4.3.1. Công tắc thông minh:
4.3.1.1. Chức năng chính :
So với công tắc thông thường ở các ngôi nhà đang sử dụng, người dùng có thể bất tiện trong việc di chuyển cũng như là muốn bật/tắt một thiết bị (đèn, rèm) nhưng đang ở một nơi khác. Với vấn đề này thì công tắt thông minh này là một giải pháp hiệu quả. Với các chức năng như:
- Điều khiển bật/tắt cho đầu ra các thiết bị điện(Hỗ trợ 2 đầu vào và hai đầu ra). Đầu ra kết nối với các thiết bị điện còn đầu vào có thể cấu hính làm tín hiệu kích hoạt Cảnh/Lịch.
- Điều khiển Bật/Tắt chỉ với 1 chạm nhẹ.
- Điều khiển từ xa thông qua Internet (Sử dụng App Home Assistant). - Hẹn giờ bật/tắt tự động.
- Cơ chế nhóm trực tiếp với các thiết bị cùng loại trong mạng MQTT. Từ đó, nhóm xây dựng sơ đồ khối để thiết kế thiết bị.
4.3.1.2. Sơ đồ khối của thiết bị
Hình 4.2: Sơ đồ khối công tắc thông minh
Khối
nguồn Khối xử lí trung tâm
NodeMCU ESP-8266
Khối phát Khối thu
40
Khối xử lý trung tâm: Đóng vai trò nhận tín hiệu từ khối thu, xử lí tín hiệu đó và
gửi tín hiệu lên cho bộ điều khiển trung tâm để vận hành khối phát. Dữ liệu được lấy từ khối đọc và khối phát do bộ điều khiển trung tâm giám sát và điều khiển.
Khối nguồn: Cung cấp nguồn để các thiết bị hoạt động trong hệ thống.
Khối phát: Dùng để truyền tín hiệu đã qua xử lý từ khối xử lý trung tâm đến các
thiết bị ngoại vi.
Khối thu: Thu thập tín hiệu từ các cảm biến truyền về khối xử lý trung tâm để xử
lý.
a) Khối xử lí trung tâm của thiết bị
Sau quá trình tìm hiểu về các thiết bị điều khiển cho công tắc bật/tắt đèn thông minh nhóm quyết định chọn module NodeMCU ESP 8266 để làm bộ xử lý trung tâm cho thiết bị này. Với đặc điểm có thể tích hợp nhiều ngoại vi với các chân I/O cần thiết, có thể thu và phát wifi phù hợp giao tiếp với bộ điều khiển trung tâm (rasberry).
Hình 4.3: NodeMCU ESP8266
b) Khối thu tín hiệu
Khối thu tín hiệu trong thiết bị này đảm nhận tín hiệu đầu vào là nút nhấn đưa tín hiệu về khối xử lí trung tâm. Với yêu cầu đề ra nhóm chọn TTP223 Phím Cảm Ứng Điện Dung 1 Kênh V3.
Với Điện áp làm việc 2-5.5VDC, dòng hoạt động: 3uA (Max) phù hợp dòng ra áp ra của ESP8266. Thời gian phản hồi nhanh 60ms - 220ms, IC chính TTP223, kích thước nhỏ gọn 11.5*8mm thích hợp với sản phẩm thông minh.
41
Bảng 4.1: Nối chân giữa Module TTP223và NodeMCU ESP8266.
NodeMCU ESP-8266 TTP223
3.3V VCC
GND GND
D6 I/O
Hình 4.4: Nối chân giữa Module TTP223và NodeMCU ESP8266.
c) Khối phát tín hiệu
Với thiết bị này thì khối phát tín hiệu sẽ là đèn điện 220V mà những ngôi nhà thường sử dụng để chiếu sáng. Để vận hành bằng khối trung tâm nhóm sử dụng Module relay 5V để bật/tắt đèn.
