Xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị điện gia dụng qua mạng wifi bằng smartphone

LỜI CẢM ƠN Trước hết em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo giảng dạy ngành hệ thống thông tin trường đại học Lâm Nghiệp, suốt thời gian học tập vừa qua trang bị cho em kiến thức cần thiết bổ ích giúp em hồn thành khóa luận kỹ nghề nghiệp sau Đồng thời em xin chân thành cảm ơn cô Đặng Thị Kim Anh thầy Hoàng Việt Dũng, người gợi mở ý tưởng ban đầu tận tâm hướng dẫn cho em thực khóa luận tốt nghiệp Và cịn lời cảm ơn xin gửi đến người bạn học lớp chia sẻ khó khăn q trình học tập thực khóa luận Xin chúc bạn đạt thành tích tốt Do thời gian trình độ có hạn nên khóa luận cịn nhiều thiếu sót, tơi mong góp ý thầy giáo bạn Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà nội, ngày tháng năm 2019 Sinh viên thực Nguyễn Đình Cường LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan Khóa luận cơng trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn cô Đặng Thị Kim Anh thầy Hoàng Việt Dũng Các kết nêu luận văn trung thực, có nguồn gốc rõ ràng, khơng phải chép tồn văn cơng trình khác Hà nội, ngày tháng năm 2019 Sinh viên thực Nguyễn Đình Cường MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề Mục đích nghiên cứu đề tài Mục tiêu đề tài: Đối tượng phạm vi nghiên cứu Giới hạn đề tài Cấu trúc luận văn CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu 1.2 Cơ chế hoạt động thiết bị thông minh 1.3 Ý tưởng CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu Arduino 2.2 Các loại kết nối Arduino: 2.3 BLYNK 13 2.4 Arduino IDE 16 CHƢƠNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG 17 3.1 Bài toán hệ thống điều khiển thiết bị từ xa 17 3.2 Phương án xây dựng 18 3.3 xây dựng hệ thống 18 3.4 Tạo giao diện người dùng ứng dụng BLYNK smartphone 21 3.5 Nạp code cho mạch 26 3.6 Tạo kết nối trợ lý ảo Google Assistant kit 29 CHƢƠNG 4: DEMOS 37 4.1 Thiết kế mạch 37 KẾT LUẬN 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình Thư viện BLYNK Arduino IDE 16 Hình 2: Cảm biến ánh sáng quang trở 21 Hình 3: Giao diện Manage Liblary 27 Hình 1: Board arduino Uno wifi 19 Hình 2: giao diện Arduino IDE 20 Hình 3: Cảm biến chuyển động HC-SR505 20 Hình 4: Tạo giao diện BLYNK 22 Hình 5: Thêm nút bấm kiện 23 Hình 6: Thiết lập 24 Hình 7: Auth token BLYNK 25 Hình 8: Giao diện Sketch 26 Hình Kết tìm kiếm “ESP8266” 27 Hình 10: Giao diên Tool 28 Hình 11: Giao diện Board manager 28 Hình 12: Chọn Board 29 Hình 13: ESP8266 với Google Assistant 30 Hình 14: Đăng nhập IFTTT 30 Hình 15: “New Applets” 30 Hình 16 Tạo Applets 31 Hình 17: Thẻ "Say a simple phrase." 31 Hình 18: Thiết lập câu lệnh Google Assistant 32 Hình 19: Thẻ “that” 32 Hình 20: Kết tìm kiếm Webhooks 33 Hình 21: Nút Connect 33 Hình 22: Thẻ "make a web request." 