ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG: ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG HỆ THỐNG THEO DÕI MÔI TRƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ THÔNG QUA WEB SERVER

Lý do lựa chọn đề tài Đất nước ta đang trong giai đoạn phát triển nền cách mạng công nghiệp 4.0, và nhà thông minh cũng là một trong những ứng dụng trong cuộc cách mạng này Sự kết hợp nh

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

MÔN

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG

ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG HỆ THỐNG THEO DÕI MÔI TRƯỜNG

VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ THÔNG QUA WEB SERVER

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Ngọc Minh

Nhóm thực hiện: Nhóm 13 Thành viên nhóm: Bùi Ngọc Anh – B17DCDT003

Nguyễn Đình Tuấn – B17DCDT203

Vũ Quang Duy – B17DCDT055 Trần Lam Trường – B17DCDT195

Hà Nội - 2021

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian lên ý tưởng cũng như thời gian thực hiện và hoàn thành

đồ án thiết kế hệ thống nhúng với đề tài “Thiết kế hệ thống giám sát nhiệt độ, độ

ẩm và điều khiển thiết bị thông qua web server” chúng em đã nhận được sựhướng dẫn tận tình từ giảng viên hướng dẫn Tiến sĩ Nguyễn Ngọc Minh cũngnhư sự tạo điều kiện từ học viện để bọn em có thể hoàn thiện tốt nhất đồ án củamình

Vì vậy chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Tiến sĩ Nguyễn NgọcMinh

Tuy nhiên do thời gian hoàn thành đồ án cũng như kiến thức và kinhnghiệm còn hạn chế nên đồ án của chúng em không tránh khỏi thiếu sót Chúng

em mong nhận được ý kiến góp ý từ hội đồng để em có thể hoàn thành chỉnh chunhất đề tài của mình

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

2.6.4 Mô hình Pub/Sub và cơ chế hoạt động 19

3.2 Giao tiếp ESP8266 – MQTT – WEB SERVER 23

3.3 Xây dựng Web Server 25

56

LỜI MỞ ĐẦU

1 Lý do lựa chọn đề tài

Đất nước ta đang trong giai đoạn phát triển nền cách mạng công nghiệp

4.0, và nhà thông minh cũng là một trong những ứng dụng trong cuộc cách mạng

này

Sự kết hợp những tính năng ưu việt của smartphone, máy tính bảng, hay

laptop cùng với những thiết bị dân dụng, mang lại cho con người những sự trải

nghiệm tự động, góp phần làm cho điều kiện sống của con người ngày càng nâng

cao, nên chúng em quyết định chọn đề tài

2 Mục tiêu nghiên cứu

Giám sát hệ thống nhiệt độ, độ ẩm

3 Kết cấu đồ án

Chuyên đề thực tập bao gồm 3 chương chính:

Chương 1:Đặt vấn đề nghiên cứu

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Thiết kế điều khiển và giám sát

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Giới thiệu nhà thông minh

Nhà thông minh, ( tiếng anh là Smart Home ) hoặc hệ thống nhà thôngminh là một ngôi nha/căn hộ được trang bị hệ thống tự động tiên tiến dành choviệc điều khiển đèn chiếu sáng, các thiết bị điện tử trong nhà ,nhiệt độ, độ ẩm,…

và nhiều tính năng khác nhằm mục đích làm cho cuộc sống ngày càng tiện nghi,

an toàn và góp phần sử dụng hợp lí các nguồn tài nguyên

Một ngôi nhà được coi là thông minh, bởi vì hệ thống máy tính,smartphone của người sử dụng có thể giám sát được các khía cạnh diễn ra xungquanh ngôi nhà Một ví dụ cơ bản của nhà thông minh là giám sát nhiệt độ, độ

ẩm, ánh sáng để có thể điều khiển các thiết bị trong nhà cho phù hợp, có thể bậttắt các thiết bị từ xa khi lỡ quên, điều khiển độ sáng của đèn cho phù hợp vớiphong cảnh, hệ thống cảnh báo khí gas, điều chỉnh rèm cửa, hệ thống tưới nước,

…

Các chức năng được thực hiện bằng việc ghép nối các thiết bị điện trongnhà với bộ điều khiển trung tâm, qua hệ thống máy tính, điện thoại có kết nốiinternet để theo dõi trạng thái và đưa ra quyết định phù hợp

