Giới thiệu: ESP8266 NodeMCU
ESP8266 NodeMCUlà dạng vi điều khiển tích hợp Wifi (Wifi SoC) được phát triển bởi Espressif Systems, một nhà sản xuất Trung Quốc có trụ sở tại Thượng Hải. Với vi điều khiển và Wifi tích hợp, ESP8266 cho phép lập trình viên có thể thực hiện vô số các tác vụ TCP/IP đơn giản để thực hiện vô số các ứng dụng khác nhau, đặc biệt là các ứng dụng IoT. Tuy nhiên, vào thời điểm ra mắt năm 2014, hầu như chỉ có tài liệu bằng tiếng Trung Quốc nên ESP8266 chưa được phổ biến như hiện nay. Module ESP8266 có giá thành rẻ nhất trong tất cả các loại Wifi SoC từ trước tới nay (trước ESP8266 có series CC3xxx từ Ti rất mắc nên không phổ biến), chỉ khoảng 2USD cho phiên bản đầu tiên, điều này đã thu hút các IoT-er khám phá cũng như dịch các tài liệu của ESP8266 sang tiếng Anh và phát triển vô số các ứng dụng kèm theo. Sau nhiều năm phát triển, hiện nay đã có hơn 14 phiên bản ESP ra đời, trong đó phổ biến nhất là ESP-12.
Hình 2.11 Module ESP8266 ESP-12
Module ESP-12 kết hợp với firmware ESP8266 trên Arduino và thiết kế phần cứng giao tiếp tiêu chuẩn đã tạo nên NodeMCU, loại Kit phát triển ESP8266 phổ biến nhất trong thời điểm hiện tại. Với cách sử dụng, kết nối dễ dàng, có thể lập trình, nạp chương trình trực tiếp trên phần mềm Arduino, đồng thời tương thích với các bộ thư viện Arduino sẵn có, NodeMCU là sự lựa chọn hàng đầu cho các bạn muốn tìm hiểu về ESP8266 hiện nay.
Hình 2.12 Module ESP8266 NodeMCU Lua CP2102
Đặc tính nổi bật
- Tích hợp 2 nút nhấn
- Tích hợp chip chuyển usb - uart CP2102
- Full IO: 10 GPIO, 1 Analog, 1SPI, 2 UART, 1 I2C/I2S, PWM, v.v....
- Được hỗ trợ bởi cộng đồng lớn mạnh Nodemcu
Thông số kỹ thuật
- Phiên bản firmware: NodeMCU Lua
- Chip nạp và giao tiếp UART: CP2102.
- GPIO tương thích hoàn toàn với firmware Node MCU.
- Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc Vin.
- GIPO giao tiếp mức 3.3VDC
- Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash.
- Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino.
- Kích thước: 25 x 50 mm.
Bảng 2.1: Thành phần NodeMCU 1.0 (ESP-12E Module) Vi điều khiển ESP8266 Wifi Soc
Chip nạp CP2102
GPIO 10 chân từ D0 - D10, có chức năng PWM, I2C, SPI, 1-Wire, UART và ADC trên chân A0
Vin 5 VDC
Điện áp trên mỗi chân GPIO 3.3V
2.3.5 Module điều khiển động cơ L298N
Module L298N là Module điều khiển động cơ (Motor Driver) sử dụng chip cầu H L298N giúp điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ DC một cách dễ dàng, ngoài ra module L298N còn điều khiển được 1 động cơ bước lưỡng cực. Mạch cầu H của IC L298N có thể hoạt động ở điện áp từ 5V đến 35V. Module L298N có tích hợp một IC nguồn 78M05 để tạo ra nguồn 5V để cung cấp cho các thiết bị khác.
Hình 2.14 Sơ đồ các chân Module L298
Thông số kỹ thuật:
Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H.
Điện áp điều khiển: +5 V ~ +12 V
Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A (=> 2A cho mỗi motor)
Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V
Dòng của tín hiệu điều khiển: 0 ~
Công suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75 ℃)
Nhiệt độ bảo quản: -25 ℃ ~ +130 ℃
L298 gồm các chân:
12V power, 5V power. Đây là 2 chân cấp nguồn trực tiếp đến động cơ. Có thể cấp nguồn 9-12V ở 12V.
Power GND chân này là GND của nguồn cấp cho Động cơ.
2 chân A enable và B enable, để như hình, đừng rút ra bạn nhé!
