2. Tổng quan phƣơng pháp điều khiển nhà thơng minh hiện có trên thế giớ
4.1 Giới thiệu về mơ hình
Hệ thống nhà thơng minh của nhóm em là hệ thống nhà tự động điều khiển trên trang Web. Hệ thống được thiết kế và hồn thiện bởi nhóm chúng em thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Điện – Điện tử - Viện Kỹ thuật Hutech – Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM
Tồn bộ mơ hình bao gồm ba bộ phận chính cấu tạo thành: - Phần cứng - Phần mềm 4.2 Quy trình thiết kế 4.2.1 Phần cứng 4.2.1.1 Tủ điện a) Sơ đồ mạch in
Sau khi vẽ xong sơ đồ ngun lý cho tồn mạch, nhóm sẽ tiến hành vẽ layout PCB bằng phần mềm Altium và thi công mạch thủ công.
b) Thi cơng mạch in
Nhóm tiến hành thi cơng mạch in, các khối sẽ được kết nối với nhau thông qua các header màu trắng giúp mạch gọn gàng hơn và việc kết nối phần cứng sẽ dễ dàng hơn như Hình 4.2 bên dưới.
Hình 4-2 Mạch in thi cơng của board trung tâm
c) Vị trí thiết bị trong tủ điện
Chuyển hệ thống cầu đấu dây (thanh Domino) vào khoang dưới cùng gần với esp8266 và arduino để tiết kiệm tối đa dây dẫn và có thể đấu các cầu đấu trực tiếp tới các cổng Input của esp8266.
Chuyển bộ chuyển đổi nguồn 220V AC-12V DC xuống khoang lớn nhất, nằm ở góc bên trái của esp8266 tiếp nguồn ở gần trung tâm của khoang điện và dây dẫn sẽ được đấu nối từ nguồn 220V tới bộ chuyển đổi, sau đó tới esp8266 và arduino trực tiếp và tiết kiệm dây dẫn hơn.
Hệ thống chuyển đổi nguồn điện 220V AC -12V DC sẽ được lắp đặt sao cho thuận tiện nhất trong quá trình hoạt động của động cơ.
hưởng quá nhiều đến các thiết bị khác mà liên quan với nhau nên em sẽ đấu vào sau cùng khi những thiết bị quan trọng đã được lắp vào hết.
Hình 4-3 Tổng thể các thiết bị điện trong tủ điện
4.2.1.2 Mơ hình
a) Xây dựng khung mơ hình
Mơ hình có chu vi là 55x35cm
Hệ thống khung nhựa Mica có tác dụng nâng đỡ toàn bộ cho hệ thống. Hệ thống khung được cấu tạo theo cơ cấu nằm ngang, ở dưới hệ thống khung có gắn thêm 4 thanh nhựa cứng để giúp cho khung có độ bền cao.
Hình 4-4 Hình ảnh khung mơ hình thực tế
b) Gắn các thiết bị có trong mơ hình
Ở mơ hình, em sử dụng hệ thống cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và khí gas. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và khí gas làm đảm bảo an toàn cho nhà ở.
Việc sử dụng cảm nhiệt độ, độ ẩm và khí gas cho hệ thống là một bước đi phù hợp đối với mơ hình. Mục đích của việc sử dụng cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và khí gas là nhằm mơ phỏng hệ thống an tồn ngồi thực tế vì cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và khí gas có thể hoạt động tốt ở cả khi có ánh sáng và khơng có ánh sáng, dễ dàng lắp đặt cũng như giá thành phù hợp . Độ tin cậy rất cao nên đã được ứng dụng vào các hệ thống an tồn từ lâu.
Hình 4-5 Vị trị lắp đặt cảm biến khí gas
Hình 4-6 Vị trí lắp đặt cảm biến nhiệt độ, độ ẩm
Ở mơ hình các động cơ Servo được lắp đặt ở dưới những cánh cửa để chúng có thể đóng mở cửa một cách dễ dàng và tăng độ thẩm mĩ cho mơ hình.
Hình 4-7 Vị trí lắp đặt Morto Servo
Module RFID RC522 được thiết kế nằm ở cửa chính của mơ hình
Các thiết bị như quạt và đèn sẽ được gắn vào tường.
Hình 4-9 Vị trí lắp đặt của quạt
4.2.2 Phần mềm
Nhóm sử dụng phần mềm Arduino IDE để viết chương trình bằng ngơn ngữ C, biên dịch chương trình và nạp chương trình cho board ESP8266 và Ardunino. Và xây dựng Webserver trên phần mềm Visual Studio Code.