Nhà thông minh được hình dung từ rất lâu qua những tác phẩm khoa họcviễn tưởng, nhưng giờ đây, nhờ sự phát triển vượt bậc của công nghệ thông tin,

kĩ thuật điện, điện tử mà nó đã được đưa vào ứng dụng thực tế Công nghệ ngàycàng tinh vi, các tín hiệu điều khiển và giám sát được mã hoá truyền đi thông quanhững hệ thống không dây, hay có dây, phạm vi truyền rất xa ( các hệ thốngLoraWan ) truyền đến các bộ chuyển mạch, ổ điện được thiết kế chuyên dụng đểvận hành các thiết bị trong nhà Sự tự động hoá này đặc biệt có ích với nhữngngười khuyết tật, hay người già khi cơ thể không còn được khoẻ mạnh, nó cũnggóp phần tiết kiệm thời gian cho mọi người

Bạn trở về nhà sau một chuyến đi công tác dài ngày, vậy điều bạn cần lúcnày là gì? Một phòng khách sáng đèn đón chờ? Một không gian ấm áp giữa tiếttrời mùa đông lạnh lẽo? Một điệu nhạc du dương hợp “gu”? Hay một bình nướcnóng chờ sẵn?

Thấu hiểu chính là “đỉnh cao” của trí thông minh nhân tạo nói chung vànhà thông minh nói riêng Căn nhà có thể được xây dựng “kịch bản” để hiểuđược chủ nhân của nó muốn gì và cần gì Mở cửa ra và được đón chào bởi tất cả

những điều mình cần – đó là lý do tất cả mọi người đều mong muốn sở hữu mộtcăn nhà xây dựng theo mô hình “thông minh”.

Việc lắp đặt các sản phẩm, các thiết bị nhà thông minh mang lại cho ngôinhà cùng chủ nhân của nó vô vàn tiện ích như công nghệ đã mang lại cho chúng

ta trong 30 năm gần đây

Các thành phần của hệ thống nhà thông minh cơ bản bao gồm các cảmbiến như: cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến khí gas, cảm biến âm thanh,chuyển động,… các bộ điều khiển như: STM32, Arduino, họ vi điều khiển 8051,

…, khối thu phát tiến hiệu: wifi (Esp8266, Esp32), Bluetooth, Lora, và một sốthiết bị chung chuyển khác như Relay,…

1.2 Đặt bài toán

Do thời gian hoàn thành đồ án có hạn, nên trong đồ án này, chúng em xâydựng một hệ thống điều điều trung tâm có một số tính năng cơ bản của ngôi nhàthông minh như sau:

- Đóng mở thiết bị từ xa thông qua web server

- Đóng mở thiết bị bằng giọng nói thông qua google assistant

- Hiển thị nhiệt độ, độ ẩm, độ sáng của căn phòng lên LCD và máy tính,điện thoại, hay các thiết bị giám sát

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT2.1 Tổng quan về Internet of Things

2.1.1 Giới thiệu về Internet of Things

Internet of Things (viết tắt IoT) mô tả mạng lưới kết nối vạn vật Khi mà

mỗi đồ vật hay cả con người được cung cấp một định danh riêng và tất cả có khả

năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất IoT phát triển

từ sự kết hợp của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet

2.1.2 Ứng dụng của IoT

IoT có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực:

- Quản lí chất thải

- Quản lí môi trường

- Phản hồi nhanh trong các tình huống khẩn cấp

- Mua sắm thông minh

- Y tế từ xa

- Nhà thông mình,…

2.1.3 Đặc điểm của công nghệ IoT

Điểm quan trọng nhất của IoT đó là các đối tượng phải có thể được nhậnbiết và định dạng Nếu mọi đối tượng, kể cả con người, được “đánh dấu” để phânbiệt bản thân đối tượng đó với những thứ xung quanh thì chúng ta có thể hoàntoàn quản lí được nó thông qua máy tính hay các thiết bị thông minh(smartphone,…) thông qua các mạng kết nối như Wifi, Lora, mạng viễn thôngbang rộng 3G, 4G, Bluetooth

2.2 Tổng quan về mạng Wifi

Wifi là viết tắt của Wireless Fidelity hay mạng 802.11 là hệ thống mạngkhông dây sử dụng sóng vô tuyết, gần như điện thoại di dộng, truyền hình vàradio Hệ thống cho phép truy cập Internet tại những khu vực có song Wifi hoàntoàn không cần dung đến cáp nối