Gồm có 4 chân Input. IN1, IN2, IN3, IN4. Nhận tín hiệu điều khiển
Output A: nối với động cơ A. bạn chú ý chân +, -. Nếu bạn nối ngược thì động cơ sẽ chạy ngược.
Và chú ý nếu bạn nối động cơ bước, bạn phải đấu nối các pha cho phù hợp.
Board này gồm 2 phần điều khiển động cơ. Và có thể điều khiển cho 1 động cơ bước 6 dây hoặc 4 dây.
2.3.6 Đèn và Relay trung gian đóng cắt
Vì loại bóng đèn 220V AC và 12V DC có giá phù hợp với sinh viên chúng em, dễ tìm kiếm, tính ứng dụng vào thực tế đời sống cao. Nên nhóm em chọn làm trong đồ án tốt nghiệp. Sử dụng Relay 5v để đóng cắt các thiết bị.
.
Hình 2.15 Đèn và Relay trung gian
Thông số kỹ thuật: Đèn 220V AC: - Công suất: 1W - Nguồn cấp: 220-240 V AC - Màu ánh sáng: Trắng, Vàng, Đỏ, ... - Đầu đèn: E12 - Tuổi thọ: 1000 giờ Đèn 12V DC: - Công suất: 3W - Nguồn cấp: 12V DC - Màu ánh sáng: Trắng, Vàng, Đỏ, ... - Đầu đèn: không có
- Chất liệu: Thủy tinh trong suốt
- Ánh sáng màu vàng
Relay:
- Điện áp nuôi mạch: 5VDC.
- Dòng tiêu thụ: khoảng 200mA/1Relay
- Tín hiệu kích: High (5VDC) hoặc Low (0VDC) chọn bằng Jumper.
- Nguồn nuôi: 5VDC.
- Tiếp điểm đóng ngắt max: 250VAC-10A hoặc 30VDC-10A
- Kích thước: 72 (L) * 55 (W) * 19 (H) mm.
2.3.7 Năng Lượng mặt trời và ắc quy
Pin năng lượng Mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫncó chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời thay đổi phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng. Tế bào quang điện được ghép lại thành khối để trở thành pin mặt trời (thông thường 60 hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm pin mặt trời). Tế bào quang điện có khả năng hoạt động dưới ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo. Chúng có thể được dùng như cảm biến ánh sáng (ví dụ cảm biến hồng ngoại), hoặc các phát xạ điện từ gần ngưỡng ánh sáng nhìn thấy hoặc đo cường độ ánh sáng.
Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện. Hoạt động của pin mặt trời được chia làm ba giai đoạn:
Đầu tiên năng lượng từ các photon ánh sáng được hấp thụ và hình thành các cặp electron-hole trong chất bán dẫn.
Các cặp electron-hole sau đó bị phân chia bởi ngăn cách tạo bởi các loại chất bán dẫn khác nhau (p-n junction). Hiệu ứng này tạo nên hiệu điện thế của pin mặt trời.
Pin mặt trời sau đó được nối trực tiếp vào mạch ngoài và tạo nên dòng điện. Các pin năng lượng Mặt trời có nhiều ứng dụng trong thực tế. Do giá thành còn đắt, chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện lưới khó vươn tới như núi cao, ngoài đảo xa, hoặc phục vụ các hoạt động trên không gian; cụ thể như các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước... Các Pin năng lượng Mặt trời được thiết kế như những module thành phần, được ghép lại với nhau tạo thành các tấm năng lượng Mặt trời có diện tích lớn, thường được đặt trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể có ánh sáng nhiều nhất, và kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện. Các tấm pin Mặt Trời lớn ngày nay được lắp thêm bộ phận tự động điều khiển để có thể xoay theo hướng ánh sáng, giống như loài hoa hướng dương hướng về ánh sáng Mặt Trời.
Bình ắc quy là một dạng nguồn điện hóa học, dùng để lưu trữ điện năng dưới dạng hóa năng. Bình ắc quy cơ bản như tụ điện (tích trữ năng lượng). Bình ắc quy có các ngăn mỗi ngăn sẽ cho ra 1 mức điện áp (ví dụ bình 12V có 6 ngăn mỗi ngăn cho ra mức điện áp là 2V=> bình 12v gồm các ngăn mắc nối tiếp nhau) Các bản cực âm dương xen kẽ nhau và ngăn cách nhau bởi chất cách điện. Nguyên tắc hoạt động gồm 2 quá trình, đó là quá trình nạp điện và quá trình xả điện.