4.2.2.1 Giới thiệu về Visual Studio Code
Phần mềm Visual Studio Code (VSC) là môi trường phát triển tích hợp (IDE) từ Microsoft, được sử dụng để phát triển chương trình máy tính cho Microsoft Windows, cũng như các trang web, các ứng dụng và dịch vụ web… VSC hỗ trợ nhiều ngơn ngữ lập trình khác nhau và cho phép trình biên tập mã và gỡ lỗi để hỗ trợ (mức độ khác nhau) hầu như mọi ngôn ngữ lập trình. Các ngơn ngữ tích hợp gồm C, C++, C# và F#.
Một số chức năng của phầm mềm Visual Studio Code: • Thanh sidebar:
Đầu tiên là biểu tượng hai tờ giấy xếp chồng lên nhau ở hình 4.10. Khung cửa sổ này chia làm hai phần: phần trên cùng là Working Files, chứa các file ta đang làm việc, còn phần bên dưới là cây thư mục, chứa toàn bộ file và folder có trong dự án. Khi rê chuột lên tiêu đề của từng phần, ta thấy một vài icon nhỏ xuất hiện bên phải. Version Control System (VCS) là công cụ không thể thiếu trong môi trường lập trình nhóm và Git là cái tên nổi bật nhất. Ta có thể dùng trực tiếp khung cửa sổ này để commit mà khơng cần nhảy qua cửa sổ dịng lệnh.
Hình 4-10 Giao diện của thanh sildebar • Trình soạn thảo:
Khung soạn thảo của Visual Studio Code trông đơn giản nhưng lại chứa nhiều tính năng nổi bật, đặc biệt có thể chia khung soạn thảo ra làm hai, thậm chí làm ba cửa sổ. Để mở thêm khung thứ hai, ta bấm Ctrl+2. Lúc này, khung mới hiện ra bên phải khung hiện tại.
Hình 0-11 Giao diện trình soạn thảo Visual Studio Code • Debug:
Cửa sổ debug chứa những thành phần ta thường thấy trong bất kì debugger: - Khung Variables chứa thông tin về các biến.
- Khung Call Stack là danh sách các hàm được gọi theo thứ tự thời gian ngược, nghĩa là hàm gọi sau sẽ nằm đầu danh sách.
- Khung Breakpoints chứa tùy chọn cho breakpoint trong quá trình debug. Hiện tại, Visual Studio Code chỉ hỗ trợ debug file JavaScript hoặc TypeScript. Có nhiều lựa chọn, nhưng đơn giản nhất là dùng Node.js. Như các file cấu hình khác, file này cũng theo định dạng JSON. Debug chia làm hai chế độ: Launch và Attach. Với Launch ta chạy debugger trực tiếp trên file, còn Attach ta sẽ gắn debugger vào một tiến trình khác đang chạy, cụ thể ở đây là Node.js
Hình 4-12 Giao diện của trang Debug
4.2.2.2 Phần mềm Arduino IDE
IDE viết tắt của cụm từ Integrated Development Enviroment là phần mềm cung cấp cho các lập trình viên một mơi trường phát triển tích hợp bao gồm nhiều cơng cụ khác nhau như chương trình viết mã lệnh hay chương trình sửa lỗi, chương trình mơ phỏng ứng dụng khi chạy tế hay simulator được viết bằng Java, và được dẫn xuất từ IDE cho ngôn ngữ lập trình xử lý và các dự án lắp ráp. Do có tính chất mã nguồn mở nên mơi trường lập trình này hồn tồn miễn phí và có thể mở rộng thêm bởi người có kinh nghiệm.
Ngơn ngữ lập trình của Arduino chính là C/C++, nhưng so với lập trình lập trình trực tiếp với vi điều khiển, lập trình với Arduino đơn giản hơn nhiều vì chúng ta chỉ phải giao tiếp với phần cứng thơng qua các thư viện có sẵn, có thể xem như các lớp C++ wrapper lên các giao tiếp với phần cứng.
Người sử dụng chỉ cần định nghĩa hai hàm để thực hiện một chương trình hoạt động theo chu trình:
- Setup(): hàm chạy một lần duy nhất vào lúc bắt đầu của một chương trình dùng để khởi tạo các thiết lập.
- Loop(): hàm được gọi lặp lại liên tục cho đến khi bo mạch được tắt. Một số chức năng của phần mềm Arduino IDE
Như đã phân tích ở trên về các đặc điểm nổi bật mà phần mềm Arduino IDE, để có một cách nhìn rõ ràng hơn về phần mềm này chúng em sẽ phân tích các chức năng nổi bật trên thanh công cụ mà phần mềm này mang lại. Thanh công cụ bao gồm: File menu, Sketch menu, Tools menu, và Arduino ToolBar.