42
Hình 4.5: Kết nối mạch
d) Khối nguồn
Về nguồn cấp cho mạch hoạt động thì nhóm không thiết kế nguồn nuôi riêng mà dùng trực tiếp nguồn điện gia đình. Thông qua bộ adapter để cung cấp đủ nguồn nuôi mạch hoạt động theo yêu cầu thì cần phải cấp nguồn 5V, dòng trung bình khoảng 200mA. Nên chúng ta sẽ chọn adapter có ngõ ra 5V - 0.5A Khi sử dụng chỉ cần cắm điện và sử dụng.
4.3.1.3. Sơ đồ nguyên lí mạch:
Sử dụng một nút nhấn đề điều khiển các thiết bị (đèn, rèm,…) thông qua relay với bộ xử lí chính là Esp8266 gửi tín hiệu điều khiển cho bộ điều khiển trung tâm hiển thị lên Home Assistant.
43
Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lí mạch công tắc thông minh
4.3.1.2. Thiết kế phần cứng 4.3.1.2.1. Vỏ hộp thiết bị 4.3.1.2.1. Vỏ hộp thiết bị
Vỏ
Hình 4.7: Mô hình vỏ của thiết bị
44
Hình 4.8: Mô hình của vỏ màn hình thiết bị
Màn hình
Hình 4.9: Mô hình màn hình cuả thiết bị
Sơ đồ lắp ráp thiết bị
45
Hình 4.10: Sơ đồ lắp ráp thiết bị
Mô phỏng thiết bị
46
4.3.2. Module nhận biết cường độ ánh sáng, chuyển động: 4.3.2.1. Chức năng chính: 4.3.2.1. Chức năng chính:
Điện năng là một nguồn năng lượng quan trọng trong cuộc sống hiện đại, chính vì vậy mà điện phải được sử dụng một cách thích hợp và hợp lí. Việc chế tạo ra một sản phẩm dựa trên nhu cầu tiết kiệm điện nhưng vẫn không tốn công sức trong việc điều khiển hệ thống chiếu sáng đem lại nhiều lợi ích cho con người.
Module nhận biết ánh sáng và chuyển động là một module cầu nối với các thiết bị thông minh khác trong bộ thiết bị thông minh. Hoạt động trên cơ sở phát hiện chuyển động khi có người đèn bật. Thiết bị có thể liên kết các thiết bị khác để tạo ra kịch bản mà người dùng mong muốn. Thiết bị được tích hợp tính năng cảm biến ánh sáng giúp điều chỉnh ánh sáng phòng một cách hợp lí nhất thông qua việc điều chỉnh đèn, rèm,…Tính năng thông minh của thiết bị đem lại sự tiện nghi, tiết kiệm điện và an toàn tuyệt đối cho người sử dụng.
Thiết bị thích hợp để sử dụng tại:
-Cầu thang, hành lang, gara, nhà xe, nhà vệ sinh -Phòng ngủ, nhà bếp, phòng khách
-Nhà thông minh
Từ những chức năng trên nhóm xây dựng sơ đồ khối để thiết kế thiết bị.
4.3.2.2. Sơ đồ khối của thiết bị:
Hình 4.12: Sơ đồ khối thiết bị
Khối xử lý trung tâm: Đóng vai trò nhận tín hiệu từ khối thu, xử lí tín hiệu đó và
gửi tín hiệu lên cho bộ điều khiển trung tâm để vận hành khối phát. Dữ liệu được lấy từ khối đọc và khối phát do bộ điều khiển trung tâm giám sát và điều khiển.
Khối xử lí trung tâm NodeMCU ESP-8266
Khối thu Khối nguồn
47
Khối nguồn: Cung cấp nguồn để các thiết bị hoạt động trong hệ thống.
Khối thu: Thu thập tín hiệu từ các cảm biến truyền về khối xử lý trung tâm để xử
lý.
a) Khối xử lí trung tâm của thiết bị
Sau quá trình tìm hiểu về các thiết bị điều khiển cho module cảm biến cường độ ánh sáng và chuyển động nhóm quyết định chọn module NodeMCU ESP-8266 để làm bộ xử lý trung tâm cho thiết bị này. Với đặc điểm có thể tích hợp nhiều ngoại vi với các chân I/O cần thiết, có thể thu và phát wifi phù hợp giao tiếp với bộ điều khiển trung tâm (rasberry).
