IoT, Hệ thống nhúng, firebase, nodemcu, esp8266, Nhà Thông Minh, Cảm biến ánh sáng, cảm biến khí gas, cảm biến mưa, cảm biến hồng ngoại. Internet of things, IFITTT. Dự án IoT nhỏ nhằm biến căn nhà của bạn trở nên thân thiện hơn
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG HÀ NỘI, THÁNG 5/2017 Báo Cáo Bài Tập Lớn MÔN HỌC: XÂY DỰNG CÁC HỆ THỐNG NHÚNG Hệ thống IoT “Nhà Thân Thiện” Chỉ mục Thông tin nhóm phân chia công việc .4 1.1 Thông tin chung .4 1.2 Thông tin chi tiết Mở đầu IoT ? .6 Xây dựng ý tưởng lên kế hoạch thực 3.1 Ý tưởng ban đầu .8 3.2 Dự án cụ thể Phần cứng cần thiết mô tả nguyên lý hoạt động 4.1 Sơ đồ hệ thống nguyên lý hoạt động Thành phần hệ thống Sơ đồ hoạt động 10 4.2 Nodemcu (ESP8266 cp2102) 11 Thông số kỹ thuật 11 Sơ đồ chân 11 4.3 Cảm biến mưa YL-83 13 Thành phần Nguyên lý 13 Cách kết nối với NodeMCU 14 4.4 Cảm biến hồng ngoại FC-51 16 Thành phần Nguyên lý 16 Cách kết nối với NodeMCU .17 4.5 Cảm biến ánh sáng 17 Thành phần Nguyên lý 17 Cách kết nối với NodeMCU 18 4.6 Cảm biến khí (MQ-2) 18 Thành phần Nguyên lý 18 Cách kết nối với NodeMCU 18 4.7 Relay 19 Thành phần nguyên lý 19 PAGE Cách kết nối với NodeMCU thiết bị điện gia dụng 20 Phần mềm 20 5.1 IDE Arduino 20 5.2 Blynk 20 5.3 Firebase 21 5.4 IFTTT 22 5.5 ASP.NET 22 Cài đặt triển khai hệ thống 22 6.1 Source code 22 Source code for NodeMCU 22 TrangThaiThuCung.ino, DenHien.ino BaoKhiGas.ino 22 DanPhoiThongMinh.ino 24 AutoPostFB.ino 25 Source code for Web Application 27 6.2 Hình ảnh giới thiệu sản phẩm 28 Trạng Thái Thú Nuôi 28 Đèn hiên 30 Dàn phơi thông minh 32 Cảnh Báo Khí Gas 33 Video demo 34 Lời kết 34 PAGE Thông tin nhóm phân chia công việc 1.1 THÔNG TIN CHUNG Giảng Viên Vũ Hoài Nam Tên môn học Xây Dựng Các Hệ Thống Nhúng Phòng học 304- A3 Nhóm học tín Nhóm Nhóm Bài Tập Lớn Nhóm Lớp L15CN PAGE 1.2 THÔNG TIN CHI TIẾT Họ tên Mã Sinh Viên Phần công việc Nguyễn Hữu Hiếu B15LDCN003 Trưởng nhóm Viết báo cáo Làm Slide thuyết trình Lập trình phần Dàn phơi thông minh Lập trình phần Báo cháy tự động Thiết kế làm vỏ cho phần cứng Lê Thành Long B15LDCN010 Lập trình phần Đèn hiên Lập trình phần Trạng thái thú nuôi chuồng Lập trình Web application An Thị Kim Huệ B15LDCN008 Tìm hiểu phần mềm lựa chọn công nghệ Tổng hợp thông tin phục vụ cho trình viết báo cáo Tìm hiểu hệ sở liệu mây Firebase cách áp dụng thực tế cho hệ thống Kiểm thử hệ thống Nguyễn Trịnh Thị Huyền B15LDCN007 Tìm hiểu đề xuất phần cứng sử dụng Tìm mua kiểm tra phần cứng Tìm hiểu ứng dụng blynk cách áp dụng thực tế cho hệ thống Kiểm thử hệ thống PAGE Mở đầu Nhìn lại lịch sử, người chứng kiến cách mạng khoa học kỹ thuật lớn: Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ (từ 1784) xảy loài người phát minh động nước, tác động trực tiếp đến ngành nghề dệt may, chế tạo