Đồ án điều khiển thiết bị điện thông qua trợ lý ảo google assistant

Kèm theo đó là các tính năng như: điều chỉnh độ sáng của từng đèn, giúp người sử dụng có thể chỉnh độ sáng phù hợp theo nhu cầu sử dụng, hẹn giờ để bật tắt các thiết bị, giám sát nhiệt đ

Trang 1

định chọn đề tài “ Điều khiển thiết bị điện thông qua trợ lý ảo Google Assistant”

Nhóm sẽ sử dụng trợ lý ảo Google Assistant làm phương tiện để điều khiển các thiết bị điện bằng giọng nói Đồng thời sẽ thiết kế một phần mềm chạy trên điện thoại thông minh sử dụng hệ điều hành Android, giúp người sử dụng có thể thao tác điều khiển và quản lý trạng thái của các thiết bị một cách dễ dàng ở bất cứ nơi đâu

có phủ sóng 3G hoặc WIFI Kèm theo đó là các tính năng như: điều chỉnh độ sáng của từng đèn, giúp người sử dụng có thể chỉnh độ sáng phù hợp theo nhu cầu sử dụng, hẹn giờ để bật tắt các thiết bị, giám sát nhiệt độ, độ ẩm và cảnh báo khi có người lạ đột nhập vào nhà

Đề tài mà nhóm sinh viên trước đó đã làm có tên “ Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị nhà có hỗ trợ Google Assistant”, đây là đề

tài tốt nghiệp của nhóm sinh viên trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh Nhóm đề tài này đã thực hiện được việc thiết kế phần cứng mạch điện trên thiết bị có sẵn, thiết kế website và phần mềm điều khiển chạy trên hệ điều hành Android để điều khiển và giám sát trạng thái của các thiết bị Nhóm chúng em sẽ cải tiến và phát triển đề tài này thông qua việc điều khiển độ sáng của các đèn bằng giọng nói, hẹn giờ bật tắt các thiết bị Ngoài ra hệ thống còn có chức năng cảnh báo

có người đột nhập vào nhà và hiển thị nhiệt độ, độ ẩm trên App Android Dễ dàng

Trang 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

cài đặt thông tin của wifi kết nối ( tên mạng và mật khẩu) cho các đèn sử dụng wifi khi di chuyển tới một nơi khác

1.2 MỤC TIÊU

Đối với phần cứng thì nhóm sẽ thi công lại khối công suất của các đèn chiếu sáng nhằm mục đích phù hợp với yêu cầu điều khiển, thiết bị đèn có thể điều khiển bằng điện thoại qua Wifi Bên cạnh đó thiết kế mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm, và chuyển động để người sử dụng có thể giám sát được nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động tại vị trí đặt thông qua app điện thoại

Về phần mềm nhóm sẽ sự dụng Google Assistant (trợ lý ảo do Google phát triển) để làm phương tiện điều khiển các thiết bị đèn và bật tắt led và cảm biến chuyển động trên thiết bị giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động Bên cạnh đó nhóm sẽ thiết kế một phần mềm chạy trên điện thoại thông minh sử dụng hệ điều hành android Phần mềm có thể nhận được phản hồi và hiển thị trạng thái của các thiết bị đèn một cách trực quan, nhanh chóng lên ứng dụng, chỉ cần điện thoại và các thiết bị đèn trong nhà được kết nối wifi hoặc 3G, nó giúp người sử dụng có thể

dễ dàng giám sát được tình trạng của các thiết bị khi không có ở nhà, đồng thời phần mềm cũng có thể điều khiển được việc bật/tắt, hẹn giờ cũng như độ sáng của các đèn Giao diện phần mềm dễ dàng thao tác cho người sử dụng Ứng dụng dễ dàng cập nhật mà không ảnh hưởng đến các dữ liệu đã cài đặt trước đó

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- NỘI DUNG 1: Khảo sát lựa chọn các bóng đèn led trụ tròn (Led bulb) chiếu sáng trên thị trường, cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm và cảm biến phát hiện chuyển động

- NỘI DUNG 2: Các giải pháp thiết kế phần mềm và phần cứng

- NỘI DUNG 3: Thiết kế khối công suất, khối điều khiển của đèn và mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và phát hiển chuyển động

- NỘI DUNG 4: Thiết kế phần mềm điều khiển và hiển thị

- NỘI DUNG 5: Thi công mô hình

- NỘI DUNG 6: Đánh giá kết quả thực hiện

Trang 3

1.4 GIỚI HẠN

- Đèn chiếu sáng có công suất 30W

- Mỗi đèn chiếu sáng là một thiết bị độc lập có thể cài đặt kết nối

- Sử dụng cảm biến DHT11 để đo nhiệt độ, độ ẩm và cảm biến PIR để phát

hiện chuyển động

- Phần mềm điều khiển hỗ trợ điều khiển mô phỏng 2 bóng đèn

- Khoảng cách điều khiển đèn và giám sát trạng thái của các thiết bị không

giới hạn, chỉ cần nơi đó có sóng 3G hoặc wifi

- Kiểm soát được hoạt động của các thiết bị trên phần mềm điều khiển, biết được đèn đang bật hay tắt, nhiệt độ, độ ẩm hiện tại là bao nhiêu, nhà có ai

đột nhập vào không Tất cả được hiển thị lên phần mềm

1.5 BỐ CỤC

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cơ sở lý thyết

Chương 3: Thiết kế và tính toán

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 5: Két quả, đánh giá và nhận xét

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

- Chương 1: Tổng quan

Chương này đặt vấn đề, lý do chọn đề tài, mục tiêu nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày các lý thuyết nền tảng để dựa trên lý thuyết này thực hiện đồ án

- Chương 3: Thiết kế và tính toán

Chương này trình bày tính toán thiết kế phần cứng mạch điện và phần mềm chạy trên điện thoại thông minh sử dụng hệ điều hành Android

