Mô hình nhà thông minh dùng ARDUINO và ESP8266

Microsoft Word BM Trang bia DA, KLTN doc 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH DÙNG ARDUINO VÀ ESP8266 NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ThS NGUYỄN HOÀNG QUỐC VIỆT Sinh viên thực hiện MSSV Lớp Nguyễn Tấn Trung 1815020018 18HDCA1 Đặng Lê Hoàng Vũ 1815020021 18HDCA1 Tp Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2021 (dòng 29) Tp Hồ Chí Minh, tháng (chữ thường, cỡ 13; ghi tháng năm bảo vệ) LỜI CẢM ƠN Sau 3 năm học tập, rèn luyện, tu dưỡng t.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH DÙNG ARDUINO VÀ ESP8266

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: ThS NGUYỄN HOÀNG QUỐC VIỆT

Tp Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2021

Để được như ngày hôm nay, ngoài việc cố gắng, nổ lực từ bản thân, thì còn rất nhiều người đã giúp đỡ, khích lệ em trong suốt chặng đường Vì vậy, em muốn gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc, sự biết ơn suốt đời đến những người sau đây:

Em xin cảm ơn gia đình của em Đặc biệt là bố mẹ em, họ là những người đã

hy sinh rất nhiều vì em Bố mẹ đã tạo điều kiện cho em để được học tại ngôi trường Đại học, bố mẹ luôn luôn theo dõi, khích lệ em hoàn thành việc học

Em xin cảm ơn thầy ThS Nguyễn Hoàng Quốc Việt vì chúng em đã được thầy hướng dẫn làm Luận văn tốt nghiệp Suốt hành trình dài đó, thầy đã chỉ bảo

em, thúc dục em hoàn thành nhiệm vụ Với những kinh nghiệm dày dạn của mình, thầy đã gợi ý những phương pháp, hướng đi đúng đắn cho em để từng bước giải quyết các vấn đề hóc búa của đề tài

Em xin cảm ơn tất cả các cán bộ giảng viên các khoa ngành, đã giảng dạy, truyền thụ kiến thức quý báu cũng như rèn luyện cho chúng em đạo đức, lối sống để chúng em trưởng thành hơn mỗi ngày Em xin cảm ơn nhà trường đã tạo điều kiện cho chúng em được học tập và rèn luyện tại mái trường than yêu này

Và cuối cùng, qua đây em xin gửi lời cảm ơn tới bạn học của em, là bạn Vũ Những lúc gặp khó khăn, họ đã giúp đỡ em rất nhiều Gợi ý cho em những hướng giải quyết phù hợp, qua đó giúp em tự mình nghiên cứu các vấn đề hóc búa gặp phải trong thời gian làm luận văn

MỤC LỤC

Phiếu đăng ký tên đề tài Trang I Phiếu giao nhiệm vụ II Lời cam đoan VI Lời cảm ơn V Mục lục VI Danh sách các hình IX

LỜI MỞ ĐẦU 9

1 Tính cấp thiết của đề tài 9

2 Tình hình nghiên cứu 10

Tình hình trong nước: 10

Tình hình thế giới: 11

3 Mục đích nghiên cứu 11

4 Nhiệm vụ nghiên cứu 11

5 Phương pháp nghiên cứu 12

6 Các kết quả đạt được sau khi nghiên cứu 14

7 Kết Cấu 14

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG TRONG NHÀ THÔNG MINH 16

1.1 TỔNG QUAN 16

1.2 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG NGÔI NHÀ THÔNG MINH 17

1.2.1 Hệ thống quản lý chiếu sáng 17

1.2.2 Hệ thống kiểm soát vào ra 17

1.2.3 Hệ thống quan sát, thông tin liên lạc 18

1.2.4 Hệ thống giải trí đa phương tiện 18

1.2.5 Hệ thống quản lý cấp điện, nước, gas 18

1.2.6 Hệ thống cảm biến và báo động, báo cháy 19

1.2.7 Hệ thống điều hòa không khí, kiểm soát môi trường 19

1.2.8 Hệ thống các công tắc điều khiển trạng thái 19

1.2.9 Hệ thống mạng, xử lý trung tâm và sự kết hợp hoạt động 19

1.3 TRIỂN KHAI MÔ HÌNH NGÔI NHÀ THÔNG MINH THỰC TẾ 20

1.3.1 Mô tả yêu cầu 20

1.3.2 Mục tiêu thực hiện 21

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN GIẢI PHÁP 22

2.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 22

2.2 MỤC TIÊU 23

2.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 24

2.4 GIỚI HẠN 25

2.5 BỐ CỤC 25

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT 27

3.1 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU 27

3.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27

3.3 CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC SAU KHI NGHIÊN CỨU 29

3.4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT (PHẦN CỨNG) 29

3.4.1 Tìm hiểu về vi điều khiển 29

3.4.1.1 Tổng quan về các vi điều khiển có trong luận văn 29

3.4.1.2 Giới thiệu về ESP8266 NodeMCU 32

3.4.1.3 Giới thiệu về Arduino Uno R3 35

3.4.2 Giới thiệu về công nghệ RFID 39

3.4.2.1 Khái niệm 39

39

3.4.2.2 Cấu tạo 40

Bảng 3.1 Một vài tần số RFID phổ biến 40

40

3.4.2.3 Đặc điểm 40

3.4.2.4 Nguyên lý hoạt động của công nghệ RFID 41

41

3.4.2.5 Ứng dụng công nghệ RFID 41

3.4.2.6 Tính bảo mật 42

3.4.3 Module đọc RFID RC522 42

43

3.4.4 Màn hình LCD 16x2 43

Sơ đồ chân 44

3.4.5 Động cơ servo SG90 9g Micro 45

46

3.4.6 Động cơ DC giảm tốc 46

3.4.7 Mạch điều khiển động cơ DC L298 47

47

3.4.8 Mạch chuyển giao tiếp LCD1602 sang I2C 48

48

3.4.9 Các loại cảm biến 49

Cảm biến thân nhiệt chuyển động ( PIR HC-SR501) 49

Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT22 51

Cảm biến khói, khí gas MQ2 52

Cảm biến mưa 53

3.5 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP ĐƯỢC SỬ DỤNG 54

Chuẩn giao tiếp UART 54

Chuẩn giao tiếp SPI 54

Chuẩn giao tiếp I 2 C 55

3.6 CƠ SỞ LÝ THUYẾT (PHẦN MỀM) 56

Google Assistant 56

56

Công cụ IFTTT (IF This…Then That) 57

57

58

Tiếp theo chọn New Applet, click vào This, tìm Google Assistant .58

58

Hình 3.25: Tạo This cho IFTTT .58

59

Hình 3.26: IFTTT sau khi được tạo .59

CHƯƠNG 4: QUI TRÌNH THIẾT KẾ 60

4.1 THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG 60

4.1.1 Yêu cầu thiết kế 60

4.1.2 Phân tích 61

4.1.3 Sơ đồ khối tổng quát 62

4.1.4 Sơ đồ khối chi tiết 63

4.1.5 Tính toán và thiết kế mạch: 67

4.1.6 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch: 77

4.2 THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN MỀM 79

4.2.1 Yêu cầu thiết kế 79

4.2.2 Phân tích 80

4.2.3 Sơ đồ khối tổng quát .80

4.2.4 Sơ đồ khối chi tiết 80

CHƯƠNG 5 THI CÔNG HỆ THỐNG 94

5.1 GIỚI THIỆU 94

5.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 95

5.2.1 Thi công bo mạch hệ thống 95

5.2.2 Lắp ráp và kiểm tra bo mạch hệ thống 96

5.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 98

5.3.1 Đóng gói bộ điều khiển 98

5.3.2 Thi công mô hình 98

5.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 99

5.4.1 Lưu đồ giải thuật 99

5.5 HƯỚNG DẪN THAO TÁC HỆ THỐNG 105

5.5.1 Hệ thống mở cửa 105

5.5.2 Thêm thẻ RFID 105

5.5.3 Xóa thẻ 105

5.5.4 Đọc giá trị nhiệt độ, độ ẩm trên LCD và app Blynk: 105

5.5.5 Phát hiện khói hoặc khí gas vượt mức cho phép: 105

5.5.6 Phát hiện có người chuyển động trong phạm vi cài đặt cảm biến: 105 5.5.7 Phát hiện sáng tối để tự bật tắt đèn ngoài trời : 106

