Các thiết bị này có nhiệm vụ nhận thông báo để hoạt động theo yêu cầu, hoặc theo dữ liệu được cài đặt sẵn, người dùng dễ dàng tương tác và điều khiển hoạt động trong nhà một cách thuận l
GIỚI THIỆU
Tính cấp thiết của đề tài
Trong thời đại ngày nay, sự phát triển không ngừng của các lĩnh vực khoa học kỹ thuật, đặc biệt là công nghệ điện tử và kỹ thuật điều khiển tự động, đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành như quản lý, công nghiệp và cung cấp thông tin Chính vì vậy, sinh viên ngành Kỹ thuật điện cần nắm vững và vận dụng hiệu quả các kiến thức chuyên môn để góp phần thúc đẩy sự phát triển của nền khoa học kỹ thuật nước nhà.
Trong những năm gần đây, cuộc cách mạng Internet of Things (IoT) đã tạo ra những biến đổi đáng kể trong cuộc sống hiện tại và mở ra nhiều tiềm năng cho tương lai Sự phát triển không ngừng của các công nghệ như Internet, Smartphone và các thiết bị cảm biến chính xác ngày càng thúc đẩy IoT trở thành xu hướng toàn cầu IoT đã và đang thay đổi cách chúng ta tương tác với môi trường xung quanh, nâng cao chất lượng cuộc sống và tối ưu hóa các hoạt động hàng ngày.
Đặt vấn đề
Smarthome giúp vận hành ngôi nhà một cách đơn giản và tiện lợi bằng sóng wifi và bộ xử lý trung tâm Người dùng có thể điều khiển thiết bị bằng giọng nói hoặc các thiết bị như máy tính, smartphone, iPad dễ dàng và nhanh chóng Các thiết bị thông minh trong nhà sẽ nhận thông báo để hoạt động theo yêu cầu hoặc dữ liệu đã cài đặt sẵn, mang lại trải nghiệm tương tác thuận tiện Việc giám sát và quản lý hoạt động trong nhà từ xa giúp nâng cao an toàn và sự tiện nghi cho không gian sống Smarthome là giải pháp tối ưu để tạo ra ngôi nhà hiện đại, an toàn và thoải mái cho mọi gia đình.
Các thiết bị nhà thông minh không chỉ hoạt động theo lệnh và điều khiển từ xa mà còn được trang bị hệ thống an ninh bảo mật cao, mang lại sự yên tâm tuyệt đối cho người dùng Với tính năng phát hiện sự cố hoặc xâm nhập trái phép, bạn sẽ nhận được thông báo ngay lập tức để có phản ứng kịp thời Nhờ đó, người dùng có thể an tâm sinh hoạt hàng ngày hoặc để xa nhà mà không lo lắng về an ninh.
Các thiết bị smarthome được lắp đặt độc lập, giúp đảm bảo chức năng hoạt động ổn định ngay cả khi có sự cố xảy ra trên một thiết bị Chúng có thể liên kết với nhau để vận hành cùng nhau, nhưng sự cố trên một thiết bị không ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống Điều này mang lại sự linh hoạt và đáng tin cậy cho hệ thống smarthome của bạn.
Với sự tiến bộ của khoa kỹ thuật, các thiết bị điện tử ngày càng hiện đại và tích hợp công nghệ tự động thông minh Nhu cầu sử dụng các thiết bị tự động hóa trong gia đình ngày càng tăng cao, hướng tới cuộc sống tiện nghi và tiện lợi hơn Mặc dù Việt Nam chưa phát triển mạnh lĩnh vực nhà thông minh, nhưng trên thế giới, đặc biệt là các quốc gia lớn, mô hình ngôi nhà thông minh có thể điều khiển từ xa đang phát triển rất mạnh mẽ.
Chúng tôi mong muốn ứng dụng các kỹ thuật hiện đại của thế giới vào điều kiện thực tế trong nước để phát triển hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị gia đình từ xa qua điện thoại Đề tài dựa trên nguyên lý điều khiển tự động và trực tiếp thông qua vi xử lý trung tâm cùng nền tảng Blynk IoT, giúp tiết kiệm chi phí, nâng cao tính cạnh tranh và sự linh hoạt trong ứng dụng Sản phẩm có tính mở rộng cao, phù hợp với nhiều đối tượng người dùng khác nhau, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người về tiện ích thông minh.
1.2.3 Lý do chọn đề tài
Hiệu quả trong việc điều khiển các tiện ích và hệ thống nhà ở trở nên dễ dàng hơn nhờ nút cảm ứng hoặc ứng dụng điện thoại di động Sử dụng thiết bị thông minh, bạn có thể vận hành hệ thống sưởi, làm mát và đèn từ xa chỉ với một cú nhấp chuột, giúp tiết kiệm thời gian và năng lượng Công nghệ này không chỉ nâng cao hiệu quả sử dụng mà còn tối ưu hóa việc tiết kiệm điện năng cho gia đình bạn.
