Thông tin tài liệu
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG VIỆT - HÀN ĐỒ ÁN CƠ SỞ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG ĐIỆN THOẠI THÔNG MINH QUA WIFI TRONG NHÀ Giáo viên hướng dẫn : PSG.TS.Nguyễn Thanh Bình Sinh viên thực Trần Ngọc Thắng 18IT5 : Cao Bá Vũ 18IT3 Đà nẵng, tháng năm 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG VIỆT – HÀN ĐỒ ÁN CƠ SỞ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG ĐIỆN THOẠI THÔNG MINH QUA WIFI TRONG NHÀ Đà nẵng, tháng năm 2020 MỞ ĐẦU Ngày giới với bùng nổ ngành công nghệ thông tin, điện tử, nhúng v.v Đã làm cho đời sống ngày hoàn thiện, tiến Các thiết bị tự động hóa ngày sử dụng rộng rãi đưa vào sản xuất chí vào sống sinh hoạt ngày Nhà thông minh ví dụ điển hình Các thiết bị giám sát, tự động, điều khiển từ xa v.v với đặc điểm bật xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ điều cần thiết cho sống ngày tiến Một ứng dụng kỹ thuật điều khiển thiết bị chiếu sáng, với tự động hóa hoàn toàn bán tự động việc quản lý, điều khiển Hệ thống điện tử giao tiếp với chủ nhà thông qua phần mềm di động, máy tính bảng, giao diện web Thơng qua đó, ta bật tắt tất thiết bị chiếu sáng nhà, hẹn hay lập lịch trình tự động qua ứng dụng di động (Android) Thiết kế nhà thông minh dựa tảng IoT, nhiên có nhiều cách tiếp cận khác việc thiết kế mơ hình nhà thơng minh Một số cách kể đến sử dụng máy tính nhúng Raspberry PI3, Orange Pi One, PIC Arduino Ở nhóm sử dụng NodeMCU-ESP12E tương tự Arduino, xây dựng đề tài nghiên cứu với mục tiêu điều khiển thiết bị chiếu sáng qua internet (wifi) LỜI CẢM ƠN Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Thanh Bình trực tiếp hướng dẫn, góp ý, chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu, tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để chúng em hoàn thành tốt đề tài Xin chân thành cảm ơn! NHẬN XÉT (Của giáo viên hướng dẫn) …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Chữ ký MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN .10 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 10 1.2 MỤC TIÊU 10 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 11 1.4 GIỚI HẠN 11 1.5 CẤU TRÚC ĐỒ ÁN .11 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13 2.1 GIỚI THIỆU 13 2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 13 2.2.1 Bộ điều khiển trung tâm NodeMCU ESP-12E .13 2.2.2 Rơ le kênh 16 2.2.3 Điện trở 18 2.2.4 Đèn chiếu sáng .19 2.2.5 Module cảm biến ánh sáng 19 2.2.6 Nút nhấn chân .20 2.3 GIỚI THIỆU CƠNG CỤ LẬP TRÌNH 22 2.3.1 Arduino IDE 22 2.3.2 Visual Studio Code 28 2.3.3 Android Studio 30 2.3.4 Google Assistant – IFTTT .34 Chương PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ HỆ THỐNG .38 3.1 GIỚI THIỆU 38 3.2 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI 38 3.2.1 Khối cảm biến ánh sáng 39 3.2.2 Khối nút nhấn điều khiển .40 3.2.3 Khối bật tắt thiết bị 40 3.2.4 Khối xử lý trung toàn mạch 41 3.