CHƯƠNG 6: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC HIỆN VÀ HƯỚNG PHÁT

TRIỂN 107

6.1 KẾT QUẢ 107

6.2 KẾT QUẢ PHẦN MỀM 108

6.3 KẾT QUẢ PHẦN CỨNG 115

6.4 KẾT LUẬN 115

6.5 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CHO ĐỀ TÀI 116

TÀI LIỆU THAM KHẢO 117

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 3.1 ESP8266 32

Hình 3.2: Module ESP8266 NodeMCU .33

Hình 3.3: Sơ đồ chân của NodeMCU 34

Hình 3.4: Kit Arduino Uno R3 35

Hình 3.5: Vi điều khiển ATmega328 36

Hình 3.6: Các cổng vào/ra của Arduino Uno R3 38

Hình 3.7 Hình ảnh về RFID 39

Hình 3.8 Nguyên lý hoạt động RFID 41

Hình 3.9 Module đọc RFID RC522 43

Hình 3.10 Sơ đồ chân LCD 16x2 44

Hình 3.11Động cơ Servo SG90 9g Micro 46

Hình 3.12: Động cơ DC giảm tốc 46

Hình 3.13: Mạch điều khiển động cơ DC L298 47

Hình 3.14 :Mạch chuyển giao tiếp LCD sang I2C 48

Hình 3.15: Cảm biến chuyển động 49

Hình 3.16: Cảm biến DHT22 51

Hình 3.17: Cảm biến khói, khí ga MQ-2 52

Hình 3.18: Cảm biến mưa 53

54

Hình 3.19: Hệ thống truyền dữ liệu bất đồng bộ 54

Hình 4.1: Sơ đồ khối tổng quát phần cứng 62

Hình 4.2: Sơ đồ khối phần điều khiển 63

Hình 4.3: Sơ đồ khối phần cảm biến 64

Hình 4.4: Cổng dùng RFID 65

Hình 4.5: Tổng thể mô hình thực tế 66

Hình 4.6: khối xử lý trung tâm sử dụng bo Arduino Uno 67

Hình 4.7: Động cơ Servo SG90 9G 68

Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý kết nối Arduino với động cơ Servo SG90 69

Hình 4.9: LCD 16x2 70

Hình 4.10: Mạch chuyển giao tiếp LCD sang I2C 70

Hình 4.11: Sơ đồ nguyên lý kết nối Arduino Uno với LCD 71

Hình 4.12: Sơ đồ nguyên lý kết nối Module đọc RFID vào Arduino Uno 73

Hình 4.13: còi 5v (Buzzer) 74

Hình 4.14: Sơ đồ nguyên lý kết nối giữa còi(buzzer) vào Arduino 75

Hình 4.15: Module LM2596 thực tế 76

Hình 4.16: Sơ đồ nguyên lý kết nối toàn mạch 78

Hình 4.17: Sơ đồ nguyên lý kết nối toàn mạch PCB lay out 78

Hình 4.18: Sơ đồ khối tổng quát phần mềm 80

Hình 4.19: Lưu đồ giải thuật phần điều khiển thiết bị 82

Hình 4.20: Code điều khiển nạp cho ESP8266 .85

Hình 4.21: Lưu đồ dành cho cảm biến khí gas .86

Hình 4.22: Lưu đồ dành cho cảm biến thân nhiệt chuyển động .86

Hình 4.23: Code phần cảm biến 87

Hình 4.24: Code phần RFID đóng mở cửa và code thêm /xóa thẻ .93

Hình 5.1 Hệ thống lúc chưa vẽ mạch (cắm dây) 94

Hình 5.2 Sơ đồ đi dây đã phủ đồng bo mạch hệ thống 95

Hình 5.3 Mạch vẽ bằng Proteus thể hiện sơ đồ schematic .96

Hình 5.4 Mạch in sau khi hoàn thành 97

Hình 5.5 Hình dạng mặt trước mô hình 98

Hình 5.6 Hình dạng mặt bên mô hình 99

Hình 5.7 Lưu đồ giải thuật của hệ thống 100

Hình 5.8 Lưu đồ giải thuật thêm / xóa thẻ 101

Hình 5.9 Lưu đồ giải thuật phát hiện khói / khí gas 102

Hình 5.10 Lưu đồ giải thuật phát hiện có người chuyển động 103

Hình 5.11 Lưu đồ giải thuật bật đèn hành lang tự động 104

Hình 6.1: LCD khi mới khởi động hệ thống 108

Hình 6.2 Quẹt thẻ vào RFID để mở cửa 109

Hình 6.3 Thông báo quẹt đúng thẻ và cửa mở 110

Hình 6.4 cửa đã được mở 110

Hình 6.5 Khi quét thẻ lạ màn hình sẽ báo sai thẻ 111

Hình 6.6 Hiển thị LCD khi scan thẻ master 111

Hình 6.7 Hiển thị LCD sau khi scan thẻ master xong và yêu cầu scan thẻ mới 112

Hình 6.8 Hiển thị LCD sau khi thêm thẻ mới thành công 112

Hình 6.9 Hiển thị LCD sau khi scan thẻ cần xóa ra khỏi hệ thống 113 Hình 6.10 Hiển thị LCD sau khi thẻ cần xóa đã xóa thành công 113 Hình 6.11 Hiển thị giao diện điều khiển trên điện thoại dung app Blynk 114

LỜI MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Thời đại bùng nổ công nghệ thông tin, các phương tiện thông tin đại chúng ngày càng phát triển, trong đó phát triển mạnh mẽ nhất phải kể đến Internet Với những ưu thế vượt trội, Internet từ khi ra đời đến nay luôn đóng một vai trò quan trọng trong đời sống xã hội, nó tác động đến mọi mặt, mọi lĩnh vực trong đời sống Bất kì một ngành nào cũng đều sử dụng đến Internet Tất nhiên, không thể không nhắc tới ngành Điện – Điện tử

Và trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau của ngành Điện – điện tử, ta lại nhắc tới một khái niệm, đó là “Internet of Things” (viết tắt là IoT) Nói một cách đơn giản, IoT là khi mọi thứ đều có thể kết nối với nhau thông qua internet Chúng ta có thể kiểm soát mọi đồ vật của mình qua mạng mà chỉ bằng một thiết bị thông minh, chẳng hạn như smartphone, tablet, PC hay thậm chí chỉ bằng một chiếc smartwatch nhỏ bé trên tay

