Ứng dụng iot trong điều khiển và quản lý thiết bị điện gia dụng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LƯƠNG MINH GIANG ỨNG DỤNG IoT TRONG ĐIỀU KHIỂN VÀ QUẢN LÝ THIẾT BỊ ĐIỆN GIA DỤNG C C R L T U D LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Đà Nẵng – Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LƯƠNG MINH GIANG ỨNG DỤNG IoT TRONG ĐIỀU KHIỂN VÀ QUẢN LÝ THIẾT BỊ ĐIỆN GIA DỤNG C C R L T U D Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 8520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Người hướng dẫn khoa học: TS NGƠ MINH TRÍ Đà Nẵng – Năm 2019 LỜI CAM ĐOAN C C DU R L T MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ IOT VÀ ỨNG DỤNG 1.1 Mô hình IoT 1.1.1 Giới thiệu IoT 1.1.2 Chuẩn hoá tầng giao thức IoT 10 1.2 Nền tảng MBaaS ưu việt Google 11 C C 1.2.1 MBaaS gì? 11 1.2.2 Các hệ thống MBaaS phổ biến 12 R L T 1.3 Sơ đồ khối 12 1.3.1 Chức sơ lược khối 13 DU 1.3.2 Nguyên lý hoạt động 13 1.4 Kết luận chương 14 CHƯƠNG LINH KIỆN PHẦN CỨNG 15 2.1 Giới thiệu chương 15 2.2 ESP32 Aduino 15 2.2.1 Thông số ESP32 arduino 16 2.2.2 Cổng kết nối với ESP32 Arduino 16 2.2.3 Lập trình cho ESP32 Arduino 16 2.3 Node MCU ESP 8266 17 2.3.1 Tổng quan node MCU ESP 8266 17 2.3.2 Các đặc điểm node MCU ESP 8266 18 2.3.3 Bắt đầu sử dụng NODE MCU 18 2.3.4 Thông số kỹ thuật node MCU ESP 8266 23 2.4 Module Relay 5v 24 2.4.1 Các thông số module relay 5v 25 2.4.2 Chức cách sử dụng 25 2.5 Kết luận chương 26 CHƯƠNG THIẾT KẾ PHẦN MỀM 27 3.1 Giới thiệu chương 27 3.2 Giao thức HTTP 27 3.2.1 Khái niệm 27 3.2.2 Các thành phần giao thức HTTP 27 3.3 Nguyên lý 33 3.4 Lưu đồ thuật toán ESP32 Arduino 33 3.5 Giới thiệu HTML, CSS, JavaScript, PHP 34 3.5.1 HTML 34 3.5.2 CSS 35 3.5.3 JavaScript 35 3.5.4 PHP 35 3.6 Khái niệm Firebase 35 3.7 Tạo sở liệu Firebase 36 3.8 Xây dựng website 41 3.9 Kết luận chương 42 CHƯƠNG THI CÔNG VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG 43 C C 4.1 Giới thiệu chương 43 R L T 4.2 Thi công phần cứng thiết bị hệ thống 43 4.3 Đánh giá hệ thống 48 DU 4.4 Kết luận chương 48 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 49 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN 52 PHỤ LỤC 53 ỨNG DỤNG IOT TRONG ĐIỀU KHIỂN VÀ QUẢN LÝ THIẾT BỊ ĐIỆN GIA DỤNG Học viên: Lương Minh Giang Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 8520203 Khóa: K36 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt – Luận văn nghiên cứu hệ thống điều khiển quản lý tự động thiết bị điện gia dụng Việc điều khiển thiết bị điện trực tiếp từ xa yêu cầu nhà thông minh Luận văn tập trung vào việc điều khiển từ xa thiết bị điện nhà qua internet; dựa kết hợp tảng cloud với hệ thống máy chủ Luận văn xây dựng hệ thống điều khiển đồng bao gồm phần mềm xử lý yêu cầu điều khiển, phần cứng thực thi lệnh điều khiển Phần cứng xây dựng dựa tảng Kit ESP32 Arduino tích hợp MCU ESP8266 Đối tượng điều khiển thiết bị điện gia dụng với mục tiêu tạo thuận tiện cho người dùng việc bật tắt nguồn giám sát thiết bị từ góp phần giảm thời gian tiêu hao lượng, thực tiết kiệm điện C C R L T Từ khóa – IoT; ESP32 Arduino Kit; điều khiển tự động; nhà thông minh APPLICATION OF IOT IN CONTROL AND MANAGEMENT OF HOUSEHOLD ELECTRICAL DEVICES DU Abstract – The thesis studies the automatic control and management system of household electrical devices Direct and remote control of electrical devices is a basic requirement of a smart home This thesis focuses on studying