khí, giao thông vận tải Động nước đưa vào ôtô, tàu hỏa, tàu thủy, mở kỷ nguyên lịch sử nhân loại Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ hai (từ 1870) đến loài người phát minh động điện, mang lại sống văn minh, suất tăng nhiều lần so với động nước Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ ba (từ 1969) xuất người phát minh bóng bán dẫn, điện tử, kết nối giới liên lạc với Vệ tinh, máy bay, máy tính, điện thoại, Internet… công nghệ thụ hưởng từ cách mạng Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư diễn từ năm 2000 gọi cách mạng số, thông qua công nghệ Internet vạn vật (IoT), trí tuệ nhân tạo (AI), thực tế ảo (VR), tương tác thực ảo (AR), mạng xã hội, điện toán đám mây, di động, phân tích liệu lớn (SMAC) để chuyển hóa toàn giới thực thành giới số IOT LÀ GÌ ? “Mạng lưới vạn vật kết nối Internet Mạng lưới thiết bị kết nối Internet viết tắt IoT (tiếng Anh: Internet of Things) kịch giới, mà đồ vật, người cung cấp định danh riêng mình, tất có khả truyền tải, trao đổi thông tin, liệu qua mạng mà không cần đến tương tác trực tiếp người với người, hay người với máy tính IoT phát triển từ hội tụ công nghệ không dây, công nghệ vi điện tử Internet Nói đơn giản tập hợp thiết bị có khả kết nối với nhau, với Internet với giới bên để thực công việc đó.” Nguồn: Wikipedia PAGE (Mô tả tương tác mạng lưới thiết bị kết nối Internet) IoT có ứng dụng rộng vô cùng, kể số thứ sau: − Quản lý chất thải − Quản lý lập kế hoạch quản lý đô thị − Quản lý môi trường − Phản hồi tinh khẩn cấp − Mua sắm thông minh − Quản lý thiết bị cá nhân − Đồng hồ đo thông minh − Tự động hóa nhà Trong phần tới, nhóm giới thiệu trình bày hệ thống IoT đơn giản để quản lý thiết bị điện PAGE Xây dựng ý tưởng lên kế hoạch thực 3.1 Ý TƯỞNG BAN ĐẦU Đã nghe biết giới IoT từ lâu để bắt tay vào xây dựng hệ thống IoT, thành viên nhóm lần Vì nhóm định chọn chủ đề gần gũi, đơn giản thực có tính ứng dụng cao vào sống thường ngày hệ thống “Nhà Thân Thiện” Đây dự án nhỏ nhằm xây dựng hệ thống quản lý thiết bị điện nhà cách tự động chủ động, kể đến thiết bị thông dụng như: Đèn chiếu sáng, Điều hòa nhiệt độ, Bình nóng lạnh, Dàn phơi thông minh… 3.2 DỰ ÁN CỤ THỂ Sau có thống từ thành viên, nhóm định xây dựng hệ thống gồm dịch vụ đáp ứng mục tiêu sau Tên Dịch Vụ Điều Kiện Đầu Vào Kết Quả Xử Lý Trạng Thái Thú nuôi có chuồng riêng Thú Nuôi tự vào Khi thú nuôi chuồng đèn báo sáng cập nhập trạng thái sang ứng dụng cài đặt sẵn smartphone or tablet… Đèn Hiên Đèn lắp đặt trời với mục đích chiếu sáng cổng đường phía trước nhà Tự động bật trời tối tắt trời sáng Gửi liệu cảm biến ánh sáng lên FireBase Database Bật/Tắt chủ động Báo Động Cảm biến báo cháy lắp đặt nơi đặt bếp gas khí dễ cháy khác Khi phát có khí gas rò rỉ Đèn báo sáng, đồng thời hệ thống tự