- Chương 4: Thi công hệ thống

Chương này trình bày về thi công hệ thống: thi công mô hình, lập trình hệ thống, lập trình mô phỏng và viết tài liệu hướng dẫn lập trình thao tác

Trang 4

- Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

Chương này trình bày về những kết quả đồ án mà nhóm làm được, nhận xét và đánh giá các kết quả làm được

- Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương này trình bày những kết quả mà nhóm làm được so với mục tiêu đề ra

và hướng phát triển của đề tài

Trang 5

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 GIỚI THIỆU

Theo mong muốn đề tài là điều khiển thiết bị điện thông qua trư lý ảo Google Assistant thì nhóm cần tìm hiểu các nội dung sau:

- Giới thiệu về trợ lý ảo Google Assistant

- Khái niệm về cơ sở dữ liệu Firebase

- Tổng quan vè hệ điều hành Android

2.2.2 Lịch sử phát triển

Google Assistant là một trợ lý cá nhân ảo được phát triển bởi Google và được giới thiệu tại hội nghị nhà phát triển của hãng vào tháng 5 năm 2016 Google Assistant ban đầu được đưa vào ứng dụng nhắn tin Google Allo, và loa thông minh Google Home Sau một thời gian chỉ có mặt trên hai chiếc điện thoại thông minh Pixel và Pixel XL của hãng, Google bắt đầu triển khai Assistant trên các thiết

bị Android khác vào tháng 2 năm 2017, bao gồm cả các điện thoại thông minh bên thứ ba và các thiết bị Android Wear, và được phát hành dưới dạng ứng dụng riêng biệt trên iOS vào tháng 5 Cùng với sự ra mắt một bộ phát triển phần mềm vào tháng

4 năm 2017, Assistant đã và đang được tiếp tục mở rộng hỗ trợ cho một lượng lớn thiết bị, bao gồm cả xe hơi và các thiết bị nhà thông minh Các chức năng của Assistant cũng có thể được bổ sung bởi các nhà phát triển bên thứ ba

Trang 6

2.2.3 Ưu điểm và nhược điểm

a Ưu điểm

- Khả năng nhận dạng Tiếng Việt trên Google Assistant rất tốt

- Người dùng thao tác mà không cần chạm vào điện thoại như yêu cầu gọi điện hoặc nhắn tin cho một ai đó, hẹn giờ, đặt nhắc nhở, lên

lịch hẹn…

- Trợ lý của Google có thể làm tính, chuyển đổi đại lượng, tính tỷ giá trả lời các câu hỏi liên quan đến thể thao, du lịch, tìm nhà hàng,

trạm xăng

- Google Assistant cho phép người dùng điều khiển các thiết bị

thông minh trong nhà bằng Tiếng Việt

b Nhược điểm

- Nhiều câu hỏi trợ lý ảo không đưa ra câu trả lời trực tiếp mà chỉ

gợi ý các kết quả từ Google Seach

- Mặc dù đã hỗ trợ Tiếng Việt, nhưng với các câu hỏi cho nhà thông

minh, Assistant lại trả lời bằng Tiếng Anh

2.3 GIỚI THIỆU VỀ CƠ SỞ DỮ LIỆU FIREBASE

2.3.1 Khái niệm

Firebase là một dịch vụ API (giao diện lập trình ứng dụng) để lưu trữ và đồng

bộ dữ liệu giữa hai hay nhiều thiết bị với nhau Firebase hoạt động dựa trên nền tảng đám mây được cung cấp bởi Google nhằm giúp đỡ các lập trình viên phát triển nhanh ứng dụng bằng cách đơn giản hóa các thao tác ứng dụng với cơ sở dữ liệu

Trang 7

Hình 2.1 Trao đổi dữ liệu giữa FIREBASE với các thiết bị

Firebase được thành lập bởi Tamplin và Lee Hai nhà sáng lập này đã dựa vào một dịch vụ API chat trực tuyến vào trang web được cung cấp bởi Envolve, các nhà phát triển sử dụng Envolve để đồng bộ hóa dữ liệu các trạng thái trò chơi trong thời gian thực lên trang web Dựa vào yếu tố này Tamplin và Lee đã quyết định tách riêng hệ thống chat và kiến trúc thời gian thực để thành lập một cơ sở dữ liệu firebasse riêng biệt vào tháng 4 năm 2012 Vào ngày 21 tháng 10 năm 2014 Google

đã mua lại Firebase

2.3.3 Các chức năng chính của Firebase [2]

- Realtime Database – Cơ sở dữ liệu thời gian thực

Fire ase lưu trữ dữ liệu data ase dưới dạng JSON và thực hiện đồng bộ database tới tất cả các client theo thời gian thực Chúng ta có thể xây dựng được client đa nền tảng (cross-platform client) và tất cả các client này sẽ cùng sử dụng chung 1 database đến từ Firebase và có thể tự động cập nhật mỗi khi dữ liệu trong data ase được thêm mới hoặc sửa đổi

- Firebase Authentication – Hệ thống xác thực của Firebase

Với Firebase chúng ta có thể dễ dàng tích hợp các công nghệ xác thực của Google, Facebook, Twitter, … hoặc một hệ thống xác thực mà chúng ta mình tạo ra

từ trong ứng dụng ở bất kì nền tảng nào như Android, iOS hoặc Web

- Firebase Hosting

Chúng ta có thể triển khai một ứng dụng nền web chỉ với vài giây với hệ thống

Trang 8

Firebase, và các dữ liệu sẽ được lưu trữ đám mây đồng thời được bảo mật thông qua giao thức truy cập SSL