Sóng Wifi : Các song vô tuyết sử dụng cho wifi gần giống với các sóng vôtuyến dung cho các thiết bị cầm tay, thiết bị di dộng,… Nó có thể truyền và nhận,chuyển đổi các mã nhị phân 1 và 0 sang sóng vô tuyến và ngược lại

Tuy nhiên, sóng Wifi có một số khác biệt: Chúng truyền và phát tín hiệu ởtần số 2.4GHz hoặc 5Ghz Tần số này cao hơn so với các tần số sử dụng cho điệnthoại di dộng, tần số cao cho phép mang theo nhiều dữ liệu hơn

2.3 Giới thiệu về Website, Webserver và NodeJs, MySQL

2.3.1 Về Website

Website là một tập hợp các trang web có liên quan với nhau Mỗi trangWeb là một tài liệu siêu văn bản Tài liệu này có thể chứa văn bản, âm thanh,

hình ảnh,… được mã hoá đặc biệt, sử dụng ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản –HTML Hyper Text Markup Languages.

Mỗi Website được lưu trữ trên một máy chủ ( Server ) phục vụ Web, vốn

là các máy chủ Internet lưu trữ các trang web riêng lẻ

2.3.2 Máy chủ Web ( Web server )

Ở khía cạnh phần cứng, một web server là một máy tính lưu trữ các filethành phần của một website (ví dụ: các tài liệu HTML, các file ảnh, css,…) và cóthể phân phát chúng đến với các thiết bị của người dung (client) Nó kết nối tớimạng Internet và có thể truy cập tới thông qua một tên miền

Bất cứ khi nào một trình duyệt cần một file được lưu trữ trên một webserver, trình duyện yêu cầu file đó thông qua HTTP Khi một yêu cầu tới đúngweb server, HTTP server sẽ gửi tài liệu được yêu cầu trở lại cũng thông quaHTTP

2.3.3 Giới thiệu về NodeJS và JavaScript

2.3.3.1 NodeJS

NodeJS là một Framework được xây dựng trên nền tảng V8 JavaScriptEngine – trình thông dịch thực thi mã JavaScript, giúp xây dựng các ứng dụngweb một cách đơn giản, dễ dàng

Một số điểm mạnh của NodeJS:

- Dễ dàng phát triển cả client và server với một ngôn ngữ duy nhất là

JavaScript

- Tốc độ xử lý nhanh

- Nhiều framework hỗ trợ, dễ cài đặt

Ứng dụng:

- Sử dụng chủ yếu để xây dựng các ứng dụng Web

- Phổ biến để xây dựng các ứng dụng doanh nghiệp

- Khá mạng trong việc lập trình nhúng

2.3.3.2 JavaScript

JavaScript là ngôn ngữ lập trình phổ biến nhất trên thế giới trong suốt 20năm qua Nó cũng là một trong số 3 ngôn ngữ chính của lập trình web:

 HTML: Giúp bạn thêm nội dung cho trang web.

 CSS: Định dạng thiết kế, bố cục, phong cách, canh lề của trang web

 JavaScript: Cải thiện cách hoạt động của trang web

Tăng tính tương tác trên website Chạy trên các trình duyệt của ngườidung Dễ dàng tăng thêm chức năng cho website mà không phải code từ đầu

2.3.4 MySQL

MySQL là một hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu mã nguồn mở (RelationalDatabase Management System, viết tắt là RDBMS) hoạt động theo mô hìnhclient-server RDBMS là một phần mềm hay dịch vụ dùng để tạo và quản lý các

cơ sở dữ liệu (Database) theo hình thức quản lý các mối liên hệ giữa chúng

2.4.1.2 Thông số kỹ thuật và sơ đồ chân

- Ic chính ESP8266 Wifi SoC

- Chip nạp CP2102

- Nguồn cấp 5vdc

- GPIO giao tiếp mức logic 3.3v

2.4.1.3.Các chức năng chính:

- Có thể quét và kết nối đến một mạng Wifi bất kì để thực hiện tác vụ

- Tạo điểm truy cập WiFi cho phép các thiết bị khác kết nối, điều khiển

- Là một server để xử lý dữ liệu từ các thiết bị sử dụng Internet khác

bộ tiền xử lí tín hiệu giúp nhận giữ liêu về chính xác mà không cần tính toánnhiều