Để hiểu rõ hơn và có thể thực hành ứng dụng IoT vào cuộc sống, chúng ta cần phải nghiên cứu nhiều hơn về nó Vì vậy, em đã chọn đề tài Mô Hình Nhà thông minh dùng Arduino và ESP8266 để làm luận văn của mình Một mặt, em có thể tìm hiểu, đi sâu nghiên cứu các vi xử lý, cũng như các linh kiện có trong đề tài Qua đó giúp em cũng cố thêm nền tảng điện – điện tử của mình Một mặt nữa là giúp em trau dồi kỹ năng ứng dụng thực tiễn Để những kiến thức lý thuyết có thể

áp dụng vào cuộc sống

Vậy để bắt đầu nghiên cứu cho đề tài này, ta cần phải chọn cho mình một board mạch thật toàn diện, có vai trò là trung tâm điều khiển cho toàn hệ thống Nhà thông minh Board mạch này phải có tốc độ xử lý nhanh, ổn định, có thể kết nối được internet, giá cả phải chăng, đồng thời có cộng đồng hỗ trợ mạnh để có thể phát triển lên cho đề tài

Để đáp ứng hoàn hảo cho các yêu cầu trên, em quyết định chọn module

ESP8266 Tuy nhiên, cho tới thời điểm hiện tại thì có hơn 14 phiên bản ESP8266 đã

ra đời Ví dụ ESP-01, ESP-02, ESP-03… Và phổ biến nhất hiện nay là ESP-12 Module ESP-12 kết hợp với firmware ESP8266 trên Arduino và thiết kế phần cứng giao tiếp tiêu chuẩn đã tạo nên NodeMCU (tên đầy đủ hơn là NodeMCU Dev Kit) Vậy cụ thể, NodeMCU ESP8266 này có những ưu điểm gì mà chúng ta chọn nó?

NodeMCU ESP8266 đã và đang được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới, và ngày càng chứng tỏ được sức mạnh của chúng thông qua vô số ứng dụng độc đáo của người dùng trong cộng đồng nguồn mở (open-source), kết nối dễ dàng, có thể lập trình, nạp chương trình trực tiếp trên phần mềm Arduino, đồng thời tương tích với các bộ thư viện Arduino sẵn có, NodeMCU chính là sự lựa chọn hàng đầu để nghiên cứu đề tài

2 Tình hình nghiên cứu

Tình hình trong nước:

Các doanh nghiệp Việt Nam vẫn không ngừng bám đuổi công nghệ trên thế giới, không ngừng nghiên cứu về nhà thông minh Thực tế, đã có nhiều doanh nghiệp của chúng ta đã cho ra mắt các sản phẩm phẩm nhà thông minh “Made in Vietnam”

+ Không thể không nhắc tới nhà thông minh ASIC, một dạng start up thành công ở Việt Nam và đang ngày càng phát triển

Ngoài ra, khi nhắc đến những thương hiệu nhà thông minh đến từ nước ngoài, không thể không kể đến: hãng Schneider của Pháp, Smartg4 của Mỹ, Gamma của Gamma JSC, Arteor của hãng Legrand (Pháp), My Home của hãng Bticino (Ý), WattStopper (Mỹ), Mhouse, Home access, Came với đại lý chính thức là NTMC, Hager (Pháp), Crestron (Mỹ) Các sản phẩm thiết bị điện thông minh đến từ nước ngoài đều mang trong mình những ưu điểm vượt trội về thiết kế, tính năng với những giải pháp tiên tiến và hiện đại

3 Mục đích nghiên cứu

Để chế tạo được một sản phẩm nhà thông minh phục vụ nhu cầu cuộc sống cũng như mang đến cho con người cảm giác thật tuyệt vời thi trải nghiệm luôn là đề tài hay để các nhà nghiên cứu cũng như các nhà kinh doanh theo đuổi

Vấn đề chính để có thể phát triển các mô hình nhà thông minh ở nước ta là

hạ giá thành đầu tư và cải tiến các chức năng phù hợp với yêu cầu về kinh tế và nhu cầu của người dân

Vì vậy qua đề tài tốt nghiệp này chúng em muốn góp một phần nhỏ công sức

để làm phong phú thêm các phương pháp, một cách làm khác nhằm góp phần vào

sự phát triển chung của mô hình nhà ở thông minh hiện nay

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

Tìm hiểu, đi sâu nghiên cứu board NodeMCU và lập trình Arduino trên phần mềm lập trình Arduino IDE

+ Tìm hiểu, nghiên cứu các loại cảm biến thông dụng hiện nay: Cảm biến nhiệt độ,

độ ẩm không khí DHT22, cảm biến khí ga MQ-2, cảm biến lửa Flame Sensor, cảm biến chuyển động, cảm biến mưa, cảm biến ánh sáng BH1750

+ Tìm hiểu, nghiên cứu các thiết bị điện như Bóng đèn, cửa, rèm, còi và đèn báo động…

+ Tìm hiểu và viết code để điều khiển nhà thông minh bằng Blynk app

+ Tìm hiểu công cụ điều khiển bằng giọng nói Google Assistant kết hợp với IFTTT

để điều khiển bằng giọng nói qua Blynk

+ Kết nối và lập trình để điều khiển thiết bị thông qua app Blynk(dùng điều khiển từ

xa thông qua internet)

+ Đọc giá trị cảm biến và đưa lên Blynk App, đồng thời hiển thị giá trị cảm biến đó lên Blynk App để người dùng theo dõi

+ Kết hợp các chức năng ở trên để tạo thành một ngôi nhà thông minh (ở dạng mô hình)

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp mô hình hóa là một phương pháp khoa học để nghiên cứu các đối tượng, các quá trình … bằng cách xây dựng các mô hình của chúng (các mô hình này bảo toàn các tính chất cơ bản được trích ra của đối tượng đang nghiên cứu) và dựa trên mô hình đó để nghiên cứu trở lại đối tượng thực

Mô hình: là một hệ thống các yếu tố vật chất hoặc ý niệm (tư duy) để biểu diễn, phản ánh hoặc tái tạo đối tượng cần nghiên cứu, nó đóng vai trò đại diện, thay thế đối tượng thực sao cho việc nghiên cứu mô hình cho ta những thông tin mới tương tự đối tượng thực

Cơ sở logic của phương pháp mô hình hóa là phép loại suy Phương pháp mô hình hóa cho phép tiến hành nghiên cứu trên những mô hình (vật chất hay niệm (tư duy)

do người nghiên cứu tạo ra (lớn hơn, bằng hoặc nhỏ hơn đối tượng thực) để thay thế việc nghiên cứu đối tượng thực Điều này thường xảy ra khi người nghiên cứu không thể hoặc rất khó nghiên cứu đối tượng thực trong điều kiện thực tế

Phương pháp mô hình hóa xem xét đối tượng nghiên cứu như một hệ thống (tổng thể), song tách ra từ hệ thống (đối tượng) các mối quan hệ, liên hệ có tính quy luật có trong thực tế nghiên cứu, phản ánh được các mối quan hệ, liên hệ đó của các yếu tố cấu thành hệ thống – đó là sự trừu tượng hóa hệ thống thực

Dùng phương pháp mô hình hóa giúp người nghiên cứu dự báo, dự đoán, đánh giá các tác động của các biện pháp điều khiển, quản lý hệ thống.Ví dụ: sử dụng phương pháp phân tích cấu trúc (đặc biệt là cấu trúc không gian, các bộ phận hợp thành có bản chất vật lý giống hệt đối tượng gốc) để phản ánh, suy ra cấu trúc của đối tượng gốc như: mô hình động cơ đốt trong, mô hình tế bào, sa bàn…

