Thiết kế ổ cắm điện thông minh điều khiển qua wifi

Thiết kế ổ cắm điện thông minh MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ .2 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .3 LỜI NÓI ĐẦU Chương TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu .5 1.2 Mục tiêu đề tài .8 1.3 Khảo sát thị trường Chương QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO .9 2.1 Đặc điểm cấu tạo thiết bị .9 2.2 Thiết kế chi tiết khối 10 2.2.1 Thiết kế khối nguồn 10 2.2.2 Khối phím chức 11 2.2.3 Khối điều khiển esp8266-12E .11 2.2.4 Khối đóng cắt dùng relay 17 Chương THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH PHẦN MỀM .25 3.1 Các chế độ wifi ESP8266 25 3.1.1 Chế độ WiFi Station 26 3.1.2 Chế độ WiFi Access Point 27 3.2 Web Server 28 3.2.1 Web Server .28 3.2.2 Giới thiệu blink 28 3.2.3 Cài thư viên blink arduino IDE 28 3.2.4 Các bước sử dụng blink 29 3.3 Chương trình cho ESP8266 29 Chương 4: CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ 32 4.1 Chế tạo thiết bị 32 4.2 Thử nghiệm thiết bị 33 KẾT LUẬN 34 Bài tập lớn Thiết kế ổ cắm điện thông minh TÀI LIỆU THAM KHẢO .35 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Biểu đồ Hype Cycle hãng Gartner Hình Một số dự đoán khảo sát Hình Kiến trúc hệ thống IoT Hình Tổng quan hệ thống IoT Hình Một số sản phẩm ổ cắm đơn Hình Sản phẩm ổ có nhiều ổ cắm Hình Sơ đồ khối thiết bị Hình 2 Modul Hi-link 10 Hình Sơ đồ nguyên lý khối nguồn .11 Hình Sơ đồ khối phím chức 11 Hình Modul esp 8266-01 13 Hình Modul ESP 8266-07 14 Hình Modul ESP 8266 -12F 15 Hình Sơ đồ chân esp 8266-12E 16 Hình Sơ đồ nguyên lí khối wifi esp8266-12E .17 Hình 10 Một module relay kiểu mẫu .18 Hình 11 Module relay kích mức cao 19 Hình 12 Module relay kích mức thấp 19 Hình 13 Các mức hiệu điện tối đa cường độ dòng điện tối đa .20 Hình 14 sơ đồ nguyên lý khối relay 5V 22 Hình 15 Mạch PCB 2D 24 Hình 16 Mạch PCB 3D 24 Y Hình WIFI Access Point .25 Hình Mạng WIFI 26 Hình 3 Cài đặt Blink arduino IDE 29 Hình Giao diện Arduino IDE 30 Hình PCB mơ thiết bị Altium Designer 32 Hình Hình ảnh thực tế thiết bị 33 Bài tập lớn Thiết kế ổ cắm điện thông minh DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT  IoT - Internet Of Things hay internet vạn vật  ESP8266 - Chip xử lí tích hợp thu phát WiFi  IDE - Viết tắt Integrated Development Enviroment - mơi trường phát triển tích hợp  Compiler - Trình biên dịch Bài tập lớn Thiết kế ổ cắm điện thơng minh LỜI NĨI ĐẦU Internet Of Things (IoT) – Internet vạn vật dường đứng trước bước ngoặt để đến giai đoạn cho giới đại, văn minh Đó viễn cảnh mà vật kết nối với thơng qua Internet khơng dây Các doanh nghiệp có xu hướng ứng dụng sản phẩm công nghệ IoT vào sản xuất ngày nhiều thị trường sáng tạo tiềm chi phí sản xuất ngày thấp Chứng kiến phát triển vũ bão sản phẩm ứng dụng công nghệ IoT thị trường công nghệ Start up tiềm ngày sôi động hết, ý thức vấn đề đó, với đồng ý giảng viên môn học “mạng tốc độ cao”, em lựa chọn đề tài “ Thiết kế ổ cắm điện thông minh điều khiển qua wifi ” làm đề tài tập lớn Nội dung báo cáo tập lớn có bố cục sau: - Chương Tổng quan - Chương Quy trình cơng nghệ chế tạo- Thiết kế phần cứng - Chương