Module cảm biến DHT11 gồm 2 chân cấp nguồn: VCC, GND và 1 chântín hiệu như trong hình dưới đây

Thông số kỹ thuật:

- Điện áp hoạt động: 3 > 5V

- Dải nhiệt độ đo: 0 -> 50°C với độ chính xác là ±2°C

- Dải độ ẩm đo: 20 -> 80% với độ chính xác là 5%

- Nguồn cấp 3.3~5 VDC

- Đầu ra digital DO (0 và 1)

- Đầu ra điện áp analog AO

Cảm biến quang điện trở nhạy nhất với ánh sáng môi trường, thườngđược sử dụng để phát hiện cường độ của ánh sáng xung quanh

Khi mức ánh sáng xung quanh chưa đạt đến ngưỡng, DO ở mức cao Khimức ánh sáng xung quanh vượt quá ngưỡng được thiết lập, đầu ra DO ở mứcthấp.

Đầu ra DO có thể được kết nối trực tiếp với vi điều khiển hoặc cácmodule khác (có thể là các mạch điều khiển ánh sáng)

Đầu ra AO có thể được kết nối với vi điều khiển thông qua chức năngADC, bạn có thể nhận được các giá trị cường độ ánh sáng xung quanh chính xáchơn

2.4.3 LCD 20x04 và module I2C

2.4.3.1 LCD 20x04

LCD 20x4là loại màn hình tinh thể lỏng nhỏ dùng để hiển thị chữ hoặc sốtrong bảng mã ASCII Mỗi ô của Text LCD bao gồm các chấm tinh thể lỏng, cácchấm này kết hợp với nhau theo trình tự “ẩn” hoặc “hiện” sẽ tạo nên các kí tự cầnhiển thị và mỗi ô chỉ hiển thị được một kí tự duy nhất

LCD 20x4 nghĩa là loại LCD có 4 dòng và mỗi dòng chỉ hiển thị được 20

kí tự Đây là loại màn hình được sử dụng rất phổ biến trong các loại mạch điện

•Thông số kỹ thuật

- Điện áp hoạt động: 5VDC

- Dòng điện tiêu thụ: 350uA - 600uA

- Nhiệt độ hoạt động: -30°C đến 75°C

- Kích thước 96 x 60 mm, chữ đen, nền xanh lá

- Đèn Led nền có thể điều khiển bằng biến trở hoặc PWM

- Có thể điều khiển bằng 6 chân tín hiệu

- Hỗ trợ hiển thị bộ kí tự tiếng Anh và tiếng Nhật

• Sơ đồ chân

Sơ đồ chân của LED text 20x04 giống vối các sản phẩm LED text thông thường với 16 chân nhưng module sửa dụng thêm IC tích hợp giao tiếp I2C do

đó người dùng cần kết nối với 4 chân I2C

- VSS: tương đương với GND - cực âm

- VDD: tương đương với VCC - cực dương (5V)

- Constrast Voltage (Vo): điều khiển độ sáng màn hình

- Register Select (RS): lựa chọn thanh ghi (RS=0 chọn thanh ghi lệnh, RS=1 chọn thanh ghi dữ liệu)

- Read/Write (R/W): R/W=0 ghi dữ liệu , R/W=1 đọc dữ liệu

- Enable pin: Cho phép ghi vào LCD

- D0 - D7: 8 chân dữ liệu, mỗi chân sẽ có giá trị HIGH hoặc LOW nếu bạn đang ở chế độ đọc (read mode) và nó sẽ nhận giá trị HIGH hoặc LOW nếuđang ở chế độ ghi (write mode)

- Backlight (Backlight Anode (+) và Backlight Cathode (-)): Tắt bật đèn màn hình LCD

- Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt

- Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD

2.4.4 Khối relay và cách li

2.4.4.1 Giới thiệu OPTP PC817

PC817 là một opto được sử dụng rất phổ biến, nó chứa một LED hồngngoại và một transistor quang trong một gói Opto hay còn được gọi là cách lyquang là những linh kiện dạng IC có từ 4 chân đến nhiều chân, chủ yếu được sửdụng để cách ly hai mạch với nhau

