TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TH S PHAN VĂN DƯ SINH VIÊN NGUYỄN HỮU THỌ MÃ SỐ SV 145D5202160085 LỚP 55K1 KTĐK TĐH Nghệ An, 05 2022 LỜI CÁM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu tìm hiểu đề tài với sự nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ tận tình của quý thầy cô trong nhà trường và các bạn trong lớp chúng em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp “Thiết kế chế tạo mô hình nhà thông minh” với thời gian đúng quy đị.
GIỚI THIỆU hệ thống nhà thông minh
Một số nghiên cứu liên quan đến đề tài
1.1.1 Các đề tài nghiên cứu ngoài nước
Tại CES 2017, Samsung đã giới thiệu tủ lạnh thông minh Family Hub 2.0, ứng dụng công nghệ IoT với màn hình LED 21.5 inch Tủ lạnh này cho phép người dùng xác định sản phẩm thông qua camera bên trong, tạo danh sách mua sắm và đặt hàng dễ dàng qua ứng dụng MasterCard Ngoài ra, ứng dụng thực đơn giúp người dùng truy cập công thức nấu ăn từ khắp nơi trên thế giới và thực hiện nhiều công việc trong bếp Family Hub 2.0 còn hỗ trợ giao tiếp giữa các thành viên trong gia đình, cho phép tạo hồ sơ cá nhân và chia sẻ hình ảnh, lịch trình, ghi nhớ theo thời gian thực thông qua màn hình tương tác và ứng dụng trên điện thoại thông minh.
Family Hub 2.0 tích hợp công nghệ nhận diện giọng nói, cho phép người dùng dễ dàng truy cập thông tin thời tiết, thời gian, thêm sản phẩm vào danh sách mua sắm, đặt hàng từ các cửa hàng tạp hóa trực tuyến, cũng như quản lý danh sách công việc và lịch trình một cách tiện lợi.
1.1.2 Các đề tài liên quan trong nước
Nhà thông minh BKAV SMARTHOME là hệ thống kết nối tất cả thiết bị trong ngôi nhà thành một mạng lưới thông minh, cho phép điều khiển các thiết bị như đèn, rèm cửa, điều hòa, tivi, âm thanh, camera an ninh, hàng rào điện tử, cảnh báo khí ga và thiết bị báo cháy Người dùng có thể quản lý mọi thiết bị qua màn hình cảm ứng trên smartphone hoặc máy tính bảng với giao diện 3D trực quan Ngoài ra, hệ thống còn hỗ trợ điều khiển bằng giọng nói nhờ công nghệ trợ lý ảo, tạo sự thân thiện và linh hoạt trong việc tương tác với hệ thống.
Hình 1.2 Hệ thống BKAV SmartHome
Tổng quan về IOT
Mạng lưới thiết bị kết nối internet (IoT) là một hệ thống trong đó mọi đồ vật và con người đều có một định danh riêng, cho phép truyền tải và trao đổi thông tin qua một mạng duy nhất mà không cần tương tác trực tiếp IoT đã phát triển từ sự kết hợp của công nghệ không dây, vi cơ điện tử và Internet, tạo thành một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau và với thế giới bên ngoài để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể.
1.2.2 Cấu tạo cơ bản của hệ thống IoTs
The architecture of the Internet of Things (IoT) fundamentally consists of four key components: the "Things" that represent the physical objects, the gateways that facilitate connectivity, the network and cloud infrastructure that support data transmission and storage, and the service creation and solutions layers that enable the development and delivery of applications and services.
Hình 1.3 Mô hình ứng dụng IoT
Vạn vật như xe hơi, thiết bị cảm biến, thiết bị đeo và điện thoại di động đang được kết nối qua mạng không dây và truy cập Internet Giải pháp IoT cho phép các thiết bị thông minh được quản lý dữ liệu một cách hiệu quả, trong khi các thiết bị chưa thông minh có thể kết nối thông qua các trạm kết nối.
Trạm kết nối (Gateways) đóng vai trò trung gian, giúp các thiết bị kết nối an toàn và dễ dàng với điện toán đám mây, từ đó nâng cao khả năng quản lý và bảo mật cho hệ thống.
- Hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud):
Cơ sở hạ tầng kết nối của Internet là một hệ thống toàn cầu bao gồm nhiều mạng IP liên kết với nhau và với các máy tính Hệ thống này bao gồm các thiết bị như định tuyến, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp, và thiết bị lặp, giúp kiểm soát lưu lượng dữ liệu Ngoài ra, nó còn kết nối với mạng lưới viễn thông và cáp do các nhà cung cấp dịch vụ triển khai.