Thiêt kế chương trình phần mềm - Chương Chế tạo thử nghiệm thiết bị Được hướng dẫn tận tình thầy giáo hướng dẫn GVC Đào Đức Thịnh, thầy cô môn Kỹ thuật đo Tin học công nghiệp thầy cô viện Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa, tập lớn em hoàn thiện Do thời gian khơng q dài khả hạn chế nên tập em nhiều thiếu sót Em mong nhận đóng góp thầy cô bạn Em xin chân thành cảm ơn Hà nội, ngày 20 tháng 12 năm 2018 Sinh viên thực Bài tập lớn Thiết kế ổ cắm điện thông minh Bài tập lớn Thiết kế ổ cắm điện thông minh Chương TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu a) Giới thiệu tổng quan IoT Thời đại vạn vật kết nối Internet of Things (IoT) mạng lưới vật thể gắn cảm biến hệ thống điện tử đặc biệt cho phép chúng kết nối với để thu thập trao đổi liệu Các vật thể mạng lưới kết nối với mạng Internet cho mục đích điều khiển từ xa Xét mặt vật chất, làm để chất lượng sống nâng cao, nhu cầu đáp ứng nhiều trước Nhu cầu có đầy đủ thức ăn, có quần áo đẹp, không kẹt xe, giảm bớt lo lắng, nhớ nhiều thứ linh tinh đầu, … Những điều đáp ứng IoT Hiện tại, IoT ảnh hưởng lớn đến khía cạnh đời sống IoT có ứng dụng rộng vơ cùng, kể số thư sau:  Quản lí chất thải  Quản lí lập kế hoạch quản lí thị  Quản lí môi trường  Phản hồi tinh khẩn cấp  Mua sắm thơng minh  Quản lí thiết bị cá nhân  Đồng hồ đo thông minh  Tự động hóa ngơi nhà Theo báo cáo hàng năm hãng Gartner xu hướng công nghệ thay đổi giới năm 2018 IoT xếp mức đỉnh cao kỳ vọng ứng dụng IoT vòng năm -10 năm ứng dụng nhiều đời sống thực tế Bài tập lớn Thiết kế ổ cắm điện thông minh Hình 1 Biểu đồ Hype Cycle hãng Gartner Theo số dự đoán khảo sát đưa Bài tập lớn Thiết kế ổ cắm điện thông minh Hình Một số dự đốn khảo sát Năm 2003 với 6.3 tỷ người có 500 triệu kết nối internet, với người sở hữu 0.08 thiết bị kết nối Năm 2020 với 7.6 tỷ người lên đến 50 tỷ kết nối với người sở hữu 6.58 thiết bị kết nối internet b) Kiến trúc hệ thống IoT Kiến trúc hệ thống IoT (IoT Reference Architecture) Thiết bị kết nối (Device Connectivity Xử lý liệu, phân tích quản lý (Data Processing, Analytics and Management Hiển thị, vai trò kết nối (Presentation and Business Connectivity) Hình Kiến trúc hệ thống IoT Bài tập lớn Thiết kế ổ cắm điện thông minh Hình Tổng quan hệ thống IoT Trên sở nghiên cứu, tìm hiểu IoT Đề tài đề xuất phương án tự động hóa ngơi nhà, cụ thể ổ cắm điện thông minh 1.2 Mục tiêu đề tài Thiết kế, phát triển sản phẩm ổ cắm điện thông minh, online dựa sở IoT cụ thể điều khiển từ xa wifi, nơi smart phone bạn có kết nối Internet Sản phẩm đảm bảo tiêu chí: o Hoạt động xác, ổn định, điều kiện sản phẩm thay đổi nhiệt độ, độ ẩm o 1.3 Có giao diện phần mềm giao tiếp trực quan với người dùng Khảo sát thị trường Chỉ cần thiết bị kết nối internet cơng cụ tìm kiếm google, thấy đủ mẫu mã sản phẩm hãng với giá tiền khác Chứng tỏ ổ cắm thông minh cần thiết đến với sống với cơng dụng mà mang lại Một số hình ảnh ổ cắm thơng minh bán thị trường Bài tập lớn Thiết kế ổ cắm điện thơng minh Hình Một số sản phẩm ổ cắm đơn Hình Sản phẩm ổ có nhiều ổ cắm Chương QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 2.1 Đặc điểm cấu tạo thiết bị Thiết bị xây dựng