2.3.4 Ưu nhược điểm của Firebase

a Ưu điểm

- Triển khai ứng dụng cực nhanh

- Tính bảo mật cao

- Linh hoạt và mở rộng ứng dụng dễ dàng

- Tình ổn định cao, ít khi gặp trường hợp sập server

- Người đăng ký được sử dụng miễn phí 1GB dung lượng lưu trữ

Đăng ký tài khoản miễn phí thì chỉ được tối đa 100 thiết bị hoặc người truy cập trong khi có tính phí thì không giới hạn thiết bị hoặc người truy cập

2.4 GIỚI THIỆU VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID

2.4.1 Khái niệm về Android

Android là một hệ điều hành có mã nguồn mở dựa trên nền tảng Linux được thiết kết dành cho các thiết bị di động và máy tính bảng

Tổng công ty Android (Android, Inc.) được thành lập tại Palo Alto, California vào tháng 10 năm 2003 bởi Andy Rubin Vào năm 2005 Google mua lại công ty này sau đó tới năm 2007 chính thức ra mắt hệ điều hành Android

Từ năm 2008, hệ điều hành Android đã trải qua nhiều lần cập nhật để dần dần cải tiến hệ điều hành, bổ sung các tính năng mới và sửa các lỗi trong những lần phát hành trước Mỗi bản nâng cấp được đặt tên lần lượt theo thứ tự bảng chữ cái, theo tên của một món ăn tráng miệng

Trang 9

Hình 2.2 Các phiên bản hệ điều hành Android qua các lần nâng cấp

2.4.3 Ưu nhược điểm của hệ điều hành Android [1]

a Ưu điểm

- Thân thiện dễ sử dụng với người dùng

- Khả năng đa nhiệm chạy cùng lúc nhiều ứng dụng

- Đa dạng nhiều sản phẩm phù hợp hầu hết các thiết bị điện thoại và máy tính bảng

- Kho ứng dụng Google Play có rất nhiều ứng dụng hay mà người dùng có thể lựa chọn tải về sử dụng

- Là hệ điều hành có khả năng tùy biến cao người dùng có thể chỉnh sữa mà không có sự cấm cản từ nhà sản xuất

- Không tự động cập nhật hệ điều hành với tất cả thiết bị, khi một hệ điều hành mới ra mắt người dùng có thể không cập nhật được mà phải mua một thiết bị khác có hệ điều hành đó

- Khó kiểm soát chất lượng ứng dụng khi quá nhiều ứng dụng được tải lên

- Dễ nhiễm mã độc gây hại thiết bị do tính chất nguồn mở nên không

có sự kiểm soát

- Sự phân cấp chất lượng sản phẩm lớn khi nhiều sản phẩm nổi tiếng chất lượng như: Galaxy S10, Galaxy Note 9…, vẫn còn rất nhiều sản phẩm giá rẻ bình thường khác

Trang 10

2.5 GIỚI THIỆU VỀ CÁC CHUẨN GIAO TIẾP WIFI

2.5.1 Khái niệm về wifi

Wi-Fi viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11( bắt nguồn từ viện IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) của Hoa kỳ) là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến, giống như điện thoại di động, truyền hình và radio Sóng wifi truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz hoặc 5 GHz Tần số này cao hơn so với các tần số sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay và truyền hình Tần số cao hơn cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn

2.5.2 Các chuẩn của wifi [3]

- Wifi hay mạng 802.11 có 6 chuẩn thông dụng nhất đó là 802.11a, 802.11 , 802.11g, 802.11n, 802.11ac, 802.11ad

- Chuẩn 802.11 : Đây là phiên bản đầu tiên trên thị trường Chuẩn này có tốc

độ truyền chậm và ít phổ biến hơn so với các chuẩn khác Chuẩn 802.11 phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz, nó có thể xử lý đến 11 Mbit/s và sử dụng mã CCK (complimentary code keying)

- Chuẩn 802.11g: Cũng phát ở tần số 2.4 GHz, nhưng nhanh hơn so với chuẩn 802.11 , tốc độ xử lý đạt 54 Mbit/s Chuẩn 802.11g nhanh hơn vì nó sử dụng mã OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing), một công nghệ mã hóa hiệu quả hơn

- Chuẩn 802.11a: Phát ở tần số 5 GHz và có thể đạt đến 54 Mbit/s Nó cũng sử dụng mã OFDM

- Chuẩn 802.11n: Phát ở tần số 2.4 GHz, nhưng nhanh hơn so với chuẩn 802.11a, tốc độ xử lý đạt 300 Mbit/s

Trang 11

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

3.1 TỔNG QUAN CỦA ĐỀ TÀI

Trong đề tài này, nhóm chúng em thiết kế các bóng đèn có thể điều chỉnh được độ sáng bằng giọng nói thông qua Google assistant hoặc thao tác trên app Android Ngoài ra còn thiết kế mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động để người dùng

có thể biết được nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động tại vị trí đặt hiện tại thông qua app trên điện thoại Cụ thể như:

- Phần cứng

Phần cứng của đề tài được xây dựng gồm 2 phần: Phần cứng của mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động và phần cứng mạch điều khiển độ sáng đèn

Đối với phần cứng của mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động thì phải đo được nhiệt độ, độ ẩm và giám sát chuyển động khi được người dùng kích hoạt Báo động khi nhiệt độ vượt ngưỡng cho phép hoặc phát hiện chuyển động Mạch có kích thước nhỏ gọn

Đối với phần cứng của mạch điều khiển độ sáng đèn thì có thể điều khiển được độ sáng Mạch điều khiển có kích thước nhỏ gọn phù hợp với không gian đèn