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 42 3.4 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN .43 3.4.1 Lưu đồ lấy trạng thái đèn cảm biến từ Web server .43 3.4.2 Lưu đồ điều khiển bóng đèn rơ le 44 3.4.3 Lưu đồ điều khiển bóng đền cơng tắc 45 3.4.4 Lưu đồ điều khiển đèn cảm biến ánh sáng .46 Chương TRIỂN KHAI THỰC HIỆN 47 4.1 LẮP RÁP PHẦN CỨNG 47 4.2 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 47 4.2.1 Chương trình cho NodeMCU 47 4.2.2 Xây dựng Web Server 47 4.2.3 Ứng dụng di động Android 49 4.2.4 Google Assistant 49 Chương KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 50 5.1 MƠ HÌNH NHÀ THƠNG MINH 50 5.2 WEB SERVER .50 5.3 ỨNG DỤNG DI ĐỘNG .51 5.4 GOOGLE ASSISTANT 52 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 53 6.1 KẾT LUẬN 53 6.2 HẠN CHẾ 53 6.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN .53 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 DANH MỤC HÌNH Trang Hình 2.1 Bộ điều khiển trung tâm – NodeMCU ESP-12E 12 Hình 2.2 Sơ đồ chân NodeMCU ESP-12E 13 Hình 2.3 Ứng dụng NodeMCU học tập 14 Hình 2.4 Ứng dụng NodeMCU cơng nghiệp 15 Hình 2.5 Ứng dụng NodeMCU dân dụng 15 Hình 2.6 Rơ le kênh 16 Hình 2.7 Sơ đồ chân Rơ le 16 Hình 2.8 Điện trở .17 Hình 2.9 Giá trị điện trở 18 Hình 2.10 Đèn chiếu sáng 18 Hình 2.11 Module cảm biến ánh sáng 19 Hình 2.12 Nút nhân chân 20 Hình 2.13 Mạch nút nhấn chân .20 Hình 2.14 Giao diện Code Arduino IDE 21 Hình 2.15 Các phiên JRE 22 Hình 2.16 Tải xuống Arduino IDE .23 Hình 2.17 Cài đặt Driver cho Arduino IDE .24 Hình 2.18 Vùng lệnh Arduino IDE .25 Hình 2.19 Vùng thơng báo Arduino IDE 26 Hình 2.20 Chọn cổng COM cho arduino 27 Hình 2.21 Giao diện Code Visual Studio Code 28 Hình 2.22 Cài đặt Visual Studio Code .28 Hình 2.23 Cài extension 29 Hình 2.24 Giao diện hình đầu Android Studio .29 Hình 2.25 Một project bình thường có dạng .30 Hình 2.26 Cài đặt Android Studio 30 Hình 2.27 Cài máy ảo Android Studio 32 Hình 2.28 Google Assistant - IFTTT 34 Hình 2.29 Các bước cấu hình IFTTT điện thoại 35 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 37 Hình 3.2 Khối cảm biến ánh sáng 38 Hình 3.3 Khối nút nhấn điều khiển 39 Hình 3.4 Khối bật tắt thiết bị .39 Hình 3.5 Khối xử lý trung tâm toàn mạch 40 Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý hoạt động 41 Hình 3.7 Lưu đồ lấy trạng thái đèn cảm biến từ Web server .42 Hình 3.8 Lưu đồ điều khiển bóng đèn rơ le 43 Hình 3.9 Lưu đồ điều khiển bóng đèn cơng tắc .44 Hình 3.10 Lưu đồ điều khiển đèn cảm biến ánh sáng 45 Hình 4.1 Chương trình cho NodeMCU 46 Hình 4.2 Xây dựng Web Server 46 Hình 4.3 Phần mềm điều khiển sử dụng Android Studio 48 Chương TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Thường ngày để điều khiển chiếu sáng nhà, bạn phải di chuyển bật tắt công tắc Tuy nhiên, với nhà thông minh kịch chiếu sáng thiết lập sẵn cho hoạt cảnh chi tiết, chạm bạn điều khiển khung chiếu sáng theo ý muốn Với người khả lại, giải pháp lựa chọn tốt Qua bảng điều khiển úng dụng, bạn biết đèn bật hay tắt bạn 100% bật tắt thiết bị điện thoại hay Website không cần thiết Nếu bạn người hay qn, đãng trí chức hẹn bật tắt đèn giải pháp hiệu việc tiết