Ngôi nhà thông minh mang lại sự tiện lợi vượt trội, cho phép bạn truy cập dễ dàng vào các tiện ích và hệ thống điện tử từ bất cứ nơi đâu trên thế giới Với các tính năng như điều chỉnh ánh sáng, bật tắt đèn và giám sát an ninh, ngôi nhà của bạn trở nên an toàn và tiện nghi hơn Các khả năng của nhà thông minh đủ để thuyết phục mọi người biến tổ ấm của mình trở nên hiện đại và thông minh hơn.
Nhà thông minh mang lại tiện nghi vượt trội, giúp cuộc sống của con người trở nên thoải mái và tiện lợi hơn Với hệ thống tự động hóa hiện đại, bạn không cần phải di chuyển khắp nhà để thực hiện các chức năng khác nhau, tiết kiệm thời gian và công sức Các thiết bị thông minh tích hợp trong nhà giúp kiểm soát ánh sáng, nhiệt độ, an ninh và các thiết bị điện tử một cách dễ dàng qua điện thoại hoặc giọng nói Nhờ đó, cuộc sống hàng ngày trở nên thuận tiện, hiện đại và tiết kiệm năng lượng hơn.
Với sự phát triển của công nghệ, những người thông minh có thể thực hiện mọi thao tác trong gia đình một cách dễ dàng thông qua các ứng dụng tiện ích Bạn chỉ cần ngồi thoải mái trên ghế sofa hoặc trên giường và điều khiển các thiết bị gia đình thông minh một cách thuận tiện, tiết kiệm thời gian và công sức (Tối ưu hóa SEO: công nghệ, ứng dụng, điều khiển thiết bị gia đình thông minh, thoải mái, tiện lợi)
An tâm là lợi ích hàng đầu của việc sở hữu nhà thông minh, giúp bạn dễ dàng kiểm soát an ninh và mở rộng sự an toàn cho gia đình Nhờ các thiết bị cảm biến và hệ thống thông minh, bạn có thể kiểm tra cửa ra vào, cửa sổ, cảm biến tràn nước một cách nhanh chóng và dễ dàng qua điện thoại hoặc ứng dụng Đặc biệt, bạn hoàn toàn yên tâm rằng cửa nhà để xe đã được đóng chính xác mà không cần phải ra ngoài kiểm tra, mang lại sự tiện lợi và an tâm tối đa cho cuộc sống hàng ngày.
Tình hình nghiên cứu
Nhà thông minh (Smart home) là loại nhà được trang bị các thiết bị điện, điện tử tự động hóa hoàn toàn hoặc bán tự động, giúp thay thế con người trong việc quản lý và điều khiển các hệ thống trong nhà Ứng dụng của nhà thông minh đã phổ biến rộng rãi trên toàn thế giới và ngày càng phát triển tại Việt Nam trong những năm gần đây, mang lại tiện ích và nâng cao chất lượng cuộc sống cho người dùng.
Bắt đầu từ những năm 1990, các thiết bị điều khiển từ xa bắt đầu được nghiên cứu và phát minh, mở đường cho sự phát triển của công nghệ nhà thông minh (Smart Home) Sự bùng nổ của các thiết bị điện gia dụng diễn ra từ năm 1915, và ý tưởng tự động hóa các thiết bị trong nhà đã xuất hiện từ những năm 1930, góp phần thúc đẩy xu hướng này Đến năm 1984, thuật ngữ "Smart Home" chính thức được giới thiệu, đánh dấu bước ngoặt quan trọng trong lĩnh vực công nghệ tự động hóa nhà ở.
Xu hướng ứng dụng nhà thông minh ngày càng phát triển mạnh mẽ tại Việt Nam, thu hút sự quan tâm của cả các cá nhân lẫn doanh nghiệp Nhiều hãng cung cấp giải pháp smart home quốc tế như Schneider của Đức, Hager và Legand của Pháp, TIS Smart Home và Crestron của Mỹ, My Home của hãng Bticino của Ý, cùng các thương hiệu Kawa, Broadlink, Bluetech của Trung Quốc đều đã xuất hiện và cạnh tranh trên thị trường Việt Nam Sự đa dạng về thương hiệu và công nghệ góp phần nâng cao khả năng lựa chọn và ứng dụng nhà thông minh vào đời sống hàng ngày của người tiêu dùng Việt Nam.
Các nhà cung cấp Việt Nam cũng không kém cạnh, với Wesmart Smart home, Bkav Smart Home, Acis Việt Nam, E – Smart Home, Gamma, …
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Mục đích nghiên cứu
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Nhiệm vụ nghiên cứu
Nhiệm vụ nghiên cứu đề tài bao gồm:
Nghiên cứu các mô hình nhà thông minh, chọn mô hình thích hợp
Nghiên cứu chọn vi xử lý và ngôn ngữ lập trình phù hợp
Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của nhà thông minh, các loại cảm biến, các cơ cấu điều khiển
Viết đề cương chi tiết
Viết lưu đồ giải thuật điều khiển
Phương pháp nghiên cứu
Học cách điều khiển thiết bị trong nhà qua internet bằng cách hiểu về cách thức hoạt động và giao tiếp của chip ESP32 cùng các mạch cảm biến Tìm hiểu cách tích hợp ESP32 với các cảm biến để thu thập dữ liệu và điều khiển các thiết bị điện tử hiệu quả Sử dụng ứng dụng Blynk IoT để dễ dàng quản lý, điều khiển và giám sát các thiết bị từ xa, nâng cao tiện ích và độ an toàn cho hệ thống nhà thông minh.
