bài tập lớn môn thiết bị điện thông minh (1)

34 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN ====o0o==== BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN THÔNG MINH Tên đề tài Thiết kế công tắc thông minh điều khiển 6 bóng đèn cho trang trại chăn nuôi có cù.

KHOA ĐIỆN

====o0o====

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN THIẾT BỊ

ĐIỆN THÔNG MINHTên đề tài:

Thiết kế công tắc thông minh điều khiển 6 bóng đèn cho trang trại chăn nuôi có

cùng công suất P đm = 40W, cos𝝋 = 0,9, U đm = 220V, f=50Hz

Giáo viên hướng dẫn: TS.Phạm Văn CườngNhóm : 11

Sinh viên :

Lớp: EE6050001

Năm 2022

Trần Huy Phú 2019600949Phạm Quốc Tuấn 2019600218Lưu Minh Tân 2019600129

Lê Quốc Việt 2019601017

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT BỊ ĐIỆN THÔNG MINH

Nhóm 11

Giáo viên hướng dẫn :TS Phạm Văn Cường

NỘI DUNG

Đề tài: Thiết kế công tắc thông minh điều khiển 6 bóng đèn cho trang trại chăn nuôi

có cùng công suất, công suất mỗi bóng Pđm = 40W, cos𝝋 = 0,9,

Uđm = 220V, f=50Hz

PHẦN THUYẾT MINH

1 Tổng quan chung về thiết bị điện thông minh

2 Thiết kế công tắc thông minh điều khiển cho 6 bóng đèn

- Điều khiển thông qua Wifi

- Điều khiển không giới hạn khoảng cách (có mạng intenet)

