Đề tài thiết kế và thi công mô hình Điều khiển thiết bị Điện

Đề tài này sẽ là một hệ thống hoàn thiện bao gồm phần cứng phần mềm, và có thể đáp ứng được cho các phòng học, phòng thí nghiệm, hộ gia đình, … Nội dung chính của đề tài • Sử dụng boar

TỔNG QUAN

ĐẶT VẤN ĐỀ

Xã hội ngày càng phát triển với công nghệ hiện đại đáp ứng nhu cầu cao của con người Công nghệ ngày nay trở nên gần gũi hơn bao giờ hết, đặc biệt trong thời đại bùng nổ kỹ thuật tiên tiến và các ứng dụng mạnh mẽ Các công nghệ này được tích hợp trong nhiều lĩnh vực như ôtô, tàu điện ngầm, y tế, giáo dục và cả trong nhà ở.

Trong những năm gần đây, công nghệ truyền và nhận dữ liệu không dây đã có những tiến bộ đáng kể, giúp thay thế các hệ thống dây dẫn phức tạp với nhiều hạn chế Công nghệ này đáp ứng nhu cầu truyền dữ liệu đến những khu vực xa xôi, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả hơn trong việc kết nối.

Sự phát triển của công nghệ đã làm cho hệ thống điều khiển thông minh và giám sát từ xa trở nên dễ dàng hơn Hiện nay, nhiều công nghệ truyền nhận dữ liệu không dây như RF, NFC, Bluetooth và Wifi đang được sử dụng phổ biến, trong đó Wifi là công nghệ được ưa chuộng nhất Nhằm nắm bắt xu hướng này, nhóm chúng tôi quyết định thực hiện đề tài “Thiết kế và thi công mô hình điều khiển thiết bị điện”.

Chúng tôi hướng đến việc nắm bắt xu hướng công nghệ điều khiển thông minh hiện nay, với hy vọng ứng dụng cho các phòng học, phòng thực hành và các cơ quan làm việc chưa có hệ thống điều khiển phù hợp Mục tiêu là sử dụng hiệu quả các thiết bị điện, đồng thời mang lại sự tiện lợi và an toàn cho người dùng.

MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

Nhóm nghiên cứu đã thực hiện đề tài này dựa trên kiến thức đã học và tìm hiểu Hệ thống được thiết kế nhằm điều khiển các thiết bị điện trong phòng học thông qua ứng dụng Android trên điện thoại, đồng thời cho phép giám sát và điều khiển trạng thái thiết bị từ xa qua Web.

Cụ thể hệ thống được tích hợp module ESP32 điều khiển thông qua Wifi và tất cả dữ liệu được lưu trữ trên một Web Server

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 2

Nhóm sẽ thiết kế hệ thống điều khiển cho một phòng học với 12 thiết bị, bao gồm 4 đèn, 4 quạt, 3 loa và 1 tivi, dựa trên khảo sát thực tế tại một số phòng học trong trường.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Tìm hiểu công nghệ Wifi Các đặc điểm của công nghệ, cách thức giao tiếp và chế độ hoạt động

Tìm hiểu hệ điều hành Android

Tìm hiểu cách gửi và nhận dữ liệu thông qua máy chủ Server MQTT

Tìm hiểu module ESP32, thiết kế hệ thống giao tiếp

Tính toán, thiết kế và thi công mạch phần cứng, phần mềm

Thiết kế mô hình, lắp ráp các khối điều khiển

Chạy thử, kiểm tra, cân chỉnh tối ưu hệ thống

• Nội dung 8: Đánh giá kết quả thực hiện

Viết báo cáo luận văn tốt nghiệp

GIỚI HẠN

Mô hình giới hạn cho các thiết bị điện trong phòng học, bao gồm đèn, quạt, tivi và loa, cho phép hiển thị trạng thái hoạt động thông qua đèn báo trên mô hình.

Hệ thống điều khiển được thiết bị điện 220VAC cho mỗi module4

Giao tiếp giữa ESP32, đồng bộ điều khiển thiết bị với ứng dụng Android và với Web Server

Giám sát được nhiệt độ và độ ẩm của bộ điều khiển

BỐ CỤC

Trình bày tổng quan về lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn và bố cục đồ án

• Chương 2: Cơ Sở L Tý huyết

Giới thiệu các lý thuyết liên quan, các linh kiện, thiết bị sử dụng và cách thức giao tiếp với nhau

• Chương 3: hiết T Kế Và Tính Toán

Thiết kế hệ thống, sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý chức năng từng khối và thực hiện tính toán

• Chương 4: Thi Công Hệ Thống

Thi công board mạch, thiết kế lưu đồ, giải thuật, chương trình Thi công mô hình hoàn chỉnh

• Chương 5: Kết uả, Q Nhận Xét Và Đánh G iá

Sau thời gian thực hiện, hệ thống đã đạt được nhiều kết quả đáng kể, kèm theo một số hình ảnh minh họa cho sự phát triển này Nhận xét tổng quát, hệ thống hoạt động hiệu quả và đáp ứng tốt các mục tiêu đề ra, cho thấy tiềm năng phát triển trong tương lai.

• Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển Đưa ra những kết luận sau khi hoàn thiện sản phẩm, các hướng phát triển nâng cấp hệ thống trong tương lai.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐIỆN DÂN DỤNG

Việc sử dụng thiết bị điện một cách hiệu quả và an toàn là ưu tiên hàng đầu cho người dùng, không chỉ tại các công trình, tòa nhà hay hộ gia đình mà còn ở văn phòng làm việc và phòng học Tiết kiệm điện là rất cần thiết trong mọi không gian Dưới đây là bảng thống kê về các thiết bị điện chính thường được sử dụng trong phòng học cùng với công suất của từng thiết bị.

Bảng 2.1: Thống kê các thiết bị điện trong phòng học và công suất tiêu thụ

STT Tên thiết bị điện Công suất tiêu thụ

Mức độ tiêu thụ điện năng của từng thiết bị được thể hiện rõ trong bảng, và việc sử dụng không hợp lý có thể gây lãng phí điện năng cũng như giảm tuổi thọ thiết bị Với số lượng phòng học lớn tại các trường Đại học, thiệt hại này càng trở nên nghiêm trọng Do đó, việc triển khai một hệ thống điều khiển thông minh và giám sát chặt chẽ các thiết bị điện là cần thiết để nâng cao hiệu quả sử dụng và tiết kiệm điện năng Đề tài này sẽ giải quyết vấn đề quan trọng này.

TỔNG QUAN VỀ INTERNET OF THINGS

Hiện nay, nhu cầu phát triển ứng dụng Internet đang gia tăng mạnh mẽ Công nghệ IoT (Internet of Things) đóng vai trò quan trọng, cho phép chúng ta tạo ra nhiều ứng dụng đa dạng phục vụ hầu hết các lĩnh vực trong cuộc sống.

IoT, hay Internet of Things, là một hệ thống mạng lưới kết nối tất cả các thiết bị và đối tượng qua thiết bị mạng và bộ định tuyến Công nghệ này cho phép điều khiển các đối tượng từ xa, giúp giảm bớt công sức vận hành của con người thông qua việc tự động hóa quá trình điều khiển thiết bị.

Hình 2.1 Internet of things Các thành phần chính trong một hệ thống IoT:

Mỗi thiết bị sẽ bao gồm một hoặc nhiều cảm biến để phát hiện các thông số của ứng dụng và gửi chúng đến Platform

Nền tảng này là phần mềm điện toán đám mây, cho phép các thiết bị kết nối và tương tác với nhau một cách hiệu quả.

Nền tảng này thu thập và phân tích dữ liệu thiết bị, nhằm phát hiện lỗi phát sinh trong quá trình vận hành hệ thống.

Để giao tiếp hiệu quả trong Internet vạn vật (IoT), việc kết nối Internet giữa các thiết bị là điều thiết yếu Wifi hiện là một trong những phương thức kết nối Internet phổ biến nhất.

• Ứng dụng Ứng dụng là giao diện để người dùng điều khiển

Khái niệm về mạng lưới thiết bị kết nối đã được đề cập từ năm 1982, khi máy bán hàng tự động Coke tại Đại học Carnegie Mellon trở thành thiết bị đầu tiên trên thế giới kết nối với Internet.

Thuật ngữ "Internet of Things" (IoT) lần đầu tiên được Kevin Ashton giới thiệu vào năm 1999 Kể từ đó, IoT đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển và đạt được những bước tiến vượt bậc cho đến ngày nay.

Hình 2.2 Ứng dụng của IoT

Nhà thông minh (Smart Home) đã trở thành một trong những ứng dụng được ưa chuộng trong những năm gần đây, cho phép người dùng giám sát và điều khiển ngôi nhà của mình một cách tự động Bạn có thể dễ dàng bật tắt đèn qua ứng dụng trên điện thoại, tắt tivi từ xa nếu quên, và điều hòa sẽ tự động điều chỉnh nhiệt độ theo sự thay đổi của môi trường bên ngoài Những tính năng này cùng nhiều ứng dụng khác mang lại sự tiện lợi tối đa cho người sử dụng.