Hình 4.13: NodeMCU ESP8266
b) Khối thu
Khối thu tín hiệu trong thiết bị này đảm nhận việc đo cường độ ánh sáng và phát hiện chuyển động. Với yêu cầu này của thiết bị nhóm đã quyết định chọn 2 module: Module cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 và Module phát hiện chuyển động PIR.
1. Module cảm biến cường độ ánh sáng BH1750
Module cảm biến cường độ ánh sáng BH1750. BH1750 có bộ tiền xử lý nên giá trị được trả ra là giá trị trực tiếp cường độ ánh sáng lux mà không phải qua bất kỳ xử lý hay tính toán nào thông qua giao tiếp I2C, mức điện áp hoạt động từ 3-5VDC, dòng cung cấp 0.5mA - 2.5mA phù hợp với dòng và áp ra của bộ xử lý trung tâm để module hoạt động bình thường.
48
Bảng 4.2: Nối chân giữa Module BH1750 và NodeMCU ESP8266.
NodeMCU ESP-8266 BH1750
5V VCC
GND GND
D1 SCL
D2 SDA
Hình 4.14: Nối chân giữa Module TDH11 và NodeMCU ESP8266.
2. Module cảm Biến Thân Nhiệt Chuyển Động PIR HC-SR501
Module Cảm Biến Thân Nhiệt Chuyển Động PIR HC-SR501. Module PIR mức điện áp hoạt động từ 5VDC, dòng cung cấp 0.5mA - 2.5mA phù hợp với dòng và áp ra của bộ xử lý trung tâm để module hoạt động bình thường. Đồng thời phạm vi phát hiện rộng 6m, góc phát hiện 360 độ. Độ nhạy có thể điều chỉnh bằng biến trở.
Bảng 4.3: Nối chân giữa Module PIR và NodeMCU ESP8266.
NodeMCU ESP-8266 PIR
5V VCC
GND GND
49
Hình 4.15: Nối chân giữa Module MQ-2 và NodeMCU ESP8266.
c) Khối nguồn
Về nguồn cấp cho mạch hoạt động thì nhóm không thiết kế nguồn nuôi riêng mà dùng trực tiếp nguồn điện gia đình. Thông qua bộ adapter để cung cấp đủ nguồn nuôi mạch hoạt động theo yêu cầu thì cần phải cấp nguồn 5V, dòng trung bình khoảng 200mA. Nên chúng ta sẽ chọn adapter có ngõ ra 5V - 0.5A Khi sử dụng chỉ cần cắm điện và sử dụng.
4.3.2.3. Sơ đồ nguyên lí mạch
Hình 4.16: Thiết kế Module cường độ ánh sáng
50 Đế thiết bị
Hình 4.17: Mô hình đế của thiết bị
Nắp
Hình 4.18: Mô hình nắp đậy của thiết bị
Tấm Lỗ led Lỗ PIR Khớp nối
51
Hình 4.19: mô hình tấm
Mô phỏng lắp ráp thiết bị
Hình 4.20: Mô phỏng lắp ghép thiết bị nhận biết ánh sáng và chuyển động
Mô phỏng
52
Hình 4.21: Mô phỏng thiết bị nhận biết ánh sáng và chuyển động đã lắp ghép
4.3.3. Module nhiệt độ độ ẩm, khói, khí gas: 4.3.3.1. Chức năng chính: 4.3.3.1. Chức năng chính:
Vấn đề hỏa hoạn xảy ra ngày một nhiều gây ra nhiều gây ra nhiều thiệt hại về người và của. Module nhiệt độ, độ ẩm, khói, khí dễ cháy hoạt động để khắc phục tình trạng đó tốt nhất có thể. Với một số chức năng giúp người dùng có thể phát hiện nguy cơ cháy nổ sớm nhất và đồng thời module này cũng tích hợp thêm cảm biến nhiệt độ, độ ẩm để có thể giám sát sự thay đôi của môi trường. Chức năng chính của module:
- Giám sát nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khói, nồng độ khí CO.