Trung tâm dữ liệu hạ tầng điện toán đám mây bao gồm một hệ thống phức tạp với nhiều máy chủ, hệ thống lưu trữ và mạng ảo hóa được kết nối chặt chẽ.
Các linh kiện sử dụng trong đề tài
1.3.1 Module ardunio wifi esp8266 wemos D1
Wifi ESP8266 WeMos D1 là kit phát triển tiên tiến nhất của WeMos, được thiết kế tương tự như Arduino nhưng sử dụng module wifi SoC ESP8266EX làm trung tâm điều khiển Kit này tương thích với Arduino IDE và Node MCU IDE, giúp người dùng dễ dàng phát triển các ứng dụng thu thập dữ liệu và điều khiển qua Wifi.
2 ESP8266 WeMos D1 cũng được hỗ trợ trên nhiều ngôn ngữ lập trình:C/C+ +,Arduino,Node MCU-Lua,MicroPython,…
Hình 1.4 Module ardunio wifi esp8266 wemos D1
- Vi điều khiển: ATmega328 họ 8bit.
- Điện áp hoạt động: 5 VDC.
- Tần số hoạt động: 16 MHz.
- Số chân Analog: 6 (độ phân giải 10bit).
- Dòng tối đa trên mỗi chân I/O: 30 mA.
- Bộ nhớ flash: 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader.
- SRAM SRAM (Static Random Access Memory): 2 KB (ATmega328). -EEPROM(Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): 1 KB
Blynk là ứng dụng di động cho phép người dùng tùy chỉnh giao diện và điều khiển thiết bị theo sở thích cá nhân Dưới đây là một số lý do để lựa chọn Blynk.
- Dễ sử dụng: Vào store, cài đặt, sau đó đăng ký tài khoản và mất không quá 5 phút để làm quen.
Giao diện của Blynk rất đẹp và dễ sử dụng, cho phép người dùng thao tác bằng cách kéo thả các thành phần như nút bấm, đồ thị và màn hình LCD Tất cả những gì bạn cần đều có thể được thêm vào một cách nhanh chóng và thuận tiện chỉ với vài cú kéo thả.
Blynk giúp bạn điều khiển thiết bị từ smartphone mà không cần kiến thức lập trình Android hay iOS, đơn giản hóa quá trình phát triển ứng dụng Nhờ đó, bạn có thể nhanh chóng thử nghiệm và áp dụng dự án của mình vào thực tế mà không gặp khó khăn phức tạp.
- Thử nghiệm nhanh chóng, có thể điều khiển giám sát ở bất kỳ nơi nào có internet.
1.3.3 Lập trình cho Module ardunio wifi esp8266 wemos D1
Các thiết bị Arduino sử dụng ngôn ngữ lập trình riêng, dựa trên Wiring, một biến thể của C/C++ Ngôn ngữ Arduino dễ học và dễ hiểu nhờ vào nguồn gốc từ C/C++ Để lập trình, gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduino, người dùng có thể sử dụng Arduino IDE (Integrated Development Environment) được cung cấp bởi nhóm phát triển dự án.
Environment) như hình dưới đây.
Hình 1.5 Trình biên dịch Arduino IDE
1.3.4 Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11
Cảm biến DHT11 là một trong những cảm biến độ ẩm và nhiệt độ phổ biến nhất hiện nay nhờ vào giá thành rẻ và khả năng lấy dữ liệu dễ dàng thông qua giao tiếp 1 wire Cảm biến này sử dụng một dây giao tiếp digital duy nhất để truyền tải thông tin Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp bên trong cảm biến thực hiện xử lý và tính toán dữ liệu đầu vào, sau đó xuất ra thông tin về nhiệt độ và độ ẩm dưới dạng digital qua giao tiếp 1 wire.
Hình 1.6 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11
1 Điện áp hoạt động: 3 - 5 VDC.
2 Dòng sử dụng: 2.5mA max (khi truyền dữ liệu).
3 Đo tốt ở độ ẩm 20-80%RH (± 5%).
4 Đo tốt ở nhiệt độ 0 to 50°C (±2°C).
5 Tần số lấy mẫu tối đa 1Hz.
6 Kích thước: 28mm x 12mm x 10mm
7 3 chân, khoảng cách chân 2.5mm.
