Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện bằng smartphone

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… …… NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN Ngày……tháng……năm…… (Ký tên ghi rõ họ tên) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… …… NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Ngày……tháng……năm…… (Ký tên ghi rõ họ tên) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN Đề tài “Nghiên cứu – thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện Smartphone” tập trung nội dung sau: - Giới thiệu thiết bị điện sử dụng công nghiệp dân dụng - Tìm hiểu cấu trúc chương trình cho ESP8266 Arduino IDE - Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện nhà - Tìm hiểu cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11, Module thời gian thực, cảm biến gas, cảm biến chuyển động, Module Wifi ESP8266, Arduino Nano ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang LỜI CẢM ƠN Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới thầy cô giáo trường Đại học Quảng Bình thầy giáo khoa Kỹ Thuật – Công Nghệ Thông Tin tận tình giảng dạy, truyền đạt cho chúng em kiến thức, kinh nghiệm quý báu suốt thời gian qua Đặc biệt chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy TS.Nguyễn Văn Sum tận tình giúp đỡ, trực tiếp bảo, hướng dẫn chúng em suốt trình làm đồ án Trong thời gian làm việc với thầy, em không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà học tập tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu điều cần thiết cho em q trình học cơng tác sau Sau xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè động viên, đóng góp ý kiến giúp đỡ trình học tập, nghiên cứu hoàn thành đồ án tốt nghiệp ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU Giới thiệu đề tài Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu 10 Giới hạn đề tài 10 CHƯƠNG I TỔNG QUAN 11 1.1 Đặt vấn đề 11 1.2 Ý tưởng thiết kế 12 1.3 Phương pháp nghiên cứu 12 CHƯƠNG II GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN SỬ DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP VÀ DÂN DỤNG 14 2.1 Hệ thống chiếu sáng 14 2.1.1 Các hệ thống chiếu sáng 14 2.1.1.1 Đèn sợi đốt (GLS) 15 2.1.1.2 Đèn Halogen- Vonfam 16 2.1.1.3 Đèn huỳnh quang 16 2.1.1.4 Đèn huỳnh quang compact 18 2.1.1.5 Đèn LED 18 2.1.1.6 Đèn led chanh 19 2.1.2 Giải pháp sử dụng lượng hiệu 19 2.1.3 Bảo dưỡng chiếu sáng 20 2.2 Các linh kiện điện tử 20 2.2.1 Module relay (5VDC) 20 2.2.2 OLED I2C 0.96 Inch 21 2.2.3 Arduino Nano CH340 22 2.2.4 DHT11 23 2.2.5 Adapter 5VDC-2A 24 2.5.6 Cảm biến khí ga 25 2.5.7 Cảm biến chuyển động (HC - SR501) 26 2.5.8 Mạch còi 26 2.5.9 Module thời gian thực 27 2.5.10 ESP8266 V12 28 CHƯƠNG III TỔNG QUAN VỀ MODULE ESP 8266 VÀ ARDUINO 31 3.1 Giới thiệu module ESP8266 31 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 3.1.1 Thông số kỹ thuật 31 3.1.3 Chức mudule ESP8266 34 3.1.4 Các lệnh dùng cấu hình module wifi ESP8266 34 3.1.5 Các loại module khác cho ESP8266 thị trường 37 3.1.6 Kết luận 39 3.2 Giới thiệu Arduino 40 3.2.1 Giao diện phần mềm IDE 40 3.2.2 Cấu trúc chương trình phần mềm IDE 42 CHƯƠNG IV THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ TRONG NHÀ 45 4.1 Thiết kế phần cứng 45 4.1.1 Sơ đồ nguyên lý 45 4.1.1.1 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến 45 4.1.1.2 Sơ đồ nguyên lý mạch Module Relay 47 4.2 Thiết kế phần mềm 48 4.2.1 Lưu đồ thuật toán 48 4.2.1.1 Lưu đồ thuật toán cảm biến 48 4.2.1.2 Lưu đồ thuật toán mạch Module Relay 49 4.3 Cài đặt ứng dụng Smartphone 50 4.4 Một số hình ảnh sản phẩm 53 CHƯƠNG V TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 56 5.1 Tổng kết 56 5.2 Hướng phát triển đề tài 56 KẾT LUẬN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang PHẦN MỞ ĐẦU Giới thiệu đề tài Hiện với phát