- Báo động qua Sim cho người đăng ký nhận cuộc gọi, còi báo động.
- Tích hơp app Home Assistant để giám sát từ xa qua điện thoại/máy tính bảng. - Kết nối thông qua MQTT.
- Cơ chế nhóm trực tiếp với các thiết bị cùng loại trong mạng MQTT.
53
Hình 4.22: Sơ đồ khối Module báo cháy, nhiệt độ, độ ẩm
Khối xử lý trung tâm: Đóng vai trò nhận tín hiệu từ khối thu, xử lí tín hiệu đó và
gửi tín hiệu lên cho bộ điều khiển trung tâm để vận hành khối phát. Dữ liệu được lấy từ khối đọc và khối phát do bộ điều khiển trung tâm giám sát và điều khiển.
Khối nguồn: Cung cấp nguồn để các thiết bị hoạt động trong hệ thống.
Khối phát: Dùng để truyền tín hiệu đã qua xử lý từ khối xử lý trung tâm đến các
thiết bị ngoại vi.
Khối đọc dữ liệu: đọc các thông số từ các cảm biến truyền về khối xử lý trung
tâm để xử lý.
a) Khối xử lí trung tâm của thiết bị
Sau quá trình tìm hiểu về các thiết bị điều khiển cho module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, khói và khí gas nhóm quyết định chọn module NodeMCU ESP-8266 để làm bộ xử lý trung tâm cho thiết bị này. Với đặc điểm có thể tích hợp nhiều ngoại vi với các chân I/O cần thiết, có thể thu và phát wifi phù hợp giao tiếp với bộ điều khiển trung tâm (rasberry).
Khối xử lí trung tâm NodeMCU ESP-8266
Khối phát Khối đọc dữ liệu Khối nguồn
54
Hình 4.23: NodeMCU ESP8266
b) Khối đọc tín hiệu
Khối đọc tín hiệu trong thiết bị này đảm nhận việc đọc giá trị độ ẩm, nhiệt độ, khói và khí gas. Với yếu cầu này của thiết bị nhóm đã quyết định chọn 2 module: Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DTH11 và Module cảm biến khí gas MQ-2
1. Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DTH22
Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DTH22. DHT22 là cảm biến ngõ ra số, mức điện áp hoạt động từ 3-5VDC, dòng cung cấp 0.5mA - 2.5mA phù hợp với dòng và áp ra của bộ xử lý trung tâm để module hoạt động bình thường.
Bảng 4.4: Nối chân giữa Module TDH22 và NodeMCU ESP8266.
NodeMCU ESP-8266 DHT22
5V VCC
GND GND
55
Hình 4.24: Nối chân giữa Module TDH22 và NodeMCU ESP8266.
2. Module cảm biến khí gas MQ-2
Thứ hai, Module cảm biến khí gas MQ-2. MQ-2 mức điện áp hoạt động từ 5VDC, dòng cung cấp 0.5mA - 2.5mA phù hợp với dòng và áp ra của bộ xử lý trung tâm để module hoạt động bình thường. Đồng thời phạm vi phát hiện rộng, tốc độ phản hồi nhanh, độ nhạy cao và đặc biệt ổn định hoạt động trong thời gian dài.
Bảng 4.5: Nối chân giữa Module MQ-2 và NodeMCU ESP8266.
NodeMCU ESP-8266 MQ-2
5V VCC
GND GND
56
Hình 4.25: Nối chân giữa Module MQ-2 và NodeMCU ESP8266.
c) Khối phát tín hiệu
Với thiết bị này khi có khi gas vượt quá ngưỡng thì sẽ báo động và gửi tin nhắn về cho điện thoại nên khối phát tín hiệu ở đây sẽ là chuông báo và module sim800l.