Hình 1.7 Cảm biến khí gas MQ2
Cảm biến MQ2 là thiết bị chuyên dụng để phát hiện các khí có khả năng gây cháy, được chế tạo từ chất bán dẫn SnO2 Chất này có độ nhạy thấp với không khí sạch, nhưng khi tiếp xúc với môi trường có chất dễ cháy, độ dẫn của nó sẽ thay đổi đáng kể Đặc điểm này cho phép người dùng tích hợp mạch đơn giản để chuyển đổi sự thay đổi độ nhạy thành tín hiệu điện áp, giúp phát hiện khí hiệu quả hơn.
Khi môi trường sạch, cảm biến MQ2 sẽ có điện áp đầu ra thấp Tuy nhiên, khi nồng độ khí gây cháy xung quanh tăng lên, giá trị điện áp đầu ra của cảm biến này cũng sẽ tăng theo.
Cảm biến MQ2 hoạt động hiệu quả trong môi trường khí hóa lỏng như LPG, H2 và các khí dễ cháy khác Nhờ vào thiết kế mạch đơn giản và chi phí thấp, nó được ứng dụng phổ biến trong cả ngành công nghiệp và dân dụng.
- Phạm vi phát hiện: 300 - 10000ppmm
- Đặc điểm của khí: 1000ppmm isobutan
- Độ nhạy sáng: r in air/rin typical gas≥5
- Dòng tiêu thụ khi nóng: ≤ 180mA
- Năng lượng khi nóng : ≤ 900mw
+ Hàm lượng oxy môi trường: 21%
1.3.6 Module LCD I2C chuyển đổi LCD 16x2
Module LCD I2C là giải pháp kết nối màn hình LCD chỉ với 2 dây tín hiệu SDA và SCL, thay vì yêu cầu tối thiểu 6 chân VĐK Điều này giúp tiết kiệm chân kết nối của vi điều khiển, mang lại hiệu quả cao trong việc hiển thị thông tin.
1 Kích thước: 41.5mm(L)x19mm(W)x15.3mm(H)
4 Jump Chốt: Cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt
5 Biến trở xoay chỉnh độ tương phản cho LCD
6 Tốc độ truyền dữ liệu lên đến 400Kbps
7 Dữ liệu truyền nhận đảm bảo tính toàn vẹn vì sử dụng cơ chế phản hồi (ACK) trên mỗi byte dữ liệu.
8 Có khả năng kết nối nhiều thiết bị với nhau: trên mạch có sẵn các mối hànA0, A1, A2 để thay đổi địa chỉ của module.
9 Địa chỉ mặc định: 0x27, có thể mắc vào I2C bus tối đa 8 module (3bit address set).
Màn hình LCD (Liquid Crystal Display) được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của vi điều khiển (VĐK) nhờ vào những ưu điểm nổi bật so với các loại màn hình khác.
Nó có khả năng hiển thị đa dạng các kí tự như chữ, số và kí tự đồ họa, đồng thời dễ dàng tích hợp vào mạch ứng dụng qua nhiều giao thức giao tiếp khác nhau Sản phẩm này tiêu tốn rất ít tài nguyên hệ thống và có giá thành phải chăng.
Thông số kỹ thuật: Điện áp hoạt động: 5 VDC.
Chữ trắng nền xanh dương.
Khoảng cách giữa 2 chân kết nối là 0.1 inch.
Có đèn led nền, có thể dùng điện trở hoặc PWM điều chỉnh độ sáng.
Màn hình có khả năng hiển thị ký tự linh hoạt và đa dạng với font 5x8 Dots, cho phép hiển thị số, chữ, ký tự đồ họa và ký tự đặc biệt Thiết bị hỗ trợ giao tiếp 4bit hoặc 8bit, mang lại sự tiện lợi trong việc truyền tải thông tin.
Module Relay 2 Kênh hoạt động với điện áp 5VDC, có khả năng chịu đựng hiệu điện thế lên đến 250VAC và dòng điện 10A Thiết kế của relay 2 kênh rất chắc chắn, với khả năng cách điện tốt Trên module, mạch kích relay đã được tích hợp sẵn, sử dụng transistor và IC cách ly quang, giúp tách biệt hoàn toàn mạch điều khiển (vi điều khiển) khỏi relay, đảm bảo vi điều khiển hoạt động ổn định.
- Relay là thiết bị đóng cắt cơ bản, nó được sử dụng rất nhiều trong cuộc sống và trong các thiết bị điện tử
Cấu tạo Relay gồm 2 phần:
- Tạo ra năng lượng từ trường để hút tiếp điểm về phía mình.
- Tùy vào điện áp làm việc người ta chia Relay ra DC: 5V, 12V, 24V - AC: 110V, 220V
- Điện áp hoạt động: 5VDC.