- Phần mềm

Phần mềm được xây dựng chạy trên nền tảng Android phiên bản 5.1 trở lên, kích thước màn hình 5.1 inch, độ phân giải 1440 x 2560 pixel hoặc lớn hơn Phần mềm xây dựng gồm 3 Activity gồm: Giao diện điều khiển và hiển thị trạng thái các thiết bị đèn, giao diện hiển thị giá trị nhiệt độ, độ ẩm, cảnh báo trộm, giao diện điều khiển hẹn giờ bật, tắt các thiết bị

- Cơ sở dữ liệu

Lưu trữ dữ liệu mà các thiết bị thu thập và đưa lên, từ đó các thiết bị có thể đọc

về hoặc điện thoại có thể lấy về để hiển thị lên app người dùng

Trang 12

Sau khi các thiết bị đã kết nối thành công với Wifi, việc điều khiển thiết bị sẽ thông qua điện thoại bằng 2 cách

- Cách 1: Ta sẽ sử dụng trợ lý ảo Google (Google Assistant) để ra lệnh điều khiển thiết bị bằng giọng nói Dữ liệu đó sẽ được các thiết bị đèn nhận xử lý để điều khiển

độ sáng đèn sau đó đưa dữ liệu đó lên Firebase, riêng mạch giám sát nhiệt độ, độ

ẩm và chuyển động ta chỉ điều khiển bật tắt cảm biến chuyển động và đèn led ngủ

- Cách 2: Ta sẽ sử dụng đã App Android để điều khiển bằng cách gửi dữ liệu thông qua Firebase, bộ phận xử lý của đèn sẽ nhận dữ liệu đó và điều khiển đèn

Ngoài tính năng điều khiển thì phần mềm còn có chức năng hiển thị các trạng thái của đèn, giá trị nhiệt độ, độ ẩm, cánh báo cháy trộm thông qua việc đọc dữ liệu trên Firebase do bộ phận xử lý của đèn và bộ phận xử lý nhiệt độ, độ ẩm gửi lên

Trang 13

3.2.2 Thiết kế sơ đồ khối phần cứng bóng đèn

a Yêu cầu

- Đóng mở qua App Android hoặc Google Assistant thông qua Wifi hoặc 3G

- Điều chình được độ sáng dùng App Android hoặc Google Assistant thông qua Wifi hoặc 3G

- Hẹn giờ đóng mở đèn bằng App Android thông qua Wifi hoặc 3G

- Lắp đặt dựa vào cách đi dây hiện tại của ngôi nhà

c Sơ đồ khối mạch điều khiển độ sáng đèn bulb

- Khối nguồn công suất

- Khối nguồn điều khiển

- Khối xử lý trung tâm

- Khối cống suất

- Khối cơ sở dữ liệu

- Khối thực thi điều khiển và hiển thị

Trang 14

Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển đèn bulb chiếu sáng

d Chức năng từng khối

- Khối nguồn công suất

Đây là nguồn có sẵn của đèn nguồn này cung cấp điện áp cho khối công suất và cho đèn hoạt động

Đây là nguồn xung nhỏ gọn điện áp ngõ ra 5VDC dòng khoảng 700mA cung cấp nguồn cho mạch xử lý trung tâm (ESP8266 ESP-12E NodeMCU)

- Khối xử lý trung tâm (ESP8266 ESP-12E NodeMCU)

Khối này cập nhật dữ liệu từ cơ sở dữ liệu sau đó xử lý điều khiển khối công suất

Đây là nơi lưu trữ dữ liệu giữa khối xử lý trung tâm và khối thực thi điều khiển

Trang 15

- Khối công suất

Nhiệm vụ khối này là điều khiển độ sáng của đèn hoặc tắt mở đèn thông qua lệnh điều khiển của khối xử lý trung tâm

Đây là ứng dụng được viết trên điện thoại hệ điều hành android dùng để gửi dữ liệu lên cơ sở dữ liệu và lấy dữ liệu về để hiển thị

3.2.3 Thiết kế sơ đồ khối mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động

- Chọn ESP8266 ESP-12E làm vi điều khiển trung tâm để giao tiếp với các

cảm biến và xử lí tín hiệu Kết nối Wifi để đưa dữ liệu lên cơ sỏ dữ liệu

- Dùng cảm biến DHT11 để đo nhiệt độ, độ ẩm và cảm biến PIR AM312 để

phát hiện chuyển động

- Dùng Buzzer để báo động

c Sơ đồ khối mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động

- Khối xử lý trung tâm

- Khối cảm biến

- Khối báo động

Trang 16

Hình 3.3 Sơ đồ khối mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động

d Chức năng từng khối

Đây là nguồn xung nhỏ gọn điện áp ngõ ra 5VDC dòng khoảng 700mA cung cấp nguồn cho toàn mạch

- Khối xử lý trung tâm (ESP8266 ESP-12E NodeMCU)

Khối này đọc giá trị từ khối cảm biến, xử lý để đưa ra khối báo động và cập nhật dữ liệu lên cơ sở dữ liệu

Đây là nơi lưu trữ dữ liệu giữa khối xử lý trung tâm và khối thực thi điều khiển và hiển thị

- Khối cảm biến

Dùng cảm biến DHT11 đo nhiệt độ, độ ẩm và cảm biến PIR AM312 giám sát chuyển động, sau đó gửi dữ liệu đến khối xử lí trung tâm

Trang 17

- Khối báo động

Dùng buzzer báo động khi phát hiện chuyển động hoặc nhiệt độ tăng cao vượt ngưỡng cho phép

Đây là ứng dụng được viết trên điện thoại hệ điều hành android dùng để gửi

dữ liệu lên cơ sở dữ liệu và lấy dữ liệu về để hiển thị

3.2.4 Tính toán và thiết kế mạch

a Thiết kế khối xử lý trung tâm

Do khối xử lí trung tâm của 2 mạch : mạch điều khiển độ sáng đèn và mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động tương tự nhau nên các linh kiện lựa chọn sẽ giống nhau Nên chúng em tính toán và thiết kế như sau:

Bảng 3.1 Bảng tiêu thụ dòng ở các chế độ khác nhau của ESP8266 NodeMCU

Dựa vào bảng tiêu thụ dòng của ESP8266 ở các chế độ khác nhau, để ESP8266 hoạt động tốt trong những chế độ đó thì dòng tiêu thụ phải lớn hơn 170mA cho nên nhóm chúng em chọn dòng tiêu thụ ESP8266 là 300mA để đảm bảo ESP8266 hoạt động tốt ở mọi chế độ tránh trường hợp thiếu dòng hay sụt áp sẽ

Trang 18

làm ESP8266 khởi động lại chương trình

Nguồn cung cấp cho ESP8266 hoạt động là từ 3~3.6VDC xét về mức dòng và

áp thì IC ổn áp tuyển tính AMS1117 phù hợp với ESP8266 Vì AMS1117 tạo ra điện áp 3.3VDC và dòng có thể tạo ra gần 800mA

Để ngõ ra nguồn 3.3 VDC ổn định và phẳng hơn nhóm em sử dụng tụ phân cực 100uF lọc nguồn bởi vì để ESP8266 hoạt động theo chế độ pwm khi không truyền nhận dữ liệu nhưng vẫn duy trì kết nối để tiết kiệm năng lượng thì ESP8266

sẽ chạy ở chế độ Modem-sleep với dòng tiêu thụ 15mA Ta có thông số sau:

Tụ không phân cực 104 để lọc cao tần

Do các đường truyền dữ liệu ở mạch nạp CP2102 có ngõ ra điện áp 5 VDC vì vậy để an toàn cho ESP8266 phải chắn diode zener 3.3VDC Để hạn chế dòng cao chạy thẳng vào ESP8266 ở các đường truyền dữ liệu phải được nối tiếp với trở 1.8K

Sử dụng trở 1.8k bởi vì theo datasheet ở chế Standby dòng tiêu thụ khoảng 0.9mA để đảm bảo an toàn và tiết kiệm năng lượng trong quá trình nạp chương trình

Ta có : R =

= = 1.88k, chọn 1k8 Ω (3.5) Theo datasheet mức điện áp để ESP8266 hiểu là mức cao là từ 0.75VCCVCC+0.3 để tiết kiệm năng lượng và ESP8266 hoạt động an toàn dòng

bé hơn 0.9mA và điện áp mức cao là 2V vậy ta có:

R = = = 4.333k, chọn R = 4k7Ω (3.6)

Trang 19

 Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý trung tâm điều khiển đèn bulb chiếu sáng (ESP8266 ESP-12E NodeMCU)

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch xử lí trung tâm điều khiển đèn bulb

chiếu sáng

Trong đó, chân xuất PWM của ESP để điều khiển là chân D1 (GPIO5)

Tương tự, ta có sơ đồ nguyên lý mạch xử lí trung tâm của mạch giám

sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động

Trang 20

 Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý trung tâm giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động (ESP8266 ESP-12E NodeMCU)

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý mạch xử lí trung tâm giám sát nhiệt độ, độ

ẩm và chuyển động

Trong đó, chân D5 (GPIO14) kết nối đến chân 1 của opto trong khối

báo động, chân D7 ( GPIO13) kết nối đến chân 1 của opto trong mạch kết

nối cảm biến PIR AM312, chân D1 (GPIO5) kết nối đến jump kết nối led

ngủ, chân D2 ( GPIO4) kết nối với chân data trong mạch kết nối cảm biến

PIR, chân D4 (GPIO2) kết nối chân data của cảm biến DHT11

Trang 21

b Thiết kế khối công suất

Do khối xử lí trung tâm xuất xung với tần số 1khz nên ta có chu kì xung T = 1ms, với chu kì này thì opto PC817 vẫn đáp ứng được

Để có điện áp mở cổng Mosfet IRF830 với Vgs ≤ 20VDC và nguồn cấp vào opto PC817 phải nhỏ hơn hoặc bằng 35VDC nên ta sử dụng điện áp 5V từ module nguồn điều khiển để kích vào chân G của Mosfet IRF830

Chúng em chọn opto PC817 vì để đảm bảo cách ly về điện giữa khối công suất

và khối xử lý trung tâm và opto vẫn hoạt động tốt với áp và dòng điện trong mạch Ta có: dòng lớn nhất mà ESP xuất ra là Imax = 12mA,điện áp mức cao do ESP xuất ra là 0.8xVdd = 0.8x3.3= 2.64V, điện áp cho phép đặt vào diode quang của opto VF từ 1.2-1.4V Do đó ta chọn điện trở:

R =

=

= 103,33 Ω , chọn R=100Ω (3.7) Chúng em chọn Mosfet IRF830 vì nó có điện áp đánh thủng là 500V, dòng tải tối đa là 5.9A, công suất 125W Trong khi đó điện áp đặt vào đèn tối đa là 109,7 VDC, dòng tiêu thụ tối đa của đèn là 266,6 mA, công suất 30W Do đó Mosfet này đáp ứng được, không bị nóng

Hình 3.6 Sơ đồ khối công suất mạch đèn

Trang 22

c Khối nguồn công suất

Đây là nguồn sẵn có của bóng đèn Sau khi đo điện áp ngõ ra khi không có tải là 210VDC, với điện áp ngõ vào là 220VAC

Hình 3.7 Mạch nguồn công suất

d Khối nguồn điều khiển

Đối với mạch điều khiển độ sáng đèn bulb thì dòng tiêu thụ tối đa của mạch

xử lý trung tâm (ESP8266 ESP-12E NodeMCU) là: ESP8266 ESP-12E NodeMCU là 170mA + led báo là 10mA + opto PC817 là 50mA và thêm một số linh kiện điện tử khác (điện trở, tụ điện) Vậy dòng tổng của khối xử lý trung tâm này khoảng 300mA