3 Xây dựng mô hình thực nghiệm

4 Đánh giá kết quả

Ngày giao đề tài: 17/07/2022 Ngày hoàn thành: 04/09/2022

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

TS Phạm Văn Cường

Mục lục

Danh mục hình ảnh 5

Chương 1: Tổng quan về công tắc điện thông minh 5

1.1 Khái niệm về thiết bị thông minh 5

1.2 Công tắc điện thông minh 5

1.3 IoT 7

1.3.1 Khái niệm về IoT 7

1.3.2 Cấu trúc của IoT 8

1.4 Giao tiếp thế giới thực 9

1.4.1 Khái niệm về WIFI 9

1.4.2 Khái niệm về Internet 10

1.5 Độ an toàn và tính bảo mật của công tắc điện thông minh 11

1.5.1 Độ an toàn 11

1.5.2 Tính bảo mật 12

Chương 2: Thiết kế công tắc thông minh điều khiển bóng đèn 13

2.1 Ứng dụng Blynk 13

2.2 Sơ đồ khối của mô hình 13

2.3 Nguyên lí hoạt động của mô hình 14

2.4 Tính toán thiết kế hệ thống điều khiển 15

2.4.1 Lựa chọn thiết bị có trong mô hình 15

2.4.2 Lưu đồ thuật toán 17

2.4.3 Chương trình nạp vào nodeMCU 18

2.4.4 Cài đặt và tạo giao diện trên app Blynk 20

Chương 3: Mô hình thực nghiệm 28

3.1 Giới thiệu mô hình 28

3.2 Vận hành mô hình 29

3.2.1 Khi mô hình chưa hoạt động 29

3.2.2 Khi mô hình hoạt động 31

Kết luận 33

Tài liệu tham khảo 34

Hình 1 1: Công tắc thông minh 5

Hình 1 2: IoTs 7

Hình 1 3: Cấu trúc của IoT 8

Hình 1 4: Wifi 9

Hình 1 5:Internet 10

Hình 1 6: Địa chỉ IP 11

YHình 2 1: Các nền tảng của Blynk 13

Hình 2 2: Sơ đồ khối 14

Hình 2 3: Module relay 1 kênh 5V-220V 10A 15

Hình 2 4: Module NodeMCU ESP8266 15

Hình 2 5: Bóng đèn 15

Hình 2 6: Công tắc 15

Hình 2 7: Module NodeMCU ESP8266 CP2102 16

Hình 2 8: Lưu đồ thuật toán 17

Hình 2 9: App Blynk 21

Hình 2 10: Nhập email và mật khẩu 22

Hình 2 11: Thêm dự án 23

Hình 2 12: Đặt tên dự án 24

Hình 2 13: Set up giao diện điều khiển 25

Hình 2 14: Cài đặt cho nút ấn 26

Hình 2 15: Giao diện sau khi cài đặt 27

YHình 3 1: Mặt trước của mô hình 28

Hình 3 2: Mặt sau mô hình 29

Hình 3 3: Mô hình khi chưa nhấn công tắc 29

Hình 3 4: Công tắc trên app chưa được bật 30

Hình 3 5: Công tắc trên app được bật lên 31

Trong những năm gần đây, IoT đang là một khái niệm quen thuộc, là câu "cửamiệng" trong các hội thảo về khoa học công nghệ Việc ứng dụng IoT vào mọi mặtcủa đời sống đang trở nên vô cùng cấp bách và cần thiết Theo xu hướng đó nhóm em

quyết định chọn Đề tài: Thiết kế công tắc thông minh điều khiển 6 bóng đèn cho trang trại

chăn nuôi có cùng công Pđm=40W, cos𝝋 = 0,9, Uđm = 220V, f=50Hz Với mục đích

có được kiến thức nền tảng của môn học, làm nền cho các dự án lớn hơn sau này nhưngôi nhà thông minh, hay điều khiển trong công nghiệp sử dụng IOTs,

Ngoài việc hoàn thành báo cáo với những công việc trên thì nó còn có ý nghĩasâu sắc đối với sinh viên thực hiện Một lần nữa sinh viên được thực hành những kiếnthức học được từ ghế nhà trường sẽ giúp hình thành những sản phẩm công nghiệp,được sử dụng, cầm tay lắp những cảm biến mà từ trước chỉ nằm trên trang giấy.Trong quá trình tiến hành không thể không gặp những khó khăn vấp phải, Tuy nhiên

do hạn chế về kinh nghiệm thực tế và thời gian thực hiện nên việc giải quyết đề tàikhông thể tránh khỏi những thiếu sót Do đó rất mong sự chỉ bảo thêm của thầy

Chương 1: Tổng quan về công tắc điện thông minh

1.1 Khái niệm về thiết bị thông minh

Thiết bị điện thông minh cho phép kết nối các thiết bị trong nhà với nhau đểtạo thành một mạng lưới thuận tiện cho việc giám sát, điều khiển từ xa và có khảnăng tự động xử lý và thông báo đến cho người dùng Đem lại sự an toàn, tiện nghi

và tiết kiệm

1.2 Công tắc điện thông minh

Công tắc thông minh là loại công tắc giúp người dùng có thể đóng/mở các thiết

bị điện như: Bóng đèn, quạt, thông qua thao tác cực kì đơn giản là chạm vào phímcảm ứng hoặc có thể điều khiển từ xa bằng điện thoại hay máy tính bảng

Công tắc điện thông minh là thiết bị điện thông minh cho phép người sử dụng

có thể điều khiển, giám sát hoạt động đối tượng cần điều khiển bằng cách trực tiếphoặc gián tiếp thông qua wifi, bluetooth,…

sNguyên lí hoạt động

Công tắc điện có nguyên lý hoạt động tương đối đơn giản:

Khi chúng ta đóng công tắc: cực động sẽ tiếp xúc với cực tĩnh làm kín mạchcho dòng điện chạy qua và thiết bị sẽ hoạt động, gửi tín hiệu điến vi điều khiển

Khi cắt công tắc: cực động tách khỏi cực tĩnh làm hở mạch sẽ làm ngắt điệnkhỏi thiết bị, gửi tín hiệu đến vi điều khiển

Thiết lập nút ấn online trên các app để có thể điều khiển được thiết bị thôngqua việc giao tiếp và đồng bộ dữ liệu của vi điều khiển

Ngoài ra, khi bạn ra khỏi nhà vẫn có thể điều khiển các thiết bị trong nhà được,đây là đặc điểm mà rất nhiều người yêu thích và tin dùng

Ưu điểm:

- An toàn, chống rò rỉ điện

Công tắc thông minh được thiết kế mặt kính cường lực bao phủ hoàn toàn cáchđiện giúp hạn chế tối đa trường hợp chập cháy, rò rỉ điện, đảm bảo an toàn tuyệt đốicho người sử dụng

Hình 1.1 Công tắc thông minhHình 1 1: Công tắc thông minh

Trong trường hợp có sự cố điện, bạn hoàn toàn có thể dùng điều khiển từ xa đểngắt điện mà không cần dùng tay bấm/gạt trực tiếp như công tắc cơ truyền thống.

