MC LC
6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
1.7.2. Ứng dụng internet of things xây dựng ngôi nhà thông minh
ề tài này của nhóm tác giả: Nguyễn Văn Thắng, Phạm Trung Minh, Nguyễn Cảnh Toàn, Nguyễn Trọng ức - Trƣờng H Hàng Hải Việt Nam, ngày duyệt đăng: 05/8/2016. Trong phạm vi của bài báo, nhóm tác giả xây dựng hệ thống mô phỏng mô hình nhà thông minh tích hợp phần cứng và phần mềm sử dụng công nghệ oT để điều khiển các thiết bị.
ẩm, lƣợng mƣa,…; Khối vi điều khiển: điều khiển hoạt động của hệ thống, ngoài ra còn đóng vai trò máy chủ; webserver: nhận và thực thi các yêu cầu từ các client khi sử dụng công nghệ IoT; Khối xử lý dữ liệu mạng: tạo giao diện kết nối, chuyển đổi các gói dữ liệu đến và đi trên hệ thống mạng; Máy tính cá nhân: truyền tín hiệu điều khiển thông qua câu lệnh, chƣơng trình, xử lý tín hiệu, điều khiển hệ thống.
1.7.3. Nghiên cứu tích hợp mạng cảm biến không dây dựa trên công nghệ Zigbee
ề tài này của nhóm tác giả: Nguyễn Văn Hùng, Nguyễn Ngọc Linh - Trƣờng ại học Công nghệ, ại học Quốc gia Hà Nội, ngày duyệt đăng: 25/12/2018. ăng trên tạp chí Khoa học & Công nghệ. Số 49. 2018.
Hệ thống sử dụng mô hình mạng Zigbee hình sao (Start Network): Mạng chỉ có Coordinator (ZC) và các End Device (Z ). Khi Z đƣợc kích hoạt lần đầu tiên nó sẽ trở thành bộ điều phối mạng PAN. Mỗi mạng hình sao có PAN ID riêng để hoạt động độc lập. Mạng chỉ có một ZC duy nhất kết nối với các FFD và RFD khác. ZED không truyền trực tiếp dữ liệu cho nhau.
Nhóm nghiên cứu đã xây dựng thành công mô hình hệ thống mạng cảm biến không dây ứng dụng trong nông nghiệp gồm có trạm giám sát, các node cảm biến, giao diện phần mềm giám sát, quản lý các dữ liệu thu thập đƣợc.
H G 2. Ô HÌ H Ả IẾ IỀU HIỂ THIẾT Ị IỆ PHÕ G HỌ
2.1. GIỚI THIỆU
ề tài yêu cầu thiết kế một hệ thống giám sát, điều khiển các thiết bị điện trong phòng học. Hệ thống đƣợc điều khiển trực tiếp từ mô hình bằng công tắc, đồng thời điều khiển và giám sát đƣợc từ xa thông qua Web Server.
Khối xử lý trung tâm: Sử dụng hip SP32, đóng vai trò là thiết bị kết nối với wifi truyền nhận dữ liệu từ server; điện áp 12VDC; Giao tiếp ứng dụng bằng website; Giao tiếp với Server bằng Wifi (truyền nhận dữ liệu); Ngõ ra nối các thiết bị điện 220VAC; Thiết kế nhỏ gọn, đảm bảo tính an toàn.
WebServer: Truyền và nhận đƣợc dữ liệu, đồng bộ điều khiển giữa các thiết bị, nút nhấn và giao diện Web.
