luận văn Thiết kế hệ thống điều khiển nhà thông minh

DANH MỤC HÌNH VẼHình 1.2 Mô hình Smart home của công ty Compro Technology [2] 4Hình 1.3 Mô hình Smart home của công ty IEI Integration [2] 4 Hình 3.5 Sơ đồ hệ thống bật/tắt quạt theo nhi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thanh Sơn

Chữ ký của GVHD

Bộ môn: Thiết bị điện – Điện tử

HÀ NỘI, 11/2021

Họ và tên SV: Nguyễn Cao Văn Khoá: K62 Viện Điện

Chuyên ngành: Thiết bị điện - Điện tử

1 Đề tài Đồ án tốt nghiệp:

Thiết kế hệ thống điều khiển nhà thông minh

2 Nhiệm vụ thiết kế:

− Thiết kế các hệ thống hoạt động tự động dựa theo cảm biến

− Thiết kế webserver điều khiển, giám sát thiết bị

− Thiết kế mô hình nhà thông minh thực nghiệm

3 Ngày nộp quyển: 03/03/2022

Lời cảm ơn

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Thiết bị điện – Điện tử, đặcbiệt là giảng viên hướng dẫn TS Nguyễn Thanh Sơn đã tận tình hướng dẫn, chỉbảo để em có thể hoàn thành đề tài nghiên cứu này

Do thời gian và kiến thức còn nhiều hạn chế, đề tài của em sẽ không tránh khỏinhững sai sót, em mong thầy cô góp ý, chỉnh sửa để có thể hoàn thiện hơn

Tóm tắt nội dung đồ án

Đồ án này trình bày thiết kế mô hình nhà thông minh với các thiết bị có khả năngđiều khiển tự động, tương tác với nhau và có thể giám sát, điều khiển từ xa thông

qua Internet Để thực hiện, em đã tìm hiểu tổng thể về hệ thống nhà thông minh,

sau đó lựa chọn các thiết bị để xây dựng mô hình, tiếp đến tiến hành mô phỏng

và hoàn thiện mô hình Nhờ các công cụ hỗ trợ bao gồm phần mềm “ArduinoIDE, Proteus” và phần cứng có các thiết bị như: Bo mạch Arduino Uno,Esp8266… đồ án đã đạt được kết quả được đúng với mục tiêu đặt ra Đồ án này

có tính thực tế cao dựa trên nhu cầu công nghệ, yêu cầu về tính năng an toàn vàkhả năng giám sát tình trạng hoạt động thiết bị của người dùng Sau khi hoànthành đồ án, em đã tiếp thu được nhiều kiến thức về cách xây dựng và quản lýnhà thông minh, cách kết nối hệ thống, lập trình điều khiển thiết bị, bên cạnh đó

em cũng có thêm kĩ năng tự đọc hiểu tài liệu tiếng anh, kĩ năng làm việc nhóm và

kí năng sử dụng các phần mềm,… Từ đó giúp em có thêm nhiều hiểu biết vànhận thức về chuyên ngành, tự tin hơn sau khi tốt nghiệp

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Cao Văn

MỤC LỤC

1.3 Hạn chế của các hệ thống nhà thông minh hiện nay 2

1.4.1 Xu hướng phát triển nhà thông minh trên thế giới 31.4.2 Xu hướng phát triển nhà thông minh ở Việt Nam 4

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ TỔNG QUAN MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH 6

3.1 Tổng quan về thiết bị sử dụng trong cơ cấu chấp hành 19

3.2 Các module thiết bị sử dụng trong mô hình và chức năng 21

3.2.1 Hệ thống bật/tắt quạt dựa trên nhiệt độ, độ ẩm 21

3.2.3 Hệ thống bật/tắt đèn dựa trên cảm biến ánh sáng 233.2.4 Hệ thống mở cửa theo cảm biến chuyển động 243.2.5 Hệ thống bật/tắt thiết bị bằng nút nhấn 25

CHƯƠNG 4 HỆ THỐNG GIÁM SÁT, ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH

4.3 Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển bằng webserver qua internet 27

4.4.1 Nguyên lý điều khiển – Truyền nhận dữ liệu sử dụng ESP8266

284.4.2 Nguyên lý điều khiển – Truyền nhận dữ liệu sử dụng EthernetShield 28

4.4.3 Ví dụ về điều khiển, giám sát thiết bị bằng Webserver 29

CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 35

CHƯƠNG 6 NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH NHÀ THÔNG

6.3 Các bước để xây dựng mô hình nhà thông minh dựa trên AI 476.4 Nhận dạng hoạt động hằng ngày sử dụng mạng nơ ron BP 48

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.2 Mô hình Smart home của công ty Compro Technology [2] 4Hình 1.3 Mô hình Smart home của công ty IEI Integration [2] 4

Hình 3.5 Sơ đồ hệ thống bật/tắt quạt theo nhiệt độ, độ ẩm 21

Hình 3.7 Sơ đồ hệ thống bật/tắt đèn theo cảm biến ánh sáng 23Hình 3.8 Sơ đồ hệ thống mở cửa theo cảm biến chuyển động 24Hình 3.9 Sơ đồ hệ thống bật/tắt thiết bị bằng nút nhấn 25Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống giám sát và điều khiển 27Hình 4.2 Sơ đồ truyền tín hiệu từ cơ cấu chấp hành đến Webserver sử dụng

Hình 4.3 Sơ đồ truyền tín hiệu từ Webserver đến cơ cấu chấp hành sử dụng

Hình 4.4 Sơ đồ truyền tín hiệu từ Webserver đến cơ cấu chấp hành sử dụng

Hình 4.5 Sơ đồ truyền tín hiệu từ cơ cấp chấp hành đến Webserver sử dụng

Hình 4.7 Giao diện Web điều khiển sử dụng ESP8266 34

Hình 6.2 Ví dụ về tập dữ liệu của hoạt động Night_wandering [15] 50

DANH MỤC HÌNH VẼ

Bảng 2.2 Thông số kĩ thuật Arduinno Mega 2560 [5] 11Bảng 2.3 Chân RX, TX ứng với cổng Serial tương ứng [5] 12

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH 1.1 Tổng quan về nhà thông minh dựa trên IoT