Hình 2.16 Bình ắc quy và Pin năng lượng mặt trời
2.3.8 Camera quan sát
Camera quan sát là việc sử dụng các mắt điện tử để ghi lại những hình ảnh, video lại vị trí lắp các mắt điện tử, những hình ảnh đó sẽ được lưu lại và phát trực tiếp lên màn hình cho chúng ta giám sát, quản lý hay xử lý những sự cố không đáng có xảy ra.
Tùy vào môi trường khác nhau mà chúng ta sẽ chọn lắp đặt những con mắt điện tử khác nhau, camera trên thì trường thế giới an ninh đang có rất nhiều hãng mà chúnAg ta có thể chọn lắp đặt mắt camera.
Hiện nay rất nhiều người chọn camera quan sát để lắp đặt quan sát an ninh cho hộ gia đình, bệnh viện, trường học, cửa hàng, shop, kho xưởng, ... nhằm bảo vệ an ninh, nâng cao an ninh quan sát tại khu vực lắp đặt camera quan sát.
Hình 2.17 Camera giám sát công viên
2.3.9 Tổng quan về module RFID.
RFID - Radio Frequency Identification Detection là công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến. Là một phương pháp nhận dạng tự động dựa trên việc lưu trữ dữ liệu từ xa sử dụng thiết bị thẻ RFID và một đầu đọc RFID.
Các thành phần của hệ thống RFID gồm 2 thành phần quan trọng nhất là: - Tag (thẻ RFID).
- Reader (đầu đọc RFID).
(Trên Tag và Reader đều có Anten)
Tag và Reader giao tiếp với nhau ở cùng một Tần Số. RFID sử dụng sóng Radio nên tốc độ truyền dữ liệu, khoảng cách truyền giữa Tag và Reader phụ thuộc rất nhiều vào Tần Số. Do đó tùy thuộc vào ứng dụng trực tiếp mà các hệ thống RFID sử dụng rất nhiều dải tần số khác nhau, ở đây mình nêu ra 3 dải tần số thông dụng:
- Tần số thấp ( LF ) (khoảng 100kHz – 150 kHz). - Tần số cao ( HF ) (10 – 15 MHz).
Hình 2.18 Hình ảnh Module RFID Đặc điểm của module MF RC522:
MF RC522 ứng dụng cho việc tích hợp cao việc đọc và viết dữ liệu.
Giao tiếp với thẻ tại tần số 13.56Mhz.
Là sự lựa chọn tốt cho sự phát triển của các thiết bị thông minh và thiết bị di động cầm tay.
MF RC552 sử dụng cho việc nâng cao điều chế và giải mã điều chế thông tin giao tiếp thụ động bằng các phương pháp hoàn toàn thích hợp trong tần số 13.56 Mhz.
Tương thích với bộ phát tín hiệu 14443A.
ISO 14443A xử lý kỹ thuật để phát hiện lỗi và các khung hình.
CRYPTO1 nhanh chóng hỗ trợ mã hóa thuật toán để xác nhận sản phẩm là mafire.
MF RC552 hỗ trợ mafire giao tiếp với các chuỗi bằng tốc độ cao, tốc độ truyền dữ liệu 2 chiều lên tới 424kbit/s.
MF RC552 cũng tương tự như MF RC500, MF RC530 nhưng cũng có những đặc điểm và sự khác biệt, giao tiếp giữa nó và máy chủ ở chế độ SPI giúp giảm thiểu các kết nối hạn hẹp của PCB, giảm chi phí đáng kể.
Các MF 552 là các module được thiết kế để dể dàng sử dụng với các đầu đọc thẻ mạch.
Giá thành rẻ và được áp dụng cho sự phát triển các thiết bị cho người sử dụng
Nâng cao sự phát triển của các ứng dụng, đáp ứng nhu cầu về sử dụng các thiết bị đầu/cuối sử dụng thẻ nhớ RF.
Module này có thể được nạp trược tiếp vào các khuôn reader khác nhau, rất thuận tiện.
Sơ đồ chân kết nối:
Chân 1: SDA(SS) chân lựa chọn chip khi giao tiếp SPI (kích hoạt mức thấp) Chân 2: SCK: chân xung trong chế độ SPI.
Chân 3: MOSI(SDI): Master Data Out – Slave In trong chế độ giao tiếp SPI. Chân 4: MISO(SDO): Master Data In – Slave Out trong chế độ giao tiếp SPI. Chân 5: IRQ: chân ngắt.