Đối với mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động thì dòng tiêu thụ tối đa của mạch xử lý trung tâm (ESP8266 ESP-12E NodeMCU) là: ESP8266 ESP-12E NodeMCU là 170mA + led báo là 10mA + opto PC817 là 50mA + DHT11 là 2.5mA + PIR AM312 là 0.1mA và thêm một số linh kiện điện tử khác (điện trở, tụ điện) Vậy dòng tổng của khối xử lý trung tâm này khoảng 300mA

Dựa vào các thông số dòng tiêu thụ của hai mạch xử lý trung tâm trên thì ta cần phải có nguồn với điện áp ngõ ra +5VDC và dòng phải lớn hơn 300mA Xét các yếu tố kết hợp với yêu cầu mạch nguồn phải nhỏ gọn mà dòng thì lớn hơn 300mA thì nhóm chúng em thấy trên thị trường có bán một mạch nguồn đáp ứng được các yêu cầu trên giá thành lại hợp lý nên nhóm chúng em chọn mua mạch nguồn loại này

Trang 23

Hình 3.8 Module nguồn điều khiển

 Thông số kỹ thuật

- Mạch rất thích hợp cho các hệ thống tiêu thụ điện năng thấp ,nhỏ gọn, an

toàn

- Điện áp ngõ vào : 90VAC – 230VAC

- Dòng ngõ vào : 14mA ( 220VAC)

Hình 3.9 Sơ đồ kết nối DHT11

Trang 24

 Thiết kế mạch kết nối cảm biến PIR AM312

Mạch thiết kế để điều khiển nguồn vào cho cảm biến PIR, bật tắt nguồn khi người dùng yêu cầu Điện áp ra 1 chân GPIO của ESP8266 ESP-12E NodeMCU là 3.3V nên ta phải dùng thêm opto PC817 để cấp nguồn 5V cho PIR Chân DATA kết nối với GPIO 4 của ESP8266 ESP-12E NodeMCU

Trên mạch có led báo nguồn khi bật với điện trở hạn dòng

R =

= 200, chọn R=220Ω (3.8)

và khối xử lý trung tâm và opto vẫn hoạt động tốt với áp và dòng điện trong mạch

Ta có: dòng lớn nhất mà ESP xuất ra là Imax = 12mA,điện áp mức cao do ESP xuất

ra là 0.8xVdd = 0.8x3.3= 2.64V, điện áp cho phép đặt vào diode quang của opto

Trang 25

f Thiết kế mạch báo động

Điện áp hoạt động của Buzzer là 5V, trong khi điện áp ra của ESP8266 ESP-12E NodeMCU chỉ được 3.3V, do đó ta cần dùng thêm opto PC817 để cấp nguồn 5V cho Buzzer Chân xuất tín hiệu ra là GPIO14

và khối xử lý trung tâm và opto vẫn hoạt động tốt với áp và dòng điện trong mạch

Ta có: dòng lớn nhất mà ESP xuất ra là Imax = 12mA,điện áp mức cao do ESP xuất

ra là 0.8xVdd = 0.8x3.3= 2.64V, điện áp cho phép đặt vào diode quang của opto

VF từ 1.2-1.4V Do đó ta chọn điện trở:

R =

=

= 103,33 Ω , chọn R=100Ω (3.10)

Hinh 3.11 Sơ đồ kết nối mạch báo động

3.2.5 Sơ đồ nguyên lí toàn mạch

Đối với mạch điều khiển độ sáng đèn bulb sơ đồ nguyên lý toàn mạch bao gồm hai khối chính: Khối xử lý trung tâm (ESP ESP8266 ESP-12E NodeMCU), khối công suất

Như sơ đồ bên dưới IC AMS1117 tạo nguồn 3.3VDC cấp cho ESP8266 hoạt động Mạch xử lý trung tâm ESP8266 cấp xung cho khối công suất để cấp mức điện áp phù hợp vào chân G của Mosfet IRF830 cho phép mở cổng điều chỉnh độ sáng đèn hoặc tắt mở đèn

Trang 26

Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch điều khiển độ sáng đèn bulb

Trang 27

Đối với mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động, sơ đồ nguyên lý toàn mạch bao gồm các khối chính: Khối xử lý trung tâm (ESP ESP8266 ESP-12E NodeMCU), khối cảm biến, khối báo động

Như sơ đồ bên dưới IC AMS1117 tạo nguồn 3.3VDC cấp cho ESP8266 hoạt động, các khối còn lại sử dụng nguồn 5V

Trang 28

Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lí mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển

động.

Trang 29

3.2.6 Thiết kề phần mềm chạy trên hệ điều hành android

a Yêu cầu thiết kế

- Hiển thị được trạng thái bật/tắt các thiết bị, độ sáng hiện tại của đèn

- Hiển thị được nhiệt độ, độ ẩm hiện tại

- Cảnh báo cháy, trộm thông qua App Android

- Điều khiển bật/ tắt thiết bị thông qua các switch

- Điều khiển độ sáng đèn bằng thanh seekBar

mở đèn bằng các Switch, điều khiển được độ sáng bằng hai thanh SeekBar

Giao diện thứ 2 hiển thị giá trị nhiệt độ, độ ẩm, hiển thị cảnh báo cháy, trộm thông qua các hình ảnh giúp người dùng dễ dàng quan sát

Giao diện thứ 3 dùng cài cài đặt thời gian bật và tắt các thiết bị

- Thiết kế phần mềm

Ban đầu khi khởi động phần mềm sẽ có giao diện chính như sau:

Trang 30

Hình 3.14 Giao diện phần hiển thị và điều khiển độ sáng các đèn

Giao diện phần mềm gồm 4 TextView hiển thị tên đèn, và độ sáng của đèn giúp người dùng quản lý dễ dàng, 2 ImageView hiển thị trạng thái bật tắt của thiết

bị, 2 Switch điều khiển đóng mở thiết bị, 2 thanh seekBar dùng điều khiển độ sáng của đèn Ngoài ra bên trên góc phải của giao diện có sử dụng một Menu khởi tạo để chuyển sang các giao diện khác Khi người dùng nhấn vào Menu khởi tạo thì sẽ có hai sự lựa chọn gồm: “Nhiệt độ” hoặc “ Hẹn giờ” nếu chọn vào Nhiệt độ thì sẽ xuất hiện giao diện mới như sau:

Trang 31

Hình 3.15 Giao diện hiển thị nhiêt độ, độ ẩm, cảnh báo cháy, trộm

Giao diện phần hiển thị nhiệt độ, độ ẩm, cánh báo cháy, trộm gồm 4 ImageView trong đó có hai ImageView sẽ hiển thị cố định hai icon (nhiệt độ và độ ẩm), hai ImageView còn lại sẽ hiển thị cảnh báo cháy/trộm Nếu App nhận được

dữ liệu về là an toàn thì sẽ hiển thị ảnh báo an toàn Ngược lại nếu giá trị nhận về

là không an toàn thì sẽ hiển thị ảnh cảnh báo giúp người dùng nhận biết được Ngoài ra giao diện còn sử dụng 4 TextView gồm: 2 TextView để hiển thị giá trị của nhiệt độ, độ ẩm, hai TextView còn lại sẽ hiển thị cố định báo cháy và báo trộm Phía trên góc phải màn hình sử dụng một Menu khời tạo để chuyển trang các giao diện khác Khi người dùng nhấn vào thì sẽ hiển thị 2 lựa chọn ( Trạng thái đèn và Hẹn giờ) nếu người dùng chọn vào “Hiển thị đèn” thì sẽ hiển thị giao diện chính đầu tiên Ngược lại nếu người dùng chọn vào Hẹn giờ thì sẽ xuất hiện một giao diện mới như sau:

Trang 32

Hình 3.16 Giao diện phần hẹn giờ bật/tắt các thiết bị

Giao diện hiển thị hẹn giờ gồm 2 TexView để hiển thị tên giao diện và cái còn lại để hiển thị thời gian hiện tại Giao diện còn sử dụng 4 EditText để nhập thời gian cần hẹn, khi chọn vào thì sẽ xuất hiện biểu tượng của một cái đồng hồ giúp ta chọn thời gian dễ dàng hơn Sau khi đã chọn thời gian bật/tắt thiết bị xong

ta sẽ nhấn vào các Button hẹn giờ 1 ( bật tắt đèn 1) hoặc Button hẹn giờ 2 ( bật tắt đèn 2) lúc này các giá trị đó sẽ được đem so sánh với giờ hiện tại để thực thi việc bật/ tắt đèn Ngoài ra giao diện còn sử dụng thêm một Menu khởi tạo ở góc phải màn hình, khi ta nhấn vào thì sẽ hiển thị hai lựa chọn ( Trạng thái đèn và Nhiệt độ) giúp ta thay đổi giữa các giao diện

Trang 33

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

4.1 GIỚI THIỆU

Sau khi hoàn thành công đoạn thiết kế nhóm chúng em tiến hành việc thi công lắp ráp bóng đèn, lắp ráp mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động và phần mềm ứng dụng như sau:

- Thi công hệ thống:

Thi công phần cứng

Lắp ráp và kiểm tra

- Thi công mô hình

- Lập trình mạch điều khiển độ sáng đèn bulb

- Lập trình mạch giám sát nhiệt độ,độ ẩm và chuyển động

- Lập trình ứng dụng Android

- Viết tài liệu hướng dẫn, thao tác

4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG

4.2.1 Thi công phần cứng:

a Sơ đồ mạch in của mạch điều khiển độ sáng đèn bulb

Đối với mạch điều khiển độ sáng đèn bulb nhóm em vẽ mạch in 2 lớp PCB

Hình 4.1 Sơ đồ mạch in lớp trên và dưới mạch điện điều khiển độ sáng đèn

bulb

Trang 34

b Sơ đồ bố trí linh kiện trong mạch điều khiển độ sáng đèn bulb

Hình 4.2 Sơ đồ bố trí linh kiện mạch điều khiển độ sáng đèn bulb

c Sơ đồ mạch in của mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động

Đối với mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động nhóm em vẽ mạch in 2 lớp PCB

Hình 4.3 Sơ đồ mạch in lớp trên và dưới mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển

động

Trang 35

d Sơ đồ bố trí linh kiện trong mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động

Hình 4.4 Sơ đồ bố trí linh kiện mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động