theo mơ hình thể sơ dồ khối KHỐI NGUỒN CẤP 220VAC KHỐI CHỈNH KHỐI ĐĨNG CẮT LƯU KHỐI CÁC Bài tập lớnPHÍM CHỨC NĂNG 10 KHỐI NGUỒN CẤP Thiết kế ổ cắm điện thông minh Hình 14 sơ đồ nguyên lý khối relay 5V Modul sử dụng nguồn +5VDC Lấy tín hiệu từ chân số 19 GPIO4 qua trở R1 Transitor C1815 NPN - kích mức cao Nối cực dương vào chân tín hiệu rơ-le đóng) 2.3 Sơ đồ nguyên lý phần mềm altium Bài tập lớn 24 Thiết kế ổ cắm điện thông minh Bài tập lớn 25 Thiết kế ổ cắm điện thông minh 2.4 Mạch PCB altium Hình 15 Mạch PCB 2D Hình 16 Mạch PCB 3D Bài tập lớn 26 Thiết kế ổ cắm điện thông minh Chương THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH PHẦN MỀM 3.1 Các chế độ wifi ESP8266 Kết nối WiFi điểm mạnh chip ESP8266, kết nối đến Router sẵn có gia đình, Access Point với tiêu chuẩn kết nối thông dụng tần số 2.4GHz - chế độ STA Ngoài ra, ESP8266 hỗ trợ chế độ AP (Access Point), tức khởi động (hoặc nhiều) Access Point cho phép client khác kết nối vào, chạy đồng thời chế độ STA AP Trong đa phần ứng dụng chế độ STA sử dụng nhiều, giúp thiết bị kết nối đến mạng WiFi cục bộ, có internet để kết nối đến Server gởi liệu Một số trường hợp khác chế độ AP sử dụng để trao đổi liệu với ESP8266 máy tính (hoặc thiết bị có hỗ trợ trình duyệt) Ví dụ điều khiển đóng tắt đèn thơng qua Web Server chạy ESP8266 WiFi Access Point thiết bị xử lý kết nối trung tâm phân phối luồng liệu Như việc xử lý gói tin IP để định địa mạng LAN, định tuyến gói tin từ Internet máy trạm (Station) Hình WIFI Access Point Bài tập lớn 27 Thiết kế ổ cắm điện thông minh Thiết bị kết nối đến Access Point gọi Station, máy tính Laptop, máy tính có card WiFi kết nối vào Access Point gọi Station Hình Mạng WIFI Các Station muốn kết nối vào Access Point cần xác định thơng qua BSSID, thông thường hay gọi SSID - hay mạng WiFi Bạn dễ dàng xem danh sánh SSID xung quanh scan wifi máy tính để kết nối mạng Internet Trong phần tìm hiểu chế độ WiFi ESP8266 • Chế độ Station - STA kết nối tới Access Point sẵn có • Sử dụng HTTPClient để gởi lấy liệu từ Internet • Chế độ Access Point - AP cho phép Client khác kết nối vào • Web Server chạy ESP8266, dùng để bật tắt đèn LED 3.1.1 Chế độ WiFi Station Để kết nối vào mạng Internet, ESP8266 phải kết nối vào mạng WiFi nội bộ, mạng WiFi nội phải có kết nối WAN Internet Đa phần Modem tích hợp ln WiFi Access Point, dễ dàng việc triển khai ứng dụng IoT Bài tập lớn 28 Thiết kế ổ cắm điện thông minh Khi muốn kết nối vào mạng WiFi cục ESP8266 cần phải hoạt động chế độ Station (STA), đồng thời phải cung cấp tên (SSID) mật mạng WiFi Mỗi Access Point yêu cầu phương thức mã hóa để Station sử dụng nhằm tạo kết nối - ví dụ phương thức WEP, WPA2, nhiên có lẽ khơng cần quan tâm nhiều, ESP8266 tự động thực thao tác lựa chọn phương thức mã hóa Khi kết nối thành cơng vào mạng WiFi ESP8266 khởi động DHCP Client (mặc định) để xin cấp phát địa IP trước bắt đầu kết nối IP Do đó, lý đó, mà Access Point bạn khơng có DHCP Server để cấp phát IP bạn phải cấu hình IP tĩnh cho ESP8266 Kết nối vào mạng WiFi nội bộ: Với đoạn code này, bạn cung cấp SSID PASSWORD, đồng thời Access Point hoạt động thiết bị kết nối in Serial Terminal địa IP ESP8266 