Hiện nay nhiều thiết bị cảm biến và nhiều mạng cảm biến đƣợc thiết kế ra, mỗi mạng cảm biến lại có ƣu điểm riêng, cách thức sử dụng riêng. ể các thiết bị có thể giao tiếp đƣợc với nhau, thiết bị sẽ cần một hoặc nhiều giao thức, giao thức HTTP đƣợc dùng phổ biến để tải web hay một số khác nhƣ SMTP, IMAP cho email,… Những giao thức này ít khi trao đổi thông tin, khi cần sẽ có một trung gian đứng ra giải mã cho hai bên hiểu. Còn với các thiết bị IoT, chúng phải đảm đƣơng nhiều thứ, trao đổi thông tin với nhiều loại thiết bị khác nhau, nhƣng hiện nay ngƣời ta chƣa có sự đồng nhất về các giao thức để oT trao đổi dữ liệu. Nói cách khác, tình huống này gọi là “communication fail”, một bên nói nhƣng bên kia kh ng tiếp nhận. Hiện nay có rất nhiều giao thức giao tiếp giữa các thiết bị oT nhƣ: HTTP, oAp, AMQP, DSS, XMPP, MQTT, …
Trong giai đoạn gần đây giao thức MQTT đang nổi lên nhƣ một giao thức đƣợc sử dụng phổ biến dùng trong IoT, rất nhiều hãng công nghệ đã áp dụng và hỗ trợ giao thức MQTT cho các ứng dụng sản phẩm của mình nhƣ
Facebook cho ứng dụng facebook message, IBM cho dự án bảo vệ môi trƣờng, ntel, Microsoft, …
Vì vậy trong đề tài này chúng tôi chọn một số giao thức mạng cảm biến dùng nhiều nhất và phù hơn với điều kiện ở Việt Nam hiện nay là công nghệ Wifi sử dụng giao thức MQTT (Vận chuyển từ xa hàng đợi tin nhắn), giao thức MQTT với các ƣu điểm nhƣ hoạt động trong băng th ng thấp ở môi trƣờng có độ trễ cao, độ tin cậy cao, đƣợc thiết kế có tính mở, dễ tích hợp trên các thiết bị nhúng bị giới hạn về tài nguyên và tốc độ. MQTT đặc biệt phù hợp với các ứng dụng M2M, oT, WSN, điều này phù hợp với yêu cầu thiết kế hệ thống điều khiển, giám sát thiết bị điện qua Internet mà luận văn hƣớng đến.
Hiện nay, vấn đề sử dụng các thiết bị điện một cách hiệu quả và an toàn đƣợc đặt lên hàng đầu đối với ngƣời sử dụng, không chỉ ở những công trình, tòa nhà, hộ gia đình, mà ngay cả văn phòng làm việc cũng nhƣ phòng học thì việc tiết kiệm điện là hết sức cần thiết. ƣới đây là bảng thống kê cho thấy các thiết bị điện chủ yếu đƣợc sử dụng trong một phòng học và công suất của từng thiết bị nhƣ bảng sau:
Bảng 2.1: Thống kê các thiết bị điện trong phòng học và công suất tiêu thụ
STT T n thiết bị điện ông suất ti u thụ P(W)
1 èn tuýp LED 1m2 36 2 TV LCD 32 inches 70 3 iều hòa 2HP 1500 4 Loa 60 5 Quạt trần 75 6 Camera IP 24
Từ bảng trên, ta thấy mức độ tiêu thụ điện năng của từng thiết bị đƣợc sử dụng. Nếu không sử dụng một cách phù hợp thì không chỉ gây lãng phí điện năng mà còn làm giảm tuổi thọ của thiết bị.
Với số lƣợng lớn phòng học ở các trƣờng ại học thì mức độ thiệt hại này càng lớn. o đó, chúng ta cần có một hệ thống điều khiển và giám sát chặt chẽ các thiết bị điện nhằm góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng, tiết kiệm điện năng, đồng thời đánh giá đƣợc hiệu năng của việc giao tiếp giữa các thiết bị cảm biến trong m hình. Và đề tài này sẽ giải quyết vấn đề đó.
Luận văn tập trung vào thiết kế và thi công hệ thống điều khiển, giám sát các thiết bị điện và xây dựng phần mềm viết trên ngôn ngữ lập trình Python kết nối với internet thông qua giao thức MQTT.
2.2. TÍ H TOÁ VÀ THIẾT Ế HỆ THỐ G 2.2.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Hình 2.2. Sơ đồ khối hệ thống
Chức năng từng kh i
Kh i nguồn: Cấp nguồn cho toàn mạch, sử dụng nguồn 12VDC cấp cho khối xử lý trung tâm, mạch Relay, cảm biến và nguồn 220VAC cho các thiết bị điện.