Bảng 4.6: Nối chân giữa Module chuông báo và NodeMCU ESP8266.
NodeMCU ESP-8266 Chuông báo
GND GND
D7 VCC
Bảng 4.7: Nối chân giữa Module Sim800L và NodeMCU ESP8266.
NodeMCU ESP-8266 Sim800L
5V VCC
GND GND
D1 RX
57
Hình 4.26: Sơ đồ nối chân giữa Module MQ-2 và chuông báo với NodeMCU
ESP8266.
d) Khối nguồn
Về nguồn cấp cho mạch hoạt động thì nhóm không thiết kế nguồn nuôi riêng mà dùng trực tiếp nguồn điện gia đình. Thông qua bộ adapter để cung cấp đủ nguồn nuôi mạch hoạt động theo yêu cầu thì cần phải cấp nguồn 5V, dòng trung bình khoảng 200mA. Nên chúng ta sẽ chọn adapter có ngõ ra 5V - 0.5A Khi sử dụng chỉ cần cấm điện và sử dụng.
4.3.3.3. Sơ đồ nguyên lí mạch
58
4.3.3.4. Phần cứng và lắp đặt
Vỏ của thiết bị
Hình 4.28: Mô hình vỏ đế của thiết bị
Nắp đậy
Hình 4.29: Mô hình nắp đậy của thiết bị
Lỗ module cảm biến nhiệt dộ Lỗ module MQ-2 Lỗ led
59 Mô hình lắp ráp thiết bị
Hình 4.30: Lắp ráp thiết bị cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, khói và khí gas
Mô phỏng
60
4.3.4. Module người chơi nhạc cụ: 4.3.4.1. Chức năng chính: 4.3.4.1. Chức năng chính:
Module người chơi nhạc cụ phát hiện được người ngồi lên ghế chơi đàn từ đó xây dựng kịch bản với các thiết bị khác trong các thiết bị thông minh để tạo nên một không gian thoải mái.Với chức năng trên nhóm bắt đầu xây dựng sơ đồ khối để thiết kế mạch điện cho thiết bị.
4.3.4.2. Sơ đồ khối thiết bị:
Hình 4.32: Sơ đồ khối Module người chơi nhạc cụ
Khối xử lý trung tâm: Đóng vai trò nhận tín hiệu từ khối thu, xử lí tín hiệu đó và
gửi tín hiệu lên cho bộ điều khiển trung tâm để vận hành khối phát. Dữ liệu được lấy từ khối đọc và khối phát do bộ điều khiển trung tâm giám sát và điều khiển.
Khối nguồn: Cung cấp nguồn để các thiết bị hoạt động trong hệ thống.
Khối thu: Thu thập tín hiệu từ các cảm biến truyền về khối xử lý trung tâm để xử
lý.
Khối đọc dữ liệu: Đọc dữ liệu từ các cảm biến truyền về khối xử lý trung tâm để
xử lý.
a) Khối xử lí trung tâm của thiết bị
Sau quá trình tìm hiểu về các thiết bị điều khiển cho module người chơi nhạc cụ nhóm quyết định chọn module NodeMCU ESP-8266 để làm bộ xử lý trung tâm cho thiết bị này. Với đặc điểm có thể tích hợp nhiều ngoại vi với các chân I/O cần thiết, có thể thu và phát wifi phù hợp giao tiếp với bộ điều khiển trung tâm (rasberry).
Khối xử lí trung tâm NodeMCU ESP-8266
Khối thu Khối đọc
dữ liệu Khối nguồn
61
Hình 4.33: NodeMCU ESP8266
b) Khối thu tín hiệu
Trong thiết bị này thì đóng vai trò đầu thu tín hiệu là cân nặng , trọng lượng của người ngồi xuống ghế chơi nhạc cụ. Sau quá trình tìm hiểu nghiên cứu thì nhóm chọn cảm biến Loadcell 50kg. Loadcell 50kg sử dụng để đo khối lượng của vật thể tối đa