mạng LAN 3.1.2 Chế độ WiFi Access Point ESP8266 có khả cho phép thiết bị khác (Station - STA) truy cập vào hoạt động Access Point, tự thiết lập mạng WiFi nội bộ, với khả khởi động DHCP Client cung cấp IP cho Client kết nối tới Do giới hạn RAM, nên số lượng tối đa STA kết nối đến ESP8266 Đầu tiên bạn cần include , thư viện chứa hàm softAP dùng để cấu hình Access Point mềm (soft AP) để khởi tạo mạng WiFi Một mạng WiFi đơn giản cần cung cấp tên SSID không mật WiFi.softAP(ssid) Phức tạp hơn, bạn cung cấp mật cho mạng WiFi WiFi.softAP(ssid, password), chi tiết WiFi.softAP(ssid, password, channel, Bài tập lớn 29 Thiết kế ổ cắm điện thơng minh hidden) cung cấp xác kênh truyền (1 13), mặc định ẩn đi, không hiển thị hidden = true Nhớ ssid sử dụng chuỗi ký tự không 63, mật (có thể khơng cần) với tối thiểu ký tự cho mạng WPA2-PSK Hàm softAP trả true khởi tạo thành công mạng WiFi 3.2 Web Server 3.2.1 Web Server Web Server máy chủ Web mà có Web Client (chẳng hạn Web Browser) truy cập vào, thơng tin u cầu truy cập để xử lý, phản hồi lại nội dung Đa phần nội dung Web Server phục vụ HTML, Javascript, CSS, JSON bao gồm liệu Binary Mặc định Web Server phục vụ Port 80, 443 cho dịch vụ Web có bảo mật HTTPS 3.2.2 Giới thiệu blink Blynk thực app điện thoại, cho phép người dùng tạo giao diện điều khiển thiết bị theo ý thích cá nhân Nên lựa chọn Blynk số lý sau:  Dễ sử dụng: đơn giản, việc vào store, cài đặt, sau đăng ký tài khoản không phút để làm quen  Đẹp đầy đủ: Giao diện Blynk tuyệt vời, sử dụng cách kéo thả, bạn cần nút bấm, kéo thả nút bấm, bạn cần đồ thị, kéo thả đồ thị, bạn cần LCD, kéo thả LCD, tóm lại bạn cần kéo thả  Khơng phải lập trình android hay ios: Nếu khơng có kiên thức làm app điện thoại việc điều khiển thiết bị từ smartphone điều vơ khó khăn phức tạp Nhờ blynk bỏ qua bước lập trình tạo app Có thể thử nhanh chóng ứng dụng dự án vào thực tế  Thử nghiệm nhanh chóng, điều khiển giám sát nơi có internet 3.2.3 Cài thư viên blink arduino IDE Bài tập lớn 30 Thiết kế ổ cắm điện thông minh Để sử dụng blynk cần phải tải thư viện thơng qua Arduino IDE  Download thư viện Blynk : https://github.com/blynkkk/blinklibrary/releases/latest  Import vào Arduino IDE theo bước Chọn Sketch -> Include Library -> Manage Libraries, tìm kiếm blynk install Hình 3 Cài đặt Blink arduino IDE  Code Arduino IDE 3.2.4 Các bước sử dụng blink  Tải phần mềm blink  Tạo tài khoản blynk đơn giản việc nhập email pass  Tạo project cho blynk  Thêm nút nhấn vào blynk  Lấy Auth token để kết nối tới ESP8266 cách vào hình lục giác, chọn new device lưu lại giá trị AUTH TOKEN 3.3 Chương trình cho ESP8266 Bài tập lớn 31 Thiết kế ổ cắm điện thông minh Chương trình nạp qua cơng cụ hỗ trợ phần mềm Arduino IDE Giao diện arduino IDE Hình Giao diện Arduino IDE #include #define BLYNK_PRINT Serial #include #include char auth[] = "1115593f24d54d6485b0611e582cd28f"; // ma token lay tu app char ssid[] = "dieukhien"; //Tên wifi char pass[] = "12345678"; Bài tập lớn //Mật wifi 32 Thiết kế ổ cắm điện thông minh // dieukhien@gmail.com //12345678 void setup() { Serial.begin(115200); Blynk.begin(auth, ssid, pass); Blynk.syncAll(); } void