• File menu
Trong file menu cần quan tâm tới mục Examples, đây là nơi chứa các chương trình mẫu đơn giản như: cách sử dụng các chân digital, analog, sensor… Bên cạnh đó, trong cơng cụ này chúng ta có thể tạo dự án mới, mở dự án…Hình 4- 13 bên dưới mơ tả về giao diện của file menu.
Hình 4-13 Giao diện các lệnh để thao tác với chương trình của File menu
• Sketch menu
Một số chức năng của thanh Sketch menu:
- Import Library: thêm thư viện từ bên ngoài cho IDE.
Hình 4-14 Giao diện các lệnh để thao tác với chương trình của Sketch • Tool menu
Trong Tool menu ta quan tâm các mục Board và Serial Port. Trong muc Board, cần phải lựa chọn board mạch cho phù hợp với loại board sử dụng. Nếu sử dụng loại board khác thì phải chọn đúng loại board mà mình đang có, nếu sai khi upload chương trình vào chip sẽ bị lỗi. Nếu là Arduino mega 2560 thì phải chọn như hình 4.15. Serial Port: đây là nơi lựa chọn cổng Com của Arduino. Khi chúng ta cài đặt driver thì máy tính sẽ hiện thơng báo tên cổng Com để nạp code, nếu chọn sai thì khơng thể nạp code cho Arduino.
Hình 4-15 Giao diện về các lệnh để thao tác với chương trình của Tool menu • Arduino Toolbar
Arduino Toolbar có một số chức năng như sau: - Verify: kiểm tra code có lỗi hay khơng.
- Upload: nạp code đang soạn thảo vào Arduino. - New, Open, Save: tạo mới, mở và lưu sketch.
- Serial Monitor: đây là màn hình hiển thị dữ liệu từ Arduino gửi lên máy tính.
Hình 4-16 Giao diện về các lệnh để thao tác với chương trình của Toolbar
4.2.3 Lƣu đồ giải thuật
Nguyên lý hoạt động
Arduino sẽ ln đọc tín hiệu cảm biến khí gas, bộ độc RIFD, dữ liệu ESP8266 và cảm biến nhiệt độ. Với vòng lặp 2s, Arduino sẽ đọc dữ liệu từ cảm biến nhiệt độ DHT11 sau đó sẽ truyền dữ liệu này cho ESP8266 thông qua UART và ESP8266 sẽ đưa dữ liệu này lên Web Server. Sau khi được xử lý Server sẽ cho phép hiển thị giá trị đọc được trên giao diện Web.
Đối với tín hiệu gas, khi hệ thống phát hiện khí gas rị rì thì hệ thống sẽ bật chế độ khẩn cấp và cho tất cả các cửa sổ (servo) và quạt hoạt động để giải thốt khí gas, đồng thời sẽ gọi điện khẩn cấp đến chủ nhà. Sau khi, khí gas được giải thốt đồng nghĩa với việc cảm biến khí gas trả về trạng thái bình thường, thì hệ thống sẽ hoạt động lại như ban đầu
Bắt đầu
Bật/Tắt thiết bị tương ứng
Cảm biến khí gas? Cảnh báo, gọi điện và gửi dữ liệu lên Server
Bộ đọc RFID? So sánh ID?
Mở cổng chính và gửi dữ liệu lên Server Dữ liệu từ ESP? Đúng Sai Đúng Sai Đúng Sai Sai Đúng Dữ liệu nhiệt độ? Gửi dữ liệu lên Server
Đúng
Sai
Đối với tín hiệu RFID, khi hệ thống nhận tín hiệu RFID và ID kèm theo, hệ thống sẽ so sánh ID nhận được và ID đã được gửi trong bộ nhớ. Nếu sai thì sẽ cảnh cáo và khơng mở cửa, ngược lại thì sẽ mở cửa sau 2s sẽ đóng cửa.
Đối với tín hiệu từ ESP8266, khi hệ thống được điều khiển thơng q Web thì Server sẽ truyền tải tín hiệu điều khiển cho ESP8266. Sau khi ESP8266 sẽ truyền dữ liệu cho Aruduino thông qua UART, tại đây dữ liệu sẽ được xử lý và bật/tắt thiết bị tương ứng.
Chƣơng 5 THI CƠNG
5.1 Thơng số tổng qt của mơ hình
Nguồn điện: 220V Chiều dài: 55cm Chiều rộng: 35cm Chiều cao: 30cm 5.2 Các bƣớc thi cơng a) Phần cơ khí
Bước 1: Cắt các miếng nhựa Mica theo đúng thơng số để tạo thành khung mơ hình và để lắp rắp thành tường của các phịng trong mơ hình.
Bước 2: Dán các miếng nhựa theo theo chiều dọc để tạo thành các tường của các phòng Bước 3: Khoan lỗ trên mơ hình để có thể đưa dây điện từ dưới lên một cách dễ dàng.