Hiện nay, nhu cầu sở hữu căn hộ thông minh của người dùng ngày càng tăng cao, khiến các chủ đầu tư xây dựng chung cư phải tiếp cận công nghệ hiện đại để đáp ứng yêu cầu này.

An toàn giao thông là ưu tiên hàng đầu khi xem xét tác động của IoT trong lĩnh vực vận tải Các phương tiện có khả năng giao tiếp với nhau thông qua phân tích dữ liệu, giúp giảm thiểu đáng kể số vụ tai nạn Nhờ vào cảm biến, ô tô và xe buýt có thể nhận cảnh báo về những nguy cơ tiềm ẩn trên đường, cũng như tình trạng ùn tắc giao thông trên các tuyến đường nhất định.

Dịch vụ vận chuyển hàng hóa đang được cải tiến nhờ công nghệ quản lý lịch trình, giúp tối ưu hóa tuyến đường giao hàng và mức tiêu thụ nhiên liệu Công nghệ này cũng giám sát tốc độ của tài xế để đảm bảo tuân thủ quy định an toàn, từ đó mang lại lợi ích kinh tế và nâng cao sự hài lòng của khách hàng.

Hình 2.4 IoT trong giao thông vận tải

Một thiết bị có thể cảnh báo tình trạng và theo dõi sức khỏe là một trong những ứng dụng trong lĩnh vực y tế

Miếng dán theo dõi sức khỏe cho bệnh nhân cho phép thu thập và phân tích thông số nhịp tim, huyết áp từ xa, giúp chẩn đoán tình trạng sức khỏe hiện tại Công nghệ này không chỉ cung cấp thông tin mà còn dự đoán nguy cơ mắc bệnh, từ đó hỗ trợ trong việc thực hiện các biện pháp phòng ngừa kịp thời.

Mô hình nhà kín là một ứng dụng công nghệ IoT nổi bật trong nông nghiệp, đã được triển khai rộng rãi tại Việt Nam Hệ thống này giúp cây trồng hoàn toàn cách ly với điều kiện thời tiết bên ngoài, tự động hóa việc điều khiển nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng Đồng thời, nó cho phép theo dõi tình trạng phát triển của cây, xác định thời gian thu hoạch và giảm thiểu tối đa công suất lao động.

Hình 2.6 IoT trong nông nghiệp

• Thành phố thông minh (Smart City)

Hệ thống IoT là tập hợp các ứng dụng công nghệ hiện đại, được nhiều quốc gia triển khai tại các thành phố lớn để giải quyết những vấn đề cấp bách như kẹt xe, gia tăng dân số, ô nhiễm môi trường và ngập lụt.

Trong thành phố thông minh, mọi thứ được kết nối chặt chẽ, với dữ liệu được giám sát bởi hệ thống máy tính mà không cần sự can thiệp của con người.

CÔNG NGHỆ WIFI

Wifi là một giải pháp kết nối không dây thay thế cho mạng có dây truyền thống, cho phép các thiết bị giao tiếp với nhau thông qua công nghệ sóng vô tuyến.

Dữ liệu truyền qua sóng vô tuyến giúp các thiết bị giao tiếp với tốc độ cao trong mạng Wifi, kết nối máy tính với nhau, Internet và mạng có dây.

Wifi (Wireless Fidelity) là thuật ngữ dùng chung để chỉ tiêu chuẩn IEEE802.11 cho mạng cục bộ không dây (Wireless Local Networks) hoặc WLANs

Wifi đã trở thành một trong những công nghệ truyền nhận dữ liệu phổ biến nhất hiện nay nhờ vào việc sử dụng rộng rãi và tính sẵn có của nó tại nhà và các địa điểm công cộng như công viên, quán café và sân bay.

2.3.2 Công nghệ truyền nhận dữ liệu

Sóng vô tuyến với tần số 2.4GHz

Tốc độ 11Mbps (lý thuyết), 4 – 6Mbps (thực tế)

Phổ biến nhất, ít có khả năng mở rộng Ảnh hưởng của các thiết bị Bluetooth và điện thoại di động có thể làm giảm tốc độ truyền

Tốc độ 54Mbps (lý thuyết), 15 – 20Mbps (thực tế)

Có khả năng mở rộng

Không tương thích với chuẩn 802.11b

Kết hợp tính năng của hai tiêu chuẩn a và b

2.3.3 Thành phần của mạng Wifi

AP là thiết bị thu phát không dây trong mạng LAN, cho phép kết nối đồng thời nhiều thiết bị không dây với Internet.

Cho phép chấp nhận tín hiệu không dây và thông tin chuyển tiếp

Khả năng bảo vệ: tường lửa và phần mềm chống virus giúp giữ an toàn thông tin cho người dùng

Là cấu trúc liên kết ngang hàng, không bắt buộc AP, các thiết bị bên trong có thể giao tiếp trực tiếp với nhau

Phù hợp để thiết lập mạng không dây một cách nhanh chóng và dễ dàng

Hình 2.9 Cấu trúc liên kết ngang hàng

Cấu trúc liên kết dựa trên AP cho phép các thiết bị liên lạc với nhau thông qua điểm truy cập (Access Point) Tất cả thông tin truy cập đều phải được xử lý qua AP để đảm bảo kết nối hiệu quả.

Khi một trạm di động như máy tính hoặc điện thoại muốn giao tiếp với một trạm di động khác, trước tiên nó cần gửi thông tin đến điểm truy cập (AP) Sau đó, AP sẽ chuyển tiếp thông tin trở lại trạm di động đó.

Hình 2.10 Cấu trúc liên kết dựa trên AP

Hotspot là một khu vực dễ dàng truy cập mạng không dây

Hotspot được trang bị kết nối Internet với băng thông rộng và có một hoặc nhiều

AP cho phép người dùng truy cập Internet không dây

Một Wifi Hotspot được tạo ra bằng cách cài đặt điểm truy cập vào kết nối Internet

Một điểm truy cập hoạt động như một trạm cơ sở

Khi thiết bị hổ trợ Wifi bắt gặp điểm phát sóng, thiết bị có thể kết nối không dây với mạng đó

Một điểm truy cập có thể hỗ trợ tối đa 30 người dùng, và nhiều điểm truy cập có thể kết nối qua cáp Ethernet để hình thành một mạng lớn hơn.

Hình 2.11 Cách thức hoạt động của mạng Wifi

Trao đổi dữ liệu trong Wifi được chia làm 3 giai đoạn:

Dữ liệu được chuẩn bị để truyền và được mã hóa thành tín hiệu số Tần số truyền dữ liệu được lựa chọn dựa trên kỹ thuật sử dụng để gửi tín hiệu không dây.

Dữ liệu được truyền thông qua s ng vô tuyếnó

Dữ liệu được nhận sau đó tiến hành giải mã tín hiệu số, xác nhận và cuối cùng là sử dụng

Hình 2.12 Cách thức giao tiếp trong mạng Wifi

Chi phí phù hợp Độ tin cậy

Tiêu thụ điện năng cao

Phạm vi hoạt động giới hạn

Kể từ khi ra đời, Wifi đã bị coi là không an toàn cho quyền riêng tư, vì dữ liệu truyền qua Wifi có nguy cơ bị đánh cắp Để khắc phục vấn đề này, các biện pháp bảo mật cho Wifi đã được triển khai, trong đó hai tiêu chuẩn bảo mật phổ biến nhất là Wireless Equivalent Privacy (WEP) và Wifi Protected Access (WPA).

HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID

Hệ điều hành (OS) đã trải qua sự phát triển đáng kể từ Pahm OS năm 1996 đến Windows năm 2000, tiếp theo là Blackberry OS và Android Android, được ra mắt lần đầu vào năm 2003 và mua lại bởi Google vào năm 2005, hiện là một trong những hệ điều hành di động phổ biến nhất Với khả năng hỗ trợ một lượng lớn ứng dụng trên điện thoại thông minh, Android đi kèm với cửa hàng phần mềm trực tuyến do Google phát triển, cho phép người dùng dễ dàng tải xuống các ứng dụng từ các nhà phát triển.

Android là một hệ điều hành nguồn mở dựa trên Linux, được thiết kế cho các thiết bị di động như điện thoại thông minh và máy tính bảng Các ứng dụng Android được phát triển bằng ngôn ngữ lập trình Java, cho phép nhà phát triển tạo ra ứng dụng một lần và chạy trên nhiều thiết bị khác nhau Để hỗ trợ quá trình phát triển phần mềm, Google cung cấp bộ công cụ phát triển phần mềm Android SDK (Software Development Kit).

Phiên bản Beta đầu tiên của bộ công cụ phát triển phần mềm Android SDK được Google phát hành năm 2007 và Android 1.0 ra đời năm 2008.

Kể từ khi ra mắt, Android đã trải qua nhiều phiên bản với nhiều thay đổi và cải tiến nhằm đáp ứng tốt hơn nhu cầu của người dùng.