loop() { Blynk.run(); } Bài tập lớn 33 Thiết kế ổ cắm điện thông minh Chương 4: CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ 4.1 Chế tạo thiết bị Sau hoàn tất phương án thiết kế phần cứng chương trình nhúng cho thiết bị, ta tiến hành thiết kế mạch in PCB lập trình nhúng cho thiết bị Sơ đồ nguyên lý mạch in PCB thiết kế phần mềm Altium Designer phiên 16 hãng Altium Limited phát triển Đây công cụ thiết kế sơ đồ nguyên lý, mạch in mạnh mẽ phổ biến Thiết bị chia thành phần phần nguồn phần xử lý-đóng cắt Hình 4.1 PCB mơ thiết bị Altium Designer Bài tập lớn 34 Thiết kế ổ cắm điện thơng minh Hình PCB mô thiết bị Altium Designer Sau xây dựng sơ đồ nguyên lý PCB thiết bị Altium Designer Khi hoàn thiện, phần xử lý thiết bị có hình dạng thực tế Hình 4.2 Hình Hình ảnh thực tế thiết bị 4.2 Thử nghiệm thiết bị Bài tập lớn 35 Thiết kế ổ cắm điện thông minh Khi cấp nguồn đèn nguồn màu xanh sáng báo có điện Khi ấn nút ON phần mềm blink đèn trước relay sáng báo bật đèn Khi án nút OFF phần mềm blink đèn trước relay tắt báo tắt đèn Bài tập lớn 36 Thiết kế ổ cắm điện thông minh KẾT LUẬN Sau thời gian làm tập lớn với nhiệm vụ “ Thiết kế ổ cắm điện thông minh điều khiển qua wifi”, em tìm hiểu học hỏi lượng kiến thức đồng thời vận dụng phần kiến thức học Cụ thể, em thu kết sau: - Tìm hiểu sâu IOT, trình phương thức truyền tín hiệu ESP8266 - Thiết kế thiết bị, thiết bị kết nối điều khiển đề yêu cầu - Sử dụng thành thạo phần mềm giám sát điều khiển blink Từ kết đạt được, em nhận thấy số hướng phát triển thực tiếp đề tài như: - Nâng cao độ xác, ổn định thiết bị Bổ sung mở rộng như: giám sát điều khiển websever - Mở rộng thiết bị, cho phép theo dõi điều khiển thêm nhiều thiết bị - Tiến hành làm thành sản phẩm đưa cạnh tranh ngồi thị trường Do thời gian lực thân hạn chế nên kết em chắn nhiều thiếu sót, em mong dạy đóng góp ý kiến thầy bạn Em xin chân thành cảm ơn bảo nhiệt tình thầy giáo GVC Đào Đức Thịnh, thầy cô giáo môn Kỹ thuật đo Tin học công nghiệp, viện Kỹ thuật điều khiển tự động hóa giúp đỡ bạn giúp em hoàn thành tập Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 20 tháng 12 năm 2018 Bài tập lớn 37 Thiết kế ổ cắm điện thông minh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] IoT Maker Việt Nam, “ Internet of Things cho người bắt đầu” [2] https://esp8266.vn/introduction/introduction/ Truy cập cuối ngày 30/12/2018 [3] Espressif IOT Team, “ ESP8266EX Datasheet” [4] AI-Thinker, “ ESP-12F Datasheet” [5] AI-Thinker, “ESP-01/07/12 Series Modules User's Manual” Bài tập lớn 38 ... Thiết kế ổ cắm điện thông minh Bài tập lớn 25 Thiết kế ổ cắm điện thông minh 2.4 Mạch PCB altium Hình 15 Mạch PCB 2D Hình 16 Mạch PCB 3D Bài tập lớn 26 Thiết kế ổ cắm điện thông minh Chương THIẾT... viên thực Bài tập lớn Thiết kế ổ cắm điện thông minh Bài tập lớn Thiết kế ổ cắm điện thông minh Chương TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu a) Giới thiệu tổng quan IoT Thời đại vạn vật kết nối Internet of... Chứng tỏ ổ cắm thông minh cần thiết đến với sống với cơng dụng mà mang lại Một số hình ảnh ổ cắm thơng minh bán thị trường Bài tập lớn Thiết kế ổ cắm điện thơng minh Hình Một số sản phẩm ổ cắm đơn