the remote control of electrical devices via the Internet based on technology combining the cloud platform with a server system This thesis develops a synchronous control system including software processing control requests, and hardware executing those control commands Hardware is built on the ESP32 Arduino Kit integrated MCU ESP8266 Controlled objects are household electrical devices with the aim of creating convenience for users to control and supervise them; therefore, reducing the energy consumption Keywords - IoT; ESP32 Arduino Kit; automatic control; smarthome DANH MỤC CÁC HÌNH Hình Các thiết bị kết nối Internet phát triển tương lai Hình Mơ hình tổng quan hệ thống Internet of Things Hình Các giao thức IoT chuẩn hóa Hình Cấu trúc MBaaS Hình Sơ đồ khối hệ thống Hình Ảnh tổng quan ESP32 arduino Hình Thơng số ESP32 arduino Hình Cài đặt loại board cổng kết nối Hình Tổng quan node mcu esp 8266 Hình 10 Sơ đồ mạch bên node MCU C C Hình 11 Module relay mức thấp R L T Hình 12 Module relay mức cao Hình 13 Mơ hình client-server DU Hình 14 Request (Get method) Hình15 Request Post Hình 16 Lưu đồ thuật tốn cho ESP32 Arduino Hình 17 Cấu trúc file html Hình 18 Giao diện website Hình 19 Sơ đồ phần cứng hệ thống Hình 20 Mơ hình sản phẩm Hình 21 Thiết bị trung tâm hệ thống Hình 22 Hệ thống hoạt động MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Mạng Internet kết nối vạn vật IoT liên mạng kết nối thiết bị vật lý, phương tiện giao thơng, tồ nhà (gọi thiết bị kết nối hay thiết bị thông minh) nhúng với thiết bị điện tử, cảm biến, truyền động, phần mềm đồng thời kết nối mạng cho phép đối tượng thu thập trao đổi liệu C C R L T DU Hình Các thiết bị kết nối Internet phát triển tương lai Theo dự đoán, IoT sở hạ tầng cần thiết kết nối 50 tỷ thiết bị thông minh năm 2020 dân số giới đạt mức 7.6 tỷ người Được đề xuất liên minh viễn thơng quốc tế ITU, sở hạ tầng xây dựng dựa kiến trúc đa tầng nơi thiết bị thông minh sử dụng để cung cấp dịch vụ khác Dễ dàng nhận thấy, Internet nhúng không dây (Wireless Embedded Internet) bốn thành phần quan trọng hệ thống IoT Internet nhúng không dây bao gồm thiết bị nhúng giới hạn tài nguyên, thường cung cấp điện pin, kết nối mạng không dây băng thông thấp, công suất thấp tới Internet Tuy nhiên, có nhiều cơng nghệ vô tuyến độc quyền riêng sử dụng mạng IoT như: 802.15.4, Zigbee, Wi-fi, Bluetooth 4.0 Low Energy, NFC, 3GPP dẫn đến trở ngại việc tích hợp với mạng lớn với dịch vụ Internet Ngồi kỹ thuật nói trên, nhìn từ giới web, sử dụng địa độc để xác định vật, chẳng hạn địa IP Mỗi thiết bị có IP riêng biệt khơng nhầm lẫn Ứng dụng IoT điều khiển quản lý thiết bị điện gia dụng xuất phát từ nhu cầu thực tế người dùng mong muốn quản lý, điều khiển tự động thiết bị cách dễ dàng Luận văn dựa theo hệ thống IoT áp dụng nhiều vào thực tế, việc thiết kế lựa chọn linh kiện đơn giản phù hợp với mức giá thị trường góp phần tạo sản phẩm dễ sử dụng Luận văn nghiên cứu phát triển ứng dụng IoT điều khiển quản lý thiết bị điện gia dụng Khi hoàn thành, hệ thống điều khiển thiết bị điện gia đình thơng qua giao diện website smartphone, điều khiển trực tiếp cơng tắc bảng điện; phát triển trời tối bật đèn hành lang, nhiệt độ cao 30 độ tự động bật quạt, cao 34 độ bật điều hịa, … khu vực có kết nối khối cảm biến riêng, hệ thống thu thập liệu để tiến hành phân tích sau Mục đích nghiên cứu Trong hệ thống này, việc thừa hưởng hướng nghiên cứu, thư viện tảng xây dựng sẵn, tác giả thực xây dựng hệ thống điều khiển quản lý thiết bị để ứng dụng thực tế Mục tiêu luận văn phải đạt là: C C ✓ Một hệ thống điều khiển động bật/tắt đèn thiết bị điện gia dụng phòng làm việc R L T ✓ Hoạt động ổn định DU ✓ Có độ nhạy độ xác cao ✓ Kết nối lúc, nơi ✓ Thân thiện với người dùng Đối tượng phạm vi nghiên cứu Trong đề tài này, đối tượng nghiên cứu luận văn điều khiển từ xa thiết bị điện nhà qua internet Trong bảng công tắc gắn tường thiết kế, chế tạo lập trình để người sử dụng dễ dàng lắp đặt thay đổi cấu hình theo ý muốn Luận văn tập trung nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển quản lý thiết bị gia dụng phạm vi khu vực phòng làm việc gia đình Phương pháp nghiên cứu Quá trình thực luận văn trãi qua nhiều giai đoạn khác nhau, ứng với giai đoạn cần đưa phương pháp nghiên cứu phù hợp để công việc giải nhanh hiệu Kết hợp nghiên cứu lý thuyết thực triển khai thành mơ hình hệ thống thực tế để đưa đánh giá, tổng hợp kết đưa ưu nhược điểm nhằm trợ giúp cho việc phát triển đề tài Trong giai đoạn đầu luận văn, tơi tìm hiểu đưa ý tưởng ban đầu, từ đánh giá mức độ khả quan đề tài, lựa chọn đề tài phù hợp cho luận văn Trong giai đoạn tiếp theo, tơi tiến hành tìm hiểu nội dung lý thuyết liên quan Việc tìm hiểu đề tài liên quan đến nội dung luận văn quan trọng giúp tơi bước đầu xây dựng mơ hình tổng quát lựa chọn giải pháp thiết kế phù hợp với đề tài, qua tìm hiểu, tơi nhận mặt hạn chế đề tài trước đó, từ có hướng phát triển Sau xây dựng thành công sơ đồ khối tổng quát, vào thiết kế khối sơ đồ Việc thiết kế kiểm tra khối ổn định kết nối lại với Lúc để đánh giá hoạt động hệ thống, tơi đưa tình mà hệ thống gặp phải trình vận hành tiến hành kiểm tra Từ kết thực nghiệm nhận được, tiến hành hiệu chỉnh lại hệ thống, sau tiến hành lại bước thử nghiệm ban đầu Quá trình tiếp tục hệ thống vận hành theo yêu cầu đặt Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài C C - Trên sở ứng dụng IoT thành công điều khiển quản lý thiết bị điện gia dụng, luận văn ứng dụng thực tế nhiều lĩnh vực khác R L T - Có thể liên kết tất máy móc thành mạng lưới Thu thập liệu kết qua internet, … DU - Thuận tiện cho quản lý, điều khiển giám sát từ xa Cấu trúc luận văn Bố cục báo cáo luận văn gồm phần mở đầu chương: o Mở đầu: Giới thiệu Ứng dụng IoT điều khiển quản lý thiết bị điện gia dụng, đặt vấn đề, trình bày mục tiêu đề tài o Chương 1: Giới thiệu chung đề tài: chức sơ lược khối, nguyên lý hoạt động hệ thống o Chương 2: Các linh kiện sử dụng: ESP32 Arduino, Node MCU ESP 8266, cảm biến ánh sáng CDS, cảm biến hồng ngoại, cảm biến nhiệt độ, rờ le, … o Chương 3: Thiết kế phần mềm: giao thức HTTP, ngun lý, lưu đồ thuật tốn, ngơn ngữ lập trình website, xây dựng website o Chương 4: Thi cơng đánh giá sản phẩm 65 Biểu tượng WampServer có màu xanh - Các dịch vụ hoạt động Biểu tượng WampServer có màu cam có dịch vụ hoạt động Biểu tượng WampServer có màu cam có dịch vụ hoạt động Biểu tượng WampServer có màu đỏ dịch vụ không hoạt động C C R L T DU Biểu tượng WampServer có màu đỏ dịch vụ không hoạt động Nếu trang web khơng hoạt động nhớ kiểm tra dịch vụ WampServer Cách truy cập vào Menu WampServer Menu WampServer Có thể truy cập vào trình đơn WampServer cách nhấn nút chuột trái vào biểu tượng nó, các lệnh sau: 66 Localhost - Mở trang web đặt thư mục gốc Web Root trình duyệt web PhpMyAdmin - Mở trang quản lý sở liệu phpMyAdmin trình duyệt web Adminer - Mở trang quản lý