Cụ thể ở đây chúng em dùng phương pháp nghiên cứu trên mô hình nhà thông minh

Ngoài ra chúng em còn sử dụng phương pháp thu thập thông tin từ nhiều nguồn như: tham khảo tài liệu trên mạng, những báo cáo khoa học trong và ngoài nước để làm cho thông tin nghiên cứu thêm phong phú, khách quan

6 Các kết quả đạt được sau khi nghiên cứu

Sau khi thiết kế đã đạt được những kết quả sau:

1 Thiết kế hoàn chỉnh mô hình nhà thông minh Gồm đầy đủ

các chức năng chính:

+ Điều khiển thiết bị (đèn, cửa chính, giàn phơi…) qua app Blynk được cài đặt lên Smart phone và Tablet Có thể điều khiển nội bộ (tablet đặt tại phòng khách), và có thể điều khiển từ xa ở bất kì đâu bằng smart phone

+ Đọc giá trị các cảm biến và hiển thị lên app Và có thể cảnh báo cho người dùng khi có biến cố xảy ra (như báo cháy, báo khói và khí ga)

2 Hệ thống hoạt động khá ổn định, rất ít xảy ra lỗi khi hoạt động Sử dụng internet là wifi rất phổ biến hiện nay nên đề tài rất thiết thực và gần gũi với người dùng

3 Việc nghiên cứu đề tài “Nhà Thông Minh” đã mang lại cho em rất nhiều kiến thức và kinh nghiệm Đề tài giúp cho em nắm rõ được họ ESP8266 nói chung

và NodeMCU nói riêng Nắm rõ cách lập trình Arduino cho NodeMCU trên môi trường lập trình Arduino IDE Hiểu sâu hơn về các cảm biến Ngoài ra làm chủ được cách thức đưa dữ liệu lên internet cũng như lấy dữ liệu trở lại cho vi xử lý với cloud của Blynk Đồng thời, nắm được cơ bản việc xây dựng một app cơ bản cho điện thoại để ứng dụng vào IoT Và cuối cùng là kết nối các kiến thức trên với nhau

để tạo thành một sản phẩm hữu ích cho đời sống, có mục đích và ý nghĩa thiết thực cho con người

7 Kết Cấu

Chương 1 Giới thiệu

Chương này trình bày về giới thiệu các hệ thống điển hình trong nhà thông minh

Chương 2 Tổng Quan giải pháp

Chương này trình bày về đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án

Chương 3 Phương pháp giải quyết

Trong chương này trình bày về các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài

sẽ dùng để thực hiện thiết kế, thi công cho đề tài Thảo luận, đánh giá và chọn giải pháp

Chương 4 Quy trình thiết kế

Chương này giới thiệu tổng quan về các yêu cầu của đề tài mà mình thiết kế và các tính toán, thiết kế gồm những phần nào Như: thiết kế sơ đồ khối hệ thống, sơ đồ nguyên lý toàn mạch, tính toán thiết kế mạch

Chương 5 Thi Công Hệ Thống

Chương này trình bày về quá trình vẽ mạch in lắp ráp các thiết bị, đo kiểm tra mạch, lắp ráp mô hình Thiết kế lưu đồ giải thuật cho chương trình và viết chương trình cho hệ thống Hướng dẫn quy trình sử dụng hệ thống

Chương 6 Đánh giá kết quả, kết luận và hướng phát triển

Trình bày về những kết quả đã được mục tiêu đề ra sau quá trình nghiên cứu thi công Từ những kết quả đạt được để đánh giá quá trình hoàn thành được bao nhiêu phần trăm

Trình bày về những kết quả mà đồ án đạt được, những hạn chế, từ đó rút ra kết luận

và hướng phát triển để giải quyết các vấn đề tồn đọng để đồ án hoàn thiện hơn

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG TRONG

NHÀ THÔNG MINH

1.1 TỔNG QUAN

- Nhà thông minh là ngôi nhà được trang bị các hệ thống tự động thông minh cùng với cách bố trí hợp lý, các hệ thống này có khả năng tự điều phối các hoạt động trong ngôi nhà theo thói quen sinh hoạt và nhu cầu cá nhân của gia chủ

Chúng ta cũng có thể hiểu ngôi nhà thông minh là một hệ thống chỉnh thể mà trong

đó, tất cả các thiết bị điện tử gia dụng đều được liên kết với thiết bị điều khiển trung tâm và có thế phối hợp với nhau để cùng thực hiện một chức năng Các thiết bị này

có thể tự đưa ra cách xử lý tình huống được lập trình trước, hoặc là được điều khiển

và giám sát từ xa

- Giải pháp nhà thông minh sẽ biến những món đồ điện tử bình thường trong ngôi nhà trở nên thông minh và gần gũi với người dùng hơn, chúng được kiểm soát thông qua các thiết bị truyền thông như điều khiển từ xa, điện thoại di động… ngôi nhà thông minh đơn giản nhất có thể được hình dung bao gồm một mạng điều khiển liên kết một số lượng cố định các thiết bị điện, điện tử gia dụng trong ngôi nhà và chúng được điều khiển thông qua một chiếc điều khiển từ xa Chỉ với kết nối đơn giản như trên cũng đủ để hài lòng một số lượng lớn các cá nhân có nhu cầu nhà thông minh ở mức trung bình

- Vậy liệu nhà thông minh có làm thay đổi các thói quen vốn đã rất gắn bó từ trước đến nay với hầu hết mọi người?

- Chúng ta đều biết phần lớn căn hộ từ trung bình đến cao cấp đều sử dụng các loại điều khiển từ xa để điều khiển máy lạnh, ti vi…còn lại phần lớn các thiết bị khác như hệ thống đèn, bình nước nóng lạnh…phải điều khiển bằng tay Những việc như vậy đôi lúc sẽ đem lại sự bất tiện, khi mà chúng ta mong muốn có một sự tiện nghi và thoải mái hơn, vừa có thể tận hưởng nằm trên giường coi ti vi vừa có

thể kiểm soát được hệ thống các thiết bị trong nhà chỉ với một chiếc smartphone hay máy tính bảng

1.2.1 Hệ thống quản lý chiếu sáng

- Các thiết bị chiếu sáng như bóng đèn sợi đốt, đèn neon, đèn ngủ, trang

trí…được sử dụng rất nhiều Vì vậy nếu phối hợp chiếu sáng không hợp lý sẽ dẫn tới bị “ô nhiễm” ánh sáng Ngoài ra, việc chiếu sáng như vậy còn gây lãng phí điện, giảm tuổi thọ thiết bị Bên cạnh đó số lượng đèn dùng để chiếu sáng là khá lớn, gia chủ sẽ gặp những bất tiện nhỏ trong việc bật tắt, điều chỉnh độ sáng cho phù hợp

- Hệ thống chiếu sáng sẽ được tích hợp chung với các hệ thống khác hoặc sẽ được tách riêng ra để điều khiển độc lập Các giải pháp đều nhằm tối ưu hóa hệ thống và giúp gia chủ điều khiển dễ dàng hơn Các giải pháp kết hợp sẽ được tính đến để tự động hóa tới mức tối đa

1.2.2 Hệ thống kiểm soát vào ra

- Khi gia chủ đi vắng, việc kiểm soát các hệ thống vào ra trong ngôi nhà là rất quan trọng, giúp đề phòng trộm v.v… Ngôi nhà thông minh cung cấp hệ thống kiểm soát vào ra cho phép chủ nhà quản lý và cấp quyền “đăng nhập” cho các thành viên trong gia đình và người thân