động gửi email, tin nhắn SMS tới Chủ nhà Ngoài hệ thống tự động đăng tin lên trang mạng xã hội để hàng xóm trợ giúp nhanh chóng Dàn Phơi Giả định Luôn có đồ Thông Minh phơi dàn Mái che tự động kéo trời mưa trời tối Tự động kéo vào với trường hợp lại Bật/Tắt chủ động Ứng Dụng Có tài khoản đăng nhập Quản Lý riêng Quản lý toàn dịch vụ hệ thống qua internet PAGE Phần cứng cần thiết mô tả nguyên lý hoạt động 4.1 SƠ ĐỒ HỆ THỐNG VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Thành phần hệ thống − NodeMCU: Thu nhận thông tin thu từ cảm biến để đưa hành động cụ thể cho tùy trường hợp − Cảm biến mưa (YL-83): Xử lý thông tin đầu vào đưa kết xử lý NodeMCU, xử lý kết hợp với thông tin từ Cảm biến ánh sáng để đưa hành động tương ứng nhằm điều khiển thao tác kéo kéo vào dàn phơi (dàn phơi demo bóng đèn- Đèn sáng: Kéo ra- Đèn tắt: Kéo vào) − Cảm biến trọng lượng : Để xác định dàn phơi treo quần áo hay không (Do tính chất demo nên nhóm mặc định có quần áo dàn phơi bỏ qua cảm biến trọng lượng) − Cảm biến hồng ngoại (FC-51): Xử lý thông tin đầu vào đưa kết xử lý NodeMCU, xử lý đưa hành động tương ứng: Bật/tắt đèn báo trạng thái, gửi thông tin smartphone, tablet…cho chủ nhân biết − Cảm biến ánh sáng (Flying Fish – MH Sensor): Xử lý thông tin đầu vào đưa kết xử lý NodeMCU, xử lý đưa hành động tương ứng: Bật/tắt đèn hiên (cổng), đồng thời thông tin thu phục vụ cho dàn phơi − Cảm biến khí gas(MQ2): Xử lý thông tin đầu vào đưa kết xử lý NodeMCU, xử lý đưa hành động tương ứng: Đèn báo động sáng, gửi tin nhắn SMS Email báo động cho chủ nhà − Relay: Để điều khiển thiết bị điện 220V dựa điều khiển NodeMCU PAGE Sơ đồ hoạt động PAGE 10 Cách kết nối với NodeMCU thiết bị điện gia dụng Phần mềm Để xây dựng hệ thống này, nhóm lập trình ngôn ngữ C++ sử dụng IDE Arduino 1.8.2 Phần giao diện mobile sử dụng blynk Xử lý liệu mây sử dụng công nghệ google: firebase Để đăng trạng thái lên facebook sử dụng dịch vụ IFITTT cung cấp Ứng dụng quản lý Web Application dựa tảng ASP.NET viết C# dùng Visual Studio 2017 IDE 5.1 IDE ARDUINO Arduino IDE (Arduino Integrated Development Environment) trình soạn thảo văn bản, giúp bạn viết code để nạp vào bo mạch arduino Tuy nhiên sử dụng để lập trình cho NodeMCU cách tương tự Arduino IDE có nhiều thư viện thuận tiện cho người phát triển 5.2 BLYNK Blynk phần mềm thiết kế cho Android, iOS cho khả tự tạo ứng dụng kết nối với board Arduino, Raspberry, NodeMCU bo mạch khác để điểu khiển chúng PAGE 20 Blynk giúp bạn điều khiển thiết bị từ xa qua internet, thu thập liệu cảm biến, ảo hóa việc giao tiếp thực nhiều việc khác Nguyên lý làm việc bạn nhấn nút điều khiển, lệnh truyền server Blynk, sau Blynk gửi lệnh module điều khiển, module sau chạy lệnh gửi lại kết theo quy trình ngược lại nghĩa từ thiết bị gửi server