sở liệu Adminer trình duyệt web Your VirtuaHots - Quản lý tạo máy chủ ảo để chạy trang web khác www directory - Mở thư mục có tên www ứng dụng quản lý tập tin Explorer Windows, thư mục gốc Web Root hay Document Root Apache - Các lệnh liên quan đến dịch vụ Apache PHP - Xem chỉnh sửa tập tin cấu hình PHP MySQL - Các lệnh liên quan đến dịch vụ MySQL MariaDB - Các lệnh liên quan đến dịch vụ MariaDB Start All Services - Chạy dịch vụ WampServer Stop All Services Ngừng dịch vụ WampServer Restart All Services - Khởi động lại dịch vụ WampServer C C Cách truy cập vào trang web nằm thư mục Web Root WampServer Có thể truy cập vào trang web nằm thư mục Web Root WampServer R L T cách sau: Mở chương trình duyệt web lên nhập địa http://localhost địa trình duyệt web nhấn phím Enter DU Nhấn chuột trái vào biểu tượng WampServer nằm khay hệ thống chọn Localhost Nếu lên trang thông tin WampServer việc cài đặt thành công Trang thông tin WampServer 67 Theo mặc định thư mục Web Root có tên www nằm thư mục cài đặt WampServer Nếu cài WampServer 32-bit ổ dĩa C mặc định thư mục Web Root c:\wamp32\www c:\wamp64\www WampServer 64-bit Tất các trang web động dùng mã nguồn PHP phải đặt nằm thư mục Web Root WampServer www thư mục www\trang-web-1 www\trang-web-2 chạy Muốn tắt chương trình WampServer, nhấn nút phải chuột vào biểu tượng nằm khay hệ thống chọn Exit C C R L T DU Cách tắt WampServer Hướng dẫn đăng ký trang No-ip.com Bước 1: Tôi vào trang www.no-ip.com / Nhấp “Create Account” để tạo tài khoản Bước 2: Tôi khai báo đầy đủ thơng tin theo u cầu sau check vào “No thanks, I'll use the free hostname” Sau tơi thấy nhấn Sign Up để tạo accout free 68 C C R L T DU Bước 3: Sau đăng ký thành công, no-ip gửi cho tơi email kích hoạt tài khoản, tơi vào mail kích hoạt tài khoản tơi vừa tạo, cách nhấp vào link để kích hoạt Bước 4: Sau đăng nhập vào no-ip click vào Hosts/Redirects 69 Bước 5: Click vào Add a Host để thêm host vào để cấu hình quản lý C C R L T DU Sau tơi điền hostname IP Address, click vào Create Host để khởi tạo Cài đặt NO-IP Router Draytek Bước 1: Tôi vào Applications > Dynamic DNS Setup click vào Index Sau check vào Enable Dynamic DNS Account, Tại Service Provider: Tôi chọn Service 70 vừa đăng ký (ở hình tơi chọn no-ip), Tại Domain Name: Tôi điền Domain vừa đăng ký, Mục User/pass: Điền tài khoản vừa đăng ký Bước 2: Sau khai báo xong vào lại Applications > chọn Dynamic DNS Setup, check vào Enable Dynamic DNS Setup chọn Ok, sau click vào Force Update để cập nhật, click vào View Log Thông báo thành công C C hình R L T DU Hiện có số trang cho phép sử dụng Dyndns free ip.com (free),dtdns.com (free), changeip.com (free) … no- 71 C C DU R L T 72 C C DU R L T 73 C C DU R L T 74 C C DU R L T 75 C C DU R L T 76 C C DU R L T 77 C C DU R L T 78 C C DU R L T 79 C C DU R L T ... IP Mỗi thiết bị có IP riêng biệt không nhầm lẫn Ứng dụng IoT điều khiển quản lý thiết bị điện gia dụng xuất phát từ nhu cầu thực tế người dùng mong muốn quản lý, điều khiển tự động thiết bị cách... BÁCH KHOA LƯƠNG MINH GIANG ỨNG DỤNG IoT TRONG ĐIỀU KHIỂN VÀ QUẢN LÝ THIẾT BỊ ĐIỆN GIA DỤNG C C R L T U D Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 8520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Người hướng... IoT điều khiển quản lý thiết bị điện gia dụng Khi hồn thành, hệ thống điều khiển thiết bị điện gia đình thơng qua giao diện website smartphone, điều khiển trực tiếp công tắc bảng điện; phát triển