MC LC
6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
1.6.1.5. Thiết bị ngoại vi và cảm biến của ESP32
• GPIO (General Purpose Input/Output Interface): ESP32 với số lƣợng lớn chân GPIO tùy thuộc vào từng phiên bản module, mỗi chân đƣợc tích hợp nhiều chức năng khác nhau bằng cách lập trình thanh ghi. Có một số loại chân P O nhƣ: chỉ đọc dữ liệu số (0 hoặc 1), cho phép analog, cho phép cảm ứng điện dung, … Hầu hết các chân GPIO số (digital) có thể đƣợc cấu hình điện trở kéo lên (pull- up) hoặc kéo xuống (pull-down) hoặc trở kháng cao. Mỗi chân có thể có nhiều chức năng khác nhau nhƣ S O, UART, SP .
• ADC (Analog to Digital Converter): ESP32 tích hợp A 12bit và hỗ trợ đo 18 kênh. Với thiết lập thích hợp, các A có thể đƣợc cấu hình để đo điện áp tối đa 18 chân.
• DAC (Digital to Analog Converter): ESP32 có hai kênh DAC 8bit đƣợc sử dụng để chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu analog, đƣợc tích hợp điện trở và bộ đệm.
• Touch Sensor ( ảm ứng điện dung): ESP32 có 10 chân P O sử dụng đƣợc cảm ứng điện dung, phát hiện vật thể bằng cách chạm vào các chân GPIO.
• ộ điều khiển SDIO/SPI: SP32 tích hợp giao tiếp thiết bị S phù hợp với tiêu chuẩn S O, hỗ trợ các tính năng sau: Chế độ truyền SPI, SPIO 1bit, SPIO 4bit; truy cập trực tiếp đến máy chủ; ngắt để bắt đầu truyền dữ liệu; kích thƣớc khối dữ liệu lên đến 512 byte.
• UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter): ESP32 tích hợp ba UART: UART1, UART2, UART3 cung cấp chuẩn giao tiếp bất đồng bộ (RS232 và RS485) với tốc độ lên đến 5Mbps, có thể truy cập bỡi bộ điều khiển MA hoặc trực tiếp bởi PU.
• I2C Interface (Inter-Integrated Circuit): SP32 có hai giao tiếp 2 , có thể vận hành ở chế độ master hoặc slave phụ thuộc vào ngƣời sử dụng cấu hình, nó hỗ trợ: Chế độ tiêu chuẩn (100Kbit/s); Chế độ nhanh (400Kbit/s); Tốc độ lên đến 5MHz; Chế độ kép.
• I2S Interface (Inter-IC Sound): Hai giao tiếp 2S có sẵn trên SP32, có thể hoạt động ở chế độ master hoặc slave. Và đƣợc cấu hình để hoạt động ở độ phân giải 8/16/32/48/64bit làm kênh đầu vào hoặc đầu ra. Hỗ trợ tần số từ 10KHz đến 40KHz.
• iều khiển hồng ngoại từ xa (Infrared Remote ontroller): ộ điều khiển hồng ngoại từ xa hỗ trợ 8 kênh điều khiển truyền và nhận. Hỗ trợ
các giao thức hồng ngoại khác nhau.
• ộ đếm (Pulse ounter): ộ đếm counter có 7 chế độ. ó 8 kênh mỗi kênh thu đƣợc 4 tín hiệu cùng một lúc. ốn tín hiệu đầu vào bao gồm 2 tín hiệu xung và 2 tín hiệu điều khiển. Khi bộ đếm đạt đƣợc đến ngƣỡng đặt, thì một interrupt đƣợc tạo ra.
• PWM (Pulse Width Modulation): ộ điều khiển độ rộng xung (PWM) đƣợc sử dụng để điều khiển động cơ kỹ thuật số và đèn th ng minh.
• SPI (Serial Peripheral Interface): ESP32 có 3 SPI (SPI, HSPI, VSP ) ở chế độ master và slave, SP có thể kết nối đến lash/SRAM và L .
1.6.1.6. Đặc tính về điện
ác giới hạn đề nghị để module SP32-WOOM-32 hoạt động tốt.
Bảng 1.6: Các thông số đề nghị cho module ESP32-WOOM-32
ý hiệu hức năng Min ề nghị Max ơn vị
VDD iện áp cung cấp 2.7 3.3 3.6 V
I òng cung cấp 0.5 - - A
T Nhiệt độ -40 +25 +85 ℃
Module hoạt động ổn định ở điện áp 3.3V, nhiệt độ 25℃.
1.6.1.7. Sơ đồ nguyên lý module ESP32-WOOM-320
Hình 1.32. Sơ đồ nguyên lý thiết bị ngoại vi module ESP32-WOOM-32
1.6.2. Cảm biến DTH11
ảm biến nhiệt độ và độ ẩm. Hiện nay trên thị trƣờng có nhiều loại cảm biến khác nhau thực hiện chức năng đo nhiệt độ và độ ẩm: LM35, S18 20, DHT11, DHT21,… Qua quá trình tìm hiểu, chúng tôi đã lựa chọn cảm biến HT11 đo đƣợc cả nhiệt độ và độ ẩm cho bộ điều khiển 0.
1.6.2.1. Giới thiệu cảm biến DTH11
HT11 là cảm biến nhiệt độ, độ ẩm đƣợc sử dụng phổ biến với chi phí rẻ và dữ liệu đƣợc thu thập một cách dễ dàng th ng qua chuẩn giao tiếp 1 dây. ó thời gian phản hồi nhanh và khả năng chống nhiễu tốt. ồng thời cảm biến đƣợc tích hợp bộ tiền xử lý tín hiệu giúp dữ liệu đƣợc nhận chính xác mà kh ng cần tính toán.
* Thông s kỹ thuật: iện áp hoạt động: 3.3-5V; Dải độ ẩm hoạt động: 20% - 90% RH, sai số ± 5%RH; Dải nhiệt độ hoạt động: 0oC - 50oC, sai số ± 2 oC; Khoảng cách truyền tối đa: 20m; Chuẩn giao tiếp: TTL, 1-wire; Kích thƣớc: 28x12x10mm; Dòng tối đa: 2.5mA; Tần số lấy mẫu tối đa: 1Hz
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 chế độ tiêu thụ điện năng thấp cho đến khi có xung bắt đầu tiếp theo.
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.
Hình 1 chỉ ra kiến trúc hệ thống của ngôi nhà thông minh với 4 khối chính: Khối cảm biến: Thu thập thông tin từ môi trƣờng ngoài: nhiệt độ, độ
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