- Hệ thống cửa ra vào ở các phòng sẽ được lắp đặt các khóa vân tay hoặc khóa phím v.v… nhằm nhận dạng người trong nhà hoặc khách để cấp quyền “đăng

nhập” Ngoài ra, còn có thể dùng hệ thống nhận diện khuôn mặt hay giọng nói tùy vào phòng riêng của mỗi người

- Mỗi khi có sự kiện mới, hệ thống kiểm soát ra vào này cũng sẽ kích hoạt các

hệ thống khác để lưu giữ các thay đổi do người dùng tạo ra

1.2.3 Hệ thống quan sát, thông tin liên lạc

- Một ngôi nhà bình thường sẽ có từ 4 đến 5 phòng kín, và do vậy sẽ có một vài vấn đề khó khăn khi giao tiếp từ phòng này sang phòng khác Một hệ thống thông tin liên lạc nội bộ có thể giúp giải quyết vấn đề này

- Hệ thống liên lạc nội bộ đơn giản có thể là các điện thoại cố định hoặc điện thoại mẹ bồng con Ngoài chức năng liên lạc trong nhà, hệ thống này cần được kết nối với mạng điện thoại để tiện cho việc giao tiếp và công việc hơn, để làm việc này cần đến một bộ chuyển kênh

- Hệ thống quan sát sẽ giúp việc kiểm soát an ninh, người vào/ra ngôi

nhà…giúp cho gia chủ nhận diện khách nhanh chóng thông qua camera

1.2.4 Hệ thống giải trí đa phương tiện

- Ngôi nhà là nơi sinh hoạt của một gia đình có thể gồm nhiều thế hệ và mỗi thế hệ lại có nhu cầu giải trí khác nhau Do đó, một hệ thống giải trí đa phương tiện

sẽ cung cấp cho các thành viên những hoạt động giải trí phù hợp…

1.2.5 Hệ thống quản lý cấp điện, nước, gas

- Đối với một ngôi nhà bình thường thì việc cung cấp và đo lường các chỉ số điện nước đều phải thông qua các cơ quan nhà nước

- Ngôi nhà thông minh cung cấp giải pháp nhằm đo lường và báo lại các thông

số điện, nước thường xuyên, kết hợp với hệ thống quản lý chiếu sáng và hệ thống kiểm soát vào ra, từ đó tự động bật/tắt các thiết bị trong nhà nhằm tiết kiệm năng

lượng Ngoài ra, các cảm biến sẽ giúp hạn chế và cảnh báo các nguy cơ khác như rò

rỉ gas, mực nước ở bể chứa thấp, bể đường ống nước, cháy chập điện…

1.2.6 Hệ thống cảm biến và báo động, báo cháy

- Hệ thống các cảm biến là thành phần quan trọng trong bất kì hệ thống nào của ngôi nhà, các cảm biến có nhiệm vụ gửi các thông số đo được về cho bộ xử lý trung tâm để có giải pháp phù hợp với từng gói dữ liệu và xử lý từng tình huống tương ứng

- Các cảm biến cơ bản như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến gas, cảm biến

áp suất, cảm biến hồng ngoại…

1.2.7 Hệ thống điều hòa không khí, kiểm soát môi trường

- Thông thường thì một ngôi nhà cần có những không gian xanh, nó không chỉ giúp các thành viên trong gia đình thư giãn mà còn giúp điều hòa không khí Việc xây dựng và duy trì màu xanh trong ngôi nhà là cần thiết, do đó hệ thống điều hòa không khí và kiểm soát môi trường sẽ giúp ích rất nhiều trong việc chăm sóc cây như độ ẩm cần thiết, hay là ánh sáng phù hợp…

1.2.8 Hệ thống các công tắc điều khiển trạng thái

- Hệ thống các công tắc và bảng hiển thị sẽ cung cấp thông tin cũng như nhận lệnh điều khiển từ gia chủ Đảm bảo sự tương tác hai chiều giữa các thành viên và

hệ thống tự động Hệ thống bao gồm: các điều khiển từ xa, các công tắc gắn tường, các bảng điều khiển tương tác HMI, điện thoại thông minh…

1.2.9 Hệ thống mạng, xử lý trung tâm và sự kết hợp hoạt động

- Ngôi nhà thông minh được đánh giá cao và khác hẳn những ngôi nhà bình thường là do nó được trang bị một hệ thống mạng điều khiển và toàn bộ các thay đổi và điều khiển tự động trong ngôi nhà được xử lý đồng nhất thông qua hệ thống mạng và xử lý trung tâm Nó có vai trò quan trọng, làm nhiệm vụ liên kết các hệ

thống khác trong ngôi nhà lại với nhau, điều phối của hệ thống chấp hành một cách nhịp nhàng theo các điều kiện tác động được lập trình từ trước Chúng ta gọi đó là các hoạt cảnh – hay là các điều kiện môi trường trong ngôi nhà Một vài sự kết hợp tiêu biểu:

• Hệ thống chiếu sáng với Hệ thống xử lý trung tâm có thể được lập trình theo thói quen của người sử dụng Các thiết bị chiếu sáng sẽ hoạt động theo chu trình thời gian đặt trước

• Hệ thống chiếu sáng kết hợp với Hệ thống cảm biến cung cấp khả năng tự động điều khiển ánh sáng như: đèn tự động tắt khi không có người trong phòng, một số khu vực tự sáng đèn khi qua 18h…

• Hệ thống cảnh báo kết hợp với hệ thống chiếu sáng: khi có vấn đề xảy ra như cháy nổ, phát hiện ăn trộm…các bóng đèn sẽ chớp sáng liên tục, đồng thời sẽ

có tiếng còi báo hiệu

• Hệ thống cảm biến kết hợp với hệ thống xử lý trung tâm báo cáo tình trạng lưu trữ điện trong các UPS, báo cáo mực nước trong bồn chứa…nhằm đảm bảo nguồn cung cho nhu cầu sinh hoạt hằng ngày

• Hệ thống giải trí đa phương tiện kết hợp với hệ thống chiếu sáng nhằm đem lại những giây phút thư giãn cho thành viên trong gia đình

1.3 TRIỂN KHAI MÔ HÌNH NGÔI NHÀ THÔNG MINH

THỰC TẾ

1.3.1 Mô tả yêu cầu

- Đảm bảo đầy đủ các yếu tố cơ bản nhất mô phỏng một ngôi nhà thông minh thu nhỏ

- Có tính khả thi và thực hiện được trong thời gian ngắn

- Đảm bảo phát triển theo mục tiêu của đề tài đặt ra: điều khiển và quản lý các thiết bị thông qua mạng internet

1.3.2 Mục tiêu thực hiện

- Thiết lập mô hình mạng điều khiển từ internet đến board điều khiển trung tâm, rồi từ đó đi đến các bộ phận chấp hành sau khi tín hiệu đã được xử lý từ vi điều khiển trung tâm

- Giao tiếp dữ liệu bằng wifi thành công giữa board điều khiển trung tâm và các mạng

- Xây dựng chương trình điều khiển là ứng dụng Blynk và Google Assistant, cho phép điều khiển thông qua Blynk Cloud Có thể dùng các thiết bị như máy tính bảng, điện thoại thông minh để truy cập

- Thiết kế và thi công một số cảm biến như: cảm biến ánh sáng, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm…và các mạch để điều khiển các thiết bị như đèn chiếu sáng, động cơ…