Ngày nay, sự phổ biến rộng rãi của các thiết bị thông minh với cảm biến nhúng

và giao diện không dây đã tạo điều kiện cho sự phát triển nhanh chóng củaInternet of Things (IoT) IoT đóng một vai trò đáng kể trong việc cải thiện chấtlượng cuộc sống và phát triển nền kinh tế thế giới Nó tạo điều kiện cho kết nốitoàn cầu qua các đối tượng vật lý trên toàn thế giới (ví dụ: cảm biến, điện thoạithông minh, xe cộ, thiết bị) để phục vụ mọi người theo cách cộng tác tự động vàthông minh IoT giúp nhiều thứ khác nhau sẽ được kết nối và sẽ được kiểm soáttrên Internet Các lĩnh vực ứng dụng của IoT bao gồm nhà thông minh, chăm sócsức khỏe thông minh, lưới điện thông minh, giao thông thông minh, thành phốthông minh, tự động hóa công nghiệp và giám sát Trong số các ứng dụng IoTkhác nhau, thiết kế của Nhà thông minh (Smart Home) đã thu hút sự chú ý lớnnhất vì nó liên quan nhiều hơn đến cuộc sống của con người

Một ngôi nhà thông minh có thể được định nghĩa theo nhiều cách Một địnhnghĩa nhà thông minh là ngôi nhà có hệ thống tự động bao gồm các cảm biến và

bộ điều khiển thiết bị để cung cấp một hệ thống tiện nghi, thông minh và an toànnhằm cải thiện chất lượng cuộc sống và kiểm soát các thiết bị gia dụng một cách

dễ dàng, đặc biệt là đối với người già và người tàn tật Hệ thống tự động hóa nhàthông minh như thể hiện trong Hình 1.1 có thể cung cấp giao diện giữa điện thoạithông minh hoặc máy tính cá nhân với thiết bị gia dụng, thông qua giao diện giaotiếp không dây Bluetooth và Wi-Fi

Hình 1.1 Một ví dụ cấu trúc nhà thông minh [1]

Nhà thông minh là một thành phần chính của "Internet of Things", trong đó mọithứ đều có địa chỉ IP được chỉ định, có thể được giám sát và truy cập từ xa, từ bất

kỳ đâu vào bất kỳ lúc nào Đó là cách mà các thiết bị gia dụng và các thiết bịkhác được kết nối internet để kiểm soát tất cả các khía cạnh của ngôi nhà thông

minh Trong nhiều thập kỷ, các hệ thống nhà thông minh chỉ là chiếu sáng vàđiều khiển thiết bị đơn giản Gần đây, công nghệ đang cho phép kiểm soát hoàntoàn nhà thông minh từ bất kỳ đâu để ý tưởng về “thế giới kết nối” trở thành hiệnthực Ngôi nhà thông minh có thể điều khiển một thiết bị hoạt động như thế nào,tại sao và khi nào thiết bị sẽ hoạt động Nó mang lại sự tiện lợi, dễ kiểm soát vàtiết kiệm tiền Hơn nữa, hệ thống nhà thông minh có thể cảnh báo người dùng vềcác sự việc có thể xảy ra khi họ đi vắng như rò rỉ nước, rò rỉ khí gas, hỏa hoạn vàđột nhập trái phép vào nhà của họ Tại bất kỳ thời điểm nào, người dùng có thểthực hiện bất kỳ thay đổi nào trong cài đặt của hệ thống tự động hóa dựa trên yêucầu và mong muốn của mình bằng cách sử dụng ứng dụng điện thoại Androidhoặc thiết bị điều khiển khác thông qua Internet.

1.2 Lợi ích của hệ thống nhà thông minh

Một trong những lợi ích của hệ thống nhà thông minh là hệ thống điều khiển ánhsáng tiên tiến Người sử dụng không phải bật hoặc tắt các thiết bị điện theo cáchthủ công nữa Ví dụ, khi người dùng bước vào phòng ngủ, có hai lựa chọn, hoặcđèn sẽ tự động bật và tắt sau khi người đó rời khỏi phòng hoặc người dùng có thểđiều khiển việc bật/tắt từ ứng dụng bằng điện thoại thông minh của mình Độsáng của đèn cũng có thể được kiểm soát để giảm điện năng tiêu thụ Bên cạnh

đó, người dùng có thể lựa chọn để điều chỉnh các điều kiện trong phòng dựa trêncác chỉ số cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm, v.v.) như điều khiển tốc độ của quạt từ ứngdụng di động hoặc tốc độ sẽ được tự động điều chỉnh dựa trên nhiệt độ phòng.Bằng cách này, hiệu quả sử dụng năng lượng có thể được cải thiện vì khi các thiết

bị điện tự động bật hoặc dễ dàng tắt khi không sử dụng, điều này sẽ tiết kiệmnăng lượng hơn và giảm chi phí điện

Ngoài ra, người dùng có thể điều khiển các thiết bị điện và theo dõi tình trạngngôi nhà từ bất kỳ đâu bằng cách sử dụng điện thoại thông minh, máy tính bảnghoặc máy tính xách tay Ví dụ, nếu người dùng quên tắt quạt hoặc các thiết bịkhác và đã rời khỏi nhà, người dùng có thể tắt bằng thiết bị thông minh của mình.Các cảm biến khói, carbon monoxide và cảm biến mức nước cũng có thể đượclắp đặt để người dùng có thể biết được ngôi nhà của họ có bị ngập lụt hay khôngkhí xung quanh có nguy hiểm hay không

Đối với hệ thống bảo mật, nếu có bất kỳ sự cố nào xảy ra, người dùng sẽ nhậnđược cảnh báo tại điện thoại của họ Người dùng sẽ không phải lo lắng nếu có kẻgian cố gắng lẻn vào nhà vì họ có thể giám sát từ điện thoại của mình bằng cách

sử dụng cảm biến chuyển động và nếu phát hiện bất kỳ chuyển động nào, báođộng sẽ được bật Hệ thống an ninh là phần quan trọng nhất để giữ cho ngôi nhàcủa chúng ta an toàn trước những kẻ xâm nhập Tất cả các thành phần của ngôinhà thông minh như thông gió, sưởi ấm, điều hòa không khí, hệ thống chiếu sángtập trung, thiết bị tự động và hệ thống an ninh có thể mang lại sự thoải mái và antoàn trong cuộc sống hàng ngày