- Điều khiển mọi lúc, mọi nơi

Với tính năng điều khiển từ xa, bạn sẽ không cần di chuyển đến tận nơi có ổcắm nhiều lần để bật/tắt thiết bị Đặc biệt với những ai hay quên thì công tắc thôngminh sẽ là giải pháp tối ưu

Những lúc ở xa nhà, bạn chỉ cần chạm vào màn hình điện thoại hoặc máy tínhbảng là có thể dễ dàng tắt các thiết bị không cần thiết Nhờ đó mà tiết kiệm được điệnnăng đồng thời nâng cao tuổi thọ cho các thiết bị điện tử trong nhà Ngoài ra bạn cóthể chia sẻ thiết bị kết nối trong nhà giữa các thành viên trong gia đình mà không cầnkết nối một thiết bị nhiều lần

Dễ lắp đặt, cài đặt, cấu hình thiết bị, bất cứ thợ điện hoặc người dùng hiểu cơbản về điện đều có thể lắp đặt được

- Không cần phát sinh thêm bộ điều khiển trung tâm để chuyển ngôn ngữtruyền thông sang router wifi

- Không bị phụ thuộc vào bộ điều khiển trung tâm Khi bộ điều khiểntrung tâm hỏng hoặc mất kết nối, mọi công tắc vẫn hoạt động độc lập

- Không bị hiện tượng thắt nút cổ chai khi phát sinh lỗi

Nhược điểm:Giá thành khá cao.

số trường hợp xác định khác

Ứng dụng trong các nhà hàng, quán rượu, khách sạn: Dùng l[ CITATIONNgu15 \l 1033 ]àm công tắc cho các hệ thống chiếu sáng, hệ thống máy điều hòa,máy nóng lạnh Cho phép bạn kiểm tra và giám sát hoạt động của các thiết bị mộtcách dễ dàng Có thể ngắt hoạt động của các thiết bị ở những phòng trống hay ở

những khu vực cần thiết khác nhờ những cảm biến tự động hay điều khiển từ xa.

Ứng dụng của công tắc thông minh trong nông nghiệp: Dùng để bật tắt máytưới, máy sục khí hồ cá, soi sáng vườn tược, máy ấp,… một cách tự động

1.3 IoT

1.3.1 Khái niệm về IoT

IoT viết tắt Internet of Things là mạng lưới thiết bị kết nối Internet hay Internetkết nối vạn vật Trong đó toàn bộ vật dụng được tích hợp các bộ phận điện tử, phầnmềm, cảm biến để trở nên thông minh hơn.[ CITATION Ngu15 \l 1033 ]

1.3.2 Cấu trúc của IoT

Cấu trúc của IoT gồm có 4 giai đoạn đó là: lớp cảm biến, lớp mạng, lớp xử lí dữ liệu và lớp thực thi thông minh

Hình 1.3 Cấu trúc của IoT Hình 1 3: Cấu trúc của IoT

Lớp cảm

biến:

Là các cảm biến nhận diện được những thay đổi thông số vật lí của môi trườngnhư nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng,…và gửi dữ liệu thu thập được qua mạng

Lớp mạng:

Là mạng lưới mạng internet, mạng nội bộ có chức năng tổng hợp, chuyển đổi

dữ liệu analog của cảm biến sang digital và truyền dẫn dữ liệu đó

Lớp xử lí dữ liệu:

Đây là nơi xử lí các dữ liệu của IoT Tại đây, dữ liệu được tiếp nhận sau đóphân tích và xử lí trước khi gửi dữ liệu đến trung tâm dữ liệu, đây còn là nơi dữ liệuđược theo dõi và quản lí

Lớp thực thi thông minh:

Đây là lớp cuối cùng của IoT, là nơi dữ liệu đã được xử lí sẽ ứng dụng vào cácmục đích như chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, chăn nuôi, nhà ở,…

1.4 Giao tiếp thế giới thực

1.4.1 Khái niệm về WIFI

WIFI viết tắt của từ Wireless Fidelity là hệ thống mạng không dây sử dụngsóng vô tuyến, giống như điện thoại, truyền hình và radio.