Các phiên bản Android: Cupcake (1.5), Donut (1.6), Eclair (2.0), Froyo (2.2), Gingerbread (2.3), Honeycomb (3.0), Ice Cream Sandwich (4.0) Jelly Bean (4.1 – 4.3.1), KitKat (4.4 – 4.4.4), Lollipop (5.0 – 5.1.1), Marshmallow (6.0 – 6.0.1), Nougat (7.0 – 7.1), Oreo (8.0 8.1), Pie (9.0) và – phiên bản mới nhất là Q (10.0)

Giao diện người dùng đẹp, trực quan

Kết nối Bluetooth, Wifi, LTE, NFC, …

Hổ trợ truyền thông: MP3, WAV, JPEG, PNG, GIF, …

Trình duyệt Web sử dụng công cụ WebKit nguồn mở kết hợp với JavaScript V8, hỗ trợ cảm ứng đa điểm và đa ngôn ngữ Người dùng có thể thực hiện nhiều tác vụ đồng thời, cho phép chạy song song các nhiệm vụ khác nhau một cách hiệu quả.

GCM: Google Cloud Messaging là dịch vụ cho phép các nhà phát triển gửi tin nhắn đến người dùng của họ mà không cần giải pháp đồng bộ

Wifi Direct: công nghệ cho phép khám phá các ứng dụng và ghép nối trực tiếp với nhau

Linux Kernel là nền tảng chính mà hệ điều hành Android dựa vào để phát triển Nó nằm ở lớp dưới cùng, chứa tất cả các thiết bị giao tiếp cấp thấp để điều khiển phần cứng trên thiết bị Android Bên cạnh đó, Linux Kernel còn xử lý các tác vụ khác như kết nối mạng, giúp giảm thiểu sự can thiệp vào phần cứng.

Thư viện chứa mã nguồn cung cấp các tính năng chính của hệ điều hành Android, được xây dựng dựa trên thư viện Java dành riêng cho phát triển Android Một số thư viện nổi bật bao gồm:

- android.app: cung cấp quyền truy cập vào mô hình ứng dụng, là nền tảng của tất cả ứng dụng Android

- android.database: được sử dụng để truy cập dữ liệu

- android.opengl: giao diện OpenGL, 3D

- android.view: xây dựng các khối cơ bản trên giao diện người dùng

- android.widget: tập hợp tất cả thành phần giao diện cơ bản được xây dựng sẵn như nút nhấn, công tắc,…

- android.webkit: cho phép khả năng duyệt Web được tích hợp vào các ứng dụng

Tầng cuối cùng cùng với tầng thư viện cung cấp bộ thư viện cốt lõi cho lập trình viên phát triển ứng dụng Java Nó cũng bao gồm máy ảo Dalvik, một loại máy ảo Java được tối ưu hóa cho Android, sử dụng các tính năng cốt lõi của Linux như quản lý bộ nhớ và đa luồng.

Tầng này thể hiện các tính năng cao cấp của Android như kết nối, thông báo và truy xuất dữ liệu, cho phép các nhà phát triển tích hợp các dịch vụ này vào ứng dụng của họ Các dịch vụ chính bao gồm các chức năng quan trọng hỗ trợ nâng cao trải nghiệm người dùng.

- Quản lý hoạt động: kiểm soát tất cả các hoạt động của ứng dụng

- Cung cấp nội dung: cho phép ứng dụng chia sẽ dữ liệu với các ứng dụng khác

- Quản lý tài nguyên: cung cấp quyền truy cập vào các tài nguyên như cài đặt màu, bố cục giao diện người dùng

- Quản lý thông báo: cho phép các ứng dụng hiển thị cảnh báo và thông báo cho người dùng

Tất cả ứng dụng Android đều nằm ở lớp trên cùng, nơi mà các ứng dụng như danh bạ, tin nhắn và trình duyệt được phát triển.

2.4.5 Thành phần của ứng dụng Android

Thành phần của một ứng dụng Android là tập hợp các khối cần thiết của một ứng dụng Android, bao gồm 4 thành phần chính:

Hoạt động trong ứng dụng đại diện cho giao diện người dùng, cho phép thực hiện các hành động trên màn hình Chẳng hạn, ứng dụng Danh bạ có một hoạt động để hiển thị danh sách tên và số điện thoại của người liên lạc, cùng với một hoạt động khác để gọi hoặc nhắn tin Khi một ứng dụng có nhiều hoạt động, mỗi hoạt động cần được đánh dấu để xác định thời điểm thực hiện.

Chạy song song các ứng dụng cho phép người dùng sử dụng một dịch vụ, chẳng hạn như phát nhạc, trong khi vẫn tương tác với các ứng dụng khác mà không bị gián đoạn.

• Máy thu phát sóng (Broadcast Receivers)

Bộ thu phát sóng có vai trò quan trọng trong việc phản hồi tin nhắn từ các ứng dụng hoặc hệ thống Chẳng hạn, các ứng dụng có thể gửi tín hiệu để thông báo cho hệ thống về việc dữ liệu đã được tải xuống thiết bị hay chưa.

• Các nhà cung cấp nội dung (Content Providers)

Ứng dụng này cho phép chuyển giao dữ liệu giữa các ứng dụng theo yêu cầu, với khả năng lưu trữ dữ liệu trong hệ thống, cơ sở dữ liệu hoặc ở các vị trí khác.

Hình 2.14 Một số ứng dụng Android

Android cung cấp một mã nguồn mở, mọi người đều có thể sử dụng và phát triển ứng dụng một cách dễ dàng

Tính đa nhiệm, người dùng có thể trải nghiệm nhiều tác vụ song song Cập nhật các phiên bản mới liên tục

Số lượng thiết bị sử dụng được hệ điều hành Android rất lớn

Thuộc sở hữu của Google, cung cấp sự tin tưởng cho người sử dụng Được bảo mật tốt

Các thiết bị tiêu tốn nhiều năng lượng hơn khi sử dụng hệ điều hành này do chạy song song nhiều chương trình nền

Nhiều ứng dụng chứa virus và phần mềm độc hại

Thông tin người dùng có thể bị đánh cắp bởi một vài ứng dụng giả mạo

GIAO THỨC MQTT

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) là giao thức truyền thông điệp (message) theo mô hình giao tiếp Publish/Subscribe, phù hợp cho việc vận chuyển dữ liệu từ xa

As a lightweight protocol, it is widely utilized for communication between devices in Machine to Machine (M2M) interactions, Wireless Sensor Networks (WSN), and is most commonly found in Internet of Things (IoT) projects.

Giao thức này được phát triển nhằm mục đích trao đổi dữ liệu giữa máy chủ và khách hàng Với thiết kế nhỏ gọn và đơn giản, nó tiêu thụ năng lượng thấp, tối ưu hóa các gói dữ liệu, giúp việc triển khai trở nên dễ dàng và lý tưởng hơn.

MQTT, được phát triển bởi tiến sĩ Andy Stanford-Clark của IBM và Arlen Nipper của Arcom vào năm 1999, là giao thức hiệu quả và đáng tin cậy để kết nối các thiết bị trong ngành dầu khí với máy chủ doanh nghiệp từ xa, phục vụ mục đích giám sát và thu thập dữ liệu từ cảm biến.

Client (khách hàng) đăng ký một chủ đề để gửi và nhận message:

- Khi một client muốn gửi dữ liệu cho Broker: đây là hoạt động Publisher

- Khi một client muốn nhận dữ liệu từ Broker: đây là hoạt động Subscriber

Vì vậy Publisher và Subscriber đóng vai trò đặc biệt của client

Hình 2.16 Hoạt động của client

Trong MQTT, Server được gọi là Broker, đóng vai trò trung tâm kết nối các client Broker có nhiệm vụ chính là nhận đăng ký từ các client về các chủ đề (topic), tiếp nhận tin nhắn (message), sắp xếp các message theo hàng đợi và chuyển chúng đến địa chỉ đã đăng ký Ngoài ra, Broker còn thực hiện một số chức năng phụ như bảo mật message và lưu trữ message.

A client can publish or retrieve messages in a specific Topic, allowing subscribers of that Topic to receive the published messages.

Hình 2.17 Hoạt động của Topic

Là đơn vị trao đổi d liệu mà thiết bị nhận được khi Subscribing (đăng ký) một ữ Topic hoặc gửi đi khi Publishing một Topic

Quality of Service (QoS) in MQTT ensures reliable data transmission between clients and brokers, offering three distinct levels of assurance.

• QoS0 Đảm bảo mức thấp nhất, dữ liệu được gửi đi đúng một lần và sẽ không được kiểm tra đã đến các Broker hay chưa

• QoS1 Đảm bảo đã đến nơi nhận, ít nhất một lần được xác nhận

Mức đảm bảo cao nhất của Broker đảm bảo rằng các dữ liệu có QoS2 sẽ được gửi đến nơi nhận chỉ một lần duy nhất, không bị trùng lặp hay thất lạc Tuy nhiên, phương thức này tiêu tốn băng thông nhiều hơn so với hai cách khác.