- Dòng tiêu thụ: 200mA/1Relay
- Tín hiệu kích: High (5V) hoặc Low (0V) chọn bằng Jumper.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Yêu cầu thiết kế
Sản phẩm thiết kế có sơ đồ khối như sau:
Hình 2.1 Sơ đồ thiết kế nhà thông minh
Bài viết giới thiệu về hệ thống cảm biến gồm cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DTH11 cùng với cảm biến khí gas MQ2, có nhiệm vụ thu thập dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm và khí gas, sau đó truyền tải thông tin này về khối Wemos D1.
Gồm 2 relay 4 kênh có chức năng nhận dữ liệu điều khiển từ khối adruino điều khiển 8 thiết bị điện AC Đồng thời điều khiển các cảm biến để đưa dữ liệu lên blynk.
Gồm màn hình LCD và module chuyển đổi I2C có chức năng hiển thị nhiệt độ độ ẩm và tình trạng khí gas.
Module wemos d1 tích hợp ESp8266 thu thập dữ liệu từ cảm biến sau đó truyền dữ liệu Blynk để điều khiển thiết bị.
- Tính toán dòng áp cho các module trong thiết kế:
Khối hiển thị LCD 16x2 : 260mA
Khối DHT11 + cảm biến gas MQ2: 2.5mA + 180mA(max)
Tổng dòng cho hệ thống: 250 + 260 + 80 + 80x4 + 180 = 1090 mA
Chân DATA của cảm biến nhiệt độ và độ ẩm được kết nối với chân số 9 của module Arduino Chân VDD của cảm biến cần được nối với nguồn VCC, trong khi chân GND phải được kết nối với mass.
Chân Aout của cảm biến khí gas kêt nối với chân A0 của module Adruino, Chân VDD nối lên nguồn VCC chân GND của cảm biến nối xuống mass.
Khối hiển thị LCD 16x2 và I2C
Hình 2.3 Khối hiển thị LCD và I2C
Chân SCl và SDA của module chuyển đổi I2C được kết nối với chân A5 và A4 của module Arduino Uno Đồng thời, chân VCC và GND của module chuyển đổi I2C được kết nối với nguồn VCC và mass của hệ thống.
Khối relay đóng ngắt thiết bị
Các chân tín hiệu tích cực mức thấp của relay 4 kênh IN1, IN2, IN3, IN4 được kết nối với các chân 4, 5, 6, 7 của module Arduino Uno, cho phép điều khiển đóng ngắt 4 relay một cách hiệu quả.
Hình 2.5 Module ardunio wifi esp8266 wemos D1
Wemos D1 được sử dụng để cấp nguồn 5V cho toàn hệ thống mạch, sử dụng chân Analog D4, D5, ngoài ra còn sử dụng chân D 2, D 6, D7, D8, D9, D11, D12,D13, D14.
Các bước thực hiện
Các bước này chỉ thực hiện một lần khi lần đầu sử dụng.
Bước 1: tắt nguồn của module relay bằng công tắt trên hộp rồi cấp điện cho bộ điều khiển từ ổ cắm điện bằng phích cắm.
Bước 2: Chờ khoảng 3-4 phút để module phát ra tín hiệu WiFi cho quá trình cài đặt Tín hiệu WiFi này được phát ra bởi Wemos D1 nhằm thu thập tên và mật khẩu của mạng WiFi trong nhà để thực hiện kết nối.
+ Dùng điện thoại mở vào phần cài đặt kết nối wifi, sẽ có 3 sóng wfi là: Thiết lập wifi (1), Thiết lập wifi (2) và Thiết lập wifi (3) như trong hình.
2.2.1 Đối với hệ điều hành android
Để kết nối wifi, hãy chạm vào dòng chữ “Thiết lập wifi (1)” Sau khi chạm thêm một lần nữa, một bản thông báo sẽ xuất hiện Nhấp vào đường link trong bản thông báo để được dẫn đến trang web cài đặt wifi tại nhà.
Hình 2.7 Thiết lập địa chỉ IP
Tiếp tục làm như vậy với “Thiết lập wifi (2), Thiết lập wifi (3)”.
Hình 2.8 Chọn wifi có trong nhà
+ Nhập tên wifi hoặc có thể chọn các mạng wifi có sẵn xung quanh và nhập mật khẩu chạm vào ô save để lưu.