Hệ thống này đã được sử dụng rất phổ biến ở nhiều quốc gia vùng lãnh thổ,trong nhiều lĩnh vực khác nhau như kinh doanh, hộ gia đình, và các điểm phát WIFIcông cộng

Hình 1 4: WifiCác sóng vô tuyến sử dụng cho WIFI gần giống với các sóng vô tuyến sử dụngcho các thiết bị như điện thoại, truyền hình, … nó có thể chuyển và nhận sóng vôtuyến, chuyển đổi các mã nhị phân 1 và 0 sang sóng vô tuyến và ngược lại

Tuy nhiên, sóng Wifi có một số khác biệt so với các sóng vô tuyến khác ở chỗ:

- Chúng truyền và phát tín hiệu ở 2,4GHz, 5GHz, 60GHz, có thể thấy tần số nàycao hơn so với tần số được sử dụng trong điện thoại 50MHz và radio 100MHz.Chuẩn Wi-Fi 802.11:

- Chuẩn 802.11b là phiên bản đầu tiên trong lĩnh vực này Đây là một chuẩnchậm nhất và rẻ nhất, nên nó ít phổ biến hơn so với các chuẩn khác

- Chuẩn 802.11n cũng phát ở tần số 2,4 GHz, nhưng nhanh hơn

- Chuẩn 802.11a, tốc độ xử lý đạt 300 megabit/s

- Chuẩn 802.11ac phát ở tần số 5 GHz

- Chuẩn 802.11ad phát ở tần số 60 GHz.

1.4.2 Khái niệm về Internet

Internet là một hệ thống thông tin toàn cầu, có thể được truy nhập công

cộng gồm nhiều mạng máy tính được liên kết với nhau Hệ thống này sẽ truyền thông

tin theo kiểu chuyển gói dữ liệu (packet switching) dựa trên một giao thức liên mạng

đã được chuẩn hóa (địa chỉ IP) Hệ thống này bao gồm hàng ngàn mạng máy tính

nhỏ của các doanh nghiệp, các viện nghiên cứu và các trường đại học hay của ngườidùng cá nhân

Chuyển gói dữ liệu (packet switching) là một loại kĩ thuật gửi dữ liệu từ máy

tính nguồn tới nơi nhận (máy tính đích) qua mạng dùng một loại giao thức thoả mãn

3 điều kiện sau:

- Dữ liệu cần vận chuyển được chia nhỏ ra thành các gói có kích thước và địnhdạng xác định

- Mỗi gói như vậy sẽ được chuyển riêng rẽ và có thể đến nơi nhận bằng cácđường truyền khác nhau Như vậy, chúng có thể dịch chuyển trong cùng thờiđiểm

- Khi toàn bộ các gói dữ liệu đã đến nơi nhận thì chúng sẽ được hợp lại thành dữliệu ban đầu

Hình 1 5:Internet

Địa chỉ IP bất kỳ thiết bị mạng nào bao gồm bộ định tuyến, bộ chuyển mạch

mạng, máy vi tính, máy chủ hạ tầng, máy in, máy fax qua Internet, và vài loại điệnthoại tham gia vào mạng đều có địa chỉ riêng, và địa chỉ này là đơn nhất trong phạm

vi của một mạng cụ thể Vài địa chỉ IP có giá trị đơn nhất trong phạm vi Internet toàn

cầu, trong khi một số khác chỉ cần phải đơn nhất trong phạm vi một công ty.

Trong trường hợp bắt buộc phải chạm vào công tắc để tắt bật thiết bị thì khi đócác nút công tắc thông minh cũng sẽ được làm bằng mặt kính cách điện Do đó, bàntay của người dùng sẽ không tiếp xúc trực tiếp với nguồn điện, trách được rủi ro điệngiật

thông minh, làm mất tính bảo mật của hệ thống.