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN GIẢI PHÁP

2.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật Đặc biệt trong lĩnh vực điện tử viễn thông đã tạo nên một động lực thúc đẩy và phát triển các ngành công nghiệp khác nhằm phục vụ và đáp ứng được nhu cầu của con người trong cuộc sống Con người với sự trợ giúp của máy móc, những công cụ thông minh đã không phải trực tiếp làm việc, hay những công việc mà con người không thể làm được với khả năng của mình mà chỉ việc điều khiển chúng hay chúng làm việc hoàn toàn tự động đã mang lại những lợi ích hết sức to lớn, giảm nhẹ và tối ưu hóa công việc Với sự tiến bộ này đã đáp ứng được những nhu cầu của con người trong cuộc sống hiện đại nói chung và trong sự phát triển hơn nữa của những ứng dụng trong việc nghiên cứu, phát triển của khoa học kĩ thuật nói riêng

Trong suốt thời gian qua, với những kiến thức được học ở trường và những kiến thức học được nhóm đã nghiên cứu, tìm hiểu và khảo sát các đặc tính của công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến RFID, công nghệ điều khiển bằng giọng nói và đặc tính của một số cảm biến có thể áp dụng được trong lắp đặt cho nhà thông minh Tuy đề tài không phải là mới nhưng hiểu được nó và ứng dụng của nó có ý nghĩa hết sức thiết thực Nó chính là cơ sở để thiết kế những hệ thống tự động hóa đơn giản, quản lý các thiết bị, hàng hóa cũng như những hệ thống phức tạp được ứng dụng rộng rãi trong cả khoa học và đời sống

Qua tóm tắt trên, chúng em quyết định làm đề tài “ Mô hình nhà thông minh dùng Arduino và ESP8266 ” Hệ thống này sử dụng vi điều khiển trung tâm là module Arduino Uno,ESP8266 Node MCU, module đọc RFID MFRC522, module cảm biến khí gas MQ2, module cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR, module cảm biến mưa, module cảm biến nhiệt độ,độ ẩm DHT22, buzzer, động cơ servo SG90, động cơ giảm tốc DC, module điều khiển động cơ L298N,module LCD1602, quang trở Người dùng có thể điều khiển để ra vào cổng trong nhà thông minh

bằng thẻ RFID được khai báo trong hệ thống và thực hiện cảnh báo lên màn hình LCD khi có thẻ lạ muốn điều khiển Ngoài ra, ta có thể dùng giọng nói để bật tắt đèn các phòng trong nhà, thực hiện một số cảnh báo như báo khói, báo khí gas vượt mức cho phép, báo khu vực nào có người đang hoạt động có thể dùng cho chống trộm Dựa trên tham khảo một số đề tài tốt nghiệp của các khóa trước như

“Mô hình nhà thông minh”, “Thiết kế và chế tạo trung tâm điều khiển nhà thông minh” …

2.2 MỤC TIÊU

Thiết kế và thi công mô hình điều khiển thiết bị nhà thông minh sử dụng sử dụng thẻ RFID có thể điều khiển cửa chính dùng vi điều khiển trung tâm là module Arduino Uno, và module MFRC522 đọc dữ liệu từ thẻ RFID và vân tay gửi về vi điều khiển để xử lý

Ngoài ra, người dùng có thể thêm thẻ, xóa thẻ bằng cách sử dụng thẻ master

đã được cài đặt trong code chương trình

Hệ thống còn có một số các cảm biến như: DHT22 để đo nhiệt độ, độ ẩm của môi trường xung quanh, cảm biến khói ,khí gas MQ2 để phòng tránh cháy nổ, cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR-HC-SR501 dùng phát hiện có người chuyển động trong khu vực nhất định…Quang trở LDR dùng hỗ trợ tự động bật tắt đèn hành lang khi trời tối Các cảm biến này sẽ gửi tín hiệu về vi điều khiển để xử lý

Ngoài ra, còn có động cơ DC giảm tốc kết hợp với mạch điều khiển động cơ L298 để làm giàn phơi thông minh

Hệ thống các đèn phòng khách , phòng ngủ, bếp được điều khiển tắt bật bằng app Blynk trên điện thoại hoặc bằng giọng nói với sự hỗ trợ của google assistant Với đề tài này, em chọn Wifi là môi trường kết nối giữa các thiết bị Chúng ta có thể điều khiển, theo dõi thiết bị qua mạng wifi, và trên chính chiếc điện thoại của mình Em dùng app Blynk để điều khiển và giám sát ngôi nhà Việc điều khiển và giám sát có thể thực hiện ngay trong ngôi nhà của chúng ta, hoặc tại

một nơi nào đó có internet như tại cơ quan chẳng hạn

Mục tiêu cơ bản là chế tạo được một sản phẩm nhà thông minh phục vụ nhu cầu cuộc sống cũng như mang đến cho con người cảm giác thật tuyệt vời thi trải nghiệm luôn là đề tài hay để các nhà nghiên cứu cũng như các nhà kinh doanh theo đuổi

Vấn đề chính để có thể phát triển các mô hình nhà thông minh ở nước ta là

hạ giá thành đầu tư và cải tiến các chức năng phù hợp với yêu cầu về kinh tế và nhu cầu của người dân

Vì vậy qua đề tài tốt nghiệp này chúng em muốn góp một phần nhỏ công sức

để làm phong phú thêm các phương pháp, một cách làm khác nhằm góp phần vào

sự phát triển chung của mô hình nhà ở thông minh hiện nay

2.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

• NỘI DUNG 1: Tìm hiểu và nghiên cứu về cấu tạo phần cứng, nguyên lý hoạt động, tính năng của các module Arduino, module cảm biến DHT22, module đọc RFID MFRC522, động cơ Servo,động cơ giảm tốc DC, module cảm biến MQ2, module cảm biến PIR-HC-SR501, quang trở LDR, buzzer,mạch điều

khiển động cơ L298

• NỘI DUNG 2: Tìm hiểu về các chuẩn truyền thông như SPI, I2C, UART

• NỘI DUNG 3: Tìm hiểu và nghiên cứu về lập trình Arduino

• NỘI DUNG 4: Các giải pháp thiết kế hệ thống, thi công mô hình

• NỘI DUNG 5: Thiết kế hệ thống điều khiển, lưu đồ giải thuật và chương trình điều khiển mô hình

• NỘI DUNG 6: Thiết kế hoàn chỉnh mô hình thực tế

• NỘI DUNG 7: Chạy thử nghiệm hệ thống

• NỘI DUNG 8: Cân chỉnh hệ thống

• NỘI DUNG 9: Viết báo cáo thực hiện đồ án

• NỘI DUNG 10: Bảo vệ đồ án tốt nghiệp

Chương 1: Giới thiệu

Chương này trình bày về giới thiệu các hệ thống điển hình trong nhà

thông minh

Chương 2: Tổng Quan giải pháp

Chương này trình bày về đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục

tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án

Chương 3: Phương pháp giải quyết

Trong chương này trình bày về các lý thuyết có liên quan đến các vấn

đề mà đề tài sẽ dùng để thực hiện thiết kế, thi công cho đề tài.Thảo luận, đánh giá và chọn giải pháp

Chương 4: Quy trình thiết kế

Chương này giới thiệu tổng quan về các yêu cầu của đề tài mà mình thiết kế và các tính toán, thiết kế gồm những phần nào Như: thiết kế sơ