Tìm hiểu cách xây dựng cơ sở dữ liệu và truyền nhận dữ liệu giữa các thiết bị để điều khiển ngôi nhà thông minh Đề tài áp dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thiết kế, chế tạo và thực nghiệm nhằm đảm bảo hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống Việc xây dựng cơ sở dữ liệu chính là nền tảng giúp quản lý thông tin và thiết lập các lệnh điều khiển chính xác Truyền nhận dữ liệu giữa các thiết bị đảm bảo quá trình điều khiển tự động, linh hoạt và hiệu quả cho hệ thống nhà thông minh Phương pháp kết hợp lý thuyết và thực nghiệm giúp đánh giá và hoàn thiện hệ thống một cách toàn diện, đáp ứng các yêu cầu về kỹ thuật và vận hành.
Có thể bật tắt các thiết bị trong nhà bằng tay hoặc tự động
Đọc và xử lý tín hiệu từ cảm biến
Đóng mở cửa bán tự động sử dụng thẻ RFID
Báo trộm, rò rỉ khí gas
Cập nhật nhiệt độ, độ ẩm.
Phạm vi nghiên cứu
Nhóm nghiên cứu đã chọn và triển khai mô hình nhà thông minh tích hợp các tính năng hiện đại như hệ thống chiếu sáng thông minh, điều khiển thiết bị điện từ xa qua điện thoại di động, hệ thống báo động trộm tại chỗ và qua điện thoại di động, cùng với hệ thống đo nhiệt độ và cảnh báo cháy qua điện thoại di động Ngoài ra, công nghệ điều khiển đóng mở cửa bằng thẻ từ giúp nâng cao tính tiện ích và an toàn cho ngôi nhà thông minh.
Kết cấu của đề tài
Đề tài thực hiện gồm có 6 chương:
Chương 2: TỔNG QUAN GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ
Chương 3: PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT
Chương 4: QUY TRÌNH THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM
Chương 5: THI CÔNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢChương 6: KẾT LUẬN
TỔNG QUAN GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ
Iot là gì?
IoT (Internet of Things) là mạng kết nối các đồ vật và thiết bị thông qua cảm biến, phần mềm cùng các công nghệ hiện đại Công nghệ này cho phép các thiết bị thu thập và trao đổi dữ liệu một cách thông minh và hiệu quả IoT giúp tối ưu hóa hoạt động của các thiết bị trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhờ khả năng kết nối liên tục và chia sẻ dữ liệu.
Khi các thiết bị được kết nối với Internet, chúng trở nên thông minh hơn nhờ khả năng gửi và nhận dữ liệu từ bộ xử lý trung tâm Thiết bị IoT thường được trang bị cảm biến để thu thập dữ liệu về môi trường xung quanh, giúp nâng cao hiệu quả và tiện ích trong trải nghiệm người dùng.
Hình 2.1 IoT (Internet of Things)
(Nguồn Internet) Tiềm năng ứng dụng của IoT trải rộng trên mọi lĩnh vực Tuy nhiên, mọi hệ thống IoT hoàn chỉnh đều có đủ 4 bước:
2.1.1 Ưu và nhược điểm của IoT
Truy cập thông tin từ mọi lúc, mọi nơi trên mọi thiết bị
Cải thiện giao tiếp giữa các thiết bị điện tử
Chuyển dữ liệu qua mạng Internet giúp tiết kiệm thời gian và tiền bạc
Tự động hóa các nhiệm vụ giúp cải thiện chất lượng dịch vụ
Khi nhiều thiết bị kết nối và chia sẻ thông tin cùng lúc, nguy cơ bị hacker lấy cắp dữ liệu bí mật của người dùng ngày càng tăng cao Việc bảo vệ thông tin cá nhân trên các thiết bị kết nối trở nên vô cùng quan trọng để tránh các nguy cơ rò rỉ dữ liệu và tấn công mạng Chính vì vậy, người dùng cần áp dụng các biện pháp bảo mật để đảm bảo an toàn khi chia sẻ dữ liệu trên các mạng kết nối.
Nếu có lỗi hệ thống, khả năng mọi thiết bị được kết nối sẽ bị hỏng
Việc thiếu tiêu chuẩn quốc tế về khả năng tương thích IoT gây khó khăn trong việc kết nối và giao tiếp giữa các thiết bị đến từ các nhà sản xuất khác nhau Điều này ảnh hưởng tiêu chuẩn hóa và mở rộng hệ sinh thái IoT trên phạm vi toàn cầu Để thúc đẩy sự phát triển bền vững của IoT, việc xây dựng các tiêu chuẩn quốc tế thống nhất về khả năng tương thích là điều cần thiết.