1.3 Hạn chế của các hệ thống nhà thông minh hiện nay

Một trong những vấn đề chính của hầu hết các hệ thống nhà thông minh hiện tại

là chi phí thực hiện và bảo trì của chúng không phù hợp với túi tiền của hầu hếtngười dùng Hơn nữa, một số hệ thống hiện tại cung cấp chế độ theo dõi ngôi nhà

từ trang web, điều này gây bất tiện cho người dùng, những người phải truy cậpWeb mỗi lần họ muốn kiểm soát hoặc xem tình trạng ngôi nhà của mình Ngoài

ra, một số hệ thống nhà thông minh thiếu giao diện thân thiện với người dùng đểgiám sát và điều khiển các thiết bị Bên cạnh đó, có một số hạn chế trong cáccông nghệ truyền thông đã được sử dụng trong các hệ thống nhà thông minh hiện

có Ví dụ, phạm vi giao tiếp của Bluetooth được giới hạn trong 10 mét Nếu xahơn 10 mét, kết nối sẽ bị mất và người dùng không thể điều khiển các thiết bịtrong nhà Hay ZigBee được thiết kế cho các khu vực mạng cá nhân không dâytốc độ thấp với tốc độ dữ liệu 250Kb/s, không đủ tốc độ dữ liệu Một công nghệtruyền thông khác là “Global System for Mobile Communications” (hay còn gọi

là mạng 2G, 3G, 4G) có thể truy cập ở mọi nơi trên thế giới nhưng chi phí cao vàtốc độ truyền dữ liệu thấp và hạn chế về phạm vi phủ sóng đối với các vùng nôngthôn

Do đó, một hệ thống mới được đề xuất để khắc phục những hạn chế của hệ thốngnhà thông minh hiện có là thiết kế và chế tạo hệ thống nhà thông minh dựa trênWi-Fi cùng vi điều khiển Arduino Hệ thống này tiết kiệm chi phí và cho tốc độtruyền dữ liệu cao Hệ thống này phát triển để điều khiển tất cả các thiết bị điệntại nhà một cách dễ dàng và hiệu quả và cho phép điều khiển từ xa bằng cách kếthợp ứng dụng của IoT

1.4 Xu hướng phát triển nhà thông minh

1.4.1 Xu hướng phát triển nhà thông minh trên thế giới

Đối với các ông lớn về công nghệ thì cuộc cánh mạng công nghệ 4.0 và côngnghệ IoT được xem là cơ hội tỉ USD trên thị trường đầy tiềm năng này

Theo một thống kê của công ty nghiên cứu thị trường Statista thì vào năm 2020giá trị thị trường của nhà thông minh (Smarthome) dự báo đạt tới 43 tỉ USD Con

số này tăng gấp 3 lần so với năm 2014 Xu hướng nhà thông minh được dự báonhư một trong những ứng dụng công nghệ một cách toàn diện nhất vào cuộcsống

Hiện nay là thị trường Smarthome lớn nhất thế giới là Bắc Mỹ Với quy mô cũngnhư tính tiện nghi dành cho một ngôi nhà với 4 người, sẽ có thiết kế cơ bản vớikhả năng như: Cảnh báo đột nhập, cảnh báo khí gas, hệ thống cửa tự động, hệthống camera an ninh, hệ thống giải trí…

Dưới đây là ví dụ về một ngôi nhà thông minh của một số nhà sản xuất tại Mỹ vàChâu Âu, với tiêu chuẩn từ cơ bản đến cao cấp dành cho một gia đình:

Hình 1.2 Mô hình Smart home của công ty Compro Technology [2]

Hình 1.3 Mô hình Smart home của công ty IEI Integration [2]

Hình 1.4 Mô hình Smart home Eco-Future-World [2]

1.4.2 Xu hướng phát triển nhà thông minh ở Việt Nam

Tại Việt Nam, theo dự báo của Statista (Đức), thị trường smart home sẽ đạtdoanh thu 225,3 triệu USD vào năm 2021 và 330,4 triệu USD vào năm 2022 Tuynhiên, trong báo cáo mới nhất, những số liệu này đã có sự thay đổi, vì những

ảnh hưởng trực tiếp của đại dịch Covid-19 Cụ thể, doanh thu smart home tại thịtrường Việt Nam được dự đoán đạt 183,9 triệu USD vào năm 2021 và 251 triệuUSD vào năm 2022 Với tốc độ tăng trưởng 25%/năm trong giai đoạn 2021-

2025, dự kiến đến năm 2025, tổng doanh thu thị trường smart home Việt Nam đạt449,1 triệu USD Với khoảng 10,5% hộ gia đình trang bị smart home, Việt Namtrở thành thị trường smart home đứng thứ 28 trên toàn cầu

Tại Việt Nam, không đứng ngoài dòng chảy công nghệ về nhà thông minh, đã córất nhiều nhà sản xuất cũ và mới tham gia thị trường đầy tiềm năng này, dẫn đầu

là BKAV, Lumi Smarthome và WESMART Với đầy đủ các chức năng như cácnhà sản xuất nước ngoài, lại thêm yếu tố phù hợp với riêng thị trường Việt Nam,hiện nay họ đang có một lợi thế không nhỏ so với các nhà sản xuất nước ngoài tạiViệt Nam

Hình 1.5 Mô hình Smart home của BKAV [2]

Hình 1.6 Mô hình Smart home của Lumi [2]

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ TỔNG QUAN MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH 2.1 Lựa chọn hướng thiết kế

Nhà thông minh là một đề tài rộng và có nhiều vấn đề đặt ra Tùy theo mục đích

sử dụng của chủ nhân để thiết kế, một phần quan trọng trong hệ thống nhà thôngminh là hệ thống điều khiển và giám sát Trước đây, nhà thông minh chỉ hoàntoàn nằm trong trí tưởng tượng cũng như trên phim ảnh Nhờ sự phát triển khôngngừng của khoa học công nghệ, các giải pháp nhà thông minh ngày càng phongphú và thuận tiện hơn cho người sử dụng Từ ban đầu, nhà thông minh chỉ có cácthiết bị điều khiển từ xa ở trong phạm vi ngôi nhà phục vụ cho một số nhu cầucủa con người Tiếp theo là sự tự động hóa các thiết bị trong ngôi nhà với khảnăng tự động điều chỉnh theo môi trường cũng như người sử dụng

Sau đó, với sự phát triển và lan rộng của mạng internet, người ta đưa ra giải phápkết nối và điều khiển các thiết bị trong nhà thông qua mạng internet và thêm vàocác tiện ích như hệ thống đảm bảo an toàn, tính toán năng lượng sử dụng,… giúpchủ nhân có thể điều khiển thiết bị ở khoảng cách xa chứ không bó hẹp trongkhuôn viên ngôi nhà nữa