đồ khối hệ thống, sơ đồ nguyên lý toàn mạch, tính toán thiết kế mạch

Chương 5: Thi Công Hệ Thống

Chương này trình bày về quá trình vẽ mạch in lắp ráp các thiết bị, đo

kiểm tra mạch, lắp ráp mô hình Thiết kế lưu đồ giải thuật cho chương trình và

viết chương trình cho hệ thống Hướng dẫn quy trình sử dụng hệ thống

Chương 6: Đánh giá kết quả, kết luận và hướng phát triển

Trình bày về những kết quả đã được mục tiêu đề ra sau quá trình nghiên cứu thi công Từ những kết quả đạt được để đánh giá quá trình hoàn thành được bao nhiêu phần trăm

Trình bày về những kết quả mà đồ án đạt được, những hạn chế, từ đó rút ra kết luận và hướng phát triển để giải quyết các vấn đề tồn đọng để đồ án hoàn thiện hơn

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT

3.1 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

Tìm hiểu, đi sâu nghiên cứu board NodeMCU và lập trình Arduino trên phần mềm lập trình Arduino IDE

+ Tìm hiểu, nghiên cứu các loại cảm biến thông dụng hiện nay: Cảm biến nhiệt độ,

độ ẩm không khí DHT22, cảm biến khí ga MQ-2, cảm biến lửa Flame Sensor, cảm biến chuyển động, cảm biến mưa, cảm biến ánh sáng BH1750

+ Tìm hiểu, nghiên cứu các thiết bị điện như Bóng đèn, cửa, rèm, còi và đèn báo động…

+ Tìm hiểu và viết code để điều khiển nhà thông minh bằng Blynk app

+ Tìm hiểu công cụ điều khiển bằng giọng nói Google Assistant kết hợp với IFTTT

để điều khiển bằng giọng nói qua Blynk

+ Kết nối và lập trình để điều khiển thiết bị thông qua app Blynk(dùng điều khiển từ

xa thông qua internet)

+ Đọc giá trị cảm biến và đưa lên Blynk App, đồng thời hiển thị giá trị cảm biến đó lên Blynk App để người dùng theo dõi

+ Kết hợp các chức năng ở trên để tạo thành một ngôi nhà thông minh (ở dạng mô hình)

3.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp mô hình hóa là một phương pháp khoa học để nghiên cứu các đối tượng, các quá trình … bằng cách xây dựng các mô hình của chúng (các mô hình này bảo toàn các tính chất cơ bản được trích ra của đối tượng đang nghiên cứu) và dựa trên mô hình đó để nghiên cứu trở lại đối tượng thực

Mô hình: là một hệ thống các yếu tố vật chất hoặc ý niệm (tư duy) để biểu diễn, phản ánh hoặc tái tạo đối tượng cần nghiên cứu, nó đóng vai trò đại diện, thay thế đối tượng thực sao cho việc nghiên cứu mô hình cho ta những thông tin mới tương tự đối tượng thực

Cơ sở logic của phương pháp mô hình hóa là phép loại suy Phương pháp mô hình hóa cho phép tiến hành nghiên cứu trên những mô hình (vật chất hay niệm (tư duy)

do người nghiên cứu tạo ra (lớn hơn, bằng hoặc nhỏ hơn đối tượng thực) để thay thế việc nghiên cứu đối tượng thực Điều này thường xảy ra khi người nghiên cứu không thể hoặc rất khó nghiên cứu đối tượng thực trong điều kiện thực tế

Phương pháp mô hình hóa xem xét đối tượng nghiên cứu như một hệ thống (tổng thể), song tách ra từ hệ thống (đối tượng) các mối quan hệ, liên hệ có tính quy luật có trong thực tế nghiên cứu, phản ánh được các mối quan hệ, liên hệ đó của các yếu tố cấu thành hệ thống – đó là sự trừu tượng hóa hệ thống thực

Dùng phương pháp mô hình hóa giúp người nghiên cứu dự báo, dự đoán, đánh giá các tác động của các biện pháp điều khiển, quản lý hệ thống.Ví dụ: sử dụng phương pháp phân tích cấu trúc (đặc biệt là cấu trúc không gian, các bộ phận hợp thành có bản chất vật lý giống hệt đối tượng gốc) để phản ánh, suy ra cấu trúc của đối tượng gốc như: mô hình động cơ đốt trong, mô hình tế bào, sa bàn…

Cụ thể ở đây chúng em dùng phương pháp nghiên cứu trên mô hình nhà thông minh

Ngoài ra chúng em còn sử dụng phương pháp thu thập thông tin từ nhiều nguồn như: tham khảo tài liệu trên mạng, những báo cáo khoa học trong và ngoài nước để làm cho thông tin nghiên cứu thêm phong phú, khách quan

3.3 CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC SAU KHI NGHIÊN CỨU

Sau khi thiết kế đã đạt được những kết quả sau:

Thiết kế hoàn chỉnh mô hình nhà thông minh Gồm đầy đủ các chức năng chính: + Điều khiển thiết bị (đèn, cửa chính, giàn phơi…) qua app Blynk được cài đặt lên Smart phone và Tablet Có thể điều khiển nội bộ (tablet đặt tại phòng khách), và có thể điều khiển từ xa ở bất kì đâu bằng smart phone

+ Đọc giá trị các cảm biến và hiển thị lên app Và có thể cảnh báo cho người dùng khi có biến cố xảy ra (như báo cháy, báo khói và khí ga)

+ Hệ thống hoạt động khá ổn định, rất ít xảy ra lỗi khi hoạt động Sử dụng internet là wifi rất phổ biến hiện nay nên đề tài rất thiết thực và gần gũi với người dùng

+ Việc nghiên cứu đề tài “Nhà Thông Minh” đã mang lại cho em rất nhiều kiến thức và kinh nghiệm Đề tài giúp cho em nắm rõ được họ ESP8266 nói chung

và NodeMCU nói riêng Nắm rõ cách lập trình Arduino cho NodeMCU trên môi trường lập trình Arduino IDE Hiểu sâu hơn về các cảm biến Ngoài ra làm chủ được cách thức đưa dữ liệu lên internet cũng như lấy dữ liệu trở lại cho vi xử lý với cloud của Blynk Đồng thời, nắm được cơ bản việc xây dựng một app cơ bản cho điện thoại để ứng dụng vào IoT Và cuối cùng là kết nối các kiến thức trên với nhau

để tạo thành một sản phẩm hữu ích cho đời sống, có mục đích và ý nghĩa thiết thực cho con người

3.4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT (PHẦN CỨNG)

3.4.1 Tìm hiểu về vi điều khiển

Vi điều khiển là một phần không thể thiếu trong các dự án điện tử Cho đến thời điểm hiện nay, trên thế giới cũng như ở Việt Nam, đã có rất nhiều vi điều khiển Chúng có các ưu điểm và nhược điểm, tùy thuộc vào loại dự án mà chúng ta

sử dụng

Có thể nói việc sử dụng các loại vi điều khiển và vi xử lý trong các thiết bị điện tử tự động ở Việt Nam rất đa dạng, phong phú tùy vào yêu cầu kỹ thuật và giá thành sản phẩm

Chúng ta có thể liệt kê các vi điều khiển có trên thị trường hiện nay:

• Freescale ColdFire (32-bit) và S08 (8-bit)

• Hitachi H8 (8-bit), Hitachi SuperH (32-bit)

• MIPS (32-bit PIC32)

• PIC (8-bit PIC16, PIC18, 16-bit dsPIC33 / PIC24)

• PowerPC ISE

• PSoC (Programmable System-on-Chip)