Đặt mật khẩu mạnh sử dụng kí tự đặc biệt, số, chữ viết hoa để tăng tính bảomật cho hệ thống

Hình 2.1 Các nền tảng của Blynk Hình 2 1: Các nền tảng của Blynk

Chương 2: Thiết kế công tắc thông minh điều khiển bóng đèn

2.1 Ứng dụng Blynk

Với đề tài về công tắc thông minh này, nhóm quyết định sẽ tạo ra 1 mô hìnhcông tắc thông minh với chức năng cơ bản là có thể điều khiển từ xa (qua app Blynk)

và điều khiển trực tiếp bằng công tắc vật lý

Blynk là một phần mềm mã nguồn mở được thiết kế cho các ứng dụngIoT(Internet of Things) Ứng dụng giúp người dùng điều khiển phần cứng từ xa, cóthể hiển thị dữ liệu cảm biến, lưu trữ dữ liệu, biến đổi dữ liệu hoặc làm nhiều việckhác Nền tảng Blynk có ba phần chính:

- Blynk App – Ứng dụng Blynk cho phép khởi tạo giao diện cho các dự án

- Blynk Server – Chịu trách nhiệm giao tiếp qua lại hai chiều giữa điện thoại vàphần cứng

- Blynk Library – Thư viện chứa các nền tảng phổ biến, giúp việc giao tiếp phầncứng với Server dễ dàng hơn

2.2 Sơ đồ khối của mô hình

Hình 2 2: Sơ đồ khối

2.3 Nguyên lí hoạt động của mô hình

Module thu/phát wifi esp 8266 NodeMCU sẽ kết nối router wifi để gửi dữ liệuđến Blynk server thông qua mã “auth token” nhận được Dữ liệu được gửi từ moduleNodeMCU và app Blynk sẽ được đồng bộ Sau đó từ Blynk server, moduleNodeMCU sẽ đọc dữ liệu và điều khiển ON/OFF bóng đèn ( khi điều khiển trên appBlynk) Còn app Blynk, từ Blynk server cũng sẽ đọc dữ liệu và hiển thị trên appBlynk ( khi điều khiển bằng công tắc vật lý)

Vi điều khiển sẽ thực hiện chương trình đã được nạp vào từ trước đó để đưa tínhiệu đầu ra tương ứng với các tín hiệu đầu vào, sau đó tín hiệu từ vi điều khiển sẽđược đưa đến relay Relay có nhiệm vụ đóng cắt điện cho phụ tải

Hình 2 3: Module relay 1 kênh

2.4 Tính toán thiết kế hệ thống điều khiển

2.4.1 Lựa chọn thiết bị có trong mô hình

Hình 2.5 Bóng đèn

Hình 2 6: Bóng đèn Hình 2 5: Công tắcHình 2.6 Công tắc

Thông số kỹ thuật

 Module

- IC chính: ESP8266 Wifi SoC

- Phiên bản firmware: Node MCU

- 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

hợpLedbáotrạngthái,nút

Reset, Flash.

- Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino

 Module relay 1 kênh 5v-220v 10A

Mô tả sản phẩm: Điều khiển thiết bị qua Relay

+ VCC, GND là nguồn chung với điều khiển

+ VSS+, VSS- là nguồn của Relay

Hình 2.7 Module NodeMCUESP8266 CP2102 Hình 2 7: Module NodeMCU

ESP8266 CP2102

-Nếu muốn cách ly thì sử dụng 2 nguồn riêng

-Nếu dùng chung nguồn, cần Jump Chốt 2.54MM để nối VCC VSS+ ; GND VSS-

2.4.2 Lưu đồ thuật toán

2.4.3 Chương trình nạp vào nodeMCU

#define BLYNK_PRINT Serial

#define BLYNK_TEMPLATE_ID "TMPLSSkyCmN3"

#define BLYNK_DEVICE_NAME "công tắc thông minh"

#define BLYNK_AUTH_TOKEN

"DWdA6wJdPYstDe5GsOkiB_fhGIJeNA6F"

#include <ESP8266WiFi.h>

#include <BlynkSimpleEsp8266.h>

// You should get Auth Token in the Blynk App

Hình 2 8: Lưu đồ thuật toánHình 2.8: Lưu đồ thuật toán

// Go to the Project Settings (nut icon).

char auth[] = "DWdA6wJdPYstDe5GsOkiB_fhGIJeNA6F";// Your WiFi credentials

// Set password to "" for open networks

char ssid[] = "iphone4S 6G comeback";

2.4.4 Cài đặt và tạo giao diện trên app Blynk

Có thể cài đặt ứng dụng Blynk trên Andoird hoặc trên IOS Blynk app là ứngdụng để bạn xây dựng giao diện điều khiển qua Internet cho Blocky Dot Bạn cầndownload và cài đặt Blynk app, hỗ trợ cả nền tảng Android và iOS

Bước 1: Tải và cài đặt ứng dụng Blynk từ Google Play hoặc Apple App Store.