Khả năng bảo mật an ninh cũng được đặt lên hàng đầu, vì đi cùng với kết nốiinternet là khả năng bị hack vào hệ thống nhằm chiếm quyền điều khiển cũng vìthế mà gia tăng Chủ nhân có thể sử dụng mật khẩu riêng để đăng nhập vào hệthống cũng như ngôi nhà qua các hình thức như Passcode, bảo mật vân tay, bảomật mống mắt… Đi kèm đó là khả năng cảnh báo đột nhập giúp gia chủ có thểphát hiện ra tại bất kì nơi đâu với kết nối Wifi/GPRS Và gần đây, xu thế điềukhiển thiết bị bằng giọng nói cũng được thêm vào giải pháp xây dựng nhà thôngminh, giúp cho việc sử dụng trở nên dễ dàng hơn mọi người trong nhà Trongtương lai, nhờ các thiết bị công nghệ mới kết hợp trí tuệ nhân tạo, ngôi nhà có thểphân biệt giọng nói từng thành viên và ghi nhớ thói quen của mỗi người trong giađình

Hiện nay, ở Việt Nam, giải pháp xây dựng nhà thông minh với hệ thống điềukhiển và giám sát thông qua internet vẫn phổ biến và phát triển hơn cả vì nó phùhợp với khả năng công nghệ và điều kiện kinh tế hiện có Do đó, em xin chọnthiết kế ngôi nhà thông minh theo giải pháp sử dụng hệ thống điều khiển và giámsát các thiết bị trong ngôi nhà thông qua mạng internet, mà cụ thể là mạng wifitrên một mô hình nhà thông minh quy mô nhỏ với các chức năng cơ bản như: cửađóng/mở tự động, cảnh báo khí gas rò rỉ, đèn và quạt bật tự động theo người sửdụng và nhiệt độ môi trường…

2.2 Kết cấu ngôi nhà và chức năng

2.2.1 Kết cấu

Mô hình được thiết kế đơn giản với một phòng khách và một phòng ngủ có cácthiết bị cơ bản như đèn, quạt, cửa và các cảm biến

- Hệ thống đóng/mở cửa tự động theo cảm biến chuyển động

- Hệ thống điều khiển thiết bị từ xa qua giao diện Web

Hình 2.1 Các chức năng của nhà thông minh

2.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống nhà thông minh

- Khối thiết bị giám sát, điều khiển: Máy tính bảng, Laptop, điện thoại thôngminh,…

- Khối mạng: Router Wifi, Arduino Ethernet Shield W5100, ESP8266

- Khối điều khiển: vi điều khiển Arduino Uno R3, Arduino Mega 2560

- Khối cảm biến: cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, chuyển động, khí gas

- Khối chấp hành: bóng đèn, quạt, điều hòa, cửa ra vào, còi báo động

2.4 Giới thiệu vi điều khiển Arduino

2.4.1 Giới thiệu chung

Arduino là nền tảng tạo mẫu điện tử mã nguồn mở, được sử dụng nhằm xây dựngcác ứng dụng điện tử tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận tiện, dễ

dàng hơn Nền tảng mẫu này giống như một máy tính thu nhỏ, giúp người dùnglập trình và thực hiện các dự án điện tử mà không cần phải đến các công cụchuyên dụng để phục vụ việc nạp code Phần mềm này tương tác với thế giới bênngoài thông qua các cảm biến điện tử, đèn và động cơ.

Cấu tạo của Arduino:

- Phần cứng Arduino là bảng mạch nguồn mở, cùng bộ vi xử lý và chân đầuvào/ đầu ra (I/ O) để liên lạc, điều khiển các đối tượng vật lý (LED, servo,nút ấn, v.v.) Bảng mạch thường được cấp nguồn qua USB hoặc nguồn điệnbên ngoài, cho phép cung cấp tín hiệu cho các phần cứng, cảm biến khác

- Là phần mềm nguồn mở tương tự như C ++ Môi trường phát triển tích hợpArduino (IDE – Integrated Development Environment) cho phép soạn thảo,biên dịch code, nạp chương cho board

Hình 2.3 Hình ảnh vi điều khiển Arduino [3]

Khả năng kết nối của Arduino:

- Arduino hoạt động độc lập

- Kết nối với một máy tính, cho phép truy cập dữ liệu cảm biến từ thế giớibên ngoài và cung cấp thông tin phản hồi

- Các Arduino có thể liên kết với nhau

- Mạch điều khiển Arduino có thể kết nối với các thiết bị điện tử khác

- Arduino có khả năng kết nối với các chip điều khiển

- Lập trình Arduino IDE có thể kết nối với nhiều nền tảng Điều này đồngnghĩa với việc có thể khởi động trên Windows, Macintosh OSX điều hànhLinux (các hệ thống vi điều khiển khác chỉ chạy Windows)

2.4.2 Arduino Uno R3

Hình 2.4 Hình ảnh Arduino Uno R3 [4]

Thiết kế tiêu chuẩn của Arduino UNO sử dụng vi điều khiển ATmega328 với giákhoảng 90.000đ Tuy nhiên nếu yêu cầu phần cứng không cao hoặc túi tiềnkhông cho phép, có thể sử dụng các loại vi điều khiển khác có chức năng tươngđương nhưng rẻ hơn như ATmega8 (bộ nhớ flash 8KB) với giá khoảng 45.000đhoặc ATmega168 (bộ nhớ flash 16KB) với giá khoảng 65.000đ

2.4.2.1 Một vài thông số của Arduino Uno R3:

Bảng 2.1 Thông số kĩ thuật Arduino Uno R3 [4]

Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DCĐiện áp vào giới hạn 6-20V DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA

Dòng ra tối đa (5V) 500 mADòng ra tối đa (3.3V) 50 mA

- 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ

nhớ Flash của vi điều khiển

- 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến khai

báo khi lập trình sẽ lưu ở đây Khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều

bộ nhớ RAM

- 1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only

Memory): đây giống như 1 chiếc ổ cắm mini – nơi có thể đọc và lưu giữliệu mà không lo bị mất khi mất điện như trên SRAM

2.4.2.3 Các cổng vào, ra

Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ có 2mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 30mA Ở mỗichân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiểnATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối)

Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:

- Hai chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận(receive – RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bịkhác thông qua 2 chân này Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính

là kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, không nên sửdụng 2 chân này nếu không cần thiết

- Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với

độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàmanalogWrite() Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp

ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V nhưnhững chân khác

- Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài các

chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằnggiao thức SPI với các thiết bị khác

- LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấmnút Reset, sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó được nối với chân số

13 Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng

Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit(0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V Với chân AREF trên

board, bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog.Tức là nếu cấp điện áp 2.5V vào chân này thì có thể dùng các chân analog để đođiện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit

Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếpI2C/TWI với các thiết bị khác

2.4.3 Arduino Mega 2560

Arduino Mega2560 sử dụng một vi điều khiển ATmega2560 Arduino Mega2560khác với tất cả các vi xử lý trước giờ vì không sử dụng chip điều khiển FTDIchuyển tín hiệu từ USB để xử lý Thay vào đó, nó sử dụng ATmega16U2 lậptrình như là một công cụ chuyển đổi tín hiệu từ USB Ngoài ra, Arduino

Mega2560 cơ bản vẫn giống Arduino Uno R3, chỉ khác số lượng chân và nhiềutính năng mạnh mẽ hơn, nên vẫn có thể lập trình cho con vi điều khiển này bằngchương trình lập trình cho Arduino Uno R3.