triển xã hội, sống ngày nâng cao việc áp dụng cơng nghệ khoa học kỹ thuật vào đời sống công việc ngày cần thiết Cùng với phát triển ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ kỹ thuật điện tử mà đặc biệt kỹ thuật điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lý, công nghiêp, nông nghiệp, đời sống, quản lý thông tin Trong thời kỳ phát triển nay, điện thoại di động thiết bị thiếu sống Ngồi chức nghe nhận gọi có khả nhắn tin, giải trí, xem phim, chơi game, chụp ảnh… điện thoại có khả giám sát điều khiển thiết bị từ khoảng cách xa Thay phải tự tay khởi động thiết bị cần ngồi chỗ mà vẩn điều khiển thiết bị giống điều khiển từ xa với điện thoại di động thông qua kết nối Internet/Wifi Lý chọn đề tài Ngày công nghệ điện thoại di động ngày phát triển mạnh Điện thoại trở thành nhu cầu thiếu người nhịp sống đại, điện thoại gần lúc cúng ta mang theo bên người Bởi khả nghe, gọi, nhắn tin, truy cập internet, giải trí… câu hỏi đặt là: dùng điện thoại di động điều khiển thiết bị điện tủ lạnh, tivi, điều hòa nhiệt độ, máy móc, đèn chiếu sáng, bình nóng lạnh… hay khơng? Trong thực tế sống khơng lần đến công ty hay ngồi mà qn khơng tắt máy tính, điều hòa, tivi…và nhiều phải trở nhà để tắt thiết bị điện nhiều lý như: nguy cháy nổ, hỏng hóc, nguy hiểm, tốn điện… Trong ngày đông lạnh trước làm muốn có sẳn nước nóng để tắm cho thoải mái sau ngày làm việc hay muốn ngồi chổ để điều khiển công việc từ xa…vv Trên cở sở yêu cầu từ thực tế, đòi hỏi ngày cao phát triển công nghiệp, nông nghiệp công nghệ cao, cộng với phát triển mạnh khoa học công nghệ, đặc biệt công nghệ thông tin, kỹ thuật điện-điện tử Phát triển kỹ thuật điều khiển tự động từ khoảng cách xa nông nghiệp, công nghiệp xu phát triển nước ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang Suất phát từ yêu cầu thực tế sống, chọn đề tài “Nghiên cứu - Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện smartphone” để nghiên cứu thu, phát tín hiệu từ module wifi ESP8266 để giải mã đưa tín hiệu điều khiển bật, tắt, điều chỉnh thiết bị điện Với khả cần mang điện thoại nhập mã điều khiển yên tâm thiết bị điện trạng thái tắt, bật theo ý muốn Mục đích nghiên cứu Đồ án nghiên cứu, khảo sát thực với mục đích thiết kế hệ thống điều khiển tự động nhà kính từ xa ĐTDĐ hồn chỉnh Hệ thống tích hợp module điều khiển.Việc sử dụng ĐTDĐ để điều khiển thiết bị điện giúp thuận tiện việc kiểm soát, tiết kiệm nhiều thời gian, nhân lực việc điều khiển thiết bị cách chủ động khoảng cách xa Giới hạn đề tài Để thực thi hệ thống điều khiển thiết bị từ xa thông qua phức tạp tốn kém, đòi hỏi phải có lượng thời gian, kiến thức định, bên cạnh vấn đề tài Với lượng thời gian kiến thức có hạn, đề tài thực thi phần hệ thống hồn chỉnh Do đó, chúng tơi tập trung vào vấn đề sau: - Xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị điện smartphone - Xây dựng lưu đồ thuật toán để điều khiển hệ thống - Viết chương trình điều khiển thiết bị điện nhà smartphone, giám sát thông số nhiệt độ, độ ẩm nhà hiển thị LCD ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 10 If() If nghĩa nếu, sau if dấu (), bên dấu ngoặc { biểu thức so sánh Các câu lệnh } Else () { Các câu lệnh } ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 44 CHƯƠNG IV THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ TRONG NHÀ 4.1 Thiết kế phần cứng 4.1.1 Sơ đồ nguyên lý 4.1.1.1 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến Hình 4.1.1.1 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến Trong sơ đồ nguyên lý gồm có linh kiện Arduino Nano CH340, cảm biến nhiệt độ - độ ẩm (DHT11), đếm thời gian (Real Time Clock Module), cảm biến ga (MQ), cảm biến chuyển động (HC - SR501), mạch còi, hình hiển thị (LCD Screen) kết nối với hình hiển thị (LCM 1602 IIC)  Bộ nhiệt độ - độ ẩm (DHT11): Chân âm