Mô hình nhà thông minh

Nhà thông minh hay smart home, home automation là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có tác dụng tự động hóa hoàn toàn hoặc bán tự động, thay thế con người trong thực hiện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN : TS Ngô Hà Quang Thịnh

Sinh viên thực hiện: MSSV: Lớp:

Phan Duy Long 1811030052 18DCTB1 Phan Ngân Vạn 1811032782

18DCTB1

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

ABSTRACT iv

MỤC LỤC v

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH ix

DANH MỤC BẢNG x

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH 3

1.1 Tổng quan về nhà thông minh 3

1.2 Các mô hình nhà thông minh đang được áp dụng hiện nay 6

1.2.1 Các giải pháp nhà thông minh trên thế giới 6

1.2.2 Các giải pháp nhà thông minh ở Việt Nam 7

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ TỔNG QUAN MẠCH NGUỒN VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH 11

2.1 Sơ đồ kết cấu ngôi nhà và hệ thống điều khiển nhà thông minh 11

2.1.1 Sơ đồ kết cấu 11

2.2 Các thành phần của hệ thống 11

2.2.1 Khối cảm biến: 11

2.2.2 Khối xử lý: 12

2.2.3 Khối chấp hành: 12

2.2.4 Chức năng 12

2.3 Sơ đồ mạch nguồn 13

2.3.1 Sơ đồ khối mạch nguồn 13

2.3.2 Schematic mạch nguồn 14

2.3.3 Sơ đồ PCB mạch nguồn 15

2.4 Các linh kiện có trong mạch nguồn 16

2.5 Giới thiệu Arduino, Module Esp và ứng dụng Blynk 18

2.5.1 Giới thiệu chung về Arduino 18

2.6 Module thu phát Wifi Esp8266 Node MCU 20

2.6.1 Cấu trúc chung 20

2.6.2 Khối nguồn 21

2.6.3 Bộ nhớ 21

2.6.4 Sơ đồ chân 21

2.6.5 Tính năng kỹ thuật 24

2.7 Ứng dụng Blynk 25

2.7.1 Giới thiệu ứng dụng Blynk 25

2.7.2 Đặc tính của ứng dụng Blynk 26

2.7.3 Cách hoạt động của Blynk 26

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT, CẢNH BÁO, ĐIỀU KHIỂN CHO NGÔI NHÀ THÔNG MINH 28

3.1 Tổng quan về cảm biến, giám sát được sử dụng trong hệ thống giám sát, cảnh báo 28

3.1.1 Cảm biến khí gas MQ2 28

3.1.2 Thông số kỹ thuật: 28

3.1.3 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lí hoạt động của cảm biến MQ2 29

3.1.4 Ứng dụng của cảm biến MQ2 30

3.2 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 31

3.2.1 Thông số kĩ thuật: 31

3.2.2 Nguyên tắc hoạt động của DHT11 32

3.2.3 Ứng dụng của cảm biến DHT11 33

3.3 Màn hình LCD 1602 33

3.3.1 Thông số kĩ thuật: 33

3.3.2 Sơ đồ chân của LCD 1602 34

3.3.3 Chức năng của từng chân LCD 1602: 34

3.5 Nguyên lý hoạt động các hệ thống giám sát 36

3.5.1 Lưu đồ thuật toán 36

3.6 Hệ thống báo cháy hoạt động dựa trên cảm biến nhiệt độ DHT11 36

3.6.1 Nguyên lí hoạt động 36

3.7 Hệ thống báo rò rỉ khí gas 38

3.7.1 Nguyên lí hoạt động: 38

CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH QUA MẠNG INTERNET 39

4.1 Mạng internet (Ethernet) 39

4.1.1 Tìm hiểu về internet 39

4.1.2 Địa chỉ IP 40

4.2 Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển qua internet 41

4.2.1 Thành phần hệ thống giám sát và điều khiển: 41

4.2.2 Yêu cầu hệ thống giám sát: 42

4.3 Nguyên lý điều khiển truyền nhận dữ liệu : 42

4.3.1 Chuẩn giao tiếp RS232: 42

4.4 Nguyên lý điều khiển - truyền, nhận dữ liệu : 45

4.5 Phân tích nguyên lý trong điều khiển một cơ cấu cụ thể : 45

4.5.1 Phần cứng: 45

4.5.2 Nhiệm vụ: 46

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 47

5.1 Mô hình thực tế 47

5.2 Giao diện giám sát và điều khiển 48

5.3 Kết quả điều khiển một số thiết bị 50

5.3.1 Giám sát nhiệt độ phòng khách và phòng ngủ 50

5.3.2 Giám sát khí gas và mở cửa tự động 52

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 53

6.1 Kết quả đạt được của đồ án 53

6.2 Hướng phát triển cho hệ thống 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

PHỤ LỤC PHẦN MỀM 55

PHỤ LỤC BẢN VẼ 61

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Arduino IDE: Arduino Integrated Development Environment-Trình biên soạn code

IOT: Internet of thing-Internet vạn vật

ESP: Espressif- Hệ thống vi điều khiển

CPU: Central Processing Unit- Bộ xử lý trung tâm

PWM: Pulse Width Modulation- Điều chế độ rộng xung

GPIO: General Purpose Input Output- Ngõ giao tiếp vào/ra

ADC: Analog/Digital Conveter- Bộ chuyển đổi Analog sang kỹ thuật số

DAC: Digital Analog Converter- Bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang Analog

SPI: System Peripheral Interface- Chuẩn giao tiếp

RFID: Radio Frequency Identification- Nhận dạng tần số vô tuyến

GND: Ground-điểm trung tính nguồn

MCU: Multipoint Control Unit –thiết bị điều khiển đa điểm

PCB: Printed Circuit Board – Bảng mạch in

SCH: Schematic- sơ đồ nguyên lý

ĐATN: Đồ án tốt nghiệp

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Mô hình nhà thông minh 4

Hình 1 2 Biểu đồ tăng trưởng thị trường Smarthome trên thế giới 5

Hình 1 3 Mô hình Smart home của công ty Samsung 6

Hình 1 4 Mô hình Smart home của KonnectED Home 7

Hình 1 5 Mô hình Smart home của FPT 8

Hình 1 6 Mô hình Smart home của Lumi 8

Hình 1 7 Xu hướng phát triển của smarthome 10

Hình 2 1 Sơ đồ kết cấu ngôi nhà thông minh 11

Hình 2 2 Sơ đồ khối mạch nguồn điều khiển hệ thống điện tử 13

Hình 2 3 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn điều khiển hệ thống điện tử 14

Hình 2 4 Sơ đồ mạch điện hệ thống 2D 15

Hình 2 5 Sơ đồ mạch điện hệ thống 3D 15

Hình 2 6 Hình ảnh về Arduino 18

Hình 2 7 Cấu trúc phần cứng của Esp8266 20

Hình 2 8 Cách hoạt động của ứng dụng Blynk 27

Hình 3 1 Module cảm biến khí gas MQ2 28

Hình 3 2 Cấu tạo module cảm biến khí gas MQ2 29

Hình 3 3 Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 31

Hình 3 4 Nguyên lý hoạt động của cảm biến DHT11 32

Hình 3 5 Màn hình LCD 1602 33

Hình 3 6 Chân của màn hình LCD 1602 34

Hình 3 7 Sơ đồ chân động cơ servo SG90 35

Hình 3 8 Lưu đồ thuật toán các hệ thống giám sát 36

Hình 3 9 Sơ đồ đấu nối hệ thống cảm biến nhiệt độ 37

Hình 3 10 Sơ đồ đấu nối cảm biến khí gas MQ2 38

Hình 4 1 Mạng internet kết nối toàn cầu 39

Hình 4 2 Sơ đồ khối hệ thống giám sát và điều khiển 41

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2 1 Linh kiện mạch nguồn 18

Bảng 4 1 Đặc tính kỹ thuật của chuẩn RS-232 43

LỜI NÓI ĐẦU

Xã hội thế kỷ 21 chứng kiến sự phát triển vượt bậc của công nghệ và đánh dấu

sự mở đầu của những thiết bị thông minh Smart phone, Smart Tivi đều là những thiết

bị ngày càng phổ biến, thông dụng trong đời sống hằng ngày của con người Đúng như tên gọi, những thiết bị này không những có khả năng đáp ứng những yêu cầu cơ bản của con người, mà còn hơn thế, các thiết bị smart ra đời đã thay thế con người trong việc kiểm soát và điều khiển các chức năng khác 1 cách chuyên nghiệp, dễ dàng và hiệu quả

Tiếp nối thành công của những thiết bị thông minh ấy, Smart home ra đời như một sự khởi đầu táo bạo về tư duy làm chủ công nghệ ngay trong cuộc sống của con người Một ngôi nhà thông minh với khả năng thấu hiểu tư duy điều khiển của con người nhanh chóng trở thành đề tài công nghệ có sức hấp dẫn

Nhà thông minh hay smart home, home automation là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có tác dụng tự động hóa hoàn toàn hoặc bán tự động, thay thế con người trong thực hiện một hoặc một số thao tác quản lý, điều khiển Hệ thống điện tử này giáo tiếp với chủ nhân nhà thông qua bẳng điện tử được đặt sẵn trong nhà, phần mềm điện thoại di động, máy tính bảng hoặc một giao diện web

Lúc đầu, ý tưởng được thực hiện nhờ vào tia hồng ngoại để điều khiển từ xa, nhưng khoảng cách là hạn chế Về sau, nhiều nghiên cứu nhằm cải thiện khoảng cách điều khiển mang lại nhiều thành công và có ý nghĩa thực tiễn như điều khiển thông qua đường dây điện thoại, tuy nhiên đây vẫn chưa phải biện pháp tối ưu Khi công nghệ wireless phát triển, người ta lại nghĩ đến điều khiển qua mạng không dây, điều khiển từ

xa dùng máy tính ra đời Đồ án này trình bày một giải pháp điều khiển và giám sát ngôi nhà một cách thông minh thông qua Internet Giải pháp này được đưa ra rất khả khi với

cơ chế hoạt động chính xác và mang tính ổn định để tạo bước phát triển một hệ thống thông minh ứng dụng vào thực tế Dữ liệu và các thông số thiết bị của nhà thông minh được truyền lên website và phần mềm giao diện giúp đảm bảo cơ chế an ninh, an toàn

và tự động

Đề tài là một sản phẩm có tính thực tế cao dựa trên nhu cầu công nghệ hiện nay, được nghiên cứu, chế tạo dựa trên những kiến thức chúng em đã học, kế thừa và phát huy những kết quả của các công trình nghiên cứu trước đây

Em xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện, giúp đỡ cho bản thân em hoàn thành được đồ án tốt nghiệp này, đặc biệt là nhóm Smart Home

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Cơ Điện Tử đã tận tình chỉ bảo để nhóm em có thể hoàn thành đề tài nghiên cứu này Bên cạnh đó là sự hướng dẫn, góp ý của giáo viên hướng dẫn và sự giúp đỡ của giáo viên phản biện

Do thời gian và kiến thức còn nhiều hạn chế, đề tài của em sẽ không tránh khỏi những sai sót, em mong thầy cô góp ý, chỉnh sửa để có thể hoàn thiện hơn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH

1.1 Tổng quan về nhà thông minh

1.1.1 Bối cảnh và nhu cầu sử dụng nhà thông minh

Ngày nay, khi đời sống ngày càng được nâng cao, những nhu cầu của con người đòi hỏi những sự tiện nghi và hỗ trợ tốt nhất Cùng với đó là sự mở rộng không ngừng của mạng lưới internet trên khắp các vùng quốc gia và lãnh thổ làm cho việc giám sát và điều khiển hệ thống qua mạng internet trở thành tất yếu Từ những yêu cầu và điều kiện thực tế đó , ý tưởng về ngôi nhà thông minh được hình thành, nơi mà mọi hoạt động của con người đều được hỗ trợ và giúp đỡ một cách linh hoạt, ngoài ra ngôi nhà còn có thể

tự động quản lí một cách thông minh nhất

Vậy, như thế nào là nhà thông minh ?

Sự thông minh của một ngôi nhà được thể hiện trên 4 phương diện như sau:

1 Thứ nhất, là khả năng tự động hóa Căn nhà được trang bị hệ thống các cảm biến như: cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến khí gas, cảm biến báo cháy, cảm biến vật cản, cảm biến ánh sáng… với khả năng tự động hoạt động theo điều kiện môi trường Nhà thông minh giúp chúng ta giám sát được mức tiêu thụ điện, nước tốt hơn

so với thông thường

2 Thứ hai, là khả năng thỏa mãn nhu cầu của người sử dụng Chủ nhân ngôi nhà có thể điều khiển theo ý muốn hoặc theo những kịch bản được lập trình sẵn