Hình 2.5 Hình ảnh Arduino Mega 2560 [5]

2.4.3.1 Một vài thông số kĩ thuật Arduino Mega 2560

Bảng 2.2 Thông số kĩ thuật Arduinno Mega 2560 [5]

Điện áp vào (khuyên dùng) 7V-15V

Dòng điện tối đa trên mỗi chân 3.3V 50 mADòng điện tối đa trên mỗi chân 5V 500 mADòng điện tối đa trên mỗi chân I/O 20 mA

- 16 chân vào analog (từ A0 đến A15).

- 4 cổng Serial giao tiếp với phần cứng (UART)

Bảng 2.3 Chân RX, TX ứng với cổng Serial tương ứng [5]

Cổng Serial Chân RX Chân TX

2.4.4 Arduino Ethernet Shield W5100

Ethernet shield là một mạch mở rộng cho arduino, giúp arduino có thể kết nối vớithế giới internet rộng lớn Ứng dụng của shield này là truyền nhận thông tin giữaarduino với thiết bị bên ngoài sử dụng internet, shield này đặc biệt hữu ích chocác ứng dụng IoT, điều khiển và kiểm soát hệ thống vì internet luôn liên tục, dữliệu truyền đi nhanh, khoảng cách lớn, rẻ hơn với cách truyền từ xa bằng tinnhắn

Arduino Ethernet Shield W5100 sử dụng chip W5100 từ hãng Wiznet cho tốc độ

và khả năng kết nối ổn định nhất, bộ thư viện đi kèm và phần cứng với cách kếtnối dễ dàng khiến cho việc kết vối Arduino với Ethernet đơn giản hơn bao giờhết, thích hợp để làm các ứng dụng điều khiển thiết bị qua mạng, IoT, ChipWiznet W5100 Ethernet cung cấp một địa chỉ mạng (IP) tương thích với cả 2giao thức TCP và UDP Nó hỗ trợ tối đa 4 thiết bị kết nối đồng thời EthernetW5100 có thể tự động nhận IP từ router bằng giao thức DHCP

Ethernet Shield hoàn toàn tương thích với Arduino Uno và Mega, giao tiếp vớiArduino qua giao thức SPI, chân digital 10 trên arduino được sử dụng để xácđịnh kết nối cho ethernet shield Vì vậy, không thể sử dụng port 10 khi cắmEthernet Shield vào Arduino

IC điều khiển W5100 trên Arduino Ethernet Shield có thể thực hiện truyền dữliệu thông qua 2 giao thức là TCP và UDP Số đường truyền dữ liệu song song tối

đa là 4, khả năng truyền song song cùng lúc 4 luồng dữ liệu giúp board có khảnăng nhận dữ liệu từ internet với tỉ lệ lỗi thấp hơn (nguyên nhân thường là do mất

dữ liệu trên đường truyền hoặc do thời gian truyền vượt quá giới hạn - time out).Ngoài ra trên Ethernet Shield còn có Module đọc/ghi dữ liệu vào thẻ MicroSD sửdụng chân digital 4 để xác định kết nối

Hình 2.6 Hình ảnh Arduino Ethernet Shield W5100 [6]

Thông số kỹ thuật:

- Chip sử dụng: Wiznet W5100 Ethernet với bộ đệm 16K

- Điện áp hoạt động: 5VDC (Nguồn cấp từ Arduino)

- Tốc độ kết nối: 10 - 100 Mb

- Giao tiếp: SPI

- Sử dụng các trình điều khiển Ethernet chuẩn Arduino

- Hỗ trợ jack Ethernet chuẩn RJ45 kết nối mạng

- Kích thước: 7cm x 5.4cm x 2.4cm

2.4.5 ESP8266

Kít ESP8266 là kít phát triển dựa trên nền chíp Wifi SoC ESP8266 với thiết kế dễdàng sử dụng vì tích hợp sẵn mạch nạp sử dụng chíp CP2102 trên borad Bêntrong ESP8266 có sẵn một lõi vi xử lý vì thế có thể trực tiếp lập trình choESP8266 mà không cần thêm bất kì con vi xử lý nào nữa Hiện tại có hai ngônngữ có thể lập trình cho ESP8266, sử dụng trực tiếp phần mềm IDE của Arduino

để lập trình với bộ thư viện riêng hoặc sử dụng phần mềm node MCU

Hình 2.7 Hình ảnh ESP8266 [7]

Thông số kĩ thuật:

- IC chính ESP8266 Wifi SoC

- Chip nạp CP2102

- Nguồn cấp 5vdc

- GPIO giao tiếp mức logic 3.3v

- Tích hợp led báo trạng thái, nút Reset, Flash

Sơ đồ các chân ESP8266:

Hình 2.8 Sơ đồ các chân ESP8266 [7]

2.5 Giới thiệu về các loại cảm biến

2.5.1 Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11

Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 có tính năng phức hợp đo cả nhiệt độ và độ

ẩm với đầu ra tín hiệu kỹ thuật số đã được hiệu chỉnh Bằng cách sử dụng kỹthuật thu tín hiệu kỹ thuật số độc quyền và công nghệ cảm biến nhiệt độ và độ

ẩm, nó đảm bảo độ tin cậy cao và độ ổn định lâu dài tuyệt vời Cảm biến này baogồm thành phần đo độ ẩm kiểu điện trở và thành phần đo nhiệt độ NTC (NTC làđiện trở nhiệt cũng giống như cảm biến đo nhiệt độ nhưng chỉ trong một khoảngnhiệt độ nhất định), đồng thời kết nối với bộ vi điều khiển 8 bit hiệu suất cao,mang lại chất lượng tuyệt vời, phản hồi nhanh, khả năng chống nhiễu và tiết kiệmchi phí

Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT11 Temperature Humidity Sensor là cảm biếnrất thông dụng hiện nay vì chi phí rẻ và rất dễ lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1wire (giao tiếp digital 1 dây truyền dữ liệu duy nhất) Bộ tiền xử lý tín hiệu tíchhợp trong cảm biến giúp bạn có được dữ liệu chính xác mà không phải qua bất kỳtính toán nào So với cảm biến đời mới hơn là DHT22 thì DHT11 cho khoảng đo

và độ chính xác kém hơn rất nhiều

Hình 2.9 Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 [8]

Cảm biến DHT11 bao gồm một linh kiện cảm biến độ ẩm, cảm biến nhiệt độNTC (hoặc nhiệt điện trở) và một IC ở phía sau của cảm biến.