từ server gửi điện thoại bạn 5.3 FIREBASE Firebase dịch vụ sở liệu thời gian thực hoạt động tảng đám mây cung cấp Google nhằm giúp lập trình viên phát triển nhanh ứng dụng cách đơn giản hóa thao tác với sở liệu Với số lợi thế: Triển khai ứng dụng cực nhanh Với Firebase bạn giảm bớt nhiều thời gian cho việc viết dòng code để quản lý đồng sở liệu, việc diễn hoàn toàn tự động với API Firebase Không có Firebase hỗ trợ tảng nên bạn đỡ thời gian nhiều ứng dụng bạn muốn xây dựng ứng dụng đa tảng Bảo mật Firebase hoạt động dựa tảng cloud thực kết nối thông qua giao thức bảo mật SSL, bạn bớt lo lắng nhiều việc bảo mật liệu đường truyền client server Tính linh hoạt khả mở rộng Sử dụng Firebase giúp bạn dễ dàng nhiều cần nâng cấp hay mở rộng dịch vụ Ngoài firebase cho phép bạn tự xây dựng server riêng để bạn thuận tiện trình quản lý Sự ổn định Firebase hoạt động dựa tảng cloud đến từ Google bạn lo lắng việc sập server, công mạng DDOS, tốc độ kết nối lúc nhanh lúc chậm, … nữa, đơn giản Firebase hoạt động hệ thống server Google Hơn nhờ hoạt động tảng Cloud nên việc nâng cấp, bảo trì server diễn đơn giản mà không cần phải dừng server để nâng cấp truyền thống Giá thành Google Firebase có nhiều gói dịch vụ với mức dung lượng lưu trữ băng thông khác với mức giá dao động từ Free đến $1500 đủ để đáp ứng nhu cầu PAGE 21 tất đối tượng Chính bạn lựa chọn gói dịch vụ phù hợp với nhu cầu Điều giúp bạn tới ưu hóa vốn đầu tư vận hành tùy theo số lượng người sử dụng Ngoài bạn không chi phí để bảo trì, nâng cấp, khắc phục cố điều có Firebase lo 5.4 IFTTT Để tự động cập nhập trạng thái lên facebook, thông qua dịch vụ IFTTT cung cấp Nguyên tắc IFTTT Applet hoạt động theo cấu trúc if this then that nghĩa có thực kia, ESP8266 gửi tin lên post status lên facebook Phần tìm hiểu rõ tại: https://ifttt.com/ 5.5 ASP.NET ASP.NET tảng ứng dụng web (web application framework) phát triển cung cấp Microsoft, cho phép người lập trình tạo trang web động, ứng dụng web dịch vụ web Cài đặt triển khai hệ thống 6.1 SOURCE CODE Phần source code có thư mục Source code gửi kèm báo cáo Source code for NodeMCU Bao gồm file ino sử dụng cho NodeMCU hệ thống Để chạy được, cần cài đặt Arduino IDE thêm thư viện: ESP8266, blynk, firebase TrangThaiThuCung.ino, DenHien.ino BaoKhiGas.ino Do chương trình gần y hệt nên nhóm trình bày 1, phần lại xem thêm file đính kèm PAGE 22 PAGE 23 DanPhoiThongMinh.ino Phần khai báo tương tự TrangThaiThuNuoi.ino, cần ý thêm int valueLight=Firebase.getInt("light");//Lấy giá trị trường light firebase Do có sử dụng giá trị từ cảm biến nên hàm loop cần sử dụng câu lệnh if PAGE 24 AutoPostFB.ino Thực phần code hoàn toàn đặt vào file BaoKhiGas.ino, nhiên với mong muốn phát triển hệ thống lớn sau Nhóm chọn giải pháp sử dụng NodeMCU riêng để