33 Hình 23: Thiết lập thơng tin kết nối 34 Hình 24: Tạo xong Applets 35 Hình 25: Kết 35 Hình 26: Sơ đồ hoạt động hệ thống 36 Hình 1: Mạch điện hệ thống 37 Hình 2: Giao diện ứng dụng 38 Hình 3: Giao diện Google Assistant 39 Hình 4: Mơ hình sản phẩm 40 MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Thời đại công nghiệp 4.0 diện hầu hết ngành lĩnh vực khác nhu cầu thiết yếu người sống ngày Chúng ta ngày hướng tới tiện lợi thông minh tất công việc Trong năm gần đây, đời sống người Việt Nam ngày nâng cao Những ngơi nhà khơng cịn nơi trú mưa tránh nắng mà trở thành nơi để người trở nghỉ ngơi thư giãn sau làm việc vất vả chúng thiết kế đại mà trang bị nhiều phương tiện công nghệ cao đầy đủ tiện ích Thế giới biết đến nhiều hệ thống tự động hóa cho nhà Đó hệ thống điều khiển lắp đặt, cho phép giám sát điều khiển thiết bị tồn ngơi nhà Các thiết bị có chức điều khiển thông số môi trường nhà (như nhiệt độ, độ ẩm), điều khiển đóng ngắt thiết bị điện, báo động xảy hỏa hoạn, kiêm soát an ninh vv Mặt khác vi xử lý ngày phát triển, ứng dụng vào nhiều lĩnh vực sản xuất cơng nghiệp, tự động hóa cịn nhiều lĩnh vực khác Do vị xử lý thiết kế nhỏ tích hợp lại lập trình để điều khiển, với ưu điểm nói trên, em tiến hành thiết kế mơ hình smart home sử dụng module wifi Với kiến thức thu thập trình học tập qua đợt nghiên cứu khoa học nhà trường tổ chức nên em định chọn đề tài: “Xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị điện gia dụng qua mạng wifi smartphone” làm đề tài nghiên cứu khóa luận Mục đích nghiên cứu đề tài Tìm hiểu phương pháp lập trình linh kiện arduino để xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị từ xa Trình bày kết tìm hiểu arduino nhằm xây dựng mạch điều khiển xây dựng phần code cho “hệ thống điều khiển thiết bị điện gia dụng qua mạng wifi smartphone” áp dụng cho gia đình Mục tiêu đề tài: - Nghiên cứu mơ hình điều khiển thiết bị điện nhà sử dụng sóng wifi - Nghiên cứu sở lý thuyết để xây dựng mơ hình dựa kiến thức học lập trình - Ứng dụng cơng nghệ gần gũi với sống người để xây dựng lên hệ thống điều khiển từ xa Đề tài triển khai nghiên cứu hƣớng tới mục tiêu sau: Theo dõi độ sáng thông qua cảm biến ánh sáng quang trở có người hay khơng thơng qua cảm biến chuyển động HC-SR505 Điều chỉnh hệ thống thông qua nút nhấn: nút nhấn điều khiển relay đèn nút nhấn điều khiển relay bơm nước Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng: Nghiên cứu lập trình Arduino cách kết nối phần cứng hệ thống thiết bị thông minh nhà Phƣơng pháp nghiên cứu Để giải vấn đề, ta thực phương pháp nghiên cứu sau: - Phương pháp Nghiên cứu kế thừa Kế thừa cơng trình nghiên cứu hệ trước sở lý thuyết phần mềm lập trình - Phương pháp thu thập liệu đọc sách tham khảo, tìm kiếm liệu trang web Nội dung nghiên cứu Với kiến thức học tập cịn ít, nên chúng em tập trung nhiệm vụ nghiên cứu ứng dụng module điều khiển Arduino, module wifi để chế tạo thành board mạch điều khiển, giám sát hệ thống nguồn cung cấp thiết bị điện nhà động tác điều khiển thiết bị giám sát thông qua điên thoại di động thông qua mạng internet, mạng wifi đáp ứng khả nghiên cứu sinh viên Nội dung nghiên cứu chia thành phần sau: Phần 1: Khảo sát thực trạng Sau nghiên cứu thông tin diễn