nguồn GND Arduino nối với âm nguồn “-” DHT11 chân Vcc 5V Arduino nối với dương nguồn “+” DHT11 để cung cấp nguồn phù hợp cho hệ thống hoạt động Chân (Data) DHT11 nối với chân D2 Arduino gửi liệu cho Arduino Nano CH340 xử lý  Module thời gian thực (Real Time Clock Module): Chân GND Arduino nối với GND RTC Module chân Vcc 5V Arduino nối với chân Vcc RTC Module để cung cấp nguồn phù hợp cho hệ thống ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 45 hoạt động Hai chân SDA SCL RTC Module nối hai chân A4 A5 Arduino có nhiệm vụ gửi liệu xử lý thơng tin  Bộ hình hiển thị (LCD Screen LCM 1602 IIC): Chân GND Arduino nối với GND hình hiển thị chân Vcc 5V Arduino nối với chân Vcc hình hiển thị để cung cấp nguồn phù hợp cho hệ thống hoạt động Hai chân SDA SCL hình hiển thị nối hai chân A4 A5 Arduino có nhiệm vụ gửi liệu xử lý thông tin  Bộ cảm biến chuyển động mạch còi: Chân GND Arduino nối với GND cảm biến chuyển động chân Vcc 5V Arduino nối với chân Vcc cảm biến chuyển động để cung cấp nguồn phù hợp cho hệ thống hoạt động Chân SIG cảm biến chuyển động nối với chân D3 Aduino có nhiệm vụ gửi liệu xử lý thơng tin Còn mạch còi có chân : chân nối với GND, chân nối với D10, chân nối với chân Vcc chân kết nối với Arduino  Bộ cảm biến khí ga (MQ): Bộ có chân : chân Vcc GND nối với chân Vcc GND Arduino để cung cấp nguồn phù hợp cho hệ thống hoạt động Chân Analog kết nối với chân D10 Arduino có nhiệm vụ gửi liệu xử lý thông tin ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 46 4.1.1.2 Sơ đồ nguyên lý mạch Module Relay Hình 4.1.1.2 Sơ đồ nguyên lý mạch Module Relay Trong sơ đồ nguyên lý gồm có linh kiện Module Wifi ESP8266, Module Relay, nguồn điện 5V oled ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 47 4.2 Thiết kế phần mềm 4.2.1 Lưu đồ thuật toán 4.2.1.1 Lưu đồ thuật toán giám sát nhiệt độ, độ ẩm cảm biến Hình 4.2.1.1 Lưu đồ thuật toán giám sát nhiệt độ, độ ẩm cảm biến Giải thích lưu đồ thuật tốn phần cứng: Hệ thống bắt đầu hoạt động tiến hành việc khởi tạo thư viện cho Wire, DHT, LiquidCrystal-12C, DS3231, cảm biến khí gas MQ, Pir Sensor… Khởi động LCD, DHT DS3231 Chương trình đọc DHT, DS3231, Gas Pir Sensor Nếu cảm biến chuyển động (Pir Sensor) phát có người vào nhà bật còi báo động; Nếu khơng có người hệ thống hoạt động bình thường Nếu cảm biến khí gas (Gas Sensor) phát có gas nhà bật còi báo động Nếu khơng có Gas hệ thống hoạt động bình thường ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 48 Tiếp theo xuất LCD hiển thị nhiệt độ - độ ẩm thời gian giây, phút, giờ, ngày, tháng, năm Lưu ý: Nếu Module thời gian thực sau thời gian sử dụng hết pin thay pin Sau ta Reset nạp lại chương trình, hệ thống hoạt động bình thường 4.2.1.2 Lưu đồ thuật toán hệ thống điều khiển thiết bị điện smartphone Hình 4.2.1.2 Lưu đồ thuật tốn mạch Module Relay Giải thích lưu đồ thuật tốn phần cứng: Hệ thống bắt đầu hoạt động tiến hành việc khởi tạo thư viện cho ESP8266, Wifi CIIent, ESP8266 Webserver, ESP Adafrult-SSD1306 ESP hoạt động chế độ TCP Client kết nối với ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 49 tới điểm truy cập internet Hệ thống chiếu sáng ( bóng đèn phòng) có hoạt động bật tắt từ tín hiệu gửi từ Smartphone 4.3 Cài đặt phần mềm ứng dụng Smartphone ESP8266 Wifi kiểm soát ứng dụng, kiểm soát thiết bị đầu bạn (rơ le) với ESP8266 Wifi Module Đây Internet vật (IOT)  Đặc tính: Đầu Digital Control ON/OFF (Relay) Điều khiển với mạng Wifi Thay đổi tên thiết bị bạn Lưu địa IP (Port 80) Phiên miễn phí có quảng cáo  Phần cứng: Wifi Module ESP8266 Module Relay Hiển thị Oled (Option)  Hướng dẫn sử dụng: 1, Mở ứng dụng sau nhấp vào CONNECT 2, Đặt địa IP bạn xxx.xxx.xx.xx từ ESP8266 Serial Monitor OLED Display Cổng (80) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 50 3, Bạn kiểm sốt thiết bị ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 51  Cài đặt: Đổi tên lại thiết bị: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 52 4.4 Một số hình ảnh đề tài nghiên cứu Hình ảnh tổng quan ngơi nhà thiết bị điện nhà ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 53 Các board mạch điều khiển ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 54 Màn hình LCD hiển thị thơng số nhiệt độ, độ ẩm, thời gian ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 55 CHƯƠNG V TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 5.1 Tổng kết Sau nhiều ngày cố gắng làm việc khẩn trương với hướng dẫn nhiệt tình giáo viên hướng dẫn thầy Nguyễn Văn Sum Đề tài: “Nghiên Cứu – Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Thiết Bị Điện Bằng Smartphone” hoành thành thời gian quy định có đặc điểm sau: Ưu điểm: + Điều khiển hệ thống chiếu sáng cho nhà ứng dụng Smartphone kết nối với Wifi ESP8266 + Giám sát nhiệt độ, độ ẩm cho nhà + Hiển thị thời gian theo thời gian thực + Cảnh báo nồng độ khí ga nhà + Cảnh báo chống trộm, phát người vào nhà bật còi báo động Nhược điểm: + Còn thiếu tính gọn nhẹ thẩm mỹ + Chưa tận dụng hết khả Arduino 5.2 Hướng phát triển đề tài Sản phẩm phát triển thêm với tính như: nhỏ gọn, ưu việt, tối ưu hơn, đảm bảo chất lượng, tính xác, tính ổn định, trì tự động kết nối mạng có u cầu Tích hợp thêm nhiều chức khác thêm tính giám sát chất lượng khí mơi trường, thực cơng việc cụ thể khác cài đặt nhiệt độ - độ ẩm ngưỡng tưới tiêu nông nghiệp….Bổ sung kết nối khơng dây khác Bluetooth, RF, để giám sát, cảnh báo, thực thi công việc thiết bị cầm tay (ví dụ: Smartphone, tay phát RF…) Sản phẩm thu thập đánh giá nhiệt độ - độ ẩm mơi trường ứng dụng thực tiễn nhà thông minh, áp dụng nông nghiệp trang trại cần đảm bảo nhiệt độ - độ ẩm (trang trại chăn nuôi gà, trồng nấm, vườn ươm cây, lò ấp trứng,…), ứng dụng cơng nghiệp để đảm bảo tính xác sản xuất ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 56 KẾT LUẬN Với tập đồ án giúp cho chúng em bước đầu làm quen với đề tài khoa học thật tích lũy số kiến thức vi điều khiển, thiết kế mạch kỹ thuật lập trình Bên cạnh trau dồi khả làm việc nhóm hiệu Mặc dù thời gian hạn hẹp, tài liệu tham khảo ít, có nhiều vấn đề nảy sinh qua trình thiết kế phần cứng, chúng em cố gắng tận tâm giúp đỡ giáo viên hướng dẫn nên đạt yêu cầu đặt Qua trình thực đề tài, chúng em tự đánh giá phần hạn chế nhiều bổ sung kiến thức hạn hẹp thời gian học trường Chúng em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ tận tình, quý báu giáo viên hướng dẫn, giáo viên khoa toàn thể bạn tạo điều kiện giúp chúng em hoàn thành tốt nhiệm vụ giao thời gian quy định ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Charalampos Doukas, Building Internet of Things with the Arduino, 2012 [2] Cuno Pfister, Getting Started with the Internet of Things Paperback, 2011 [3] http://hshop.vn [4] http://nguyensum.simplesite.com/431208435 [5] https://nguyensumiot.wordpress.com/ [6] htpp://fritzing.com [7] Kiều Xuân Thực, Vũ Thị Hương Vũ Trung Kiên, 2008 Vi điều khiển cấu trúc lập trình ứng dụng Nhà xuất Giáo Dục Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 58 ... Nghiên cứu - Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện smartphone để nghiên cứu thu, phát tín hiệu từ module wifi ESP8266 để giải mã đưa tín hiệu điều khiển bật, tắt, điều chỉnh thiết bị điện. .. cầu thiết kế khác Có ba phương pháp thiết kế chiếu sáng:  Thiết kế tập trung: hệ thống thiết kế tập trung mạch điện 220V bắt nguồn từ tủ điều khiển hoạt động theo điều khiển hệ thống điều khiển. .. phần hệ thống hồn chỉnh Do đó, tập trung vào vấn đề sau: - Xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị điện smartphone - Xây dựng lưu đồ thuật toán để điều khiển hệ thống - Viết chương trình điều khiển