Kh i xử lý trung tâm Nhận tín hiệu tác động từ nút nhấn công tắc xử lý sau đó xuất tín hiệu điều khiển thiết bị cho khối xử lý trung tâm, kế đến gửi dữ liệu lên khối Server thông qua Router. Khối xử lý trung tâm có thể nhận dữ liệu yêu cầu điều khiển thiết bị từ server, sau đó gửi tín hiệu đến Rơle. ể điều khiển thiết bị mà server yêu cầu thông qua sự tác động của
KHỐI CẢM BIẾN KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM KHỐI NGÕ RA CÔNG SUẤT KHỐI SERVER KHỐI NGUỒN ỨNG DỤNG WEBSITE NÚT NHẤN È QU T MÁY CHIẾU TIVI KHỐI NGO I VI
ngƣời dùng. Trung tâm điều khiển hoạt động của toàn bộ hệ thống nhận tín hiệu từ Web server hoặc nút nhấn, xử lý sau đó chuyển tín hiệu điều khiển đến khối công suất thực thi, tiếp theo dữ liệu đƣợc gửi lên khối Server. ồng thời có thể điều khiển thiết bị trên Server bằng lệnh theo yêu cầu.
Kh i ngõ ra công suất: óng ngắt các tiếp điểm Relay theo sự điều khiển của ngõ ra vi điều khiển, từ đó điều khiển các thiết bị điện (220VAC). ồng thời cách ly giữa mạch công suất và mạch điều khiển.
Kh i cảm biến: Có chức năng giám sát thiết bị điện, nhiệt độ và độ ẩm của bộ điều khiển để đảm bảo tính an toàn cho hệ thống.
Kh i Server: Nhận dữ liệu điều khiển từ khối xử lý trung tâm, tiến hành lƣu trạng thái của thiết bị vào cơ sở dữ liệu. ể ngƣời dùng có thể truy cập, biết đƣợc lịch sử đóng tắt của thiết bị. Ngƣời dùng có thể sử dụng web server, tác động và điều khiển thiết bị theo nhƣ mong muốn. Khi tác động thì server sẽ tiến hành gửi dữ liệu điều khiển xuống khối xử lý trung tâm, khối xử lý trung tâm nhận đƣợc dữ liệu sẽ truyền dữ liệu điều khiển thiết bị tƣơng ứng sang khối công suất để tiến hành đóng tắt thiết bị.
Ứng dụng Website: Xử lý và gửi tín hiệu điều khiển đến vi điều khiển, điều khiển trực tiếp trên website.
Nút nhấn: Gửi tín hiệu đến vi điều khiển để điều khiển ngõ ra của vi điều khiển. Từ đó điều khiển trạng thái tắt bật của relay.
Kh i ngoại vi: Là các cơ cấu chấp hành th ng thƣờng nhƣ quạt, đèn, tivi, máy chiếu, …
2.2.2. Tính toán và thiết kế
Kh i xử lý trung tâm Khối điều khiển sử dụng board ESP32- DevKitC phát triển dựa trên module ESP32-WOOM-32 làm trung tâm, đáp ứng đƣợc yêu cầu đặt ra và có khả năng mở rộng cho nhiều ứng dụng.
Hình 2.3. Board ESP32-DevKitC
Thiết kế: oard đƣợc cấp nguồn 5VDC. Chi tiết kết nối giữa board mạch và các khối khác đƣợc thể hiện trong hình bên dƣới:
Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý board điều khiển ESP32-DevKitC
- Chân nguồn Vin số 38 và GND số 13, số 19 lần lƣợt đƣợc nối với mạch nguồn cung cấp 5VDC.
- Các chân GPIO số 5, 6, 7, 8 lần lƣợt nối với ngõ vào của các Relay tƣơng ứng.
- Chân GPIO số 4 nối với cảm biến DHT11.