Hình 2.9 Nhập wifi nhà mình để điều khiển
2.2.2 Đối với hệ điều hành IOS
+ Cũng chạm vào dòng chữ “Thiết lập wifi (1), (2), (3) sẽ tự tự động đưa đến trang web và làm các bước còn lại tương tự như trên:
Hình 2.10 Tương tự trên hệ điều hành IOS
Vậy là đã xong phần kết nối với wifi trong nhà.
+ Tải ứng dụng blynk trên CH Play (android) hoặc AppStore (IOS), đăng nhập bằng.
Tài khoản: nhathongminhIOT@gmai.com
Làm theo các bước như trong hình
Hình 2.11 Giao diện khi vào blynk
Hình 2.12 Đăng nhập hệ thống
Hình 2.13 Giao diện điều khiển
+ Chạm vào biểu tượng như trong hình để kiểm tra kết nối:
Hình 2.14 Kiểm tra các module có kết nối không
+ Cả 3 module đểu kết nối thành công:
2.2.3 Các module đều kết nối
Ngược lại nếu 1 trong 3 module chưa kết nối thành công thì sẽ không có dấu chấm xanh, phải rút điện và thực hiện kết nối lại từ đầu:
Hình 2.15 Lỗi không kết nối được với Wemos D1
THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
Quá trình thực nghiệm
3.1.1 Quá trình thực nghiệm kết nối
Bước 1: Nạp lại code cho module Wemos D1 Thay tên wifi và mật khẩu, thay thế hoặc tạo thêm project để lấy lại mã auth gửi qua gmail
Bước 2: Cấp nguồn cho hệ thống mạch.
Bước 4: thực hiện điều khiển thiết bị trong nhà
Bước đầu tiên là cấp nguồn cho đèn LED của cảm biến nhiệt độ, cảm biến gas và màn hình LCD để kiểm tra xem mạch đã hoạt động ổn định hay chưa.
- Kiểm tra đầy đủ các chân cắm tín hiệu, chân nguồn của các module đã được chắc chắn hay chưa.
- Đợi 10-20s để module ESP8266 phát ra wifi connecting với wifi mạng nhà mình.
- Kết nối điện thoại với wifi được lập trình sẵn cho wemos D1.
- Đảm bảo nguồn cấp đầy đủ, đủ dòng đủ điện áp.
- Tiến hành thực hiện các bước tiếp theo.
Hình 3.1 Board mạch khi được cấp nguồn và được điều khiển
Hình 3.2 Ap blynk để điều khiển các thiết bị trong nhà
Hình 3.4 Cửa ra vào khi hoạt động
Bước 2: Quan sát tín hiệu các wemos trên blynk để xem quá trình truyền nhận dữ liệu
Bước 3: Mở ap blynk để tiến hành điều khiển
Hình 3.5 hệ thống trong nhà đã hoạt động đầy đủ
Bước 4: Kết quả hiển thị trên ap Blynk
Hình 3.6 Kết quả hiện thị trên ap Blynk
Hình 3.7 Cảm biến chất lượng không khí hoạt động
Hình 3.8 Cảm biến mưa hoạt động
Hình 3.9 Các cảm biến hoạt động tốt.
Đánh giá thực nghiệm
Quá trình truyền nhận giữa Wemos D1 và ap Blynk hoạt động ổn định
Quá trình thực nghiệm không xảy ra bất cứ lỗi hoặc trục trặc.
Hệ thống hoạt động ổn định Quá trình cập nhật dữ liệu lên hệ thống và quá trình gửi dữ liệu xuống để điều khiển nhanh, ổn định.
Phần cứng hệ thống có kích thước nhỏ, nhẹ, dễ lắp đặt.
Ap Blynk có thiết kế đơn giản và dễ nhìn, với nút cập nhật cảm biến và khả năng gửi thông báo xuống màn hình LCD Hệ thống nút nhấn được thiết kế trực quan, giúp người dùng dễ dàng tương tác Ứng dụng có thể sử dụng trên điện thoại, máy tính và tablet, mang lại sự tiện lợi cho người dùng.
Kết quả đo từ môi trường tương đối chính xác phù hợp với yêu cầu đề tài
Sản phẩm sử dụng Module Wemos D1 với giá thành rẻ nên có thể ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống dân dụng.
Sử dụng module hầu hết có sẵn trên thị trường nên chất lượng chưa ổn định và thiết kế chưa đồng bộ hợp nhất.
Hệ thống được xây dựng còn khá đơn giản, quy mô nhỏ, mang tính chất thực nghiệm.
Vì sử dụng ap miễn phí nên tốc độ truy cập và dung lượng còn hạn chế.