3 Thứ ba, là khả năng bảo mật, giám sát an ninh Hệ thống giám sát an ninh, báo cháy, báo rò rỉ khí gas sẽ tự động báo trạng thái của ngôi nhà qua mạng internet

4 Thứ tư, là khả năng điều khiển, cảnh báo từ xa thông qua kết nối internet thông qua wifi,3g… Các thiết bị như: bóng đèn, điều hòa, ti vi, tủ lạnh,… cũng đều được kết nối tới mạng internet Người sử dụng chỉ cần có một thiết bị kết nối internet là có thể theo dõi dữ liệu từ các cảm biến và điều khiển các thiết bị trong nhà theo ý muốn của bản thân

Hình 1 1 Mô hình nhà thông minh

(Nguồn: Internet)

Hiện nay, nhà thông minh đã và đang là một thị trường tiềm năng với thị trường toàn cầu lên đến con số tỉ đô Không những vậy, chỉ riêng thị trường Việt Nam, theo các con

số thống kê, hoàn toàn là có cơ sở để nhận định rằng đây chính là tương lai của một ngôi nhà mà chúng ta cần phải có

Hình 1 2 Biểu đồ tăng trưởng thị trường Smarthome trên thế giới

(Nguồn: Internet)

1.2 Các mô hình nhà thông minh đang được áp dụng hiện nay

1.2.1 Các giải pháp nhà thông minh trên thế giới

Hiện nay là thị trường Smarthome lớn nhất thế giới là Bắc Mỹ Với quy mô cũng như tính tiện nghi dành cho một ngôi nhà với 4 người, sẽ có thiết kế cơ bản với khả năng như: Cảnh báo đột nhập, cảnh báo khí gas, hệ thống cửa tự động, hệ thống camera an ninh, hệ thống giải trí…

Dưới đây là ví dụ về một ngôi nhà thông minh với tiêu chuẩn từ cơ bản đến cao cấp dành cho một gia đình:

Hình 1 3 Mô hình Smart home của công ty Samsung

(Nguồn: Internet)

Hình 1 4 Mô hình Smart home của KonnectED Home

(Nguồn: Internet)

1.2.2 Các giải pháp nhà thông minh ở Việt Nam

Tại Việt Nam, không đứng ngoài dòng chảy công nghệ về nhà thông minh, đã có rất nhiều nhà sản xuất cũ và mới tham gia thị trường đầy tiềm năng này, dẫn đầu là BKAV và Lumi Smarthome Với đầy đủ các chức năng như các nhà sản xuất nước ngoài, lại thêm yếu tố phù hợp với riêng thị trường Việt Nam, hiện nay họ đang có một lợi thế không nhỏ

so với các nhà sản xuất nước ngoài tại Việt Nam

Hình 1 5 Mô hình Smart home của FPT

(Nguồn: Internet)

1.3 Lựa chọn hướng thiết kế

Nhà thông minh là một đề tài rộng và có nhiều vấn đề đặt ra Tùy theo mục đích sử dụng của chủ nhân để thiết kế, một phần quan trọng trong hệ thống nhà thông minh là

hệ thống điều khiển và giám sát

Trước đây, nhà thông minh chỉ hoàn toàn nằm trong trí tưởng tượng cũng như trên phim ảnh Nhờ sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, các giải pháp nhà thông minh ngày càng phong phú và thuận tiện hơn cho người sử dụng

Từ ban đầu, nhà thông minh chỉ có các thiết bị điều khiển từ xa ở trong phạm vi ngôi nhà phục vụ cho một số nhu cầu của con người Tiếp theo là sự tự động hóa các thiết bị trong ngôi nhà với khả năng tự động điều chỉnh theo môi trường cũng như người sử dụng

Sau đó, với sự phát triển và lan rộng của mạng internet, người ta đưa ra giải pháp kết nối và điều khiển các thiết bị trong nhà thông qua mạng internet và thêm vào các tiện ích như hệ thống đảm bảo an toàn, tính toán năng lượng sử dụng,… giúp chủ nhân có thể điều khiển thiết bị ở khoảng cách xa chứ không bó hẹp trong khuôn viên ngôi nhà nữa

Khả năng bảo mật an ninh cũng được đặt lên hàng đầu, vì đi cùng với kết nối internet

là khả năng bị hack vào hệ thống nhằm chiếm quyền điều khiển cũng vì thế mà gia tăng Chủ nhân có thể sử dụng mật khẩu riêng để đăng nhập vào hệ thống cũng như ngôi nhà qua các hình thức như Passcode, bảo mật vân tay, bảo mật mống mắt… Đi kèm đó là khả năng cảnh báo đột nhập giúp gia chủ có thể phát hiện ra tại bất kì nơi đâu với kết nối Wifi/GPRS

Và gần đây, xu thế điều khiển thiết bị bằng giọng nói cũng được thêm vào giải pháp xây dựng nhà thông minh, giúp cho việc sử dụng trở nên dễ dàng hơn mọi người trong nhà Trong tương lai, nhờ các thiết bị công nghệ mới kết hợp trí tuệ nhân tạo, ngôi nhà

có thể phân biệt giọng nói từng thành viên và ghi nhớ thói quen của mỗi người trong gia đình

Hình 1 7 Xu hướng phát triển của smarthome

(Nguồn: Internet)

Hiện nay, ở Việt Nam, giải pháp xây dựng nhà thông minh với hệ thống điều khiển

và giám sát thông qua internet vẫn phổ biến và phát triển hơn cả vì nó phù hợp với khả năng công nghệ và điều kiện kinh tế hiện có

Nhóm em cảm thấy đề tài này là phù hợp với chuyên ngành Cơ Điện Tử cũng như dòng chảy công nghệ cao, vậy nên ở đề tài này, nhóm em xin chọn thiết kế ngôi nhà thông minh theo giải pháp sử dụng hệ thống điều khiển và giám sát các thiết bị trong ngôi nhà thông qua mạng internet, mà cụ thể là mạng wifi trên một mô hình nhà thông minh với các chức năng cơ bản như: cửa đóng/mở tự động, giám sát và cảnh báo khí gas

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ TỔNG QUAN MẠCH NGUỒN VÀ

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH

2.1 Sơ đồ kết cấu ngôi nhà và hệ thống điều khiển nhà thông minh

2.1.1

Từ một ngôi nhà thông thường, chúng em lựa chọn thiết kế ra một mô hình cơ bản dành

cho 1 gia đình với 4 người ở, với thiết kế gồm:

 Cảm biến độ ẩm: tín hiệu đầu ra là tín hiệu số

 Cảm biến khí gas: tín hiệu đầu ra là tín hiệu số

2.2.2 Khối xử lý:

 Esp 8266

 Ứng dụng Blynk 2.2.3 Khối chấp hành:

 Mở cửa tự động

 Hệ thống thông báo nhiệt độ, độ ẩm

 Hệ thống báo cháy và rò rỉ khí Gas tự động

 Hệ thống điều khiển từ xa qua giao diện Web

2.3 Sơ đồ mạch nguồn

2.3.1 Sơ đồ khối mạch nguồn

Hình 2 2 Sơ đồ khối mạch nguồn điều khiển hệ thống điện tử

(Nguồn: Chụp từ sản phẩm ĐATN của nhóm)

2.3.2 Schematic mạch nguồn

Hình 2 3 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn điều khiển hệ thống điện tử

(Nguồn: Chụp từ sản phẩm ĐATN của nhóm)

2.3.3 Sơ đồ PCB mạch nguồn

Hình 2 4 Sơ đồ mạch điện hệ thống 2D

(Nguồn: Chụp từ sản phẩm ĐATN của nhóm)

Hình 2 5 Sơ đồ mạch điện hệ thống 3D (Nguồn: Chụp từ sản phẩm ĐATN của nhóm)

2.4 Các linh kiện có trong mạch nguồn

Bảng 2 1 Linh kiện mạch nguồn

2.5 Giới thiệu Arduino, Module Esp và ứng dụng Blynk 2.5.1 Giới thiệu chung về Arduino

Arduino 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) Tuy nhiên tại Việt Nam Arduino vẫn còn chưa được biết đến nhiều

Tụ hóa 1000uF 16v

Arduino cơ bản là một nền tảng tạo mẫu mở về điện tử (open-source electronics prototyping platform) được tạo thành từ phần cứng lẫn phần mềm Về mặt kĩ thuật có thể coi Arduino là 1 bộ điều khiển logic có thể lập trình được Đơn giản hơn, arduino là một thiết bị có thể tương tác với ngoại cảnh thông qua các cảm biến và hành vi được lập trình sẵn Với thiết bị này, việc lắp ráp và điều khiển các thiết bị điện tử sẽ dễ dàng hơn bao giờ hết Một điều không hề dễ dàng cho những ai đam mê công nghệ và điều khiển học nhưng là người ngoại đạo và không có nhiều thời gian để tìm hiểu sâu hơn về về kĩ thuật lập trình và cơ điện tử

Hiện tại có rất nhiều loại vi điều khiển và đa số được lập trình bằng ngôn ngữ C/C++ hoặc Assembly nên rất khó khăn cho những người có ít kiến thức sâu về điện tử và lập trình Nó là trở ngại cho mọi người muốn tạo riêng cho mình một món đồ mang tính công nghệ Do vậy đó là lí do arduino được phát triển nhằm đơn giản hóa việc thiết kế, lắp ráp linh kiện điện tử cũng như lập trình trên vi xử lí và mọi người có thể tiếp cận dễ dàng hơn với thiết bị điện tử mà không cần nhiều về kiến thức điện tử và thời gian Sau đây là những thế mạnh của arduino so với các nền tảng vi điều khiển khác:

 Chạy trên đa nền tảng: Việc lập trình Arduino có thể thể thực hiện trên các hệ điều hành khác nhau như Windows, Mac Os, Linux trên Desktop, Android trên

di động

 Ngôn ngữ lập trình đơn giản dễ hiểu

 Nền tảng mở: Arduino được phát triển dựa trên nguồn mở nên phần mềm chạy trên Arduino được chia sẻ dễ dàng và tích hợp vào các nền tảng khác nhau

 Mở rộng phần cứng: Arduino được thiết kế và sử dụng theo dạng module nên việc mở rộng phần cứng cũng dễ dàng hơn

 Đơn giản và nhanh: Rất dễ dàng lắp ráp, lập trình và sử dụng thiết bị

 Dễ dàng chia sẻ: Mọi người dễ dàng chia sẻ mã nguồn với nhau mà không lo lắng

về ngôn ngữ hay hệ điều hành mình đang sử dụng

Arduino được chọn làm bộ não xử lý của rất nhiều thiết bị từ đơn giản đến phức tạp Trong số đó có một vài ứng dụng thực sự chứng tỏ khả năng vượt trội của Arduino do chúng có khả năng thực hiện nhiều nhiệm vụ rất phức tạp Sau đây là danh zkusách một

số ứng dụng nổi bật của Arduino như trong công nghệ in 3D, nhà thông minh, robot dò đường theo hướng có nguồn nhiệt, tạo một thiết bị nhấp nháy theo âm thanh và đèn laser hay là một thiết bị báo cho khách hàng biết khi nào bánh mì ra lò

2.6 Module thu phát Wifi Esp8266 Node MCU

ESP8266, hay gọi đầy đủ là ESP8266EX là một vi mạch Wi-Fi giá rẻ, có hỗ trợ bộ giao thức TCP/IP và có thể tích hợp vào thành phần của vi điều khiển, được sản xuất bởi hãng Espressif Systems ở Thượng Hải, Trung Quốc

2.6.1 Cấu trúc chung

Hình 2 7 Cấu trúc phần cứng của Esp8266

(Nguồn: Internet)

với các trang web thực, để điện thoại thông minh của bạn kết nối với nó, Khả năng là

vô tận! Không có gì lạ khi con chip này đã trở thành thiết bị IoT phổ biến nhất hiện có

2.6.2 Khối nguồn

Arduino có thể được hỗ trợ thông qua kết nối micro USB hoặc với một nguồn cung cấp điện bên ngoài thông qua chân Vin Hệ thống vi điều khiển có thể hoạt động bằng một nguồn cung cấp bên ngoài từ 5V đến 20V Tuy nhiên, nếu cung cấp với ít hơn 5V

và hệ thống vi điều khiển có thể không ổn định Nếu cấp nhiều hơn 12V, bộ điều chỉnh điện áp có thể quá nóng và gây nguy hiểm cho bo mạch Phạm vi khuyến nghị là 5V đến 12V

Chân Vin: Điện áp đầu vào Arduino khi chúng ta dùng nguồn điện bên ngoài (khác với nguồn 5V lấy từ USB hoặc nguồn thông qua jack cắm nguồn riêng) Chúng ta có thể cung cấp nguồn thông qua chân này