kiệm điện, ví dụ đèn ngồi trời tự động bật tắt vào ban ngày ban đêm nhờ cảm biến ánh sáng, hay hẹn lập thời gian biểu cho thiết bị nhà tự động bật tắt theo giờ, theo ngày, hay tuần 1.2 MỤC TIÊU - Điều khiển hệ thống chiếu sáng gia đình qua thiết bị có internet đâu - Bật tắt tự động qua thiết lập thời gian biểu cho thiết bị - Thay đổi tùy thuộc vào ánh sáng môi trường điều chỉnh cho phù hợp - Xây dựng phần mềm quản lý nhiều tảng: Android, Website, IOS (sau này), v.v - Giao diện quản lý thân thiện, đơn giản dễ sử dụng => Tiết kiệm lượng, hiệu sử dụng cao, an toàn, dễ sử dụng, tiện nghi thông minh, đem lại đại, sang trọng 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Xác định mục tiêu giới hạn nghiên cứu - Tìm hiểu sở lý thuyết - Thiết kế khối cảm biến, khối khối điều khiển qua rơ le khối nút nhấn thủ cơng khối hồn chỉnh - Xây dựng WebServer - Viết code cho NodeMCU ESP-12E - Xây dựng ứng dụng di đông (Android App) - Thiết kế mô hình nhà lắp ráp board mạch - Chạy thử kiểm tra, sửa chữa lỗi 1.4 GIỚI HẠN - Hệ thống mức độ điều khiển đơn giản - Chỉ hoạt động có WIFI nhà - App có tảng Android - Domain cho WebServer miễn phí nên khó tránh rủi ro tốc độ lâu dài 1.5 CẤU TRÚC ĐỒ ÁN Với đề tài "THIẾT KẾ MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG ĐIỆN THOẠI THÔNG MINH QUA WIFI TRONG NHÀ" bố cục đồ án sau: Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương trình bày giới thiệu phần cứng hệ thống điều khiển, công cụ hỗ trợ cho việc xây dựng phần mềm hệ thống Chương 3: Phân tích thiết kế hệ thống Chương trình bày sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý, sơ đồ hoạt động board mạch hệ thống, lưu đồ thuật tốn Quy trình xây dựng WebServer App Android chức liên quan Chương 4: Triển khai thực Chương trình bày quy trình lắp ráp board mạch thiết kế mơ hình nhà Hồn thiện WebServer ứng dụng di động Android Bên cạnh hình ảnh thực tế, kết 4.2.2 Khối nút nhấn điều khiển NodeMCU bắt kiện nút nhấn, xong xử lý, thay đổi trạng thại cập nhật lại liệu cách đồng Hình PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ HỆ THỐNG.32 Khối nút nhấn điều khiển 4.2.3 Khối bật tắt thiết bị Nguồn 5V DC cung cấp cho rơ le 220V AC cho bóng đèn, NodeMCU dựa vào biến trạng thái đèn điều khiển rơ le bật tắt cho phù hợp Hình PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ HỆ THỐNG.33 Khối bật tắt thiết bị 4.2.4 Khối xử lý trung tồn mạch Hình PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ HỆ THỐNG.34 Khối xử lý trung tâm tồn mạch NodeMCU đóng vai trò trung tâm xử lý, quản lý tất thiết bị thành phần 4.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Hình PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ HỆ THỐNG.35 Sơ đồ nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động hệ thống o Web server đóng vai trị quan trọng việc điều khiển tất thiết bị chiếu sáng Web server viết ngôn ngữ lập trình Php sở liệu MySql sau up lên Host o ESP-12E nhận liệu trạng thái yêu cầu từ Web server, tùy theo điều kiện mà bật hay tắt cho phù hợp o Cảm biến ánh sáng gửi