Hoạt động của nó rất đơn giản, khi một điện áp được đặt vào LED hồngngoại được nối trên chân 1 và 2, LED sẽ được kích hoạt và ánh sáng được nhậnbởi transistor quang bên trong làm cho nó ở trạng thái bão hòa từ đó nối chân 3

và 4 với nhau PC817 là một opto được sử dụng rộng rãi và hoạt động trongmạch điện tử chỉ với nhiệm vụ cách ly Nếu bạn cần nhiều tác vụ cách ly hơncùng lúc thì bạn cũng có thể sử dụng các opto khác có chứa vài LED hồng ngoại

và transistor quang trong một gói duy nhất

2.4.4.2 Relay

Relay hay còn gọi là rơ – le là tên gọi theo tiếng Pháp, là một công tắc(khóa K) điện từ được vận hành bởi một dòng điện tương đối nhỏ có thể bật hoặctắt một dòng điện lớn hơn nhiều Bản chất của relay là một nam châm điện (mộtcuộn dây trở thành một nam châm tạm thời khi dòng điện chạy qua nó) và hệthống các tiếp điểm đóng cắt có thiết kế module hóa dễ dàng lắp đặt Bạn có thểnghĩ relay sẽ như một loại đòn bẩy điện vậy, khi chúng ta kích nó bằng một dòngđiện nhỏ thì nó sẽ bật “đòn bẩy” một thiết bị nào đó đang sử dụng dòng điện lớnhơn nhiều

2.5 Giao thức I2C

Giới thiệu về giao tiếp I2C

I2C là tên viết tắt của cụm từ tiếng anh “Inter-Integrated Circuit” Nó làmột giao thức giao tiếp được phát triển bởi Philips Semiconductors để truyền dữliệu giữa một bộ xử lý trung tâm với nhiều IC trên cùng một board mạch chỉ sửdụng hai đường truyền tín hiệu

Do tính đơn giản của nó nên loại giao thức này được sử dụng rộng rãi chogiao tiếp giữa vi điều khiển và mảng cảm biến, các thiết bị hiển thị, thiết bị IoT,EEPROMs, v.v …

Đây là một loại giao thức giao tiếp nối tiếp đồng bộ Nó có nghĩa là các bit

dữ liệu được truyền từng bit một theo các khoảng thời gian đều đặn được thiếtlập bởi một tín hiệu đồng hồ tham chiếu

Đặc điểm

Sau đây là một số đặc điểm quan trọng của giao thức giao tiếp I2C:

- Chỉ cần có hai đường bus (dây) chung để điều khiển bất kỳ thiết bị / ICnào trên mạng I2C

- Không cần thỏa thuận trước về tốc độ truyền dữ liệu như trong giao tiếpUART Vì vậy, tốc độ truyền dữ liệu có thể được điều chỉnh bất cứ khinào cần thiết

- Cơ chế đơn giản để xác thực dữ liệu được truyền

- Sử dụng hệ thống địa chỉ 7 bit để xác định một thiết bị / IC cụ thể trên busI2C

- Các mạng I2C dễ dàng mở rộng Các thiết bị mới có thể được kết nối đơngiản với hai đường bus chung I2C

Phần cứng

Bus vật lý I2C

Bus I2C (dây giao tiếp) chỉ gồm hai dây và được đặt tên là Serial ClockLine (SCL) và Serial Data Line (SDA) Dữ liệu được truyền đi được gửi qua dâySDA và được đồng bộ với tín hiệu đồng hồ (clock) từ SCL Tất cả các thiết bị /

IC trên mạng I2C được kết nối với cùng đường SCL và SDA

2.6 Giao thức MQTT

2.6.1 MQTT là gì?

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) là giao thức truyền thôngđiệp (message) theo mô hình publish/subscribe (cung cấp / thuê bao), được sửdụng cho các thiết bị IoT với băng thông thấp, độ tin cậy cao và khả năng được

sử dụng trong mạng lưới không ổn định Nó dựa trên một Broker (tạm dịch là

“Máy chủ môi giới”) “nhẹ” (khá ít xử lý) và được thiết kế có tính mở (tức làkhông đặc trưng cho ứng dụng cụ thể nào), đơn giản và dễ cài đặt

MQTT là lựa chọn lý tưởng trong các môi trường như:

- Những nơi mà giá mạng viễn thông đắt đỏ hoặc băng thông thấp hay thiếutin cậy

- Khi chạy trên thiết bị nhúng bị giới hạn về tài nguyên tốc độ và bộ nhớ

- Bởi vì giao thức này sử dụng băng thông thấp trong môi trường có độ trễcao nên nó là một giao thức lý tưởng cho các ứng dụng M2M (Machine toMachine)