• Texas Instruments Microcontrollers MSP430 (16-bit),

C2000 (32-bit), và Stellaris (32-bit)

+ AVR:

AVR là họ vi điều khiển do hãng Atmel sản xuất, là phiên bản sau họ vi điều khiển 8051 của Atmel AVR là vi điều khiển 8 bit với cấu trúc tập lệnh khá đơn giản RISC AVR có những ưu điểm khá vượt trội so với các dòng vi điều khiển 8 bit khác:

• Mạch sử dụng vi điều khiển đơn giản, gần như không cần mắc

thêm 1 linh kiện nào vào, ngay cả thạch anh dao động thì

AVR đã được tích hợp bộ thạch anh nội bên trong

• Giá thành của nhiều loại AVR hiện này khá rẻ

• Được trang bị bộ nhớ flash nên dung lượng lớn và số lần lập

trình nhiều hơn; ngoài ra AVR còn có bộ nhớ SRAM khá lớn

và có thêm bộ nhớ lưu trữ EEPROM rất thuận lợi cho công

việc lập trình

• Có tích hợp bộ chuyển đổi ADC 10 bit

• Có tích hợp các chuẩn giao tiếp: I2C, SPI, USART,

• Ngoài ra còn có nhiều phần mềm hỗ trợ lập trình AVR, các tài

liệu, nên dễ dàng có thể tiếp cận dòng vi điều khiển AVR

+ ESP8266:

ESP8266 là dạng Vi điều khiển tích hợp Wifi (Wifi SoC) được phát triển bởi Espressif Systems, một nhà sản xuất Trung Quốc có trụ sở tại Thượng Hải Với Vi điều khiển và Wifi tích hợp, ESP8266 cho phép lập trình viên có thể thực hiện vô số các tác vụ TCP/IP đơn giản để thực hiện vô số các ứng dụng khác nhau, đặc biệt là các ứng dụng IoT Tuy nhiên, vào thời điểm ra mắt năm 2014, hầu như chỉ có tài liệu bằng tiếng Trung Quốc nên ESP8266 chưa được phổ biến như hiện nay

Module ESP8266 có giá thành rẻ, phải nói là rẻ nhất trong tất cả các loại Wifi SoC từ trước tới nay (trước ESP8266 có series CC3xxx từ Ti rất mắc nên không phổ biến), chỉ khoảng 2USD cho phiên bản đầu tiên, điều này đã thu hút các IoT-er khám phá cũng như dịch các tài liệu của ESP8266 sang tiếng Anh và phát triển vô

số các ứng dụng kèm theo ESP8266 là dòng chip Low-power và là một wifi SOC nên cần rất ít linh kiện ngoài (tầm 7 thành phần) Hoạt động trong dãi nhiệt -40°C tới +125°C

Sau nhiều năm phát triển, hiện nay đã có hơn 14 phiên bản ESP ra đời, trong

đó phổ biến nhất là ESP-12

Hình 3.1 ESP8266

3.4.1.2 Giới thiệu về ESP8266 NodeMCU

Module ESP-12 kết hợp với firmware ESP8266 trên Arduino và thiết kế phần cứng giao tiếp tiêu chuẩn đã tạo nên NodeMCU, loại Kit phát triển ESP8266 phổ biến nhất trong thời điểm hiện tại Với cách sử dụng, kết nối dễ dàng, có thể lập trình, nạp chương trình trực tiếp trên phần mềm Arduino, đồng thời tương tích với các bộ thư viện Arduino sẵn có

Hình 3.2: Module ESP8266 NodeMCU

Sơ bộ về Module ESP8266 NodeMCU:

➢ Khả năng hoạt động như một Module Wifi:

• Có thể quét và kết nối với một mạng Wifi bất kì (Wifi client) để thực hiện tác vụ như lưu trữ, truy cập dữ liệu từ server

• Tạo điểm truy cập Wifi (Wifi Access Point) cho phép các thiết bị khác kết nối, giao tiếp và điều khiển

• Một server để xử lý dữ liệu từ các thiết bị sử dụng internet

➢ Nguồn vào và nguồn ra:

ESP8266 NodeMCU nhận nguồn từ cổng micro USB tích hợp sẵn trên mạch, giúp việc nạp code trở nên dễ dàng hơn Bên cạnh đó, việc cấp nguồn cho module cũng linh động hơn vì bạn có thể sử dụng sạc dự phòng thay cho nguồn từ USB trên máy tính (nguồn cấp tối đa là 5V)

ESP8266 NodeMCU có thể cung cấp nguồn cho tối đa 4 thiết bị: 3 nguồn ra 3.3V và một nguồn từ chân Vin (điện thế bằng điện thế từ cổng micro USB) Khi sử dụng các chân cấp nguồn này, hãy luôn kiểm tra để chắc chắn không cắm nhầm chân dương (trên mạch in là 3v3 và Vin) và chân âm (GND) Tuy nhiên, 3 chân

3.3V đều được bảo vệ, khi cắm ngược cực, module sẽ chỉ nóng lên và dừng hoạt động Chân Vin nếu cắm ngược cực sẽ cháy

➢ Truyền và nhận tín hiệu:

ESP8266 NodeMCU có tổng cộng 13 chân GPIO (General-purpose input/output) – chân có thể truyền/nhận tín hiệu (trên mạch in từ D0 đến D8 và RX, TX, SD2, SD3)

Module chỉ có thể kết nối với tới nguồn tối đa 5V qua cổng Micro USB Các chân I/O chỉ có thể giao tiếp với các linh kiện qua điện thế tối đa 3.3V

Hình 3.3: Sơ đồ chân của NodeMCU

Thông số kỹ thuật của board NodeMCU (NodeMCU v1.0 Lua – ESP8266 )

➢ Thông số kĩ thuật:

• IC chính: ESP8266 Wifi SoC

• Phiên bản firmware: NodeMCU Lua

• Chip nạp và giao tiếp UART: CP2102

• GPIO tương thích hoàn toàn với firmware Node MCU

• Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc Vin

• GIPO giao tiếp mức 3.3VDC

• Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash

• Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino

• Kích thước: 25 x 50 mm

3.4.1.3 Giới thiệu về Arduino Uno R3

Nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình, cái đầu tiên mà người ta thường nói tới chính là dòng Arduino UNO Hiện dòng mạch này đã phát triển tới thế hệ thứ 3 (R3)

Hình 3.4: Kit Arduino Uno R3

Một vài thông số của Arduino UNO R3

Vi điều khiển: ATmega328 họ 8bit

Điện áp hoạt động: 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Tần số hoạt động: 16 MHz

Dòng tiêu thụ: khoảng 30mA

Điện áp vào khuyên dùng: 7-12V DC

Điện 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

Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8, ATmega168, ATmega328 Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,… và còn rất nhiều ứng dụng khác nữa

Thiết kế tiêu chuẩn của Arduino UNO sử dụng vi điều khiển ATmega328 với giá khoảng 90.000đ

Năng lượng:

Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu bạn không có sẵn nguồn từ cổng USB Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, thì sẽ làm hỏng Arduino UNO

Các chân năng lượng:

GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạn dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau

5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA

3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA

Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo ở chân này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Mặc dù vậy bạn không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn

RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ

Các cổng vào/ra:

Hình 3.6: Các cổng vào/ra của Arduino Uno R3 Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối)

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

2 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 bị khác 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, bạn không nên sử dụng 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 hàm analogWrite() 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 như những 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 bằng giao thức SPI với các thiết bị khác

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