tín hiệu (HIGH/LOW) Arduino để điều khiển đèn số (chân D4) o Relay nhận tín hiệu từ NodeMCU để điều khiển thiết bị o Khi nhấn vào nút bảng điều khiển, đèn tương ứng đổi trạng thái (ví dụ: bật xong nhấn tắt) gửi tín hiệu lên server đồng liệu o Trợ lý ảo google nhận yêu cầu từ người dùng gửi tín hiệu đến Web Server tảng IFTTT Nền tảng Google Assistant: nhận diện giọng nói xong thực yêu cầu Webhooks Nền tảng Webhooks: gửi yêu cầu qua API đến Web server với trạng thái thiết bị tương úng o Ứng dụng di động với chức bật tắt điều khiển thông qua Web server API o Đặc biệt, với chức hẹn giúp quản lý, lập thời gian biểu bật tắt thiết theo yêu cầu người dùng 4.4 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 4.4.1 Lưu đồ lấy trạng thái đèn cảm biến từ Web server Hình PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ HỆ THỐNG.36 Lưu đồ lấy trạng thái đèn cảm biến từ Web server Giải thích lưu đồ thuật toán: B1: Bắt đầu B2: Khởi tạo Serial, port đèn cảm biến, chế độ pinMode, biến lưu trạng thái đèn cảm biến B3: Gửi yêu cầu kết nối tới WIFI, thất bại quay lại B3 B4: Gửi kết nối tới Web Server phương thức TCP qua cổng mặc định 80, thất bại quay lại B4 B5: Gửi yêu cầu lên Server với phương thức HTTP GET METHOD, mã yêu cầu trả khác 200 OK quay lại B4 B6: Xử lý liệu trả gán trạng thái đèn cho biến trạng thái, quay lại B4 4.4.2 Lưu đồ điều khiển bóng đèn rơ le Hình PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ HỆ THỐNG.37 Lưu đồ điều khiển bóng đèn rơ le Giải thích lưu đồ thuật tốn: B1: Bắt đầu B2: Đọc trạng thái đèn lưu biến trạng thái lưu đồ B3: Nếu trạng thái đèn mức HIGH (cao) bật đèn, mức LOW(thấp) tắt đèn B4: Kết thúc 4.4.3 Lưu đồ điều khiển bóng đền cơng tắc Hình PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ HỆ THỐNG.38 Lưu đồ điều khiển bóng đèn cơng tắc Giải thích lưu đồ thuật tốn: B1: Bắt đầu B2: Bắt kiện nhấn công tắc B3: Nếu cơng tắc nhấn bật tắt đèn tương ứng gửi tín hiệu lên Web server để đồng bộ, chưa nhấn kết thúc B4: Kết thúc 4.4.4 Lưu đồ điều khiển đèn cảm biến ánh sáng Hình PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ HỆ THỐNG.39 Lưu đồ điều khiển đèn cảm biến ánh sáng Giải thích lưu đồ thuật tốn: B1: Bắt đầu B2: Đọc giá trị cảm biến ánh sáng B3: Nếu mức ánh sáng vượt ngưỡng bật đèn, chưa vượt tắt đèn B4: Kết thúc Chương TRIỂN KHAI THỰC HIỆN 5.1 LẮP RÁP PHẦN CỨNG Từ sơ đồ khối sơ đồ toàn mạch chúng em lắp ráp mạch thiết bị thiết kế mô hình nhà từ bìa cứng để xây dựng mơ hình hồn chỉnh 5.2 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 5.2.1 Chương trình cho NodeMCU Chương trình viết ngơn ngữ lập trình C, mơi trường lập trình Arduino IDE Hình TRIỂN KHAI THỰC HIỆN.40 Chương trình cho NodeMCU 5.2.2 Xây dựng Web Server Web server viết ngôn ngữ lập trình php up lên 000webhost, tên miền miễn phí Hình TRIỂN KHAI THỰC HIỆN.41 Xây dựng Web Server Lấy liệu từ database Cơ sở liệu MySql 5.2.3 Ứng dụng di động Android Được lập trình ngơn ngữ Java Giao diện ứng dụng có chức năng: o Điều khiển bật tắt đèn nhấn nút o Hẹn giờ, lập thời