làm nhiệm vụ xử lý công việc liên quan tới mảng truyền thông PAGE 25 PAGE 26 Source code for Web Application Phần Web application thiên khía cạnh lập trình web nhiều nên Nhóm không trình bày vào báo cáo, Thầy bạn xem thêm phần file đính kèm PAGE 27 6.2 HÌNH ẢNH VÀ GIỚI THIỆU SẢN PHẨM Trạng Thái Thú Nuôi Hình ảnh thật Cảm biến hồng ngoại lắp đặt bên Phía trước có đèn led − Khi led sáng: Thú cưng chuồng − Khi led tắt: Thú cưng chơi PAGE 28 Ứng dụng blynk Khi thú cưng chuồng thông báo Có Khi thú cưng chơi thông báo Vắng mặt PAGE 29 Đèn hiên Hình ảnh thật Dây trắng cấp nguồn cho Đèn Dây đen cấp nguồn cho NodeMCU Phần khoanh đỏ cảm biến Ánh sáng Khi trời tối (lấy tay che cảm biến): Đèn bật Khi trời sáng: Đèn tắt PAGE 30 Dữ liệu firebase Khi đèn tắt: NodeMCU gửi liệu lên firebase thông qua internet, trường light có giá trị Khi đèn bật: NodeMCU gửi liệu lên firebase thông qua internet, trường light có giá trị PAGE 31 Dàn phơi thông minh Hình ảnh thật Phần khoanh đỏ cảm biến Mưa Dữ liệu trời tối lấy firebase Giá trị firebase có cảm biến ánh sáng bên dịch vụ Đèn Hiên cung cấp Khi thời tiết ban ngày đẹp mưa, đèn mặc định tắt Và Mái che kéo vào − Khi có mưa: Đèn led mưa sáng Mái Che kéo (Thể đèn ô sáng) − Khi trời tối: Đèn led trăng sáng Mái Che kéo (Thể đèn ô sáng) − Khi mưa tối: Cả đèn sáng PAGE 32 Cảnh Báo Khí Gas Phần nhô lên cảm biến khí gas Khi có khí gas bị rò rỉ, đèn cảnh báo sáng Đồng thời tự động đăng tin lên facebook, nhằm mục đích thông báo cho bạn bè gần hỗ trợ kịp thời PAGE 33 Video demo Video giới thiệu demo dịch vụ https://goo.gl/photos/krB9JbM58pa8Gxe86 Mọi thắc mắc góp ý mong Thầy/Các bạn bình luận phía video gửi email Lời kết Thế giới IoT vô rộng lớn có ứng dụng Dự án Nhóm hệ thống nhỏ gần có ý nghĩa demo Tuy nhiên Nhóm tâm huyết đặt nhiều kỳ vọng Rất mong nhận góp ý từ Thầy để có hội tương lai, chúng em phát triển hệ thống to nhằm áp dụng vào sống thực tế Cảm ơn giảng dạy Thầy suốt thời gian vừa qua để Nhóm hoàn thành dự án nhỏ / Hà Nội, Tháng Năm 2017 Thay mặt nhóm xây dựng hệ thống “Nhà Thân Thiện” Trưởng nhóm: Nguyễn Hữu Hiếu Địa mail: huuhieung90@gmail.com Điện thoại: 0973318848 facebook: fb.com/xpresstank PAGE 34 ... A3 Nhóm học tín Nhóm Nhóm Bài Tập Lớn Nhóm Lớp L15CN PAGE 1.2 THÔNG TIN CHI TIẾT Họ tên Mã Sinh Viên Phần công việc Nguyễn Hữu Hiếu B15LDCN003 Trưởng nhóm Viết báo cáo Làm Slide thuyết trình... ánh sáng lên FireBase Database Bật/Tắt chủ động Báo Động Cảm biến báo cháy lắp đặt nơi đặt bếp gas khí dễ cháy khác Khi phát có khí gas rò rỉ Đèn báo sáng, đồng thời hệ thống tự động gửi email,... Huệ B15LDCN008 Tìm hiểu phần mềm lựa chọn công nghệ Tổng hợp thông tin phục vụ cho trình viết báo cáo Tìm hiểu hệ sở liệu mây Firebase cách áp dụng thực tế cho hệ thống Kiểm thử hệ thống Nguyễn