đàn, trang web khảo sát thực tế xung quanh khu vực Đại học Lâm nghiệp em thấy tình hình sử dụng thiết bị nhà theo phương pháp cũ chưa có cải tiến, ứng dụng cơng nghệ để hướng đến tiện lợi hiệu Phần 2: Nghiên cứu ứng dụng arduino Các ứng dụng gồm điều khiển thiết bị từ xa, internet of thing … Phần 3: Xây dựng phát triển Dựa vào khả arduino xây dựng hệ thống thu nhận thơng tin cảm biến để từ gửi thơng tin ứng dụng nhận tín hiệu điều khiển từ thông tin Giới hạn đề tài Do thời gian kiến thức hạn hẹp nên đề tài tập trung nghiên cứu mặt sau đây: - Tìm hiểu lập trình Arduino ứng dụng tự động thơng minh gia đình - Theo dõi điều khiển hệ thống từ xa, chưa hỗ trợ hệ thống tự động nhận diện hệ thống khoá mật Cấu trúc luận văn Nội dung bao gồm chương: - Mở đầu: Nói tính cấp thiết vấn đề đề cập bài, đưa mục tiêu phương pháp giải vấn đề - Chương 1: Trình bày sơ lược Arduino, lính kiện ứng dụng chúng nhằm nêu vấn đề giải vấn đề cho toán hệ thống điều khiển thiết bị - Chương 2: Cơ sở lý thuyết - Chương 3: Xây dựng hệ thống - Chương 4: Thử nghiệm - Kết luận CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu Hiện nay, xã hội ngày phát triển khoa học kỹ thuật ngày tiên tiến nhu cầu kỹ thuật quan tâm phát triển Đặc biệt công trình nghiên cứu khoa học nhằm thiết kế sản phẩm ứng dụng có ý nghĩa thiết thực vào sống Nó có thể: thay người, giảm lao động chân tay giúp người quan sát, kiểm tra nơi độc hại, nguy hiểm mà thể người chịu đựng Ứng dụng vào nhà hướng phát triển có tiềm lớn Thấy tầm quan trọng nhu cầu thiết yếu xã hội, đồng thời trình học tập thân học nhiều kít nhúng cách hoạt động cảm biến Trong khóa luận này, em muốn nghiên cứu tạo sản phẩm sử dụng tính kít nhúng loại cảm biến Nên em chọn đề tài: “Xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị điện gia dụng qua mạng wifi smartphone” 1.2 Cơ chế hoạt động thiết bị thông minh Tất thiết bị điện thông minh kết nối với hệ thống ánh sáng, rèm cửa, điều hịa, bình nóng lạnh thơng qua điều khiển trung tâm Chúng hoạt động dựa kết nối khơng dây có dây thêm điều kiện kết nối internet tới điện thoại thông minh máy tính bảng để giám sát, điều khiển hoạt động nhà cách xa nửa vòng trái đất Thiết bị thông minh đem lại nhiều tiện ích bên cạnh cịn giúp tiết kiệm thời gian, tiết kiệm lượng góp phần bảo vệ mơi trường 1.3 Ý tƣởng Ngơi nhà thơng minh theo dõi chuyển động nhà hay không cách sử dụng cảm biết chuyển động Cũng sử dụng smartphone thơng qua ứng dụng BLYNK google assistant để điều khiển bật tắt thiết bị điện kết nối hệ thống Nếu cảm biến ánh sáng nhận biết trời tối cảm biến chuyển động nhận dạng thấy có người phịng hệ thống điều khiển đèn điều hịa thơng qua relay dựa vào giá trị cài đặt tự động chương trình để hoạt động Nếu trình hoạt động có câu hỏi đặt như: hệ thống nhận biết khơng có người nhà tắt thiết bị, chủ nhân nhà muốn bật thiết bị từ xa liệu có xảy xung đột? Để xử lý vấn đề nên có điều kiện tiên quyết, đặt ưu tiên cho hệ thống bật tắt tay đến hệ thống tự động Và thông số từ cảm biến truyền hiển thị lên giao diện ứng dụng CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu Arduino Arduino tảng nguyên mẫu (mã nguồn mở) dựa phần mềm phần cứng dễ sử dụng Nó bao gồm bo mạch - thứ mà lập trình (đang đề cập đến vi điều khiển) phần mềm hỗ trợ gọi Arduino IDE (Môi trường phát triển tích hợp cho Arduino), sử dụng để viết nạp từ mã máy tính sang bo mạch vật lý Những tính như: - Các bo mạch Arduino có khả đọc tín hiệu tương tự (analog) tín hiệu số (digital) làm đầu vào từ cảm biến khác chuyển thành đầu kích hoạt mơ-tơ quay, bật / tắt đèn LED, kế nối mạng Internet nhiều hoạt động khác - Bạn điều khiển chức bo mạch cách nạp tập lệnh đến vi điều khiển bo mạch Thông qua phần mềm hỗ trợ Arduino IDE - Không giống bo mạch có khả lập trình trước kia, Arduino cần bạn sử dụng cáp USB để nạp mã vào bo mạch - Hơn nữa, phần mềm Arduino IDE sử dụng phiên giản thể C++, làm việc học lập trình trở nên dễ dàng nhiều Mơi trường phát triển tích hợp (IDE) Arduino ứng dụng crossplatform (nền tảng) viết Java, từ IDE sử dụng cho Ngơn ngữ lập trình xử lý (Processing programming language) project Wiring Nó thiết kế để dành cho người tập làm quen với lĩnh vực phát triển phần mềm Nó bao gồm chương trình code editor với chức đánh dấu cú pháp, tự động brace matching, tự động canh lề, compile (biên dịch) upload chương trình lên board với cú nhấp chuột Một chương trình code viết cho Arduino gọi sketch Các chương trình Arduino viết C C++ Arduino IDE kèm với thư viện phần mềm gọi "Wiring", từ project Wiring gốc, có Bước 2: Chọn board Ban chon Tool > Board > Board Manager… Hình 10: Giao diên Tool Sau giao diện Board manager lên bạn tìm kiếm Install “ESP8266 by ESP8266 Community” Hình 11: Giao diện Board manager 28 Tiếp đến bạn vào Tool > Board kéo xuống tìm kéo xuống chọn board "Wemos D1 R2 & Mini" Hình 12: Chọn Board Từ lập trình cho mạch 3.6 Tạo kết nối trợ lý ảo Google Assistant kit Bƣớc 1: Đăng nhập kết nối với IFTTT Việc kết nối điều khiển thiết bị từ ESP8266 với Blynk thật dễ dàng Nhưng câu hỏi đặt để Blynk hiểu câu lệnh bật đèn, tắt đèn để truyền đến Kit ESP8266 thực thi hành động Vì để giải vấn đề cần có trang Web làm trung gian IFTTT lựa chọn tốt cho dự án 29 Hình 13: ESP8266 với Google Assistant Bước đăng nhập vào web IFTTT để đăng ký tài khoản đăng ký tài khoản Google bạn đăng ký Facebook Hình 14: Đăng nhập IFTTT Sau đăng nhập thành công bạn Click vào "My Applets" chọn "New Applet" để tạo dự án Hình 15: “New Applets” Bấm vào + this 30 Hình 3.14: Thẻ “this” Tìm kiếm đến Google Assistant bấm kết nối Hình 16 Tạo Applets Bƣớc 2: Đặt câu lệnh thực thi Google Assistant Chọn thẻ "Say a simple phrase." Hình 17: Thẻ "Say a simple phrase."  