Chân 6 GND: chân nối mass.
Chân 7: RST: chân reset lại module. Chân 8: VCC: nguồn 3.3V
2.3.10 Giới thiệu LCD 16x2
LCD 16x2 là loại LCD có thể hiển thị được tất cả các ký tự trong bảng mã ASCII và các ký tự đặc biệt do người dùng tự tạo, nó có thể hiển thị 2 dòng với mỗi dòng là 16 ký tự, mỗi ký tự có độ phân giải 8x5 pixel trên nền sáng phát ra từ LED xanh dương hoặc xanh lục. Bên trong LCD 16x2 có tích hợp sẵn chíp vi điều khiển HD44780 và nhà sản xuất chỉ đưa ra các chân cần thiết cho việc giao tiếp của LCD.
Hình 2.19 Sơ đồ chân LCD 16x2. Chức năng các chân như sau:
- Chân số 1 - VSS: Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với GND của mạch điều khiển
- Chân số 2 - VDD: Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với VCC=5V của mạch điều khiển
- Chân số 3 - VE: Điều chỉnh độ tương phản của LCD. Có thể kết hợp với biến trở để điều chỉnh
- Chân số 4 - RS: Chân chọn thanh ghi.
- Chân sô 5 - R/W: Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write). Nối chân R/W với mức logic “0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với mức logic “1” để LCD ở chế độ đọc.
- Chân số 6 - E: Chân cho phép (Enable) dạng xung chốt.
- Chân số 7 đến chân số 14 - D0 đến D7: Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với vi điều khiển. Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này:
Chế độ 8 bit: Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường.
Chế độ 4 bit: Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7
- Chân số 15 - A: Nguồn dương cho đèn nền.
Chương 3
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
3.1 GIỚI THIỆU.
Tạo ra một công viên mà ở đó có được sự thoải mái, mát mẻ cho mọi người. Sử dụng những thiết bị cần thiết như: quạt làm mát những khu nhà lúc trời nắng nóng, đèn chiếu sáng, ngoài ra có thể kiếm soát được chỉ có sinh viên của trường ra vào công viên bằng thẻ RFID tránh các trường hợp sảy ra như trộm cắp, các khu tham quan như hồ cá, cây cảnh, hệ thống tưới cây tự động, hồ phun nước.
Yêu cầu:
- Thiết kế mạch kết nối ngõ ra của vi điều khiển với relay để điều khiển 2 động cơ DC. Một động cơ bơm nước tưới cây tự động, một động cơ dùng để phun nước.
- Thiết kế mạch kết nối ngõ vào của vi điều khiển với cảm biến DHT-11 và thẻ RFID.
- Thiết kế mạch kết nối ngõ vào của Module Wifi ESP8266 với các 6 thiết bị điều khiển là đèn và quạt.
- Thiết kế mạch kết nối ngõ ra của vi điều khiển IC 74HC595 để điều khiển 4 LED MATRIX hiển thị nội dung cần thiết.
Hình 3.1 Sơ đồ tổng quan mô hình công viên 4.0 Mô hình có 4 hệ thống chính:
- Hệ thống chạy chữ LED MATRIX.
- Hệ thống điều khiển đèn và quạt bằng Wifi.
- Hệ thống đo nhiệt độ độ ẩm tưới cây, bật đèn sưởi tự động. Chức năng của từng hệ thống:
Hệ thống chạy chữ LED MATRIX: dùng để hiển thị và chạy nội dung cần quảng cáo lên trên 4 Led Matrix.
Hệ thống quẹt thẻ RFID: hệ thống dùng để kiểm soát ra vào cổng công viên. Hệ thống điều khiển đèn và quạt bằng Wifi. Hệ thống sử dụng Module Wifi ESP8266 để điều khiển đèn quạt theo ý của mình. Điều này rất tiện lợi cho người dùng, chỉ cần có điện thoại thông mình là mọi người trong công viên cũng có thể điều khiển được đèn và quạt. Tránh được tình trạng hao phí điện.
Hệ thống đo nhiệt độ độ ẩm tưới cây, bật đèn sưởi tự động: Hệ thống có thể đo nhiệt độ, độ ẩm trong công viên. Nếu nhiệt độ lên cao và độ ẩm thấp thì hệ thống sẽ tự động bật Motor bơm nước tưới cây cho công viên và làm mát hồ cá. Ngược lại,