá và nhận xét
Sau khi nghiên cứu, thiết kế thi công mô hình hệ thống và thử nghiệm nhóm thấy rằng mô hình đã thỏa mãn được các mong muốn ban đầu được đề ra.
Hệ thống hoạt động ổn định, thời gian độ trễ điều khiển thiết bị ở mức chấp nhận được Các giá trị cảm biến thu nhập tới từ môi trường ở các khu vực của Master và Slave có tính tương đối Tuy nhiên vẫn còn một số nhược điểm cần được chỉnh sửa nếu như áp dụng vào thực tế.
Hệ thống có các ưu điểm và hạn chế sau: Ưu điểm:
• Hệ thống giao tiếp bằng công nghệ LoRa có thể truyền nhận dữ liệu tới vài km.
• Vẫn có thể kiểm soát các thiết bị và chuyển phát dữ liệu bình thường nếu như mất kết nối Wifi.
• Trang web đơn giản đem tới cho chủ nhà cảm giác dễ giám sát và điều khiển.
• Thu thập được nhiều giá trị cảm biến cần thiết cho các khu vực riêng và có cảnh báo qua còi buzzer tại khu vực phòng đấy khi dữ liệu cảm biến thu được vượt mức cài đặt trước.
• Khi có kết nối Wifi hệ thống có ít lần tiến hành kiểm soát không thành công tại thiết bị.
• Mô hình thiết bị còn hơi to, cồng kềnh, chưa đủ thẩm mỹ.
• Độ trễ khi bật tắt qua web còn cao.
• Bấm nút tại Master và Slave cần giữ khoảng ba giây rồi thả ra mới kiểm soát được thiết bị.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Hướng phát triển
Sau khi thực hiện, nghiên cứu và đánh giá tổng quan đề tài, nhóm có đúc kết ra một số hướng phát triển cho đề tài trong tương lai như sau:
• Xây dựng thêm ứng dụng android/ios để để chủ nhà theo dõi và kiểm soát thiết bị thuận tiện hơn nữa.
• Thêm chức năng tự động dập cháy khi giá trị khí gas vượt mức, bật máy lọc không khí khi giá trị không khí vượt mức, tự động bật bơm khi độ ẩm đất thấp.
• Thêm các thiết bị an toàn, chống trộm như camera, hoặc các cảm biến khác.
• Thêm các nguồn cấp như pin để có thể hoạt động trong tình huống không có điện.
[1] FPTShop Tìm hiểu các thông tin chi tiết về wifi: Wifi là gì và ưu nhược điểm của wifi Accessed: 2024-5-9 [Online] Available: https://fptshop.com.vn/tin-tuc/danh- gia/wifi-la-gi-tim-hieu-chi-tiet-ve-wifi-59065
[2] N H Phước Kiến thức cơ bản về giao tiếp uart Accessed: 2024-5-9 [Online]. Available: https://dientuviet.com/kien-thuc-co-ban-ve-giao-tiep-uart/
[3] N Phước Giới thiệu chuẩn giao tiếp spi Accessed: 2024-5-9 [Online] Available: https://dientuviet.com/gioi-thieu-chuan-giao-tiep-spi/
[4] H Phước Giới thiệu chuẩn giao tiếp i2c Accessed: 2024-5-9 [Online] Available: https://dientuviet.com/gioi-thieu-chuan-giao-tiep-i2c/
[5] L C Cường Lora là gì? nguyên lý hoạt động và ứng dụng Accessed: 2024-5-9. [Online] Available: https://iotvn.vn/lora-la-gi-nguyen-ly-hoat-dong-va-ung-dung/
[6] T L G Hoàng Tham khảo chân ra của esp32: Chân gpio nào nên dùng? Accessed: 2024-5-9 [Online] Available: https://talucgiahoang.com/blog/esp32- pinout-reference-gpios/
[7] N Q Huy and L H Duc, “Thiết kế và thi công hệ thống thông minh giám sát, điều khiển thiết bị điện trong gia đình và khu vườn ứng dụng công nghệ mạng lora và webserver,”Đồ Án Tốt Nghiệp Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, vol 4, no 3, pp 38–39, 2023.
Mã nguồn chương trình hệ thống: https://drive.google.com/drive/folders/10BiJOVPLfrxxYSNB93qym5u7UAe2SyFD