gian biểu cho đèn Hình TRIỂN KHAI THỰC HIỆN.42 Phần mềm điều khiển sử dụng Android Studio 5.2.4 Google Assistant Sử dụng tảng IFTTT có sẵn để đưa chức điều khiển giọng nói vào đồ án Chương KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 6.1 MƠ HÌNH NHÀ THƠNG MINH Hình KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC.43 Mơ hình nhà thơng minh 6.2 WEB SERVER Hình KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC.44 Website điều khiển thiết bị chiếu sáng 6.3 ỨNG DỤNG DI ĐỘNG Hình KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC.45 Ứng dung di động điều khiền thiết bị chiếu sáng 6.4 GOOGLE ASSISTANT Hình KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC.46 Điều khiển giọng nói - trợ lý ảo Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 7.1 KẾT LUẬN Hoàn tất mục tiêu đề để tài Điều khiển thiết bị qua Smartphone Android trang Web Hệ thống qua trình hoạt động khơng xảy lỗi lầm Mơ hình thiết kế có tính thẩm mỹ Đánh giá, so sánh với hệ thông thực tế khoảng 65% 7.2 HẠN CHẾ Tốc độ đáp ứng chưa nhanh Server tạo server miễn phí nên có nhiều hạn chế tốc độ truyền tải ổn định Các chức đáp ứng mức độ nghiên cứu tảng Giao diện web ứng dụng di động cịn đơn giản, chưa có đầy đủ chức năng, hạn chế 7.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Thêm cảm biến như: cảm biến chuyển động, cảm biến nhiệt, cảm biến tiệm cận, v.v Sử dụng domain có băng thông tốc độ xử lý nhanh Thêm điều khiển qua Bluetooth Chế độ hẹn thực offline qua module thời gian thực RTC DS3231 Tối ưu hóa mã nguồn thêm chức đáp ứng nhu cầu quản lý DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Trang web tham khảo: [1] Cộng đồng Arduno Việt Nam, “Giới thiệu NodeMCU”, 26/02/2017 http://arduino.vn/bai-viet/1496-esp8266-ket-noi-internet-phan-1-cai-dat-esp8266lam-mot-socket-client-ket-noi-toi [2] Cộng đồng Arduno Việt Nam, “Giới thiệu cảm biến ánh sáng”, 18/06/2014 http://arduino.vn/bai-viet/180-gioi-thieu-cam-bien-anh-sang-va-cach-lap-trinh [3] Cộng đồng Arduno Việt Nam, “Cách sử dụng Relay”, 02/09/2014 http://arduino.vn/bai-viet/302-module-relay-cach-su-dung-ro-le-va-nhung-ungdung-hay-cua-no [4] Retrofit, “A type-safe HTTP client for Android and Java”, 05/08/2020 https://square.github.io/retrofit/ [5] RANDOM NERD TUTORIALS, “ESP8266 NodeMCU”, 05/06/2020 https://randomnerdtutorials.com/esp8266-nodemcu-http-get-post-arduino/ ... tránh rủi ro tốc độ lâu dài 1.5 CẤU TRÚC ĐỒ ÁN Với đề tài "THIẾT KẾ MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG ĐIỆN THOẠI THƠNG MINH QUA WIFI TRONG NHÀ" bố cục đồ án sau: Chương 2: Cơ sở. .. TIN VÀ TRUYỀN THÔNG VIỆT – HÀN ĐỒ ÁN CƠ SỞ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG ĐIỆN THOẠI THÔNG MINH QUA WIFI TRONG NHÀ Đà nẵng, tháng năm 2020 MỞ ĐẦU Ngày giới với... Lưu đồ điều khiển đèn cảm biến ánh sáng Hình PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ HỆ THỐNG.39 Lưu đồ điều khiển đèn cảm biến ánh sáng Giải thích lưu đồ thuật toán: B1: Bắt đầu B2: Đọc giá trị cảm biến ánh sáng
Ngày đăng: 20/04/2021, 22:24
Xem thêm:
