Báo cáo thiết kế chế tạo mạch điều khiển giám sát các thiết bị điện từ xa ứng dụng trong mô hình nhà thông minh

Ngày nay, xã hội càng hiện đại, khoa học kỹ thuật càng phát triển thì cuộc sống của con người càng có nhu cầu sử dụng đầy đủ các thiết bị thông minh để phục vụ cho sinh hoạt và công việc của mình. Một thực tế rất gần với con người là trong chính căn nhà của mình, mong muốn được dụng công nghệ tự động hóa càng được rộng rãi, tất cả đồ dùng trong nhà từ phòng ngủ, phòng khách đến toilet đều gắn các bộ điều khiển điện tử có thể kết nối với Internet và điện thoại di động, cho phép chủ nhân điều khiển vật dụng từ xa hoặc lập trình cho thiết bị ở nhà hoạt động theo lịch thời gian đúng mong muốn. Nhu cầu về kiểm soát hệ thống thiết bị điện và điều khiển thiết bị thông qua điện thoại di động ngày càng phổ biến như kiểm tra trạng thái của đèn, quạt, máy lạnh, các thiết bị khác, và có thể mở hay tắt và có thể giám sát các thiết bi điện trong nhà từ xa b ng thiết bị điện thoại di động, thiết bị máy tính thông qua mạng wifi, internet. Các bộ giám sát và điều khiển hiện nay do nước ngoài sản xuất có giá thành rất cao và thường xây dựng trên nền nhà thông minh hiện đại, có mức đầu tư lớn, giá thành thiết bị cao và phức tạp do đó không phù hợp các nhu cầu điều khiển đơn giản, linh hoạt và mức độ tương tác thấp ở Việt Nam. Vì vậy, em đã tìm hiểu, nghiên cứu và chọn đề tài: “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TỪ XA ỨNG DỤNG TRONG MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH” để xây dựng thiết kế, làm để tài tốt nghệp cho mình. Xây dựng hệ thống điều khiển các thiết bị trong nhà thông minh sử dụng Node MCU ESP8266 điều khiển qua wifi và internet để quản lý ở nơi mà con người phải bỏ sức ra để thực hiện một công việc lặp đi lặp lại hằng ngày. Nhằm bỏ qua sự tác động của con người, con người sẽ không phải bận tâm quá nhiều đến việc quản lý ngôi nhà. Đáp ứng nhu cầu của cuộc sống hiện đại, tiết kiệm thời gian và công sức con người. Mang lại một cuộc sống thoải mái. Ngoài ra, hệ thống có khả năng báo cháy khẩn cấp qua còi báo đến chủ nhà dựa trên cảm biến khí gas. Hệ thống cửa ra vào được trang bị RFID giúp ích cho việc mở khóa qua thẻ từ

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Giáo viên hướng dẫn – PGS TS ĐỗXuân Tiến đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn, chỉnh sửa cũng như đưa ra cho em những lờikhuyên bổ ích trong quá trình nghiên cứu và thực hiện bài luận văn này Sau đó em xingửi lời cảm ơn chân thành tới Thầy Cô trong khoa Điện Tử Viễn Thông trường Đại HọcĐiện Lực đã quan tâm và tạo điều kiện cho em được học tập, nghiên cứu và hoàn thànhbài luận văn Em cũng xin được gửi là cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã động viên giúp đỡ

em không chỉ về chuyên môn mà còn các khía cạnh trong cuộc sống để em có thể tậptrung hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Vì trình độ lý luận cũng như kiến thức của bản thân còn nhiều hạn chế nên trong quátrình hoàn thiện luận văn này em không tránh khỏi những sai sót, kính mong nhận đượcnhững ý kiến đóng góp từ giáo viên hướng dẫn và các quý thầy cô trong khoa Điện TửViễn Thông trường Đại Học Điện Lực để em có thể rút kinh nghiệm cho bản thân và hoànthiện bài luận này văn này tốt hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đồ án này là công trình nghiên cứu của riêng em và được sựhướng dẫn của giáo viên Đỗ Xuân Tiến – giảng viên Trường Đại học Điên Lực Các nộidung nghiên cứu, kết quả trong đề tài là trung thực, không sao chép bất kỳ tài liệu nào vàchưa công bố nội dung này ở bất kỳ đâu Các nguồn trích dẫn có chú thích rõ ràng, có tính

kế thừa, phát triển từ các tài liệu, website

Em xin chân thành chịu trách nhiệm về lời cam đoan của mình

Hà Nội, ngày tháng năm Sinh viên thực hiện

MỤC LỤC

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ADC Analog Digital Converter Bộ chuyển đổi tín hiệu analog sang

digitalEIR Equipment Indentity Register Thanh ghi định dạng thiết bị IDE Integrated Development Environment Môi trường lập trình

AVR Automatic Voltage Regulator Hệ thống tự động điều khiển điện

áp đầu cực máy phát điện

SRAM Static Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên

EEPROM Electrically Erasable Programmable

Read-Only Memory

Bộ nhớ không bay hơi

SPI Serial Peripheral Interface Giao tiếp ngoại vi nối tiếp

DANH MỤC HÌNH ẢNH

MỞ ĐẦU

Ngày nay, sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã làm cho đời sống con ngườingày càng được nâng cao Khi mức sống con người được nâng cao thì đòi hỏi môitrường sống của con người cần được cải thiện nhiều hơn Sống trong một xã hội mà cácchỉ số môi trường an toàn với sức khỏe của con người là mục tiêu hướng tới của cộngđồng Chính vì lẽ đó con người cần phải biết được các chỉ số môi trường sống hiện tại

để từ đó có các biện pháp phòng tránh và cải thiện nó

Hiện nay với sự phát triển mạnh mẽ của IoT (Internet of Things) và giám sát dữliệu đã được mở rộng thông qua web và các thiết bị được kết nối Internet Từ đó tạođược sự thuận tiện và hiện đại trong cuộc sống của con người

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề

1.1.1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay, xã hội càng hiện đại, khoa học kỹ thuật càng phát triển thì cuộc sống củacon người càng có nhu cầu sử dụng đầy đủ các thiết bị thông minh để phục vụ cho sinhhoạt và công việc của mình Một thực tế rất gần với con người là trong chính căn nhà củamình, mong muốn được dụng công nghệ tự động hóa càng được rộng rãi, tất cả đồ dùngtrong nhà từ phòng ngủ, phòng khách đến toilet đều gắn các bộ điều khiển điện tử có thểkết nối với Internet và điện thoại di động, cho phép chủ nhân điều khiển vật dụng từ xahoặc lập trình cho thiết bị ở nhà hoạt động theo lịch thời gian đúng mong muốn

Nhu cầu về kiểm soát hệ thống thiết bị điện và điều khiển thiết bị thông qua điệnthoại di động ngày càng phổ biến như kiểm tra trạng thái của đèn, quạt, máy lạnh, cácthiết bị khác, và có thể mở hay tắt và có thể giám sát các thiết bi điện trong nhà từ xa b ngthiết bị điện thoại di động, thiết bị máy tính thông qua mạng wifi, internet Các bộ giámsát và điều khiển hiện nay do nước ngoài sản xuất có giá thành rất cao và thường xâydựng trên nền nhà thông minh hiện đại, có mức đầu tư lớn, giá thành thiết bị cao và phứctạp do đó không phù hợp các nhu cầu điều khiển đơn giản, linh hoạt và mức độ tương tácthấp ở Việt Nam

Vì vậy, em đã tìm hiểu, nghiên cứu và chọn đề tài: “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCHĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TỪ XA ỨNG DỤNG TRONG MÔHÌNH NHÀ THÔNG MINH” để xây dựng thiết kế, làm để tài tốt nghệp cho mình

1.1.2 Mục tiêu

ra để thực hiện một công việc lặp đi lặp lại hằng ngày Nhằm bỏ qua sự tác động của conngười, con người sẽ không phải bận tâm quá nhiều đến việc quản lý ngôi nhà Đáp ứngnhu cầu của cuộc sống hiện đại, tiết kiệm thời gian và công sức con người Mang lại mộtcuộc sống thoải mái Ngoài ra, hệ thống có khả năng báo cháy khẩn cấp qua còi báo đếnchủ nhà dựa trên cảm biến khí gas Hệ thống cửa ra vào được trang bị RFID giúp ích choviệc mở khóa qua thẻ từ

1.1.3 Nội dung nghiên cứu

• Tìm hiểu cách thức hoạt động của các cảm biến sử dụng

• Tìm hiểu các chuẩn truyền thông như UART, I2C

• Tìm hiểu IoT: App điều khiển qua điện thoại thông minh

• Thiết kế và thi công mô hình điều khiển

• Viết chương trình điều khiển cho Node MCU ESP8266, nạp code và chạy thửnghiệm sản phẩm, chỉnh sửa và hoàn thiện hệ thống

• Thực hiện viết luận văn báo cáo

• Tiến hành báo cáo đề tài tốt nghiệp

1.1.4 Bố cục đề tài

Đề tài được chia làm các chương:

Chương 1: Tổng Quan Đề Tài

Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dungnghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án Ngoài ra, chương này con nghiêncứu tổng quan về IoT và những ứng dụng của IoT trong cuộc sống

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.

Nền tảng lý thuyết quan về phần cứng và phần mềm được trình bày ở chương này,dựa vào đó để tính toán và thiết kế mạch thực tế

Nội dung chương sẽ trình bày tóm tắt từng bước quá trình thi công hệ thống, hoànthành mô hình hệ thống.

1.2 Tổng quan về IoT

1.2.1 Sự bùng nổ của IoT

Lần đầu tiên cụm từ “cách mạng công nghiệp 4.0” được đưa ra trong một báo cáocủa chính phủ Đức năm 2013 Nó có ảnh hưởng rất lớn đối với tất cả quốc gia trên thếgiới trong đó có Việt Nam chúng ta Cách mạng công nghiệp 4.0 mang đến cho nước ta cả

cơ hội lẫn cả thách thức và rủi ro Vậy cách mạng công nghệ 4.0 là gì? Tại sao lại quantrọng đến vậy?

Klaus Schwab, người sáng lập và chủ tịch điều hành Diễn đàn Kinh tế Thế Giới đãmang đến cái nhìn đơn giản hơn về Cách mạng Công nghiệp 4.0 như sau:

"Cách mạng công nghiệp đầu tiên sử dụng năng lượng nước và hơi nước để cơ giớihóa sản xuất Cuộc cách mạng lần 2 diễn ra nhờ ứng dụng điện năng để sản xuất hàngloạt Cuộc cách mạng lần 3 sử dụng điện tử và công nghệ thông tin để tự động hóa sảnxuất Bây giờ, cuộc Cách mạng Công nghiệp Thứ tư đang nảy nở từ cuộc cách mạng lần

ba, nó kết hợp các công nghệ lại với nhau, làm mờ ranh giới giữa vật lý, kỹ thuật số vàsinh học"

Công nghiệp 4.0 sẽ diễn ra trên 3 lĩnh vực chính gồm Công nghệ sinh học, Kỹthuật số và Vật lý Những yếu tố cốt lõi của Kỹ thuật số trong CMCN 4.0 sẽ là: Trí tuệnhân tạo (AI), Vạn vật kết nối - Internet of Things (IoT) và dữ liệu lớn (Big Data)

Vạn vật kết nối- Internet Of Thing:

Hình 1 1: Internet of things

Internet of Thing (IOT) hay cụ thể hơn là Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc làMạng lưới thiết bị kết nối Internet là một liên mạng, trong đó các thiết bị kết nối với nhau.Việc kết nối thì có thể thực hiện qua Wi-Fi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G),Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại… Các thiết bị có thể là điện thoại thông minh, máy phacafe, máy giặt, tai nghe, bóng đèn, và nhiều thiết bị khác Cisco, nhà cung cấp giải pháp

và thiết bị mạng hàng đầu hiện nay dự báo: Đến năm 2020, sẽ có khoảng 50 tỷ đồ vật kếtnối vào Internet, thậm chí con số này còn gia tăng nhiều hơn nữa IoT sẽ là mạng khổng

lồ kết nối tất cả mọi thứ, bao gồm cả con người và sẽ tồn tại các mối quan hệ giữa người

và người, người và thiết bị, thiết bị và thiết bị

Để đạt được giá trị từ Internet of Things (IoT), việc cần phải có một nền tảng để tạo

và quản lý ứng dụng, chạy các phân tích, lưu trữ và bảo mật dữ liệu Giống như một hệđiều hành dành cho máy tính, một nền tảng làm rất nhiều thứ đằng sau đó, tạo tra môitrường cho các nhà phát triển, giúp nhà quản lý và người dùng sử dụng dễ dàng hơn và

Nhìn chung, nền tảng IoT đề cập đến các thành phần phần mềm cung cấp giao diệngiữa các cảm biến và ứng dụng, các giao tiếp, luồng dữ liệu, quản lý thiết bị, và các chứcnăng của phần mềm trung gian lớp giữa (middleware) Một nền tảng không phải là ứngdụng riêng, mặc dù nhiều ứng dụng có thể được xây dựng hoàn toàn trong khuôn khổ mộtnền tảng IoT Thông qua tham khảo, trích dẫn một số tài liệu của một số cá nhân và tổchức, bài viết này sẽ tập trung mô tả thành phần cơ bản cũng như chức năng của các thànhphần đó trong một nền tảng IoT.

1.2.2 Các thành phần cơ bản của một nền tảng IoT

Theo báo cáo nghiên cứu thị trường của tổ chức IoT Analytics, kiến trúc của nềntảng IoT hiện đại cơ bản nhất, được miêu tả bao gồm 8 thành phần như sau:

Hình 1 2: Các thành phần của nền tảng cơ bản IoT (Nguồn: IoT Analytics)

Hình thức đơn giản nhất, một nền tảng IoT chỉ cho phép kết nối giữa “sự vật” hoặc

ứng dụng hoặc một nền tảng phân tích Trong một hình thức phức tạp hơn, một nền tảngIoT đầu cuối đích thực bao gồm tám khối kiến trúc quan trọng:

• Kết nối và đồng bộ hóa: Thành phần này có chức năng tích hợp đồng bộ các giaothức khác nhau và các định dạng dữ liệu khác nhau vào một giao diện “phần mềm”đảm bảo việc truyền dữ liệu chính xác và tương tác với tất cả các thiết bị

• Quản lý thiết bị: Đây là thành phần đảm bảo kết nối “mọi thứ” hoạt động bìnhthường, chạy các bản vá và cập nhật phần mềm cũng như ứng dụng đang chạy trênthiết bị hoặc các gateways ngoại biên (EDGE gateway)

• Cơ sở dữ liệu: Đây là thành phần được coi quan trọng của một nền tảng Ngoài lưutrữ dữ liệu quan trọng của thiết bị, nó phải có khả năng mở rộng đáp ứng các yêucầu cho các cơ sở dữ liệu dựa trên đám mây Thành phần này phải đảm bảo sự mởrộng khối lượng, sự đa dạng, vận tốc và độ tin cậy của dữ liệu

• Quản lý và xử lý hoạt động: Chức năng đưa dữ liệu vào hoạt động dựa trên nguyêntắc Event-Action-Triggers cho phép thực thi các hoạt động “thông minh” dựa trên

dữ liệu từ cảm biến cụ thể

• Phân tích: Đây có thể được coi là bộ não của nền tảng IoT Thành phần này cóchức năng thực hiện hàng loạt các phân tích phức tạp từ việc phân cụm dữ liệu cơbản và khả năng tự học để tự phân tích, dự đoán, trích xuất những dữ liệu giá trịnhất trong luồng dữ liệu IoT

• Dữ liệu trực quan: Cho phép con người xem xét các mẫu và quan sát các xu hướng

từ bảng điều khiển trực quan, nơi dữ liệu được miêu tả sinh động qua biểu đồđường thẳng, hình họa mô phỏng

• Công cụ bổ sung: Thành phần này cho phép các nhà phát triển IoT thử nghiệm vàtrước khi đưa sản phẩm ra thị trường với các trường hợp sử dụng được biểu diễntrên hệ sinh thái mô phỏng dùng để hiển thị, quản lý và kiểm soát thiết bị kết nối

• Các giao diện bên ngoài: Đây là nơi cho phép tích hợp với các hệ thống của bênthứ ba và phần còn lại của hệ thống CNTT thông qua các giao diện lập trình ứng

Một nền tàng có nhiệm vụ điều phối rất nhiều khía cạnh cơ bản khác nhau để có thểtạo thành một giải pháp IoT Chúng xác định việc làm thế nào để một thiết bị đầu cuối kếtnối với mạng, phương pháp và vị trí thu thập dữ liệu… Điều quan trọng nhất có lẽ làm thếnào dữ liệu đó có thể được sử dụng để tạo ra các giá trị cốt lõi.

Dưới đây là một ví dụ minh họa hoạt động của một nền tảng IoT trên một thiết bịthông minh Trong trường hợp một máy giặt thông minh gặp sự cố do áp suất nước bịgiảm, nền tảng IoT sẽ thực thi hành động được chỉ định sẵn: Tắt máy; gửi thông báo chongười dùng và cho trung tâm dịch vụ khách hàng (nguồn: IoT Analytics):

Hình 1 3: Nền tảng IoT kích hoạt và thực hiện các hành động (Nguồn: IoT Analytics)

Nền tảng IoT liên kết các máy móc, thiết bị, ứng dụng và con người với các trung

lớp giao diện bên ngoài cũng như hỗ trợ nhiều giao thức và tiêu chuẩn Nó không chỉ giớihạn trong một trung tâm điều hành cố định mà còn có thể được truy cập và quản lý từnhiều điểm địa phương khác nhau Dữ liệu từ một nền tảng hệ sinh thái luôn có thể đượcthu thập, ưu tiên, sắp xếp và khai thác dữ liệu trực tuyến hoàn toàn Đây là một đặc điểmquan trọng trong thời kỳ khi mà máy móc, cảm biến và các vật thể khác đang bắt đầu tạo

ra một khối lượng thông tin mới khổng lồ

Các loại nền tảng IoT

Hiện nay trên thế giới có 4 loại nền tảng IoT phổ biến:

• Connectivity/M2M platforms (Nền tảng kết nối M2M): Nền tảng này chủ yếu tậptrung vào việc kết nối các thiết bị IoT kết nối thông qua mạng viễn thông (ví dụ,thẻ SIM) nhưng hiếm khi có hoạt động xử lý và làm giàu dữ liệu

• IaaS backends (Cơ sở hạ tầng như một dịch vụ) Nền tảng dịch vụ cơ sở hạ tầngcung cấp không gian lưu trữ và khả năng xử lý cho các ứng dụng và dịch vụ.Những backends được sử dụng để tối ưu hóa cho các ứng dụng dành cho máy tính

để bàn và di động, tuy nhiên hiện tại nó vẫn được coi là một nền tảng IoT tậptrung

• Hardware-specific software platforms (Nền tảng phần mềm cho phần cứng chuyênbiệt) Một số công ty sản xuất kinh doanh thiết bị kết nối đã xây dựng phần mềmđộc quyền đầu cuối của riêng họ và coi đó là như là một nền tảng IoT Đây là nềntảng đóng và gây ra tranh cãi về việc có nên gọi nó là một nền tảng IoT hay không(một ví dụ là Google Nest)

• Consumer/Enterprise software extensions (Phần mở rộng của phần mềm dành chongười tiêu dùng/doanh nghiệp) Các gói phần mềm doanh nghiệp hiện tại và các hệđiều hành như Microsoft Windows ngày càng cho phép mở rộng, tích hợp các thiết

bị IoT Hiện tại, các tiện ích mở rộng này tuy chưa đủ để coi là một nền tảng IoT

1.3 Ứng dụng IoT trong đời sống

Có một đặc điểm chung là các nền tảng IoT lớn thường có xu hướng cung cấp kèm

cơ sở hạ tầng phần cứng điện toán đám mây riêng, bao gồm lưu trữ, tính toán, kết nốimạng lưới và trung tâm dữ liệu, chẳng hạn như nền tảng IoT của Amazon hay Microsoft.Bên cạnh đó, hầu hết các nhà phát triển nền tảng nhỏ chọn xu hướng cung cấp lớp phầnmềm nền tảng được dựa trên một hoặc nhiều nhà cung cấp đám mây công cộng lớn

Quản lý và giám sát năng lượng là chìa khóa để tiết kiệm năng lượng trong các tổchức thương mại, công nghiệp và chính phủ trong những năm gần đây đang phải chịunhững áp lưc ̣to lớn về kinh tế và môi trường Giám sát và quản lý năng lượng giúp giảm

sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch đang ngày càng trở nên cạn kiệt

Khi tiêu thụ nhiều điện năng, doanh nghiệp cũng như các hô ̣ gia đình sẽ phải đốimặt với tình trạng thiếu nguồn cung cấp nghiêm trọng kèm theo nguy cơ tăng giá điện dẫnđến ảnh hưởng tới lợi nhuận của tổ chức, bằng việc quản lý điện năng doanh nghiệp vàcác hộ gia đình có thể giảm nguy cơ này bằng cách kiểm soát nhu cầu điện năng, tiết kiêmđiện trên dây chuyền sản xuất từng bước tăng hiệu quả việc đầu tư vào giá thành cho sảnphẩm

Lợi ích của việc giám sát điện năng:

- Đối với hộ gia đình: giám sát được chi tiết điện năng từng khu vực mong muốn liêntục 24/24, từ đó đưa ra giải pháp sử dụng hợp lí, tiết kiệm điện

- Đối với công ty, nhà máy: giảm chi phí nhân công nhập liệu hàng tháng, tránh saisót khi thu thập dữ liệu bằng tay

- Làn sóng IoT xuất hiện sẽ vượt xa làn sóng của máy tính xách tay, smart phone IoThướng tới những chiếc xe thông minh, smart home, smart city, chăm sóc sức khỏe

Ứng dụng trong Smart home

Hình 1 4: IoT ứng dụng trong Smart Home

- Có thể nói smart home chính là ứng dụng được tìm kiếm nhiều nhất trên google Vậynhư thế nào được hiểu là một ngôi nhà thông minh? Bạn sẽ có thể bật điều hòa, bìnhnóng lạnh trước khi về nhà hay thậm chí tắt đèn ngay khi bạn không có nhà, bạn cóthể mở cửa cho bạn bè vào chơi trong khi bạn vẫn còn ở cơ quan Các công ty đangxây dựng và sản xuất hàng loạt các sản phẩm để làm cho cuộc sống con người đơngiản và thuận tiện hơn Smart home chính là bậc thang mang tính cách mạng của quá

trình phát triển xu hướng IoT Sự xuất hiện của smart home được dự đoán sẽ trở nên

phổ biến như smart phone hiện nay

- Để sống trong một ngôi nhà thông minh như vậy chủ nhà phải bỏ ra chi phí sở hữunhà vô cùng lớn Các sản phẩm trong các ngôi nhà thông minh được dự đoán sẽ giúptiết kiệm thời gian, năng lượng và tiền bạc

Các thiết bị đeo thông minh

Hình 1 5: Ứng dụng trong các thiết bị đeo tay

- Hiện nay ở nhiều nước đã xuất hiện các thiết bị đeo trên người với những tính năng

vô cùng thông minh như: tai nghe, các loại kính, ba lô, vòng tay siêu thông minh,…Những thiết bị này dần bùng nổ tại các thị trường trên toàn thế giới Google vàSamsung là những công ty lớn có những khoản đầu tư khổng lồ cho việc tạo ra cácthiết bị như vậy Các thiết bị đeo được cài đặt cảm biến và các phần mềm thu thập dữliệu, thông tin người dùng Các thiết bị này bao gồm các yêu cầu về thể chất, sứckhỏe và có tính giải trí cao Điều kiện tiên quyết cho các thiết kế này là công suất cựcthấp và kích thước nhỏ gọn, có tính thẩm mỹ cao

Trong oto

Hình 1 6: Ứng dụng trong oto

- Các nhà sản xuất ô tô đã bước qua giai đoạn tập trung vào việc tối ưu hóa các chứcnăng nội bộ của một chiếc xe Giờ đây họ quan tâm đến việc tối ưu hóa sự hài lòngcủa người sử dụng với việc nâng cao trải nghiệm trong xe hơi

- Một chiếc xe được kết nối là chiếc xe có khả năng tối ưu hóa hoạt động, bảo trì cũngnhư sự thoải mái của khách hàng khi sử dụng Các thương hiệu lớn như BMW, Tesla,

… đang nỗ lực cho cuộc cách mạng tiếp theo của ngành sản xuất ô tô

Internet công nghiệp

Hình 1 7: IoT trong công nghiệp

- Industrial Internet là tiếng vang mới trong ngành công nghiệp, được gọi tắt là IIoT(Industrial Internet of Thing) IIoT hỗ trợ kĩ thuật công nghiệp với các cảm biến,phần mềm lớn để tạo ra những cỗ máy vô cùng thông minh Máy móc sẽ có tínhchính xác và nhất quán hơn con người trong giao tiếp thông qua dữ liệu Từ những

dữ liệu thu thập được giúp các công ty, nhà quản lí giải quyết các vấn đề sớm hơn,đạt hiệu quả cao hơn

- IIoT có tiềm năng lớn về kiểm soát chất lượng và tính bền vững Những ứng dụngtrao đổi thông tin giữa nhà cung cấp, nhà phân phối và nhà bán lẻ về thông tin hànghóa, hàng tồn kho sẽ làm tăng hiệu quả chuỗi cung ứng.

Smart city

Hình 1 8: Ựng dụng thành phố thông minh

- Thành phố thông minh là một ứng dụng của IoT tạo được sự tò mò của đông dảongười dân Giám sát thông minh, vận chuyển tự động, hệ thống quản lý năng lượngthông minh hơn, phân phối nước, an ninh đô thị và giám sát môi trường tất cả là ví

dụ về internet của các ứng dụng cho thành phố thông minh IoT giúp giải quyết các

vấn đề gặp phải tại các thành phố lớn đó là ô nhiễm môi trường, tắc nghẽn giaothông và thiếu năng lượng Một ví dụ có thể kể đến của các thiết bị được sử dụngtruyền thông di động như: thùng rác thông minh, chúng sẽ gửi cảnh báo đến bộ phận

vệ sinh môi trường khi cần dọn sạch

- Bằng cách cài đặt ứng dụng và dùng các thiết bị thông minh chúng ta hoàn toàn cóthể dễ dàng tìm thấy các cây xăng, siêu thị, quán ăn hay thậm chí là những bãi gửi xe

miễn phí Ngoài ra hệ thống điện cũng được bảo vệ bởi các cảm biến sẽ giúp pháthiện nhanh chóng các vấn đề gây nhiễu, trục trặc, hay các vấn đề về lắp đặt.

IoT trong nông nghiệp

Hình 1 9: IoT trong công nghiệp

- Với sự gia tăng liên tục của dân số đồng nghĩa với việc nhu cầu sử dụng lương thựctăng lên nhiều lần Nông dân có thể áp dụng các kỹ thuật mới, công nghệ tiên tiến đểtăng sản lượng sản xuất nông nghiệp Nông nghiệp thông minh có thể nói là lĩnh vựcphát triển nhanh nhất với IoT

- Những thông tin người nông dân thu được giúp họ có những quyết định đầu tư sángsuốt tránh tình trạng “được mùa mất giá, được giá mất mùa” như hiện nay Cảm biến

độ ẩm, chất dinh dưỡng của đất, mức độ hấp thụ nước góp phần quan trọng vào việckiểm soát sự tăng trưởng của cây trồng giúp người gieo trồng có thể xác định, tùychỉnh lượng phân bón cần thiết

Bán lẻ thông minh

Hình 1 10: IoT trong bán lẻ thông minh

- IoT tạo nên một sự kết nối mật thiết giữa nhà bán lẻ với khách hàng giúp nâng caotrải nghiệm của khách hàng khi đến với cửa hàng Tiềm năng phát triển IoT tronglĩnh vực bán lẻ là vô cùng lớn

- Smart phone là thiết bị phổ biến nhất được sử dụng để các nhà bán lẻ duy trì kết nốivới khách hàng của mình khi khách hàng đến với cửa hàng hay thậm chí ngay cả khi

họ ra khỏi cửa hàng Tương tác qua điện thoại và việc sử dụng các công nghệ giúpcho các nhà bán lẻ phục vụ khách hàng tốt hơn, thay đổi cách bài trí cửa hàng chophù hợp với nhu cầu tiêu dùng

Năng lượng

Hình 1 11: IoT trong quản lý năng lượng

- Mạng lưới điện trong vài năm tới sẽ trở nên thông minh và đáng tin cậy hơn Kháiniệm lưới điện thông minh đang trở nên phổ biến trên toàn thế giới

- Dữ liệu được thu thập một cách tự động để phân tích hành vi tiêu dùng điện củangười dùng và nhà cung cấp để góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng điện Lưới điệnthông minh giúp phát hiện nguồn ngắt điện thông minh ở cấp độ các hộ gia đình

Giáo dục và học tập

Hình 1 12: IoT trong giáo dục

- IoT cải thiện hệ thống giáo dục và mang lại nhiều giá trị gia tăng cho môi trườnggiảng dạy vật lý và học tập có cấu trúc Trường học thông minh có các cơ sở hoạtđộng một cách trơn tru với các phương pháp học tập được cá nhân hóa cao Côngnghệ vật lý củng cố điều này có thể sử dụng Wi-Fi và mạng để gửi và nhận dữ liệu,hướng dẫn và tài liệu học tập Điều này, cùng với sức mạnh tính toán tuyệt đối củaIoT, có thể tạo ra một bộ não đằng sau các trường học để theo dõi và duy trì kế hoạchbài học, theo dõi tiến bộ của học sinh, điều chỉnh các tài liệu nhất định cho học sinhyếu và nhiều hơn nữa

Sức khỏe

Hình 1 13: IoT trong sức khỏe

- Đây có thể nói là một lĩnh vực chưa được khai phá hết của Internet of Things bởinhững ứng dụng không ngờ mà nó mang lại Một hệ thống chăm sóc sức khỏe đượckết nối cùng các thiết bị y tế thông minh mang lại tiềm năng to lớn cho các công tyđầu tư sản xuất IoT trong chăm sóc sức khỏe giúp mọi người có cuộc sống khỏemạnh hơn bằng việc đeo các thiết bị kết nối Các dữ liệu thu thập được giúp phântích sức khỏe của người dùng thiết bị kết nối và nhà cung cấp, sản xuất sẽ có đượcnhững thiết kế để chống lại bệnh tật

IoT và chăn nuôi gia cầm, sản xuất nông trại.

Hình 1 14: IoT trong nông nghiệp, chăn nuôi

- Kiểm soát các khâu trong quy trình chăn nuôi giúp tiết kiệm thời gian và chi phí Sửdụng các công cụ IoT để thu thập dữ liệu về sức khỏe của gia súc, các chủ trang trại

có thể biết sớm về bệnh tật của động vật giúp ngăn ngừa số lượng lớn các gia súc bịbệnh bởi virus lây lan Với những dữ liệu thu thập được cũng giúp chủ trang trại tăngnhanh được sản lượng gia súc, gia cầm

Làn sóng IoT xuất hiện sẽ vượt xa làn sóng của máy tính xách tay, smart phone IoThướng tới những chiếc xe thông minh, smart home, smart city, chăm sóc sức khỏe kết nối,

…

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Node MCU ESP8266

Module ESP8266 là module wifi được đánh giá rất cao cho các ứng dụng liên quanđến Internet và Wifi cũng như các ứng dụng truyền nhận sử dụng thay thế cho các module

RF khác với khoảng cách truyền lên tới 100 mét (Môi trường không có vật cản) Trên400m với anten và router thích hợp

- ESP8266 cung cấp một giải pháp kết nối mạng Wi-Fi hoàn chỉnh và khép kín, chophép nó có thể lưu trữ các ứng dụng hoặc để giảm tải tất cả các chức năng kết nốimạng Wi-Fi từ một bộ xử lý ứng dụng

- Khi ESP8266 là máy chủ các ứng dụng hay khi nó chỉ là bộ vi xử lý ứng dụng cótrong thiết bị, nó có thể khởi động trực tiếp từ một flash ngoài Nó có tích hợp bộnhớ cache để cải thiện hiệu suất của hệ thống trong các ứng dụng này, và để giảmthiểu các yêu cầu bộ nhớ

- Luôn phiên, phục vụ như một bộ chuyển đổi Wi-Fi, truy cập internet không dây cóthể được thêm vào bất kỳ thiết kế vi điều khiển nào dựa trên kết nối đơn giản quagiao diện UART hoặc giao diện cầu CPU AHB

- Khả năng lưu trữ và xử lý mạnh mẽ cho phép nó được tích hợp với các bộ cảm biến,

vi điều khiển và các thiết bị ứng dụng cụ thể khác thông qua GPIOs với chi phí tốithiểu và một PCB tối thiểu Với mức độ tích hợp cao trên chip, trong đó bao gồmcác anten chuyển đổi balun, bộ chuyển đổi quản lý điện năng…

Hình 2 1: NODEMCU ESP8266

Cấu tạo của NODEMCU ESP8266

Module ESP8266 có các chân dùng để cấp nguồn và thực hiện kết nối Chức năng củacác chân như sau:

- VCC: 3.3V đến 5V

- GND: Chân nối đất

- Tx: Chân Tx của giao thức UART, kết nối đến chân Rx của vi điều khiển

- Rx: Chân Rx của giao thức UART, kết nối đến chân Tx của vi điều khiển

- RST: Chân reset, kéo xuống mass để reset

- 10 chân GPIO từ D0 – D8, có chức năng PWM, IIC, giao tiếp SPI, 1-Wire và ADCtrên chân A0

- Kết nối mạng wifi (có thể là sử dụng như điểm truy cập và/hoặc trạm máy chủ lưutrữ một, máy chủ web), kết nối internet để lấy hoặc tải lên dữ liệu

Hình 2 2: Sơ đồ chân ESP8266

Thông số kỹ thuật:

- Hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n

- Wi-Fi 2.4 GHz, hỗ trợ WPA/WPA2

- Chuẩn giao tiếp nối tiếp UART với tốc độ Baud lên đến115200

- Tích hợp ngăn xếp giao thứcTCP / IP

- Tích hợp chuyển đổi TR, balun, LNA, bộ khuếch đại công suất và phù hợp vớimạng

- Tích hợp PLL, bộ quản lý, và các đơn vị quản lý điện năng

- Công suất đầu ra +19.5dBm trong chế độ 802.11b

- Tích hợp cảm biến nhiệt độ

- Hỗ trợ nhiều loại anten

- Wake up và truyền các gói dữ liệu trong < 2ms

- Chế độ chờ tiêu thụ điện năng < 1.0mW (DTIM3)