Hình 2.10 Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm trong DHT11 [8]

Hình 2.11 Cấu tạo cảm biến độ ẩm bên trong DHT11 [8]

Để đo độ ẩm, DHT11 sử dụng thành phần cảm biến độ ẩm có hai điện cực vớichất giữ ẩm giữa chúng Vì vậy, khi độ ẩm thay đổi, độ dẫn của chất nền thay đổihoặc điện trở giữa các điện cực này thay đổi Sự thay đổi điện trở này được đo và

xử lý bởi IC khiến cho vi điều khiển luôn sẵn sàng để đọc giá trị độ ẩm

Mặt khác, để đo nhiệt độ, cảm biến DHT11 này sử dụng cảm biến nhiệt độ NTChoặc nhiệt điện trở

Một nhiệt điện trở thực sự là một nhiệt điện trở thay đổi điện trở của nó tươngứng với sự thay đổi của nhiệt độ Những cảm biến này được chế tạo bằng cáchthiêu kết các vật liệu bán dẫn như gốm hoặc polyme để cung cấp những thay đổilớn hơn trong điện trở chỉ với những thay đổi nhỏ về nhiệt độ Thuật ngữ có tên

là “NTC” có nghĩa là hệ số nhiệt độ âm, có nghĩa là điện trở giảm khi nhiệt độtăng

Thông số kỹ thuật:

- Nguồn: 3 -> 5 VDC

- Dòng sử dụng: 2.5mA max (khi truyền dữ liệu)

- Khoảng đo độ ẩm: 20%-90% RH (sai số 5%RH)

- Khoảng đo nhiệt độ: 0-50°C (sai số 2°C)

- Tần số lấy mẫu tối đa: 1Hz (1 giây / lần)

- Kích thước 15mm x 12mm x 5.5mm

2.5.2 Cảm biến chuyển động HC-SR501

Cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR (Passive infrared sensor) HC-SR501 được

sử dụng để phát hiện chuyển động của các vật thể phát ra bức xạ hồng ngoại (conngười, con vật, các vật phát nhiệt, ), cảm biến có thể chỉnh được độ nhạy để giớihạn khoảng cách bắt xa gần cũng như cường độ bức xạ của vật thể mong muốn,ngoài ra cảm biến còn có thể điều chỉnh thời gian kích trễ (giữ tín hiệu bao lâusau khi kích hoạt) qua biến trở tích hợp sẵn

Cảm biến HC-SR501 có 2 chế độ làm việc có thể lựa chọn qua jumper:

- L (không lặp lại kích hoạt): sau khi có tín hiệu đầu ra cao thì sau khoảngthời gian trễ sẽ chuyển xuống tín hiệu mức thấp

- H (lặp lại kích hoạt): sau khi có tín hiệu đầu ra cao, trong thời gian trễ màvẫn phát hiện chuyển động thì tín hiệu đầu ra vẫn ở mức cao cho đến khikhông phát hiện chuyển động và hết thời gian trễ

- Mức tiêu thụ dòng: ≤ 50 uA

- Thời gian báo: 30 giây có thể tùy chỉnh bằng biến trở

- Độ nhạy có thể điều chỉnh bằng biến trở

tự do trong khối chất và làm chất bán dẫn thành dẫn điện Mức độ dẫn điện tuỳthuộc số photon được hấp thụ.

Mô tả sơ đồ chân của module cảm biến ánh sáng:

- AO: Tín hiệu analog

- DO: Tín hiệu ra digital

- GND: Nối Mass- Cực âm

- VCC: Nối nguồn 3.3V đến 5V

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ CẤU CHẤP HÀNH CHO NHÀ

THÔNG MINH 3.1 Tổng quan về thiết bị sử dụng trong cơ cấu chấp hành

3.1.1 Quạt tản nhiệt DC brushless 8025

Hình 3.1 Quạt tản nhiệt DC brushless 8025 [12]

Quạt tản nhiệt là một sản phẩm đang rất thông dụng hiện nay với chức năng làmgiảm nhiệt độ, đảm bảo tuổi thọ cho máy móc khi hoạt động Quạt tản nhiệt DCbrushless với chất lượng tốt, kích thước nhỏ gọn và giá cả phải chăng đang được

sử dụng rất rộng rãi trên thị trường

Thông số:

- Chất liệu: Cánh quạt nhựa

- Phạm vi sử dụng: Vỏ máy tính, bộ khuếch đại âm thanh USB

- 2 Cực: dây đỏ cực dương, dây đen cực âm

Ứng dụng trong nhà thông minh: quạt thông gió

3.1.2 Còi chip 5V 9,5x12mm

Hình 3.2 Còi chip 5V 9,5x12mm [13]

Còi chip 5V là linh kiện sử dụng trong các mạch điện tử với với mục đích tạo ratín hiệu âm thanh Loa, còi có kích thước nhỏ gọn và nhẹ giúp dễ dàng lắp đặt và

- Âm thanh đầu ra: Bíp bíp

- Biên độ âm thanh: > 80dB

- Nhiệt độ hoạt động: -20 đến 70 độ C

- Màu sắc: Đen

- Kích thước của còi chip 9.5x12mm (độ dày nhân đướng kính)

- 2 cực: Cực âm, cực dương (Chân dài: cực dương, Chân ngắn: Cực âm)

Ứng dụng trong nhà thông minh: còi báo động khí gas

- Bánh răng: Kim loại

- Độ dài dây nối: 175mm

- Trọng lượng: 13,4g.