Nhà thông minh là gì?
Nhà thông minh là ngôi nhà tích hợp các hệ thống tự động thông minh và bố trí hợp lý để tự điều phối hoạt động dựa trên thói quen sinh hoạt và nhu cầu cá nhân của gia chủ Các thiết bị điện tử gia dụng trong nhà được liên kết với trung tâm điều khiển, có khả năng phối hợp để thực hiện cùng một chức năng, nhằm nâng cao sự tiện nghi và hiện đại hóa cuộc sống Hệ thống nhà thông minh có thể tự động xử lý các tình huống đã lập trình trước hoặc được điều khiển từ xa để phục vụ tối đa sự thuận tiện của người dùng.
Hình 2.2 Nhà thông minh Smarthome
Hệ thống kiểm soát mức độ chiếu sáng của đèn giúp tiết kiệm điện và phù hợp với môi trường là yếu tố cơ bản của hệ thống nhà thông minh Ngoài ra, hệ thống còn có thể điều chỉnh rèm cửa, giá phơi đồ, cửa kéo tự động, đồng thời kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm, hệ thống camera để đảm bảo an ninh và thoải mái Các ứng dụng sáng tạo khác như hệ thống giải trí, liên lạc nội bộ, tưới nước tự động cũng được tích hợp, nhờ vào các thiết bị kết nối với trung tâm giúp theo dõi và điều khiển chính xác, hiệu quả các trạng thái của nhà thông minh.
2.2.1 Các thành phần cơ bản trong nhà thông minh
Hệ thống chiếu sáng có thể tích hợp chung với các hệ thống khác hoặc được tách riêng để điều khiển độc lập, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và mang lại sự thuận tiện cho người sử dụng Các giải pháp này giúp gia chủ dễ dàng vận hành hệ thống chiếu sáng một cách linh hoạt và hiệu quả hơn Việc lựa chọn phương án phù hợp sẽ nâng cao trải nghiệm sử dụng và tối ưu hóa không gian sống.
Khi gia chủ vắng nhà, việc kiểm soát hệ thống cửa ra vào trở nên vô cùng quan trọng để ngăn chặn rủi ro trộm cắp Hệ thống nhà thông minh tích hợp công nghệ kiểm soát access giúp chủ nhà dễ dàng quản lý và cấp quyền ra vào cho các thành viên trong gia đình cũng như người thân Việc sử dụng hệ thống kiểm soát an ninh hiện đại không chỉ nâng cao tính an toàn mà còn mang lại sự thuận tiện tối đa cho việc quản lý lối đi trong ngôi nhà.
Hệ thống cửa ra vào được trang bị khóa vân tay hoặc thẻ từ giúp nhận diện chính xác người trong nhà hoặc khách để cấp quyền truy cập Ngoài ra, các công nghệ nhận diện khuôn mặt hoặc giọng nói cũng được tích hợp nhằm nâng cao mức độ an ninh và tiện lợi cho người sử dụng.
2.2.1.3 Hệ thống quan sát, thông tin liên lạc
Một ngôi nhà thường có từ 4 đến 5 phòng kín, điều này gây ra khó khăn trong việc giao tiếp giữa các phòng Hệ thống thông tin liên lạc nội bộ là giải pháp hiệu quả giúp giải quyết vấn đề này, nâng cao khả năng kết nối và thuận tiện cho sinh hoạt hàng ngày Sử dụng hệ thống liên lạc nội bộ không chỉ tối ưu hóa kết nối giữa các không gian trong nhà mà còn giúp đảm bảo sự tiện nghi và an toàn cho gia đình bạn.
Hệ thống thông tin liên lạc nội bộ đơn giản, chẳng hạn như điện thoại cố định, giúp đảm bảo liên lạc nội bộ hiệu quả Để nâng cao khả năng giao tiếp và xử lý công việc, hệ thống này cần được kết nối với mạng điện thoại bên ngoài Việc kết nối này đòi hỏi sử dụng bộ chuyển kênh để chuyển đổi tín hiệu phù hợp và tối ưu hóa hoạt động liên lạc trong doanh nghiệp.
Hệ thống quan sát tiên tiến giúp kiểm soát an ninh hiệu quả bằng việc giám sát người vào và ra khỏi nhà, cho phép gia chủ nhận diện khách nhanh chóng qua camera Ngoài ra, hệ thống còn cung cấp khả năng quan sát nhiệt độ, độ ẩm và các thông số môi trường khác thông qua màn hình LCD hiện đại, đảm bảo an toàn và tiện ích tối ưu cho ngôi nhà của bạn.
2.2.1.4 Hệ thống quản lý tiêu thụ năng lượng 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 Vì vậy ngôi nhà thông minh sẽ cung cấp giải pháp nhằm đo lường và báo cáo lại các thông số điện, nước thường xuyên, kết hợp với bộ xử lý trung tâm và các hệ thống khác để tiết kiệm năng lượng một cách tối ưu nhất
2.2.1.5 Hệ thống cảm biến và báo động
Hệ thống cảm biến đóng vai trò quan trọng trong mọi hệ thống nhà ở, giúp thu thập các thông số đo lường chính xác để gửi về bộ xử lý trung tâm Nhờ đó, hệ thống có thể đưa ra các giải pháp phù hợp và phản ứng nhanh chóng với các tình huống phát sinh trong ngôi nhà Cảm biến là thành phần then chốt đảm bảo an toàn, tiện nghi và tối ưu hóa hoạt động của toàn bộ hệ thống nhà thông minh.
Các cảm biến cơ bản như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến khí gas, cảm biến chuyển động hồng ngoại, cảm biến cường độ ánh sáng,…
2.2.1.6 Hệ thống xử lý trung tâm, điều khiển, giám sát từ xa
Ngôi nhà thông minh nổi bật nhờ hệ thống điều khiển tự động hiện đại, giúp tối ưu hóa trải nghiệm sinh sống Hệ thống trung tâm đóng vai trò then chốt trong liên kết các thiết bị và hệ thống khác trong ngôi nhà, tạo nên một môi trường sống thuận tiện và hiệu quả Việc điều phối nhịp nhàng các hoạt động dựa trên các điều kiện đã được lập trình sẵn giúp nâng cao an toàn, tiết kiệm năng lượng và tạo sự thuận tiện tối đa cho người sử dụng.
PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT
Thu thập và phân tích dữ liệu
3.1.1 Dữ liệu về phần cứng
Phần cứng của Mô hình đồ án Nhà thông minh Smarthome bao gồm:
Vật liệu cấu tạo nên khung mô hình: Mica trắng đục
Thiết bị điều khiển trung tâm: Kit RF thu phát Wifi BLUE ESP32
Thiết bị hiển thị: Màn hình LCD1602
Cảm biến từ RFID RC522
Cảm biến khí gas MQ-2
Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11
Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750
Cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR HC-SR501
3.1.1.1 Kit RF thu phát Wifi BLUE ESP32 NodeMCU-32S CH340 Ai-Thinker
Kit RF thu phát Wifi ESP32-S2 NodeMCU-32-S2 Ai-Thinker sử dụng module ESP-12K từ Ai-Thinker, tích hợp vi điều khiển trung tâm ESP32-S2, một phiên bản nâng cấp của ESP32 với nhiều tính năng vượt trội Sản phẩm được cải tiến về bảo mật, khả năng truyền nhận RF, và quản lý năng lượng hiệu quả, giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy cho các dự án IoT.
Hình 3.1 Kit RF thu phát Wifi BLU ESP32 NodeMCU-32S CH340 Ai-Thinker
Nhà sản xuất: Ai-Thinker
Module trung tâm: Ai-Thinker ESP32-S
Giao diện hỗ trợ: UART/SPI/SDIO/I2C/PWM/I2S/IR/ADC/DAC
Nguồn sử dụng: 5VDC từ cổng Micro USB
Tích hợp mạch nạp và giao tiếp UART CH340
Chuẩn 38 chân cắm 2.54mm, ra chân đầy đủ module ESP32
Tích hợp Led Status, nút nhấn IO0 (BOOT) và ENABLE
Hình 3.2 Sơ đồ chân của ESP32 Node MCU-32S
Các chân của Esp32 Node MCU-32S với các tính năng cụ thể, sau đây là các chức năng cụ thể của các chân GPIO của Esp32 Node MCU-32S:
Các chân chỉ nhận tín hiệu đầu vào (Input only pins):
Các chân GPIO từ 34 đến 39 là chân đầu vào (GPI) của ESP32, không có điện trở kéo lên hoặc kéo xuống bên trong, do đó không thể sử dụng làm chân ra Chính vì vậy, các chân này chỉ phù hợp để thiết lập làm chân đầu vào cho các cảm biến hoặc thiết bị ngoại vi, đảm bảo hoạt động chính xác của hệ thống Việc hiểu rõ chức năng của các chân GPIO này giúp tối ưu hóa thiết kế mạch và nâng cao hiệu suất của dự án IoT.
Các chân flash SPI tích hợp trên ESP-WROOM-32:
GPIO 6 đến GPIO 11 trên ESP32 được sử dụng để kết nối với đèn flash SPI tích hợp trên chip ESP-WROOM-32 Các chân này chủ yếu phục vụ mục đích truy cập bộ nhớ flash và không được khuyến khích sử dụng cho các mục đích khác để đảm bảo hiệu suất và độ ổn định của thiết bị Việc hiểu rõ chức năng của các GPIO này là quan trọng trong quá trình lập trình và phát triển dự án ESP32, giúp tránh các lỗi không mong muốn ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống.
Các chân GPIO cảm ứng điện dung:
ESP32 tích hợp 10 cảm biến cảm ứng điện dung, cho phép phát hiện các biến thể của các vật thể chứa điện tích, phù hợp để thay thế nút bấm cơ học Các chân cảm ứng điện dung này dễ dàng tích hợp vào các miếng đệm cảm ứng và còn có thể dùng để đánh thức ESP32 khỏi chế độ Deep Sleep, nâng cao hiệu suất và tiết kiệm năng lượng cho thiết bị.
Các chân chuyển đổi tín hiệu Analog sang Digital (ADC):
Có 18 chân ADC 18 x 12 bit để chuyển đổi tín hiệu điện áp thành tín hiệu kỹ thuật số tương tự:
Chân ADC2_CH9 (GPIO26) có độ phân giải 12 bit, cho phép nhận các giá trị đọc tương tự từ 0 đến 4095 Trong đó, giá trị 0 đại diện cho mức điện áp 0V và giá trị 4095 tương ứng với mức điện áp 3,3V, giúp đo lường chính xác các tín hiệu analog với độ phân giải cao.
Các chân chuyển đổi tín hiệu Digital sang Analog:
Có 2 chân DAC 2 x 8 bit trên ESP32 để chuyển đổi tín hiệu kỹ thuật số thành đầu ra tín hiệu điện áp tương tự:
ESP32 hỗ trợ các chân GPIO RTC để đánh thức thiết bị khỏi chế độ ngủ sâu một cách hiệu quả, đặc biệt khi bộ đồng xử lý công suất cực thấp (ULP) đang hoạt động, giúp tiết kiệm năng lượng và duy trì tính năng hoạt động liên tục của thiết bị.
RTC_GPIO17 (GPIO27) Các chân PWM:
Bộ điều khiển ESP32 LED PWM cung cấp 16 kênh độc lập có thể cấu hình để tạo tín hiệu PWM với các đặc tính đa dạng, thích hợp cho nhiều ứng dụng Tất cả các chân đầu ra của ESP32 đều có khả năng hoạt động như chân PWM, trừ các chân số 34 đến 39 không thể tạo tín hiệu PWM Để thiết lập tín hiệu PWM, cần xác định các thông số quan trọng như tần số, độ rộng xung và mức điều chỉnh, giúp tối ưu hóa hiệu suất và chức năng của hệ thống.
Chân GPIO nơi ta muốn xuất tín hiệu
ESP32 có 2 chân I2C mặc định là:
3.1.1.2 Màn hình LCD1602 tích hợp module chuyển đổi I2C
Hình 3.3 LCD1602 tích hợp Module chuyển đổi I2C (Nguồn Mô hình đồ án của sinh viên)
Màn hình LCD text LCD1602
Thiết bị hiển thị LCD (Liquid Crystal Display) được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng vi điều khiển nhờ vào ưu điểm vượt trội của nó LCD có khả năng hiển thị đa dạng ký tự, gồm chữ, số và ký tự đồ họa một cách trực quan Ngoài ra, việc tích hợp LCD vào mạch ứng dụng rất dễ dàng nhờ các giao thức giao tiếp linh hoạt, giúp tiết kiệm tài nguyên hệ thống và giảm thiểu chi phí.
Màn hình LCD 1602 sử dụng driver HD44780, cho phép hiển thị 2 dòng, mỗi dòng 16 ký tự, là lựa chọn phổ biến nhờ độ bền cao và dễ sử dụng Sản phẩm phù hợp cho người mới học và các dự án DIY, với nhiều mã mẫu hỗ trợ lập trình dễ dàng Đây là giải pháp tối ưu để hiển thị thông tin trực quan trong các dự án điện tử.
Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 0.1 inch tiện dụng khi kết nối với Breadboard
Tên các chân được ghi ở mặt sau của màn hình LCD hổ trợ việc kết nối, đi dây điện
Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWN điều chỉnh độ sáng để sử dụng ít điện năng hơn
Có thể được điều khiển với 6 dây tín hiệu
Hình 3.5 Sơ đồ chân LCD1602
Mạch chuyển giao tiếp LCD1602 sang I2C
Hình 3.6 Mạch giao tiếp LCD1602 sang I2C
(Nguồn Internet) I2C Adapter dùng cho LCD 16 x 2 và LCD 16 x 4 giúp cho việc giao tiếp với LCD trở nên đơn giản hơn với chuẩn I2C, module sử dụng chip PCF8574
Có 1 Jumper điều chỉnh ON/OFF trên màn hình
Có biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD
Sơ đồ, chức năng các chân:
Hình 3.7 Sơ đồ chân I2C Adapter
(Nguồn Internet) 3.1.1.3 Cảm biến khí Gas (LPG/CO/CH4) MQ-2
Cảm biến khí gas là thiết bị dùng để đo mật độ khí gas trong không khí, giúp phát hiện và cảnh báo kịp thời khi có khí gas rò rỉ Khi khí gas rò rỉ và hòa trộn thành hỗn hợp dễ cháy, cảm biến sẽ xuất tín hiệu 4-20mA hoặc relay để theo dõi nồng độ khí Việc này giúp đảm bảo an toàn và kiểm soát môi trường hiệu quả, tránh các tai nạn cháy nổ do rò rỉ khí gas.
Cảm biến khí gas MQ-2 sử dụng phần tử SnO2 có độ dẫn điện thấp trong không khí sạch, nhưng khi khí dễ cháy xuất hiện, độ dẫn điện của cảm biến tăng lên Nồng độ khí dễ cháy càng cao thì SnO2 càng dẫn điện hơn, được chuyển đổi thành mức tín hiệu điện để phản ánh chính xác MQ-2 là cảm biến khí nhạy cao với LPG, Propane, Hydrogen, mê-tan (CH4) và các hơi dễ bắt lửa khác, đồng thời có chi phí thấp, phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau trong việc phát hiện khí độc hại.
Cảm biến xuất ra cả hai dạng tín hiệu là Analog và Digital, tín hiệu Digital có thể điều chỉnh mức báo bằng điện trở
Hình 3.8 Cảm biến khí Gas MQ-2
(Nguồn Internet) Thông số kỹ thuật:
Loại cảm biến: cảm biến bán dẫn
Khí nhận diện: các khí dễ cháy, cảm biến khói
Phạm vi phát hiện: Từ 300 đến 10000ppm (khí dễ cháy)
Điện áp của heater: 5V±0.1 AC/DC
Điện trở tải: thay đổi được (2kΩ-47kΩ)
Công suất tiêu thụ của heater: ít hơn 800mW
Sơ đồ, chức năng các chân:
Hình 3.9 Sơ đồ chân cảm biến gas
3.1.1.4 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11
Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT11 là cảm biến phổ biến hiện nay nhờ vào chi phí thấp và khả năng lấy dữ liệu dễ dàng qua giao tiếp 1 wire (digital 1 dây truyền dữ liệu duy nhất) Với bộ xử lý tín hiệu tích hợp sẵn trong cảm biến, DHT11 cung cấp dữ liệu chính xác mà không cần thực hiện các phép toán phức tạp Đây là giải pháp lý tưởng cho các dự án đo đạc độ ẩm và nhiệt độ nhờ tính dễ sử dụng và độ tin cậy cao.
Hình 3.10 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11
(Nguồn Internet) Thông số kỹ thuật:
Dòng sử dụng: 2.5mA max (khi truyền dữ liệu)
Khoảng đo độ ẩm: 20%-80% RH (sai số 5%)
Khoảng đo nhiệt độ: 0-50 ºC (sai số 2ºC)
Tần số lấy mẫu tối đa: 1Hz (1 giây/ lần)
Khích thước 15mm x 12mm x 5.5mm
Có 4 chân với khoảng cách 0.1 cm mỗi chân
Sơ đồ và chức năng các chân:
Hình 3.11 Sơ đồ chân DHT11
(Nguồn Internet) 3.1.1.5 Mạch cảm biến nước mưa (Rain water sensor)
Mạch cảm biến nước mưa (Rain water sensor) gồm cảm biến ước mưa và mạch chuyển đổi tín hiệu nhằm phát hiện sự tiếp xúc của nước hoặc các dung dịch dẫn điện với bề mặt cảm biến Khi nước hoặc các dung dịch dẫn điện chạm vào cảm biến, nó sẽ phát ra tín hiệu để kích hoạt các ứng dụng tự động như phát hiện mưa hoặc báo mực nước tự động Hệ thống này giúp tự động hóa các quy trình liên quan đến kiểm soát mưa và mực nước, nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong vận hành.
Hình 3.12 Cảm biến mưa (Nguồn Internet) Thông số kỹ thuật:
Điện áp sử dụng: 5VDC
Kích thước tâm cảm biến mưa: 54 x 40mm
Khích thước board PCB: 30 x 16mm
Tín hiệu đầu ra: Digital TTL (0VDC/ 5VDC) và đầu ra Analog A0 trả giá trị điện áp tuyến tính theo lượng nước tiếp xúc với cảm biến
Lỗ cố định bu long dễ dàng để cài đặt
Có đèn báo hiệu nguồn và đầu ra
Độ nhạy có thể điều chỉnh thông qua chiết áp
LED sáng lên khi không có mưa đầu ra cao, có mưa, đầu ra thấp LED tắt
Sơ đồ và chức năng các chân:
Chân VCC: chân cấp nguồn 5V
Chân GND: chân nối nguồn âm (đất)
Chân D0: Đầu ra tín hiệu Digital
Chân A0: Đầu ra tín hiệu Analog
3.1.1.6 Cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR HC-SR501
Cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR (Passive Infrared Sensor) HC-SR501 được sử dụng để phát hiện chuyển động của các vật thể phát ra bức xạ hồng ngoại, như con người, động vật hoặc các vật có nhiệt độ cao Cảm biến này có khả năng chỉnh độ nhạy để giới hạn khoảng cách bắt xa gần và cường độ bức xạ của vật thể mong muốn, giúp tăng độ chính xác khi phát hiện Ngoài ra, cảm biến còn tích hợp bộ điều chỉnh thời gian trễ giúp kiểm soát khoảng thời gian giữ tín hiệu sau khi phát hiện, phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau.
Hình 3.13 Cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR HC-SR501
(Nguồn Internet) Thông số kỹ thuật:
Phạm vi phát hiện: góc 360º hình nón, độ xa tối đa 6m
Nhiệt độ hoạt động: 32-122ºF (050ºC)
Điện áp hoạt động: DC 3.8V-5V
Mức tiờu thụ dũng: ≤ 50àA
Thời gian báo: 30 giây có thể tùy chỉnh bằng điện trở
Độ nhạy có thể điều chỉnh bằng biến trở
Sơ đồ và chức năng các chân:
Hình 3.14 Sơ đồ chân cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR HC-SR501
(Nguồn Internet) 3.1.1.7 Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 Digital Light Sensor
Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 Digital Light Sensor đo lượng ánh sáng theo đơn vị lux một cách chính xác và dễ dàng tích hợp Nhờ có ADC nội và bộ tiền xử lý, cảm biến cung cấp kết quả đo trực tiếp giá trị cường độ ánh sáng trong lux mà không cần xử lý hay tính toán phức tạp qua giao tiếp I2C Sản phẩm này thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi đo sáng chính xác trong các dự án điện tử và cảm biến môi trường.
Hình 3.15 Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750
Điện áp giao tiếp: TTL 3.3~5VDC
Hình 3.16 Sơ đồ chân Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 Digital Light Sensor
(Nguồn Internet) Một số ví dụ về độ rọi ánh sáng:
Trời nhiều mây trong nhà: 5-50 lux
Trời nhiều mây ngoài trời: 50-500 lux
Trời nắng trong nhà: 100-1000 lux
Ánh sáng cần thiết để đọc sách: 50-60 lux
3.1.1.8 Mạch RFID NFC 13.56Mhz RC522
Sơ đồ khối và lưu đồ giải thuật điều khiển
Hình 3.30 Sơ đồ khối (Nguồn: Phần mềm của sinh viên)
3.2.2.1 Lưu đồ giải thuật chương trình chính
Hình 3.31 Lưu đồ giải thuật chính (Nguồn: Phần mềm của sinh viên) 3.2.2.2 Lưu đồ giải thuật hệ thống Bật/Tắt đèn tự động
Hình 3.32 Lưu đồ giải thuật hệ thống Bật/Tắt đèn tự động
(Nguồn: Phần mềm của sinh viên)
3.2.2.3 Lưu đồ giải thuật hệ thống Đóng/Mở cổng tự động
Hình 3.33 Lưu đồ giải thuật hệ thống đóng mở cổng tự động
(Nguồn: Phần mềm của sinh viên) 3.2.2.4 Lưu đồ giải thuật hệ thống phơi đồ tự động
Hình 3.34 Lưu đồ giải thuật hệ thống phơi đồ tự động
(Nguồn: Phần mềm của sinh viên)
3.2.2.5 Lưu đồ giải thuật hệ thống giám sát báo rò rỉ khí gas
Hình 3.35 Lưu đồ giải thuật hệ thống Cảnh báo rò rỉ khí gas
(Nguồn: Phần mềm của sinh viên) 3.2.2.6 Lưu đồ giải thuật hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm
Hình 3.36 Lưu đồ giải thuật hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm
(Nguồn: Phần mềm của sinh viên)
3.2.2.7 Lưu đồ giải thuật hệ thống Bật/Tắt tự động đèn sân vườn
Hình 3.37 Lưu đồ giải thuật hệ thống Bật/Tắt tự động đèn sân vườn
(Nguồn: Phần mềm của sinh viên) 3.2.2.8 Lưu đồ giải thuật hệ thống báo trộm
Hình 3.38.Lưu đồ giải thuật hệ thống báo trộm (Nguồn: Phần mềm của sinh viên)
Nguyên lý hoạt động
Sau khi cấp nguồn và code cho chip xử lý ESP32 mô hình sẽ hoạt động:
Hệ thống sử dụng công nghệ RFID để kiểm soát ra vào cổng bằng cách quét thẻ từ Khi thẻ từ được quét, nếu ID của thẻ đúng với ID đã cài đặt, còi báo hiệu sẽ kêu và servo sẽ mở cổng tự động, sau 5 giây cổng sẽ đóng lại Ngược lại, nếu ID không khớp với dữ liệu đã định, còi báo hiệu sẽ phát ra âm thanh cảnh báo và cổng sẽ không mở, đảm bảo an ninh và kiểm soát truy cập hiệu quả.
Dùng cảm biến ánh sáng BHT1750 Khi trời tối giá trị lux