What you want to say? Chúng ta đặt tên câu lệnh cần nói đặt "turn on"  Ngoài mục bạn đặt thêm câu lệnh khác để bật/tắt thiết bị  What you want the Assistant to say in the response? Ở phần câu phản hồi từ Google Assistant thực lệnh vừa nói 31 Hình 18: Thiết lập câu lệnh Google Assistant Bƣớc 3: Cấu hình Webhooks Tiếp theo ta chọn + that Hình 19: Thẻ “that” Và chọn Webhooks 32 Hình 20: Kết tìm kiếm Webhooks Nhấn vào "Connect" chọn "Make a Web request" Hình 21: Nút Connect Hình 22: Thẻ "make a web request." Chúng ta điền đầy đủ thông tin trường hiển thị 33 Hình 23: Thiết lập thơng tin kết nối  URL: Nhập URL theo cú pháp sau: http://188.166.206.43/YourAuthTokenHere/update/DigitalPinToBeUpdate Here o http://188.166.206.43: Đây URL Blynk Server o YourAuthTokenHere: Mã Token cấp tạo dự án App Blynk o  DigitalPinToBeUpdateHere: Chân cấu hình để điều khiển thiết bị Method: Chọn PUT 34  Content Type: Chọn application/json  Body: Chúng ta điền vào ["1"], nghĩa bật thiết bị Sau điền đầy đủ thông tin nhấn "Create action" để hồn tất Hình 24: Tạo xong Applets Tương tự bạn tự làm cho phần "tắt đèn" Kết làm xong Hình 25: Kết 35 Lƣu ý: Chúng ta sử dụng ESP8266 chọn D0 để điều khiển thiết bị, vấn đề Blynk Server nhận lệnh từ IFTTT hiểu gửi lệnh xuống "Arduino Uno" thay ghi D0 ta thay D16 (GPIO16) 3.7 Sơ đồ hoạt động hệ thống : Hình 26: Sơ đồ hoạt động hệ thống 36 CHƢƠNG 4: DEMOS 4.1 Thiết kế mạch Hình 1: Mạch điện hệ thống a Giao diện ứng dụng 37 Hình 2: Giao diện ứng dụng 38 b Giao diện Google Assistant Hình 3: Giao diện Google Assistant 39 c Mơ hình sản phẩm Hình 4: Mơ hình sản phẩm 40 KẾT LUẬN Nhận xét, đánh giá: Ưu điểm đề tài: - Mạch nhỏ gọn - Đáp ứng yêu cầu đề tài - Hiển thị rõ ràng - Tiết kiệm công sức người Nhược điểm đề tài: - Còn hạn chế việc điều khiển tin nhắn - Phần điều khiển chưa thực đồng - Chưa khắc phục phần nút nhấn bị trễ Hƣớng phát triển - Mơ hình áp dụng để xây dựng hệ thống bơm nước vào bồn chứa nước cho sinh hoạt ngày - Áp dụng nông nghiệp để tưới tiêu - Thiết kế SmartHome – Ngôi nhà thông minh với thiết bị điều khiển qua điện thoại… Do thời gian kiến thức cịn hạn hẹp nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót q trình thực đề tài Rất mong nhận góp ý, đánh giá quý báu quý thầy cô bạn 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO Danh mục giáo trình, giảng: Đỗ Xuân Thụ (1999) Giáo trình Kỹ thuật điện tử NXB giáo dục Kiều Xuân Thực, Vũ Thị Hương, Vũ Trung Kiên (2008) Vi điều khiển câu trúc lập trình ứng dụng NXB Giáo Dục Phan Quốc Phơ, Nguyễn Đức Chiến (2000) Giáo trình cảm biến NXB Khoa học kĩ thuật Danh mục web: http://alldatasheet.com/ http://arduino.vn/ https:// arduino.cc/ https://arduino.esp8266.vn ... nhằm xây dựng mạch điều khiển xây dựng phần code cho ? ?hệ thống điều khiển thiết bị điện gia dụng qua mạng wifi smartphone? ?? áp dụng cho gia đình Mục tiêu đề tài: - Nghiên cứu mơ hình điều khiển thiết. .. sử dụng tính kít nhúng loại cảm biến Nên em chọn đề tài: ? ?Xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị điện gia dụng qua mạng wifi smartphone? ?? 1.2 Cơ chế hoạt động thiết bị thông minh Tất thiết bị điện. .. 16 CHƢƠNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG 17 3.1 Bài toán hệ thống điều khiển thiết bị từ xa 17 3.2 Phương án xây dựng 18 3.3 xây dựng hệ thống 18 3.4 Tạo giao diện người