Một trong những thành phần quan trọng của hệ thống IoT là nền tảng điện toán đám mây, chịu trách nhiệm kết nối các thiết bị, giúp người dùng kiểm soát và giám sát chúng Broker chính là một phần của nền tảng này, đóng vai trò thiết yếu trong hệ thống IoT.

Có hai cách tạo ra một Broker:

• Tự tạo Broker MQTT trên máy tính, raspberry, server,…

• Sử dụng các dịch vụ MQTT Broker có sẳn như CloudMQTT

Hình 2.18 Thành phần của một MQTT trong hệ thống IoT

2.5.6 Ưu điểm Đây là một giao thức nhẹ Do đó, dễ dàng thực hiện trong phần mềm và nhanh chóng trong việc truyền nhận dữ liệu, ít bị ảnh hưởng bởi tốc độ mạng

Giao thức dựa trên kỹ thuật tin nhắn, vì vậy tốc độ khá nhanh

Gói dữ liệu truyền được tối ưu hóa

Sử dụng nguồn điện năng thấp và tiết kiệm năng lượng cho các thiết bị kết nối là rất quan trọng, đặc biệt trong các dự án IoT, nơi yêu cầu thời gian thực.

MQTT được thiết kế nhẹ và linh hoạt, với một lớp bảo mật duy nhất ở tầng ứng dụng, chủ yếu tập trung vào xác thực client để truy cập Broker Mặc dù vậy, MQTT có khả năng tích hợp với các giải pháp bảo mật đa tầng khác, như VPN ở tầng mạng hoặc SSL/TLS ở tầng transport, nhằm tăng cường độ an toàn cho dữ liệu truyền tải.

MQTT, ban đầu được thiết kế cho truyền thông machine-to-machine, đã chứng minh tính linh hoạt vượt trội trong nhiều kịch bản khác nhau như machine to machine và app to app Với sự hỗ trợ của một Broker phù hợp và MQTT Client được cài đặt chính xác, các thiết bị trên nhiều nền tảng có thể dễ dàng giao tiếp với nhau.

GIỚI THIỆU NODE – RED

Node-RED is a powerful programming tool that connects hardware devices, APIs (Application Programming Interfaces), and online services, serving as a vital component of IoT applications.

Cung cấp một trình soạn thảo trực quan cho phép nhà phát triển tùy chỉnh các chức năng bằng cách sử dụng các node từ bất kỳ trình duyệt nào trên máy tính.

Mỗi ứng dụng Node – RED bao gồm các node được liên kết với nhau dưới dạng input, output và operation

Node-RED là một công cụ mã nguồn mở được IBM phát triển vào cuối năm 2013, nhằm đơn giản hóa việc kết nối hệ thống với các cảm biến trong các dự án IoT Với sự hỗ trợ từ một cộng đồng phát triển đông đảo, Node-RED không chỉ cung cấp nhiều thư viện hữu ích mà còn cho phép người dùng tái sử dụng chúng cho nhiều mục đích khác nhau, tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể.

Node-RED được phát triển chủ yếu để phục vụ cho Internet vạn vật, giúp kết nối và xử lý các thiết bị một cách hiệu quả Đây là một công cụ phát triển nhanh chóng, mạnh mẽ và linh hoạt, dựa trên hai yếu tố chính.

Mô hình lập trình dựa trên luồng (flow) sử dụng các thông báo để biểu thị luồng sự kiện giữa các nút, kích hoạt quá trình xử lý và tạo ra kết quả đầu ra Đặc trưng bởi các sự kiện trong thế giới thực, mô hình này kích hoạt một loạt các xử lý, dẫn đến hành động trong thực tế Nó đóng gói các sự kiện, cung cấp một mô hình đơn giản và thống nhất nhất.

Tập hợp các nút được thiết kế sẵn cung cấp cho nhà phát triển các khối xây dựng, giúp kết nối nhanh chóng các luồng mà không cần hiểu rõ chi tiết lập trình bên trong.

Node-RED là một công cụ mạnh mẽ cho phát triển ứng dụng IoT, nhờ vào hai yếu tố quan trọng Điều này giúp Node-RED trở thành một trong những công cụ chính trong lĩnh vực phát triển IoT.

Hình 2.20 Node RED và IoT –

2.6.3 Tính năng Được xây dựng trên Node.js, hổ trợ môi trường thời gian chạy nhẹ

Nhanh chóng trong việc phát triển các ứng dụng IoT

Lấy dữ liệu từ các cảm biến và thiết bị

Phù hợp với hầu hết các thiết bị, được sử dụng rộng rãi trên Raspberry, Arduino, các thiết bị Android

Hình 2.21 Giao diện Node – RED Giao diện lập trình gồm 3 thành phần:

• Bên trái: tập hợp các nút có sẳn để xây dựng ứng dụng

• Trung tâm: nơi thực hiện ứng dụng, kết nối các nút

• Bên phải: thuộc tính và cài đặt cấu hình cho các nút

GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG

Để đáp ứng yêu cầu điều khiển các thiết bị điện, chúng tôi đã nghiên cứu và lựa chọn giải pháp tối ưu cho khối xử lý trung tâm là vi điều khiển ESP32 do Espressif Systems phát triển ESP32 là vi điều khiển 32bit, không chỉ đáp ứng đầy đủ các yêu cầu ban đầu mà còn cho phép mở rộng thêm nhiều chức năng khác khi cải tiến hệ thống.

2.7.1 Giới thiệu chip Wifi ESP32

• Giới thiệu sơ lược ESP32

ESP32 là chip tích hợp công nghệ Wifi và Bluetooth, nổi bật với khả năng tiêu thụ năng lượng thấp Chip này mang đến nền tảng mạnh mẽ, đáp ứng nhu cầu về hiệu suất cao, tính linh hoạt và thiết kế nhỏ gọn, đáng tin cậy cho nhiều ứng dụng khác nhau Các dòng chip ESP32 bao gồm ESP32-D0WDQ6, ESP32-D0WD, ESP32-D2WD và ESP32-S0WD.

Espressif đã phát triển nhiều module để người dùng dễ dàng tiếp cận chip ESP32 Các module này bao gồm chip ESP32, bộ tạo dao động thạch anh và mạch ăngten, với sự khác biệt về chức năng tùy theo phiên bản, như số lượng chân GPIO và các thiết bị ngoại vi như màn hình LCD, bảng cảm ứng, khe cắm thẻ SD và module máy ảnh Dưới đây là một số phiên bản đã được phát triển và đưa vào sử dụng.

Bảng 2.2: Các phiên bản module của ESP32

ESP-WROOM-32 ESP32-D0WDQ6 4MB -

ESP-WROOM-32D ESP32-D0WD 4MB -

ESP-WROOM-32U ESP32-D0WD 4MB -

ESP-SOLO-1 ESP32-S0WD 4MB -

ESP-WROVER ESP32-D0WDQ6 4MB 8MB

ESP-WROVER-I ESP32-D0WDQ6 4MB 8MB

Phiên bản ESP32-WOOM-32 là một module vi điều khiển mạnh mẽ tích hợp Wifi, Bluetooth và Bluetooth Low Energy, phục vụ cho nhiều ứng dụng đa dạng Nó có thể được sử dụng cho các nhiệm vụ đơn giản như điều khiển thiết bị và đọc giá trị cảm biến, cũng như cho các ứng dụng phức tạp như mã hóa giọng nói, phát nhạc trực tuyến và giải mã MP3.

The ESP32-WOOM-32 module features the ESP32-D0WDQ6 chip, which is designed for scalability It includes two separate CPU cores that can operate independently, with a clock frequency ranging from 80MHz to 240MHz.

Module tích hợp Bluetooth, Bluetooth LE và Wifi, cho phép thực hiện nhiều ứng dụng đa dạng Wifi cung cấp kết nối rộng rãi không giới hạn, trong khi Bluetooth mang lại sự kết nối dễ dàng Ngoài ra, module hỗ trợ truyền dữ liệu với tốc độ lên đến 150Mbps.

Hình 2.23 Kiến trúc của ESP32

• Một số ứng dụng của ESP32 Đa số các ứng dụng của ESP32 được phục vụ cho các dự án IoT như:

- Ứng dụng chăm sóc sức khỏe

Chip ESP32 được phát triển cho các ứng dụng di động, điện tử và IoT, nổi bật với khả năng tiết kiệm năng lượng Với nhiều chế độ hoạt động, ESP32 tối ưu hóa mức tiêu thụ điện năng, đặc biệt trong các ứng dụng IoT, nơi cảm biến chỉ được kích hoạt theo chu kỳ và hoạt động khi có điều kiện cụ thể.

Chip ESP32 là một giải pháp tích hợp cao cho các ứng dụng IoT, hỗ trợ cả Wifi và Bluetooth, có khả năng kết nối với khoảng 20 thiết bị ngoại vi Nó bao gồm các thành phần như ăngten, sóng RF, bộ khuếch đại công suất, bộ khuếch đại thu tiếng ồn và mô-đun quản lý năng lượng, mang lại hiệu suất tối ưu cho các dự án IoT.

❖ Thông số kỹ thuật cơ bản của module ESP32-WOOM-32

Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật cơ bản của module ESP32-WOOM-32

Loại Đặc trưng Thông số

Wifi Giao thức 802.11 b/g/n (802.11n lên đến 150 Mbps)

Bluetooth Giao thức Bluetooth v4.2 và Bluetooth Lower Energy

Radio NZIF với độ nhạy -97dBm

Máy phát Class-1, Class-2, Class-3 AFH

Phần cứng Giao tiếp module Thẻ SD, UART, SPI, SDIO, I2C, Led PWM,

IR, Counter, GPIO, cảm biến cảm ứng, ADC, DAC

Chip cảm biến Hall sensor (từ trường)

SPI Flash 4MB Điện áp hệ thống 2.7V ~ 3.6V

Dòng hệ thống Trung bình: 80mA

Dòng điện tối thiểu của nguồn cung cấp

Kích thước (18.0) mm x (25.5) mm x (3.1)mm

2.7.1.3 Sơ đồ chân của module ESP32-WOOM-32

Module có tổng cộng 38 chân

Bảng 2.4: Định nghĩa các chân module ESP32-WOOM-32

Tên Số Loại Chức năng

EN 3 I (input) Cho phép module hoạt động, mức cao

SENSOR_VP 4 I GPIO36, ADC1_CH0, RTC_GPIO0

SENSOR_VN 5 I GPIO39, ADC1_CH3, RTC_GPIO3

IO34 6 I GPIO34, ADC1_CH6, RTC_GPIO4

IO35 7 I GPIO35, ADC1_CH7, RTC_GPIO5

IO32 8 I/O (input, output) GPIO32, XTAL_32K_P,

ADC1_CH4, TOUCH9, RTC_GPIO9

ADC1_CH5, TOUCH8, RTC_GPIO8

IO25 10 I/O GPIO25, DAC_1, ADC2_CH8,

IO26 11 I/O GPIO26, DAC_2, ADC2_CH9,

IO27 12 I/O GPIO27, ADC2_CH7, TOUCH7

IO14 13 I/O GPIO14, ADC2_CH6, TOUCH6,

SHD/SD2 17 I/O GPIO9, SD_DATA2, U1RXD

SWP/SD3 18 I/O GPIO10, SD_DATA3, U1TXD

SCS/CMD 19 I/O GPIO11, SD_CMD, U1RTS

SCK/CLK 20 I/O GPIO6, SD_CLK, U1CTS

SDO/SD0 21 I/O GPIO7, SD_DATA0, U2RTS

SDI/SD1 22 I/O GPIO8, SD_DATA1, U2CTS

IO16 27 I/O GPIO16, HS1_DATA4, U2RXD

IO17 28 I/O GPIO17, HS1_DATA5, U2TXD

RXD0 34 I/O GPIO3, U0RXD, CLK_OUT2

TXD0 35 I/O GPIO1, U0TXD, CLK_OUT3

Hình 2.24 Sơ đồ bố trí chân của module ESP32-WOOM-32

2.7.1.4 Chức năng tích hợp trong ESP32

2.7.1.4.1 CPU và kiến trúc bộ nhớ

Chip ESP32 là bộ xử lý lõi kép (Dual core) của vi điều khiển Xtensa® 32bit LX6 với các đặc trưng:

- Hổ trợ xung nhịp lên đến 240MHz

- Hổ trợ DSP như bộ nhân 32bit, bộ chia 32bit, MAC 40bit

• Bộ nhớ nội (Internal Memory)

Bộ nhớ nội của ESP32 bao gồm:

- 448KB ROM cho việc khởi động và các chức năng cốt lõi

- 520KB SRAM trên chip cho dữ liệu

- 8KB SRAM trong RTC (Real Time Control): được gọi là bộ nhớ RTC FAST

- 8KB SRAM trong RTC: được gọi là bộ nhớ RTC LOW

- 1Kbit eFuse: 256bit sử dụng cho hệ thống, 768bit chuyển đổi cho ứng dụng

• External Flash (bộ nhớ flash ngoài) và SRAM

ESP32 hổ trợ nhiều external QSPI flash và SRAM, có thể truy cập ở tốc độ cao SRAM được hổ trợ lên đến 8MB, đọc và ghi 8bit, 16bit, 32bit

Hình 2.25 Cấu trúc và địa chỉ bộ nhớ của ESP32

Có 4 Timer bên trong ESP32 Chúng đều là bộ định thời 64bit dựa trên bộ chia trước 16bit và bộ định thời đếm lên, xuống Đặc trưng của Timer:

- Bộ chia 16bit từ 2 đến 65536

- Cho phép cấu hình Timer đếm lên, đếm xuống

- Cho phép dừng và tiếp tục bộ đếm thời gian

• Timer Watchdogs (Bộ định thời giám sát)

ESP32 sở hữu 3 Timer Watchdogs, bao gồm 2 module hẹn giờ (Main Watchdogs Timer) và 1 module RTC (RTC Watchdog Timer) Mỗi bộ đếm thời gian Watchdog có 4 giai đoạn, cho phép kích hoạt một trong bốn hành động: ngắt, thiết lập lại CPU, thiết lập lại lõi, và thiết lập lại hệ thống.

2.7.1.4.3 Hệ thống xung đồng hồ (Clock)

Khi được reset, dao động thạch anh bên ngoài sẽ được thiết lập lại về giá trị mặc định cho CPU Dao động thạch anh này kết nối với PLL (Phase-Locked Loop) để tạo ra xung tần số cao lên đến 160MHz.

Ngoài ra, ESP32 có bộ dao động nội 8MHz và có thể sử dụng được bộ dao động này cho một số ứng dụng nhất định

• RTC Clock (Real Time Clock)

RTC Clock có các nguồn hoạt động:

- Thạch anh bên ngoài tốc độ thấp (32KHz)

- Thạch anh bên ngoài với bộ chia 4

- Bộ dao động nội RC (150KHz, có thể điều chỉnh được)

- Bộ dao động nội 8MHz

Trong chế độ bình thường, ứng dụng có thể truy cập CPU nhanh hơn bằng cách chọn xung tốc độ cao bên ngoài với bộ chia 4 hoặc dao động nội 8MHz Ngược lại, trong chế độ năng lượng thấp, ứng dụng có thể lựa chọn thạch anh bên ngoài tốc độ thấp (32KHz), dao động nội RC hoặc xung nội 31.25KHz.

ESP32 hỗ trợ giao thức TCP/IP và Wifi 802.11 b/g/n, giúp quản lý năng lượng hiệu quả và tối ưu hóa thời gian thực hiện các tác vụ Các thư viện Wifi cung cấp khả năng định cấu hình và giám sát chức năng kết nối mạng cho ESP32.

- Chế độ trạm (hay chế độ STA hoặc chế độ Wifi client): ESP32 kết nối với một điểm truy cập

- Chế độ AP (hay chế độ Soft AP hoặc chế độ điểm truy cập): các trạm kết nối - với ESP32

- Chế độ kết hợp AP-STA (ESP32 đồng thời là điểm truy cập và là trạm được kết nối với các điểm truy cập khác)

- Các chế độ bảo mật khác nhau cho các chế độ trên (WPA, WPA2, WEP, …)

- Quét các điểm truy cập (chủ động và thụ động)

- Chế độ giám sát các gói Wifi của tiêu chuẩn IEEE802.11

ESP32 tích hợp bộ điều khiển liên kết Bluetooth, thực hiện các giao thức như điều chế, giải điều chế, xử lý gói, xử lý luồng bit, …

2.7.1.4.6 RTC và quản lý năng lượng thấp

Với công nghệ quản lý năng lượng tiên tiến, ESP32 có khả năng chuyển đổi linh hoạt giữa các chế độ năng lượng khác nhau, giúp tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm điện năng.

Chip được bật, có thể truyền, nhận

CPU được hoạt động và xung đồng hồ có thể cấu hình Wifi/Bluetooth bị tắt

Khi CPU tạm dừng hoạt động, bộ nhớ RTC và các thiết bị ngoại vi RTC vẫn tiếp tục hoạt động, cùng với bộ xử lý đồng thời ULP Mọi sự kiện đánh thức sẽ kích hoạt lại hoạt động của chip.

Chỉ bật bộ nhớ RTC và thiết bị ngoại vi RTC Dữ liệu kết nối Wifi và Bluetooth được lưu trữ trong bộ nhớ RTC

Bộ tạo dao động nội 8MHz và bộ đồng xử lý ULP đã bị tắt, trong khi bộ nhớ RTC khôi phục cũng không hoạt động Tuy nhiên, bộ đếm thời gian RTC cùng với một số chân GPIO RTC nhất định vẫn tiếp tục hoạt động.

2.7.1.5 Thiết bị ngoại vi và cảm biến của ESP32

• GPIO (General Purpose Input/Output Interface)

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

GIỚI THIỆU

Đề tài yêu cầu thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong phòng học, cho phép người dùng điều khiển qua ứng dụng Android trên điện thoại Hệ thống còn hỗ trợ giám sát và điều khiển từ xa thông qua một Web Server, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả trong việc quản lý thiết bị điện.

Bộ xử lý trung tâm

• Giao tiếp ứng dụng Android

• Giao tiếp Web Server bằng Wifi (truyền nhận dữ liệu)

• Ngõ ra nối các thiết bị điện 220VAC, có đèn báo tương ứng với từng ngõ ra

• Thiết kế nhỏ gọn, đảm bảo tính an toàn Ứng dụng Android

• Điều khiển được nhiều thiết bị cùng một lúc

• Giao diện trực quan, thân thiện người dùng

• Truyền và nhận được dữ liệu

• Đồng bộ điều khiển giữa các thiết bị, ứng dụng Android, và giao diện Web.

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

Hình 3.1 Sơ đồ mô hình hệ thống

Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống

Cấp nguồn cho toànmạch, sử dụng nguồn 5VDC cấp cho khối xử lý trung tâm, mạch Relay, cảm biến và nguồn 220VAC cho các thiết bị điện

• Khối xử lý trung tâm

Trung tâm điều khiển là bộ phận chính quản lý toàn bộ hệ thống, nhận tín hiệu từ ứng dụng Android hoặc giao diện Web Sau khi xử lý, nó chuyển tín hiệu điều khiển đến khối công suất để thực thi theo dữ liệu đã gửi lên khối Server Đồng thời, trung tâm cũng có khả năng điều khiển thiết bị trên Server thông qua lệnh theo yêu cầu.

Khối ngõ ra công suất thực hiện việc đóng ngắt các tiếp điểm Relay dưới sự điều khiển của vi điều khiển, từ đó điều khiển các thiết bị điện 220VAC Đồng thời, nó cũng đảm bảo cách ly giữa mạch công suất và mạch điều khiển.

Có chức năng giám sát nhiệt độ và độ ẩm của bộ điều khiển để đảm bảo tính an toàn cho hệ thống

Xử lý và gửi tín hiệu điều khiển đến vi điều khiển, điều khiển trực tiếp trên thiết bị Android

Nhận dữ liệu điều khiển từ khối xử lý trung tâm và lưu trạng thái thiết bị vào Server giúp theo dõi lịch sử điều khiển Người dùng có thể tương tác với giao diện để điều khiển thiết bị theo ý muốn Dữ liệu điều khiển cũng được đồng bộ hóa với ứng dụng Android và hệ thống.

3.2.2 Tính toán và thiết kế

3.2.2.1 Khối xử lý trung tâm

Khối điều khiển được xây dựng trên nền tảng board ESP32-DevKitC, sử dụng module ESP32-WOOM-32 làm trung tâm, đáp ứng hiệu quả các yêu cầu kỹ thuật và cho phép mở rộng ứng dụng linh hoạt.

Hình 3.3 Ảnh thực tế board ESP32-DevKitC

Board được cấp nguồn 5VDC Chi tiết kết nối giữa board mạch và các khối khác được thể hiện trong hình bên dưới:

- Chân nguồn Vin số 38 và GND số 13, 19 lần lượ được nối với mạch nguồn t cung cấp 5VDC

- Các chân GPIO số 5, 6, 7, 8 lần lượt nối với ngõ vào của các Relay tương ứng

- Chân GPIO số nối với cảm biến 4 DHT11

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý board điều khiển ESP32-DevKitC

3.2.2.2 Khối ngõ ra công suất

Các GPIO của board ESP32-DevKitC nhận tín hiệu sẽ điều khiển kích hoạt các Relay hoạt động, từ đó điều khiển các thiết bị điện

Khi chọn Relay 5V, chỉ cần cấp nguồn 5VDC với dòng khoảng 80mA để kích hoạt các tiếp điểm Relay có khả năng chịu dòng tối đa lên đến 10A, đảm bảo an toàn cho các thiết bị điện khi hoạt động qua các tiếp điểm của Relay.

Relay 5V-10A có 3 tiếp điểm bao gồm NO (thường mở), NC (thường đóng) và chân COM Ở trạng thái bình thường, chân COM nối với NC, và khi kích chân COM, nó sẽ chuyển sang nối với NO, đồng thời NC sẽ mất kết nối Relay cũng được trang bị 2 chân nguồn để cung cấp điện.

DC để cấp nguồn cho Relay hoạt động

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật Relay

Model SRD-05VDC Điện áp kích hoạt 5VDC

Dòng AC tối đa 10A-250/125VAC

Dòng DC tối đa 10A-30/28VDC

Sử dụng transistor đóng ngắt loại NPN C1815, đồng thời ở giữa hai đầu cuộn dây mỗi Relay gắn thêm 1 diode loại 1N4007 để tránh điện áp ngược dòng (tối đa 1000V)

Để đảm bảo an toàn trong hệ thống điện, việc sử dụng Opto PC817 là cần thiết, vì nó có khả năng cách ly quang Thiết bị này bao gồm một diode phát quang và một cảm biến quang (photo transistor), giúp tách biệt mạch điều khiển điện áp thấp với ngõ ra công suất cao Nhờ vào cấu tạo này, khi xảy ra sự cố như cháy nổ hay chập mạch ở tầng công suất, mạch điều khiển vẫn được bảo vệ an toàn.

Hình 3.6 Diode 1N4007, Opto PC817 và transistor C1815

Tính toán Điện trở R1 để cho Led trong Opto hoạt động ổn định:

10mA ≈ 370Ω (3.1) Chọn R1 = 390Ω Điện trở R2 cho transistor Q1:

- Dòng điện tối thiểu qua cuộn dây:

IC = ICUỘN DÂY = 70 mA Chọn Hfe = 60

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý khối công suất ngõ ra

Qua quá trình tìm hiểu nhóm đã chọn module DHT11 để đo nhiệt độ và độ ẩm của bộ điều khiển hệ thống

Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật module cảm biến DHT11 Điện áp hoạt động 3 - 5VDC

Dòng sử dụng Tối đa 2.5mA Đo nhiệt độ 0 - 50℃, sai số ± 2℃ Đo độ ẩm 20 -80%, sai số ± 5%

Tốc độ lấy mẫu 1Hz (1 giây 1 lần)

Cảm biến DHT11 gồm 4 chân được kết nối như sau:

- Chân VCC được nối với nguồn 5VDC

- Chân GND nối với chân GND của nguồn

- Chân DATA nối với chân GPIO của vi điều khiển (ESP32) qua một điện trở kéo lên nguồn

Hình 3.9 Sơ đồ kết nối cảm biến DHT11 với ESP32

Nguồn chính cho mạch là 5VDC, được chuyển đổi từ 220VAC thông qua module hạ áp AC-DC Nguồn này cung cấp điện cho các module như board ESP32-DevKitC, cảm biến DHT11 và Relay.

Hình 3.10 Module nguồn AC-DC Bảng 3.3: Dòng điện của các linh kiện sử dụng trong mạch điều khiển

STT Tên linh kiện Số lượng Dòng tiêu thụ

Tổng dòng tiêu thụ của toàn bộ mạch điều khiển là 0.49A, do đó, việc sử dụng module nguồn AC-DC 5V-0.6A là hoàn toàn đủ để cung cấp năng lượng cho toàn bộ mạch.

Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 51 3.2.2.5 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch

Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch

THI CÔNG HỆ THỐNG

GIỚI THIỆU

Mô hình bao gồm 2 phần thi công: phần cứng và phần mềm

Bao gồm 1 mạch PCB chung cho toàn bộ hệ thống với kích thước 850mm x 920mm Mạch được in 2 lớp (Top và Bottom)

Thi công mô hình với hộp đựng phù hợp kích thước với board mạch bao gồm hộp đựng mạch điều khiển và hộp mô hình

Lập trình cho ESP32, điều khiển đóng ngắt các thiết bị và truyền nhận dữ liệu từ Server

Thiết kế giao diện điều khiển trên điện thoại, xây dựng Web Server, giao diện Web.

THI CÔNG HỆ THỐNG

Các module được tích hợp trên một board mạch duy nhất

Mạch bao gồm một mạch nguồn và mạch công suất với một header 8 ngõ ra, kết nối trực tiếp với các thiết bị điện 220VAC Ngoài ra, còn có mạch đo nhiệt độ và độ ẩm, với một header 2 nối vào nguồn điện 220VAC.

Trung tâm điều khiển của hệ thống là board ESP32-DevKitC nằm ở bên trái, trong khi bên phải là mạch ngõ ra công suất với 4 Relay Hàng đầu tiên là hàng rào kết nối các thiết bị điều khiển nguồn 220VAC, và ở phía dưới là cảm biến cùng với mạch chuyển đổi nguồn AC sang DC.

• Sơ đồ bố trí linh kiện

Hình 4.1 Sơ đồ bố trí linh kiện mạch điều khiển

Sơ đồ đi dây mạch in lớp trên:

Hình 4.2 Sơ đồ đi dây mạch in lớp trên

Sơ đồ đi dây mạch in lớp dưới:

Hình 4.3 Sơ đồ đi dây mạch in lớp dưới

Hình 4.4 Sơ đồ 3D mạch điều khiển

Bảng 4.1: Danh sách linh kiện sử dụng

STT Tên linh kiện Giá trị Số lượng Chú thích

3 HLK-PM01 5V-0.6A 1 Nguồn AC-DC

4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra

Sau khi mạch in hoàn thành, ta khoan lổ chân linh kiện, lắp chúng vào đúng vị trí trên sơ đồ và tiến hành hàn

Sử dụng đồng hồ VOM để kiểm tra toàn bộ hệ thống mạch điều khiển, bao gồm chân nguồn và chân điều khiển, nhằm xác định xem có đủ điện áp hay không, cũng như phát hiện tình trạng hở hay chập mạch.

Hình 4.5 Mạch điều khiển sau khi lắp linh kiện

ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH

4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển

Sau khi thi công và kiểm tra mạch đã chạy, nhóm tiến hành đóng gói bộ điều khiển

Hình 4.6 Ảnh hộp dựng mạch điều khiển

Bộ điều khiển trung tâm được thiết kế trong một hộp nhỏ gọn, hoàn toàn cách ly với điện áp 220VAC, giúp kiểm soát ngõ ra công suất một cách an toàn Thiết kế này đảm bảo tính an toàn cho người sử dụng trong suốt quá trình vận hành.

Mô hình bao gồm một hộp nhựa với đèn báo nguồn 220VAC và đèn báo trạng thái hoạt động của từng thiết bị Hộp điều khiển được thiết kế gọn gàng trong mô hình, kèm theo phích cắm để kết nối với các thiết bị điện.

Hình 4.7 Mô hình m t trong ặ và mặt ngoài hệ thống

LẬP TRÌNH HỆ THỐNG

Sau khi kết nối Wifi thành công, người dùng có thể mở ứng dụng Android hoặc truy cập giao diện Web Server để điều khiển thiết bị Qua giao diện, người dùng có thể bật tắt thiết bị và giám sát trạng thái hoạt động của nó.

4.4.1.1 Lưu đồ giải thuật mạch điều khiển

Hình 4.8 Lưu đồ điều khiển thiết bị

Cấu hình ngõ vào, ngõ ra

Có trao đổi dữ ệu vớli i Server

Kết nối Server Đ Điều khiển thiế ị t b theo yêu cầu

Gửi trạng thái thiế ị lên t bServer

Mạch điều khiển thực hiện được trong 3 trường hợp:

Khi người dùng tương tác với giao diện ứng dụng Android, thiết bị tương ứng sẽ được bật tắt và trạng thái của thiết bị sẽ được gửi lên Server Tương tự, khi người dùng tác động vào giao diện Web, ESP sẽ nhận tín hiệu từ Web, kích hoạt thiết bị tương ứng và gửi trạng thái của thiết bị đó qua Server.

Khi người dùng gửi lệnh từ Web Server, ESP sẽ nhận tín hiệu để điều khiển thiết bị, bật tắt thiết bị tương ứng và lưu trữ trạng thái điều khiển.

ESP32 sẽ kết nối Internet qua Wifi và thiết lập liên lạc với Server Sau khi kết nối thành công, thiết bị sẽ nhận dữ liệu từ người dùng thông qua ứng dụng Android hoặc tín hiệu từ Server và giao diện Web Mọi yêu cầu điều khiển từ người dùng sẽ được thực hiện, và trạng thái điều khiển của thiết bị sẽ được lưu trữ trên Web Server.

4.4.1.2 Lưu đồ giải thuật Web Server

Hình 4.9 Lưu đồ Web Server Đ

Hoạt động truyền nhận dữ liệu?

Thực hiện Publish dữ liệu vào Broker

Người dùng truy cập Web Server sau khi hệ thống được cấu hình và kết nối thành công Hệ thống liên tục gửi yêu cầu đến Server để kiểm tra hoạt động truyền nhận dữ liệu Nếu có dữ liệu, chúng sẽ được Publish vào Broker, đồng thời trạng thái thiết bị được lưu trữ để giám sát hiệu quả.

4.4.2 Phần mềm lập trình vi điều khiển

VSCode (Visual Studio Code) của Microsoft là một trong những công cụ soạn thảo văn bản lập trình hàng đầu, tích hợp nhiều tính năng mạnh mẽ giống như một IDE (Integrated Development Environment) Nó bao gồm trình soạn thảo, trình gỡ lỗi và công cụ thiết kế giao diện, đồng thời hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình như C/C++, Java, Objective-C, Python, Node.js, SQL, và có khả năng chạy trên nhiều nền tảng như Windows, Mac và Linux.

Tích hợp nhiều ngôn ngữ lập trình

Mở file nhanh, tìm kiếm nhanh, tiện lợi

Hổ trợ làm việc trên nhiều file cùng một lúc

Giao diện trực quan, đẹp mắt

Hệ thống quản lý mã nguồn với Git

Công cụ gỡ lỗi mạnh mẽ

Tự động nhận dạng ngôn ngữ lập trình từ các file

Nhẹ, có khả năng mở rộng

Chạy trên bất kì hệ điều hành nào

Sức mạnh của VSCode đến từ việc cung cấp nhiều tiện ích miễn phí trong mục mở rộng ứng dụng, bao gồm các tiện ích dành cho lập trình vi điều khiển, module và board phát triển.

- Bước 1: Truy cập địa chỉ: https://code.visualstudio.com/ tải phiên bản phù hợp với hệ điều hành của máy tính

Hình 4.11 Giao diện trang Web tải VSCode

- Bước 2: Sau khi hoàn tất cài đặt, tiến hành khởi động phần mềm

Hình 4.12 Giao diện khởi động VSCode

- Bước 3: Tiến hành cài đặt PlatformIO IDE để lập trình cho vi điều khiển Vào mục Extensions để tìm kiếm

Hình 4.13 trình bày cách cài đặt PlatformIO IDE, một công cụ hỗ trợ lập trình với hơn 600 board phát triển Các board này bao gồm Atmel AVR, Microchip PIC32, Espressif 32, Espressif 8266, Linux ARM, và ST STM32, giúp lập trình viên dễ dàng làm việc với nhiều loại module khác nhau.

- Bước 4: Tạo một dự án mới từ PlatformIO để lập trình cho board ESP32- DevKitC

Hình 4.14 Tạo dự án lập trình cho board ESP32-DevKitC

- Bước 5: Tiến hành viết code cho board

Hình 4.15 Giao diện lập trình

Sử dụng thư viện “InfoWifiMQTT.h”, : ,

- Thư viện : thư viện tự tạo định nghĩa name, password, server, port cho hệ thống và các topic điều khiển

- WiFi.begin(name,password): chọn Wifi kết nối

- WiFi.status (): kiểm tra trạng thái kết nối Wifi

- client.begin (): cấu hình tên, port

- client.onMessage (): gửi tin nhắn

- client.publish (): đưa trạng thái điều khiển lên Server.

- client.subscribe (): gửi trạng thái điều khiển.

- readHumidity (): đọc giá trị độ ẩm

- readTemperature (): đọc giá trị nhiệt độ

Thiết kế bao gồm giao diện người dùng dựa trên Node – RED và dịch vụ lưu trữ tất cả dữ liệu điều khiển dựa trên Cloud MQTT

- Bước 1: truy cập địa chỉ https: //www.cloudmqtt.com/ ở bất kỳ trình duyệt nào và đăng ký một tài khoản sử dụng

Hình 4.16 Đăng ký tài khoản Cloud MQTT

- Bước 2: Nhấn vào Create New Instance để tạo một dự án mới

Hình 4.17 Tạo một dự án mới trong Cloud MQTT

Hình 4.18 Thông tin cần thiết cho dự án trong Cloud MQTT

Hình 4.19 Một số dự án sau khi tạo

- Bước 3: Sau khi tạo dự án tiến hành cấu hình cho dự án, lưu ý các thông số quan trọng như: Server, User, Password, Port

Bảng 4.2: Thông tin server MQTT

Hình 4.20 Thông tin chi tiết cho một dự án

- Bước 4: Tại WEBSOCKET UI, nơi mà dữ liệu được điều khiển và giám sát

Hình 4.21 Nơi giám sát và điều khiển dữ liệu

Để điều khiển và giám sát thiết bị từ xa một cách hiệu quả, nhóm đã phát triển một giao diện điều khiển web dựa trên nền tảng Node-RED Giao diện này được thiết kế đơn giản nhưng tiện dụng, với các nút điều khiển ON và OFF rõ ràng, cho phép người dùng dễ dàng quản lý và theo dõi thiết bị từ bất kỳ đâu.

To begin, install Node.js from the official website at https://nodejs.org/en/ After that, use the command line to install Node-RED on your system by executing the command `npm install -g unsafe-perm node-red`.

Để chạy Node-RED trên hệ thống, bạn cần mở cmd và gõ lệnh "node-red" Sau khi quá trình khởi động hoàn tất, hãy sao chép địa chỉ http://127.0.0.1:1880/ và dán vào bất kỳ trình duyệt web nào trên máy tính của bạn.