Kh i ngõ ra công suất: Chọn Relay 5V, chỉ cần cung cấp nguồn 5VDC và dòng khoảng 80mA cho Relay là các tiếp điểm có thể đóng ngắt khi đƣợc kích. Bên cạnh đó, dòng điện tối đa mà Relay có thể chịu đƣợc là 10A, nên đảm bảo dòng của các thiết bị điện khi chạy qua các tiếp điểm của Relay sẽ an toàn.
* Các bộ phận chính của relay:
+ ơ cấu tiếp thu (khối tiếp thu): Có nhiệm vụ tiếp nhận những tín hiệu đầu vào và biến đổi nó thành đại lƣợng cần thiết cung cấp tín hiệu phù hợp cho khối trung gian.
+ ơ cấu trung gian (khối trung gian): Làm nhiệm vụ tiếp nhận những tín hiệu đƣa đến từ khối tiếp thu và biến đổi nó thành đại lƣợng cần thiết cho rơle tác động.
+ Cơ cấu chấp hành (khối chấp hành): Làm nhiệm vụ phát tín hiệu cho mạch điều khiển.
Hình 2.6. Cơ cấu phát tín hiệu cho mạch điều khiển
+ Relay có 3 tiếp điểm đóng ngắt NO (thƣờng mở), N (thƣờng đóng) và chân COM, ở trạng thái bình thƣờng khi chƣa đƣợc kích chân COM sẽ nối với NC, khi kích chân COM chuyển sang nối với NO, NC mất kết nối. ồng thời có 2 chân nguồn để cấp nguồn cho Relay hoạt động.
Kh i cảm biến
Hình 2.7. Cảm biến DHT11
Qua quá trình tìm hiểu chúng tôi đã chọn module HT11 để đo nhiệt độ và độ ẩm của bộ điều khiển hệ thống.
- Thông s kỹ thuật
Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật module cảm biến DHT11
iện áp hoạt động 3 - 5VDC
òng sử dụng Tối đa 2.5mA
o nhiệt độ 0 - 50℃, sai số ± 2℃
o độ ẩm 20 -80%, sai số ± 5%
- Thiết kế: Cảm biến DHT11 gồm 4 chân đƣợc kết nối: Chân VCC đƣợc nối với nguồn 5VDC; Chân GND nối với chân GND của nguồn; Chân DATA nối với chân GPIO của vi điều khiển (ESP32) qua một điện trở kéo lên nguồn.
Hình 2.8. Sơ đồ kết nối cảm biến DHT11 với ESP32
Kh i nguồn: Nguồn chính sử dụng trong mạch là nguồn 5VDC. Nguồn này đƣợc lấy từ nguồn 220VAC qua module hạ áp AC-DC về 5V để cấp cho các module: board ESP32- DevKitC, cảm biến DHT11, Relay.
Bảng 2.3: Dòng điện của các linh kiện sử dụng trong mạch điều khiển
Từ bảng trên tổng dòng tiêu thụ cho toàn bộ mạch điều khiển là 0.49A, vì vậy chúng tôi sử dụng module nguồn AC-DC 5V- 0.6A là hoàn toàn đủ để đáp ứng cho toàn mạch điều khiển.
2.3. Ó G GÓI VÀ THI Ô G Ô HÌ H 2.3.1. Đóng gói bộ điều khiển
Sau khi thi công và kiểm tra mạch đã chạy, tiến hành đóng gói bộ điều khiển.
Hình 2.9. Ảnh hộp dựng mạch điều khiển
STT T n linh kiện S l ợng Dòng tiêu thụ (mA) Tổng dòng điện (A)
1 ESP32-DevKitC 1 150 0.15
2 DHT11 1 2.5 0.0025
3 Relay 4 80 0.32
Bộ điều khiển trung tâm đƣợc đóng gói trong một hộp nhỏ gọn. Hộp này hoàn toàn cách ly với điện áp 220VA điều khiển cho ngõ ra công suất. Do đó, đảm bảo tính an toàn trong quá trình sử dụng.
2.3.2. Thi công mô hình
Hình 2.10. Mô hình mặt trong và mặt ngoài hệ thống
Mô hình là một hộp nhựa có đèn báo nguồn 12VD và đèn báo trạng thái hoạt động của từng thiết bị, đồng thời có phích cắm để nối với các thiết bị điện. Hộp điều khiển đƣợc đặt gọn trong mô hình này.