Bảng 4.1 Danh sách các linh kiện sử dụng

4 Điện trở 1k8 Ω Giá trị điện trở

1k8 Ω, công suất 1/8W

Trang 36

6 Điện trở 10k Ω Giá trị điện trở

10k Ω, công suất 1/8W

11 Linh kiện dán,

kích thước 2mm x 1.25mm

7 Điện trở 4k7 Ω Giá trị điện trở

4k7 Ω, công suất 1/8W

Dòng tiệu thụ trung bình 80mA

3 Linh kiện dán 16mm x

24mm x 3mm

9 Opto PC817 Điện áp vào chân

1 không quá 6V, điện áp qua chân 4 không quá 35V, dòng tiêu thụ trung bình 50mA

4 Linh kiện xuyên lỗ,

kích thước 7.62mm x 4.58mm x 3.5mm

10 Mosfet irf 830 Điện áp chịu đựng

không quá 500V, điện áp kích không quá 20V,công suất 125W

2 Linh kiện xuyên lỗ

11 Điện trở 220Ω Giá trị điện trở

220, công suất 1/8W

4 Linh kiện dán

12 Điện trở 100Ω Giá trị điện trở

100, công suất 1/8W

4 Linh kiện dán

13 Led xanh lá Điện áp hoạt

động từ 3.0V – 3.4 V, dòng tiêu thụ 10mA

4 Linh kiện dán

14 Cảm biến

DHT11 Điện áp hoạt động

3V – 5V (DC), dòng tiêu thụ 2.5mA

1 Linh kiện xuyên lỗ

Trang 37

15 Nút nhấn 2 chân Điện áp chịu đựng

12VDC,dòng chịu đựng 50mA

3 Linh kiện dán,

Kích thước 6.0x3.6x2.5mm

16 Buzzer Điện áp hoạt động

- Mạch nguồn công suất

Mạch nguồn công suất thiết của bị đèn có điện áp ngõ ra 210VDC, ở đây do nhóm chúng em cải tiến từ thiết bị đèn có sẵn trên thị trường nên nhóm chúng em

sẽ sử dụng mạch nguồn công suất có sẵn của đèn, nếu xét về tính thương mại thì sẽ giúp giảm đi thời gian và chi phí sản xuất

Hình 4.5 mạch nguồn công suất

- Mạch nguồn điều khiển

Mạch nguồn nguồn này cung cấp điện áp 5VDC và dòng điện ngõ ra tối đa là 700mA cho mạch điều khiển độ sáng đèn bulb và mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động Do mạch nguồn có ngõ ra 5VDC và mức dòng điện 700mA nên phù hợp với các mạch này và kèm theo đó là tính ổn định có bảo vệ ngắn mạch, kích thước nhỏ phù hợp khoản không gian nhỏ bên trong vỏ đèn nên nhóm em đã chọn

Trang 38

mua mạch nguồn này

Hình 4.6 Module nguồn điều khiển 5V-700mA

b Lắp ráp mạch điều khiển độ sáng đèn bulb

- Bước 1: Hàn vi điều khiển ESP8266-ESP 12E lên mạch

- Bước 2: Hàn điện trở, led, tụ, nút nhấn, ASM1117 lên mạch

- Bước 3: Hàn các jump kết nối, opto PC817,diode zener, irf830

- Bước 4: Dùng đồng hồ đo kiểm tra thông mạch

Hình 4.7 Mặt trên và dưới của mạch điều khiển độ sáng đèn bulb sau khi hàn

c Lắp ráp mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động

- Bước 1: Hàn vi điều khiển ESP8266-ESP 12E lên mạch

- Bước 2: Hàn điện trở, led, tụ, nút nhấn, ASM1117 lên mạch

- Bước 3: Hàn các jump kết nối, opto PC817,diode zener,buzzer, DHT11

- Bước 4: Dùng đồng hồ đo kiểm tra thông mạch

Trang 39

d Kiểm tra toàn bộ mạch đã thi công

 Mạch điều khiển độ sáng đèn bulb

- Bước 1: Kiểm tra mối hàn chì ở những chân linh kiện với đường mạch

- Bước 2: Kiểm tra đường dây mạch liên kết các kinh kiện với nhau

- Bước 3: Cấp nguồn vào kiểm tra nguồn ở chân vào, chân ra của ic tạo nguồn, nguồn vào ở các chân nguồn của vi điều khiển

- Bước 4: Nạp chương trình cơ bản vào vi điều khiển và kiểm tra xem có hoạt

động tốt không

- Bước 5: Dùng vi điều khiển xuất xung cấp nguồn kiểm tra kích Mosfet để tắt bật và chỉnh độ sáng tối đèn

 Mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động

- Bước 1: Kiểm tra mối hàn chì ở những chân linh kiện với đường mạch

- Bước 2: Kiểm tra đường dây mạch liên kết các kinh kiện với nhau

- Bước 3: Cấp nguồn vào kiểm tra nguồn ở chân vào, chân ra của ic tạo nguồn, nguồn vào ở các chân nguồn của vi điều khiển

- Bước 4: Nạp chương trình cơ bản vào vi điều khiển và kiểm tra xem có hoạt

động tốt không

- Bước 5: Dùng vi điều khiển đọc nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động từ cảm biến

-

Trang 40

 Kết quả thu được:

 Sau khi thực hiện các ước kiểm tra trên thu được bảng kết quả sau:

Bảng 4.2 Bảng kết quả sau quá trình kiểm tra mạch điều khiển độ sáng đèn bulb

Các mối hàn Tiếp xúc tốt

Các đường mạch Không xảy ra chạm đường mạch

Nguồn Nguồn vào 5VDC, nguồn ra ở ic AMS1117

đúng 3.3V, nguồn vào ESP8266 đúng 3.3VDC Hoạt động ESP8266 - Khi viết 1 chương trình cho ESP8266

phát wifi và ESP8266 đã hoạt động tốt

- Khi viết 1 chương trình nhỏ cho ESP8266 ở mạch đèn tạo xung PWM

và ESP8266 đã hoạt động tốt

Mạch công suất Sau khi cấp nguồn 210VDC cho mạch

công suất và cấp xung pwm cho mạch nhận thấy rằng Mosfet được mở cổng đèn sáng ổn định Mosfet không nóng

Bảng 4.3 Bảng kết quả sau quá trình kiểm tra mạch giám sát nhiệt độ,độ ẩm và

chuyển động

Các mối hàn Tiếp xúc tốt

Các đường mạch Không xảy ra chạm đường mạch

Nguồn Nguồn vào 5VDC, nguồn ra ở ic AMS1117

đúng 3.3V, nguồn vào ESP8266 đúng 3.3VDC

Nguồn cấp cho các cảm biến đúng 5VDC

Định dạng
Số trang	121
Dung lượng	4,18 MB