MC LC
6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
1.6.2.2. Nguyên lý hoạt động:
HT11 chỉ sử dụng 1 dây để giao tiếp. Quá trình giao tiếp đƣợc chia làm 3 bƣớc: đầu tiên là gửi yêu cầu đến cảm biến, kế đến cảm biến sẽ gửi xung phản hồi và sau đó nó bắt đầu gửi dữ liệu tổng cộng 40bit đến vi điều khiển.
Hình 1.33. Sơ đồ chân DHT11
Bắt đầu xung
Hình 1.34. Xung bắt đầu DHT11
ể bắt đầu giao tiếp với HT11, đầu tiên ta gửi xung bắt đầu đến cảm biến. ể cung cấp xung bắt đầu, kéo chân dữ liệu xuống mức thấp trong thời gian tối thiểu 18ms và sau đó kéo lên mức cao.
Phản ứng
Hình 1.35. Gửi xung phản hồi của DHT11
Sau khi nhận đƣợc xung bắt đầu, cảm biến sẽ gửi xung phản hồi, để cho biết HT11 đã nhận đƣợc xung bắt đầu. Xung phản hồi ở mức thấp trong khoảng thời gian 54us, sau đó ở mức cao 80us.
Dữ liệu
Hình 1.36. Gửi dữ liệu chứa bit 0, bit 1
Sau khi gửi xung phản hồi, DHT11 sẽ gửi dữ liệu chứa giá trị nhiệt độ và độ ẩm. Khung dữ liệu dài 40bit, đƣợc chia làm 5 phần (byte), mỗi phần 8bit. Trong 5 phần này, hai phần đầu tiên sẽ chứa giá trị độ ẩm, 8bit đầu tiên là giá trị phần nguyên, 8bit còn lại chứa giá trị thập phân. Hai phần tiếp theo sẽ chứa giá trị nhiệt độ (°C) ở dạng số thập phân. Phần cuối cùng là 8bit để kiểm tra cho phần đo nhiệt độ và độ ẩm. Sau khi nhận đƣợc dữ liệu, chân DHT11 sẽ ở
Kết thúc
Hình 1.37. Kết thúc đọc giá trị của DHT11
Sau khi gửi dữ liệu 40bit, DHT11 sẽ ở mức thấp 54us rồi lên mức cao và sau đó nó chuyển sang chế độ ngủ.
1.7. ỘT SỐ GHIÊ ỨU IÊ QUA .
ể triển khai làm đề tài này, chúng t i đã tìm hiểu và tham khảo một số bài báo có chủ đề nghiên cứu liên quan nhƣ:
1.7.1. Nghiên cứu xây dựng mô hình điều khiển nhà thông minh sử dụng kết nối Bluetooth, GSM.
ề tài này của nhóm tác giả: Võ Minh Phụng, ƣơng Thị Thanh Hiên, Võ Tiến Phúc, Khoa vật lý, Trƣờng ại học à Lạt, Lâm ồng, Việt Nam, ngày duyệt đăng: 08/08/2018. ăng trên Tạp chí Khoa học ại Học à Lạt, tập 8, số 3, 2018 49–60.
Hình 1 này biểu diễn sơ đồ khối và các chức năng của hệ thống điều khiển nhà thông minh. Nhiệm vụ chính của khối nguồn là chuyển đổi điện lƣới 220VAC sang nguồn điện một chiều với các mức điện áp 12V, 5V, 3.3V DC cung cấp nguồn hoạt động cho khối điều khiển trung tâm và các khối khác trong hệ thống. Khối điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển ATMega16
đóng vai trò điều khiển cho toàn bộ hoạt động của hệ thống, tiếp nhận tín hiệu từ các cảm biến ngoài m i trƣờng và thực hiện xử lý tƣơng ứng. Từ đó đƣa ra tín hiệu điều khiển đến các thiết bị ngoại vi; ồng thời thực hiện thu phát dữ liệu thông qua khối Bluetooth hoặc GSM, sử dụng ứng dụng trên điện thoại di động để điều khiển các thiết bị ngoại vi.
Khối thu phát Bluetooth và GSM thực hiện thu phát dữ liệu để thực hiện tƣơng tác qua lại giữa khối điều khiển trung tâm và phần mềm điều khiển trên điện thoại di động thông qua công nghệ không dây Bluetooth và GSM. Khối đóng mở cửa RFID sử dụng công nghệ đọc thẻ từ R để đóng và mở cửa, tạo sự thuận tiện và bảo mật cho ngƣời sử dụng. Khối cảm biến ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm có chức năng thu nhận các tín hiệu từ điều kiện m i trƣờng bên ngoài và gửi cho bộ xử lý trung tâm để thực hiện điều khiển tƣơng tác với các thiết bị ngoại vi.
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.