- Góc quay 90 độ

Sơ đồ chân:

Hình 3.4 Sơ đồ chân Servo MG90S [14]

Servo MG90S có 3 chân: Chân cam (cấp xung), chân đỏ (cấp nguồn 5V), chânnâu (nối đất) Khi ta cấp xung từ 1ms-2ms ta sẽ điều khiển động cơ quay 1 góctheo ý muốn (nhỏ hơn 90 độ)

Ứng dụng trong nhà thông minh: Đóng mở cửa

3.2 Các module thiết bị sử dụng trong mô hình và chức năng

3.2.1 Hệ thống bật/tắt quạt dựa trên nhiệt độ, độ ẩm

Hình 3.5 Sơ đồ hệ thống bật/tắt quạt theo nhiệt độ, độ ẩm

Nguyên lý hoạt động: Cảm biến DHT11 đo nhiệt độ, độ ẩm và gửi dữ liệu vềarduino qua chân D7 (tín hiệu digital) Arduino nhận dữ liệu và so sánh, nếunhiệt độ>=30 hoặc độ ẩm>=80% thì chân D19 sẽ chuyển trạng thái lên mức cao(5V), quạt sẽ bật, ngược lại quạt sẽ tắt

Code hoạt động:

3.2.2 Hệ thống cảnh báo khí gas

Hình 3.6 Sơ đồ hệ thống cảnh báo khí gas

Nguyên lý hoạt động: Cảm biến MQ2 đo nồng độ khí gây cháy xung quanh vàgửi tín hiệu về Arduino qua chân A7 (tín hiệu analog) Arduino nhận dữ liệu và

so sánh, nếu nồng độ khí gây cháy cao hơn 400 thì chân D17 sẽ chuyển trạng tháilên mức cao (5V), do đó còi báo động bật, ngược lại thì còi báo động tắt

Code hoạt động:

3.2.3 Hệ thống bật/tắt đèn dựa trên cảm biến ánh sáng

Hình 3.7 Sơ đồ hệ thống bật/tắt đèn theo cảm biến ánh sáng

Nguyên lý hoạt động: Cảm biến ánh sáng đo cường độ ánh sáng theo giá trịquang trở của cảm biến và gửi dữ liệu về Arduino Arduino nhận dữ liệu và thựchiện so sánh, nếu giá trị điện trở lớn hơn 500ohm (do cường độ ánh sáng cànglớn thì điện trở của cảm biến càng nhỏ và ngược lại) thì chân D36 sẽ chuyểntrạng thái lên mức cao (5V), do đó relay nhận được tín hiệu và chân NO của relayđóng lại, đèn sẽ sáng Ngược lại nếu giá trị điện trở đo được nhỏ hơn 500ohm thìđèn tắt

Code hoạt động:

3.2.4 Hệ thống mở cửa theo cảm biến chuyển động

Hình 3.8 Sơ đồ hệ thống mở cửa theo cảm biến chuyển động

Nguyên lý hoạt động: Cảm biến chuyển động HC-SR501 dò chuyển động xungquanh nó và gửi tín hiệu về arduino Arduino nhận dữ liệu và xử lý, nếu tín hiệu

ở mức cao thì chuyển trạng thái chân D6 lên mức cao (5V), do đó servo nhậnđược tín hiệu và quay 1 góc 90 độ tương ứng với cửa mở Ngược lại nếu tín hiệu

từ cảm biến gửi về arduino ở mức thấp thì Servo không hoạt động tương ứng vớicửa vẫn đóng

Code hoạt động:

3.2.5 Hệ thống bật/tắt thiết bị bằng nút nhấn

Hình 3.9 Sơ đồ hệ thống bật/tắt thiết bị bằng nút nhấn

Nguyên lý hoạt động: Khi chưa nhấn Button thì chân D8 nhận tín hiệu mức thấp,khi ta nhấn nút Button thì chân D8 sẽ nhận tín hiệu mức cao Nếu Arduino nhậnđược tín hiệu mức cao ở chân D8 thì sẽ chuyển trạng thái chân D11 từ mức thấpthành mức cao, do đó thiết bị được bật, trạng thái thiết bị sẽ được thiết lập là mứccao Nếu ta nhấn Button lần nữa, trạng thái thiết bị sẽ đảo ngược và tín hiệu chânD11 cũng sẽ chuyển từ cao thành thấp, thiết bị sẽ tắt

Code hoạt động:

CHƯƠNG 4 HỆ THỐNG GIÁM SÁT, ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH

BẰNG WEB SERVER THÔNG QUA INTERNET 4.1 Mạng Internet

Internet hay Mạng: là một hệ thống thông tin toàn cầu có thể được truy nhậpcông cộng gồm các mạng máy tính được liên kết với nhau Hệ thống này truyềnthông tin theo kiểu nối chuyển gói dữ liệu (packet switching) dựa trên một giaothức liên mạng đã được chuẩn hóa (giao thức IP) Hệ thống này bao gồm hàngngàn mạng máy tính nhỏ hơn của các doanh nghiệp, của các viện nghiên cứu vàcác trường đại học, của người dùng cá nhân và các chính phủ trên toàn cầu, đượcliên kết bởi một loạt các công nghệ mạng điện tử, không dây và mạng quang.Internet mang theo một loạt các tài nguyên và dịch vụ thông tin, chẳng hạn nhưcác tài liệu và ứng dụng siêu văn bản được liên kết với nhau của World WideWeb (WWW), thư điện tử, điện thoại và chia sẻ file

Internet là kiểu mạng cục bộ (LAN) được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay Thựcchất, internet chỉ là mạng cấp dưới (lớp vật lý và một phần lớp liên kết dữ liệu),

vì vậy có thể sử dụng các giao thức khác nhau ở phía trên, trong đó TCP/IP là tậpgiao thức được sử dụng phổ biến nhất Tuy vậy, mỗi nhà cung cấp sản phẩm cóthể thực hiện giao thức riêng hoặc theo một chuẩn quốc tế cho giải pháp củamình trên cơ sở internet High Speed Ethernet (HSE) của Fieldbus Foundationchính là một trong tám hệ bus trường được chuẩn hóa quốc tế theo IEC 61158.Mạng Internet mang lại rất nhiều tiện ích hữu dụng cho người sử dụng, một trongcác tiện ích phổ thông của Internet là hệ thống thư điện tử (email), trò chuyệntrực tuyến (chat), máy truy tìm dữ liệu (search engine), các dịch vụ thương mãi

và chuyển ngân, và các dịch vụ về y tế giáo dục như là chữa bệnh từ xa hoặc tổchức các lớp học ảo Chúng cung cấp một khối lượng thông tin và dịch vụ khổng

lồ trên internet

Nguồn thông tin khổng lồ kèm theo các dịch vụ tương ứng chính là hệ thống cáctrang Web liên kết với nhau và các tài liệu khác trong WWW (World Wide Web).Trái với một số cách sử dụng thường ngày, Internet và WWW không đồng nghĩa.Internet là một tập hợp các mạng máy tính kết nối với nhau bằng dây đồng, cápquang, còn WWW, hay Web, là một tập hợp các tài liệu liên kết với nhau bằngcác siêu liên kết (hyperlink) và các địa chỉ URL, và nó có thể được truy nhậpbằng cách sử dụng Internet

Một số trình duyệt web phổ biến hiện nay:

- Internet Explorer có sẵn trong Microsoft Windows, của Microsoft

- Mozilla và Mozilla Firefox của Tập đoàn Mozilla

- Netscape Navigator của Netscape

- Opera của Opera Software

- Safari trong Mac OS X, của Apple Computer

- Maxthon của MySoft Technology

- Avant Browser của Avant Force (Ý)

- Google Chrome của Google

Từ khi ra đời đến nay, internet đã chứng minh được vai trò không thể thay thếkhông những đối với công nghệ mà còn ngay cả đời sống hằng ngày của conngười trên toàn thế giới Internet kết nối toàn cầu và kết nối cả những giá trị côngnghệ, đưa khoa học gần hơn vào ứng dụng cuộc sống, đưa công nghệ lên nhữngtầm cao mới.