Bước 4: Dán các thiết bị điện lên tường của từng phòng.
Bước 5: Canh chỉnh dây điện để cho các thiết bị điện hoạt đọng trơn tru. Khi đã hoạt động trơn tru thì ta bơi keo vào để củng cố đường dây điện.
Bước 6: Trang trí cho mơ hình. b) Phần điện, điều khiển:
Bước 1: Cố định các thiết bị điện, máng đi dây vào tủ điện bằng ốc, vít Bước 2: Bấm đầu cosse các dây dẫn để tăng tiết diện tiếp xúc cũng như chắc chắn hơn, thẩm mĩ hơn khi đấu vào thiết bị
Bước 3: Đấu dây điện vào phích cắm để lấy điện 220V vào thẳng nguồn tổ ong
Bước 4: Khi cấp nguồn esp8266 và arduino, ta nối cổng COM đầu vào của esp8266 và arduino để hai vi xử lý nhận được tín hiệu nguồn
Bước 5: Ta đấu dây từ nguồn tổ ong vào thanh domino để cung cấp nguồn cho mơ hình.
Bước 6: Đấu dây cho relay: Ta đấu relay ra tất cả các cổng out của esp8266 và arduino để điều khiển nhiều relay trung gian nhất.
Bước 7: Đấu tụ vào động cơ theo sơ đồ của nhà sản xuất rồi đưa vào chân của relay
Bước 8: Bật công tắc lên cấp nguồn cho mơ hình: nếu đấu đúng thì esp8266 và arduino báo sáng và kêu khởi động, nguồn tổ ong sáng.
Bước 9: Cho hoạt động mơ hình để kiểm tra xem các cảm biến hoạt động có chập chờn hay ổn định. Động cơ hoạt động mượt mà hay giật cục, đèn sáng hay chớp nháy
5.3 Nguyên lý làm việc
Bước 1: Ta đăng nhập vào trang web http://smart-home-
hutech.herokuapp.com/?fbclid=IwAR2fhFyEiVROpr5zSP_auW4BRl_116qg wjc9ar_ N74GIFyBFLzGl78oC7rI
Hình 5-1 Giao diện Web
Bước 2: Ta đăng nhập tài khoản là admin và mật khẩu là admin thì sẽ đăng nhập được vào trang web để điều khiển.
Hình 5-2 Giao diện Web khi đăng nhập
Bước 3: Cấp nguồn vào mơ hình
Hình 5-3 Ta cấp nguồn vào mơ hình
Hình 5-4 Nguồn tổ ong và mạch điều khiển được cấp điện Bước 4: Bấm Start để khởi động hệ thống (Đèn xanh lá)
Hình 5-5 Ấn nút Start khởi động mơ hình
Hình 5-6 Trạng thái ESP và trạng thái hoạt động chuyển qua màu xanh khi ta ấn
nút Start.
Bước 5: Ta ấn vào nút ON để khởi động bất kì thiết điện nào trên giao diện Web.
Hình 5-7 Hình ảnh các nút của thiết trong hệ thống trong mơ hình đang được kích hoạt.
Hình 5-8 Mơ hình khởi động sau khi ta mở nút ON trên Web Bước 6: Ta dùng thẻ Mifare để mở cửa chính của mơ hình
Hình 5-9 Ta dùng thẻ để mở cửa chính
Hình 5-10 Hình ảnh tất cả cửa sổ trong mơ hình mở ra khi bị báo động khí gas. Bước 8: Ta thử các nút nhấn trên tủ điện (nút cửa số phòng khách).
Hình 5-11 Hình ta nhấn nút cửa sổ phịng khách
Hình 5-12 Cửa số phòng khách mở Bước 9: Ấn nút Off để tắt mơ hình (Đèn mảu đỏ)
5.4 Video giới thiệu mơ hình
video thuyet trinh.mp4
Chƣơng 6 ĐÁNH GIÁ
6.1 Kết quả đạt đƣợc
Mơ hình hoạt động trơn tru, ổn định.
Hoạt động với tính ổn định cao, tín hiệu đầu vào tốt, khơng bị chập chờn. Đạt yêu cầu thiết kế đề ra.
6.2. Đánh giá tổng quan tồn bộ mơ hình.
Mơ hình đã được hồn thành, hệ thống đã hoạt động. Các yêu cầu đề ra như mở cửa bằng thẻ RFID, điều khiển các thiết bị điện qua trang Web cũng được hồn thành.
Mơ hình hoạt động với điện áp từ 12V trở xuống nên an tòa đối với người sử dụng. Các thao tác trên trang Web đơn giản và dễ sử dụng
Thời gian điều khiển và so sánh dữ liệu với NodeJS để mở điều khiển mô