Hình 4.22 Khởi động Node – RED

Hình 4.23 Màn hình giao diện thiết kế Web

- Bước 3: Tiến hành thiết kế

Kiểm tra kết nối với Cloud MQTT:

Hình 4.24 Tạo kết nối với Server

Hình 4.25 Cấu hình địa chỉ kết nối

Tạo giao diện một nút điều khiển:

Hình 4.26 Một nút điều khiển cơ bản

Hình 4.27 Cấu hình cho một nút Thực hiện cho các nút còn lại với những yêu cầu điều khiển tương ứng

- Bước 4: Tiến hành chạy trình duyệt

Hình 4.28 Tiến hành depl y giao diện o

Hình 4.29 Giao diện nút điều khiển

4.4.4 Ứng dụng Android Để thuận tiện cho quá trình thiết kế cũng như đảm bảo tính ổn định trong quá trình điều khiển Qua quá trình tìm hiểu, nhóm đã chọn ứng dụng có trên hệ điều hành Android tên là Mqtt Dashboard phù hợp cho việc điều khiển toàn bộ hệ thống

Hình 4.30 Ứng dụng MQTT Dashboard

• Ưu điểm Đồng bộ việc điều khiển thiết bị, Node – RED và Cloud MQTT

Tạo và điều chỉnh giao diện điều khiển trực quan, thẩm mỹ

Tương thích với nhiều board mạch có điều khiển Internet

- Button: gửi thông tin dữ liệu

- Multiselect: cung cấp một lựa chọn các message đã được lưu trước đó

- Toggle: chuyển trạng thái của topic, như bật tắt thiết bị

- Text: gửi và nhận bất kỳ loại chuỗi nào

- Progress: gửi giá trị trong phạm vi cố định và hiển thị giá trị nhận được

- Date and Time: lưu lại ngày và giờ gần nhất khi điều khiển thiết bị

- Color: lựa chọn màu sắc cho giao diện từ bảng màu RGB

- Line chart: hiển thị biểu đồ từ dữ liệu nhận được

Hình 4.31 Bảng thuộc tính MQTT Dashboard

- Bước 1: Từ màn hình ứng dụng tạo một Broker (server) với thông số

- Bước 2: Tiến hành thiết kế giao diện và cấu hình cho nút nhấn

Hình 4.33 Thiết kế và chỉnh sửa giao diện ứng dụng

HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC

4.5.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng

Bước 1: Tiến hành cấp nguồn 220VAC cho toàn bộ hệ thống bao gồm nguồn

220V cho ngõ ra mạch công suất, và nguồn 220V cho hệ thống để tạo nguồn DC nuôi mạch điều khiển

Step 2: Wait for the ESP32 to connect to Wi-Fi, then open the Android application and the Node-RED web server interface Once the Cloud MQTT connection is established, you can proceed to control and monitor the devices directly through the interface.

Hình 4.34 Quy trình thao tác Sau khi tiến hành cấp nguồn, hệ thống sẽ hoạt động như sau:

• Điều khiển trực tiếp tại phòng

Người dùng mở ứng dụng Android và nhấn nút điều khiển trên màn hình, tín hiệu điều khiển sẽ được gửi đến khối xử lý trung tâm Khối xử lý trung tâm tiếp tục chuyển tín hiệu đến mạch công suất, giúp bật tắt các thiết bị điện theo thao tác của người dùng Sau đó, trạng thái của thiết bị sẽ được gửi lên Server qua Internet, với Server này chính là Cloud MQTT, nơi xử lý và lưu trữ trạng thái của từng thiết bị.

Cấp nguồn Đợi kết nối Cloud MQTT Điều khiển thiết bị Kiểm tra kết nối Wifi

• Điều khiển thông qua Web Server

Người dùng truy cập giao diện Node-RED và nhấn nút điều khiển, sau đó Server gửi dữ liệu điều khiển đến khối xử lý trung tâm Bộ xử lý trung tâm nhận tín hiệu và điều khiển khối công suất để bật tắt thiết bị Đồng thời, Server cập nhật trạng thái thiết bị được điều khiển Ngoài ra, tại Server CloudMQTT, người dùng cũng có thể điều khiển thiết bị bằng các lệnh on và off.

Khi điều khiển thiết bị qua ứng dụng Android, giao diện Node-RED hoặc Server, trạng thái thiết bị sẽ được cập nhật ngay lập tức trên cả hai nền tảng còn lại.

KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ

GIỚI THIỆU

Sau một tuần thực hiện đề tài, 7 nhóm đã thu thập được nhiều kiến thức và công nghệ mới, đồng thời áp dụng các lý thuyết vào dự án thực tế.

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

Board ESP32-DevKitC là mạch điều khiển chính trong hệ thống IoT Nhóm đã ứng dụng chức năng tích hợp Wifi trên board để phát triển hệ thống điều khiển thiết bị từ xa Qua đó, nhóm nắm được bản chất điều khiển, mở rộng khả năng cho các ứng dụng IoT lớn hơn trong tương lai.

Nhóm đã nghiên cứu và phát triển một hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị qua Internet (Wifi), bao gồm thiết kế giao diện Web và ứng dụng Android Tất cả dữ liệu được lưu trữ trên dịch vụ Cloud MQTT Hệ thống sử dụng cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm, giúp nhóm hiểu rõ cấu tạo, nguyên lý hoạt động và cách sử dụng cảm biến Cảm biến này rất phổ biến và phù hợp cho việc giám sát nhiệt độ, độ ẩm trong các hệ thống nhỏ.

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

Hình 5.1 Mô hình hệ thống khi được cấp nguồn 220VAC

5.3.2 Điều khiển và giám sát thiết bị, cảm biến qua Web Server

Giao diện màn hình điều khiển khi tất cả thiết bị tắt:

Hình 5.2 Các thiết bị khi chưa được bật trên màn hình điều khiển

Giao diện màn hình điều khiển khi tất cả thiết bị được bật:

Hình 5.3 Các thiết bị được bật trên màn hình điều khiển

Hình 5.4 Nhiệt độ và độ ẩm bộ điều khiển hiển thị trên giao diện Web

Hình 5.5 Trạng thái thiết bị được giám sát trên Cloud MQTT

5.3.3 Điều khiển và giám sát thiết bị, cảm biến qua ứng dụng Android

Giao diện màn hình điều khiển khi thiết bị tắt, khi được bật và giá trị của nhiệt độ, độ ẩm

Hình 5.6 Giao diện ứng dụng Android khi các thiết bị tắt, bật và giá trị cảm biến

Hình 5.7 Mô hình khi bật các thiết bị

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ

Sau 17 tuần thực hiện, nhóm đã hoàn thành hệ thống đáp ứng cơ bản những yêu cầu ban đầu đặt ra, dưới đây là một số nhận xét

- Hệ thống hoạt động ổn định qua nhiều lần thử nghiệm

- Đồng bộ trạng thái điều khiển từ mô hình hệ thống, ứng dụng Android, giao diện Web và Server

- Giám sát được lịch sử điều khiển thiết bị

- Giám sát được nhiệt độ và độ ẩm của bộ điều khiển

- Tốc độ điều khiển tương đối nhanh

- Giao diện điều khiển trực quan, đẹp mắt

- Dễ dàng sử dụng, lắp đặt và bảo dưỡng

- Hệ thống phụ thuộc vào tốc độ mạng Wifi, và sự ổn định của Server Cloud MQTT

- Chưa tích hợp nhiều tính năng thành một hệ thống IoT hoàn chỉnh

Trong quá trình vận hành hệ thống, nhóm đã ghi nhận lại kết quả được tổng hợp Bảng 5.1: Số liệu thực nghiệm

Công việc Số lần thao tác

Thời gian đáp ứng Đánh giá Điều khiển thiết bị qua ứng dụng

50 48 2 3 g– iây Đạt Điều khiển thiết bị qua giao diện Web

Cập nhật trạng thái thiết bị

Giám sát cảm biến Ổn định Ổn định 10 giây Đạt Đánh giá chung Đạt

Dựa trên số liệu thống kê, nhóm đánh giá hệ thống đã đạt được mục tiêu đề ra, với hệ thống hoạt động ổn định qua nhiều lần kiểm tra Mô hình có thiết kế nhỏ gọn và thẩm mỹ, đảm bảo tính an toàn cao và dễ dàng lắp đặt Tuy nhiên, để áp dụng hệ thống vào thực tế, nhóm cần hoàn thiện một số phần như tăng tốc độ điều khiển và phản hồi, tối ưu hóa mô hình, cũng như bổ sung các chức năng như giám sát khu vực điều khiển, cảnh báo chống trộm và báo cháy.

Tiêu đề	Thiết Kế Và Thi Công Mô Hình Điều Khiển Thiết Bị Điện
Tác giả	Nguyễn Tri Phương, Võ Duy Tâm
Người hướng dẫn	ThS. Nguyễn Đình Phú
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2019
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	108
Dung lượng	20,47 MB