- Hỗ trợ cả 2 giao tiếp TCP và UDP

- Làm việc như các máy chủ có thể kết nối với 5 máy con

- Hỗ trợ các chuẩn bảo mật như: OPEN, WEP, WPA_PSK, WPA2_PSK,WPA_WPA2_PSK

- Có 3 chế độ hoạt động: Client, Access Point, Both Client and Access Point

2.2 Tìm hiểu RFID RC522

Theo phân tích yêu cầu đã đưa ra, khoảng cách để giao tiếp được giữa anten đầu đọc

và thẻ RFID phải là 3 cm Sau khi tham khảo trên thị trường về các IC RFID, em quyếtđịnh chọn IC MFRC522 thỏa mãn yêu cầu của hệ thống Với ưu điểm dễ giao tiếp và tiêuthụ năng lượng thấp (nguồn 3,3V) và cũng dễ mua được tại Việt Nam Sau đây em xintrình bày về cấu tạo cũng như cách hoạt động của IC này

 IC MFRC522:

MFRC522 là IC đọc ghi tích hợp cao cho truyền thông không dây hoạt động ở tần số13.56 Mhz MFRC522 hỗ trợ các chuẩn ISO/IEC 14443 A/MIFARE và NTAG Bộ truyềnnội của MFRC522 có thể điều khiển ăng ten đọc / ghi được thiết kế để giao tiếp với thẻ và

bộ thu tín hiệu ISO / IEC 14443 A / MIFARE mà không cần thêm mạch tích cực Mô-đunnhận cung cấp khả năng thực hiện hiệu quả và mạnh mẽ để mã hóa và giải mã tín hiệu từthẻ tương thích và bộ chuyển đổi của ISO / IEC 14443 A / MIFARE Mô-đun kỹ thuật số

MF1xxS50 MFRC522 hỗ trợ truyền thông không tiếp xúc và sử dụng tốc độ truyền tảiMIFARE lên tới 848 kB/s theo cả hai hướng.

Các giao thức host được cung cấp:

- Serial Peripheral Interface (SPI)

- Serial UART

- I2C-bus interface

Các chân cơ bản của MFRC522:

Hình 2 3: Sơ đồ chân của MFRC522

Giao diện tương tự xử lý điều chế và giải điều chế các tín hiệu tương tự UARTkhông tiếp xúc quản lý các yêu cầu giao thức cho truyền thông các giao thức hợp tác vớimaster Bộ đệm FIFO đảm bảo truyền dữ liệu nhanh và tiện lợi đến và đi từ máy chủ và

Contactless UART và ngược lại Giao diện host khác nhau được thực hiện để đáp ứng cácyêu cầu của khách hàng khác nhau.

Hình 2 4: Sơ đồ khối của MFRC522

 Module MFRC522:

Module RFID RC522 sử dụng IC MFRC522 của Phillip dùng để đọc và ghi dữ liệucho thẻ NFC tần số 13.56 MHz, với mức giá rẻ thiết kế nhỏ gọn, module này là sự lựachọn hàng đầu cho các ứng dụng về ghi đọc thẻ RFID

- Khoảng cách hoạt động: 0～60mm（mifare1 card）

- Giao tiếp: SPI

- Tốc độ truyền dữ liệu: Tối đa 10Mbit/s

- Các loại card RFID hỗ trợ: mifare1 S50, mifare1 S70, mifare UltraLight, mifarePro, mifare Desfire

Hình 2 5: Sơ đồ kết nối của module RFID MFRC522

• Mạch nguyên lý của Module RC522:

Hình 2 6: Sơ đồ nguyên lý của Module RFID RC522

 Thẻ RFID Mifare S50:

Thẻ này sử dụng chuẩn ISO/IEC 14443 A phù hợp với module RFID MFRC522.Một số đặc tính của thẻ:

- Là loại thẻ thụ động, không sử dụng pin

- Khoản cách tối đa lên đến 100mm phụ thuộc vào cấu trúc của anten

MQ2 là c ả m b i ế n k h í , dùng để phát hiện các khí có thể gây cháy Nó được cấutạo từ chất bán dẫn SnO2 Chất này có độ nhạy cảm thấp với không khí sạch Nhưngkhi trong môi trường có chất ngây cháy, độ dẫn của nó thay đổi ngay Chính nhờ đặcđiểm này người ta thêm vào mạch đơn gian để biến đổi từ độ nhạy này sang điện áp.

• Việc ra chân tương tự Aout dành cho những xử lý đòi hỏi cần độ chính xác : Đầutiên đo trạng thái không khí sạch, giá trị thu được Vout1 Cho khí ga từ bật lửa rò rỉ

ra Ta thấy giá trị Aout tăng lên Khi đạt khoảng cách khí ga từ bật lửa hợp lý rồitương ứng với nồng độ khí bắt đầu nguy hiểm, ta ghi lại giá trị Vout2 Ta chọn giá trịVout2 là giá trị ngưỡng cảnh báo Nếu giá trị đo đƣợc lớn hơn ta sẽ cảnh báo Chỉnhchân biến trở để điện áp đo tại chân 3 của L358 = Vout2