4.2 Địa chỉ IP

IP là một địa chỉ của một máy tính khi tham gia vào mạng nhằm giúp cho cácmáy tính có thể chuyển thông tin cho nhau một cách chính xác, tránh thất lạc Cóthể coi địa chỉ IP trong mạng máy tính giống như địa chỉ nhà của bạn để nhânviên bưu điện có thể đưa thư đúng cho bạn chứ không phải một người nào khác.Mỗi địa chỉ IP gồm có 2 thành phần:

- NET ID: dùng đề nhận dạng hệ thống trong cùng một môi trường vật lí cònđược gọi là Phân Đoạn (Segment) Mọi hệ thống trong cùng một phân đoạnphải có cùng Địa Chỉ Mảng Địa chỉ này phải là duy nhất trong số các mạnghiện có

- HOST ID: dùng để nhận dạng một trạm làm việc, một máy chủ, một Routerhoặc một trạm TCP/IP trong cùng một Phân Đoạn Địa chỉ trạm cũng phải

là duy nhất trong một mạng

IP sử dụng trong mô dùng là IP tĩnh: IP này là địa chỉ được cấu hình thủ công chocác thiết bị kết nối mạng Nó được gọi là IP tĩnh do tính chất cố định và khôngthể thay đổi Các thiết bị phải được cấu hình đúng với router để chúng có thể giaotiếp

4.3 Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển bằng webserver qua internet

Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống giám sát và điều khiển

Yêu cầu của hệ thống giám sát và điều khiển:

- Hiển thị giá trị nhiệt độ, độ ẩm, khí gas, ánh sáng và cảnh báo khi có sự cốnhư rò rì khí gas, nhiệt độ hoặc độ ẩm vượt quá mức cho phép.

- Điều khiển bật/tắt các thiết bị bằng webserver thông qua internet và hiển thịtrạng thái thiết bị lên webserver

Vai trò của các thành phần trong hệ thống giám sát và điều khiển:

- Khối cảm biến: thu thập dữ liệu từ môi trường để gửi về khối vi xử lí

- Khối vi xử lí: có trách nhiệm xử lý dữ liệu trước khi đưa lên webserver hoặcnhận tín hiệu điều khiển từ webserver để điều khiển bật/tắt các thiết bị

- Web server: có vai trò đọc các thông tin gửi từ khối vi xử lí sau đó hiển thịlên giao diện web, đồng thời gửi lệnh điều khiển từ người dùng trở lại khối

4.4 Nguyên lý điều khiển truyền nhận dữ liệu

4.4.1 Nguyên lý điều khiển – Truyền nhận dữ liệu sử dụng ESP8266

Quá trình giao tiếp, điều khiển gồm 2 phần :

- Webserver nhận tín hiệu trạng thái từ cơ cấu chấp hành để quản lý, giámsát:

Hình 4.2 Sơ đồ truyền tín hiệu từ cơ cấu chấp hành đến Webserver sử dụng ESP8266

Nguyên lý: Khi có thiết bị được bật/tắt thủ công, tín hiệu sẽ được gửi đếnESP8266 bằng giao tiếp Serial, sau đó được gửi lên Webserver để hiển thị trạngthái thiết bị

- Tín hiệu điều khiển từ WEB truyền về điều khiển các cơ cấu chấp hành:

Hình 4.3 Sơ đồ truyền tín hiệu từ Webserver đến cơ cấu chấp hành sử dụng ESP8266

Nguyên lý: Khi có thao tác bật/tắt trên nút ảo của webserver thì tín hiệu sẽ truyền

về ESP8266, ESP sẽ xử lý và đưa ra tín hiệu điều khiển cơ cấu chấp hành

4.4.2 Nguyên lý điều khiển – Truyền nhận dữ liệu sử dụng Ethernet Shield

Quá trình giao tiếp, điều khiển gồm 2 phần :

- Tín hiệu điều khiển từ WEB truyền về điều khiển các cơ cấu chấp hành:

Hình 4.4 Sơ đồ truyền tín hiệu từ Webserver đến cơ cấu chấp hành sử dụng Ethernet

Nguyên lý: Khi thực hiện các thao tác Bật/Tắt bằng các nút ảo trên giao diệnWebserver, tín hiệu được truyền về server tại Ethernet Shiled, do moduleEthernet Shiled được gắn trực tiếp với vi điều khiển Arduino và giao tiếp Serialđưa tín hiệu tới vi điều khiển, tại đây dữ liệu được xử lý so sánh để biết tín hiệuđiều khiển là của thiết bị nào và cấp lệnh điều khiển cơ cấu chấp hành đó

- Webserver nhận tín hiệu trạng thái từ cơ cấu chấp hành để quản lý, giámsát:

Hình 4.5 Sơ đồ truyền tín hiệu từ cơ cấp chấp hành đến Webserver sử dụng Ethernet

Nguyên lý: Hoàn toàn tương tự như trên, nhưng chiều đi của tín hiệu ngược lại,khi một cơ cấu chấp hành được bật/tắt thủ công, sẽ có tín hiệu truyền về vi điềukhiển và do Ethernet Shield gắn trực tiếp với vi điều khiển nên tín hiệu truyềnđến server của Ethernet bằng giao tiếp Serial, cuối cùng tín hiệu được truyền lênWebserver để Webserver cập nhật hiển thị trạng thái các thiết bị

4.4.3 Ví dụ về điều khiển, giám sát thiết bị bằng Webserver

Chức năng: bật/tắt thiết bị bằng webserver:

#include <ESP8266WebServer.h>

const char* ssid = "P503"; // Enter SSID here

const char* password = "caovan99"; //Enter Password here ESP8266WebServer server(80);

//check wi-fi is connected to wi-fi network

while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {

server.on("/led2off", handle_led2off);

server.on("/led3on", handle_led3on);