Hình 2.11. Kết nối phần cứng
2.3.3. Phần mềm lập trình vi điều khiển: VSCode (Visual Studio Code)
Giới thiệu:
VSCode (Visual Studio Code) của Microsoft là một trong những công cụ soạn thảo văn bản lập trình tốt nhất với các tính năng mạnh mẽ giống nhƣ một IDE (Integrated Development Environment), nó tích hợp sẵn trình soạn thảo, trình gỡ lỗi, công cụ thiết kế giao diện,… ồng thời nó còn hỗ trợ rất nhiều
ngôn ngữ nhƣ: / ++, Java, Objective- , Python, Node.js, SQL,… chạy trên nhiều nền tảng Windows, Mac, Linux.
Hình 2.12. Biểu tượng VSCode
u điểm: Tích hợp nhiều ngôn ngữ lập trình; Mở file nhanh, tìm kiếm nhanh, tiện lợi; Hỗ trợ làm việc trên nhiều file cùng một lúc. Giao diện trực quan, đẹp mắt; Hệ thống quản lý mã nguồn với Git. Công cụ gỡ lỗi mạnh mẽ; Tự động nhận dạng ngôn ngữ lập trình từ các file. Nhẹ, có khả năng mở rộng; Gợi ý code thông minh; Chạy trên bất kì hệ điều hành nào.
Sức mạnh của VSCode nằm ở chỗ có nhiều tiện ích miễn phí trong mục mở rộng ứng dụng, trong đó có tiện ích mở rộng để lập trình cho vi điều khiển, module, board phát triển.
i đặt phần mềm
Bước 1: Truy cập địa chỉ: https://code.visualstudio.com/ tải phiên bản phù hợp với hệ điều hành của máy tính.
Bước 2: Sau khi hoàn tất cài đặt, tiến hành khởi động phần mềm.
Hình 2.14. Giao diện khởi động VSCode
Bước 3: Tiến hành cài đặt Platform O để lập trình cho vi điều khiển. Vào mục xtensions để tìm kiếm.
Hình 2.15. Cài đặt PlatformIO IDE
Trong tiện ích này có hơn 600 board phát triển đƣợc sử dụng để lập trình cho các module, board phát triển nhƣ: Atmel AVR, Microchip PIC32, spressif 32, spressif 8266, Linux ARM, ST STM32, …
Bước 4: Tạo một dự án mới từ Platform O để lập trình cho board ESP32- DevKitC.
Hình 2.16. Tạo dự án lập trình cho board ESP32-DevKitC
Bước 5: Tiến hành viết code cho board.
Hình 2.17. Giao diện lập trình
h ơng tr nh điều khiển:
Sử dụng thƣ viện: “ nfoWifiMQTT.h”, <Wi i.h>, <MQTT.h>. Một số câu lệnh:
- Thƣ viện < nfoWifiMQTT.h>: thƣ viện tự tạo định nghĩa name, password, server, port cho hệ thống và các topic điều khiển.
- WiFi.begin(name,password): chọn Wifi kết nối. - WiFi.status (): kiểm tra trạng thái kết nối Wifi.
- client.begin (): cấu hình tên, port.
- client.onMessage (): gửi tin nhắn.
- client.publish (): đƣa trạng thái điều khiển lên Server.
- client.subscribe (): gửi trạng thái điều khiển.
- readHumidity (): đọc giá trị độ ẩm.
- readTemperature (): đọc giá trị nhiệt độ.
2.3.4. Cài đặt Hassio home assistant trên TV box RED BOX * ấu h nh RED OX
CPU: Quad Core Cortex A53 (amlogic) OS: armbian (ARM-64)
Method: Home Assistant Supervised RAM: 1GB
Hình 2.18. Máy chủ Home Assistant
Các cổng giao tiếp: 1 USB2.0; 1 MicroUSB; 1 cổng AV; 1 cổng HDMI; 1 Micro sdcard Reader; 1 cổng lan 10/100M; Tiêu thụ điện: 3.0W (nguồn