Chân 3,3V: Cung cấp nguồn cho các thiết bị cảm biến

Chân GND: Chân nối đất

2.6.3 Bộ nhớ

32 KiB instruction, 80 KiB user data

2.6.4 Sơ đồ chân

GPIO được kết nối với Chip Flash

GPIO6 đến GPIO11 thường được kết nối với chip flash trong bo mạch ESP8266 Vì vậy, những chân này không được khuyến khích sử dụng

Chân được sử dụng trong khi khởi động

ESP8266 có thể bị ngăn không cho khởi động nếu một số chân được kéo MỨC THẤP hoặc MỨC CAO Danh sách sau đây cho thấy trạng thái của các chân khi khởi động: GPIO16: chân ở mức cao khi khởi động

GPIO0: lỗi khởi động nếu kéo mức thấp

GPIO2: chân ở mức cao khi khởi động, không khởi động được nếu kéo mức thấp

GPIO15: lỗi khởi động nếu kéo mức cao

GPIO3: chân ở mức cao khi khởi động

GPIO1: chân ở mức cao khi khởi động, không khởi động được nếu kéo mức thấp

GPIO10: chân ở mức cao khi khởi động

GPIO9: chân ở mức cao khi khởi động

Chân mức cao khi khởi động

Có một số chân xuất ra tín hiệu 3.3V khi ESP8266 khởi động Điều này sẽ là vấn đề cần phải quan tâm nếu bạn có relay hoặc thiết bị ngoại vi khác được kết nối với các GPIO đó Các GPIO sau xuất tín hiệu mức cao khi khởi động:

Ngoài ra, các GPIO khác, ngoại trừ GPIO5 và GPIO4, có thể xuất ra tín hiệu điện

áp thấp khi khởi động, có thể có vấn đề nếu chúng được kết nối với transistor hoặc relay Đầu vào analog

ESP8266 chỉ hỗ trợ đọc analog trong một GPIO GPIO đó được gọi là ADC0 và nó thường được đánh dấu trên màn lụa là A0

Điện áp đầu vào tối đa của chân ADC0 là 0 đến 1V nếu bạn đang sử dụng chip trần ESP8266 Nếu bạn đang sử dụng bo phát triển như bộ ESP8266 12-E NodeMCU, thì dải điện áp đầu vào là 0 đến 3,3V vì bo này có bộ chia điện áp bên trong

Đèn LED trên bo mạch

Khi chân RST được kéo THẤP, ESP8266 sẽ reset Thao tác này cũng giống như nhấn nút reset trên bo mạch

có kích thước flash ngoại là 16MB.[9] Nếu chương trình sử dụng kích thước lớn hơn kích thước mặc định thì bộ flash ngoại với kích thước lớn hơn phải được sử dụng tuy nhiên kích thước flash ngoại tối đa về mặt lý thuyết cho phép là 16 MB.[8][9] Kích thước

bộ nhớ flash nhỏ nhất có thể là 512 kB (tắt chế độ OTA) hoặc 1 MB (bật chế độ OTA).[8][9]

IEEE 802.11 b/g/n Wi-Fi:

Tích hợp TR switch, balun, LNA, bộ khuếch đại công suất và mạng kết hợp

Xác thực WEP hoặc WPA/WPA2 hoặc mạng mở không có password

17 chân GPIO: Các chân có thể được dồn kênh cho các chức năng I²C, I2S, UART, PWM, IR - điều khiển từ xa, [2]

2 hardware timer 23 bit: FRC1 và FRC2.[13]

3 SPI: general Slave/Master SPI, Slave SDIO/SPI và general Slave/Master HSPI.[2] I²C: Hỗ trợ 1 I²C hoạt động được ở cả chế độ master và slave Vì các GPIO đều có thể được cấu hình ở chế độ cực máng hở nên các GPIO đều có thể được cấu hình cho

Giao diện I²S với DMA (sử dụng chung chân với GPIO)

UART: Hỗ trợ 2 UART là UART0 và UART1 UART0 sử dụng GPIO3 (RX) và GPIO1 (TX) UART1 sử dụng GPIO2 (TX) và GPIO8 (TX) Tuy nhiên GPIO8 được dùng để kết nối bộ nhớ flash của chip nên UART1 chỉ sử dụng được GPIO2 để truyền

dữ liệu.[16]

ADC 10 bit[17][18]

2.7 Ứng dụng Blynk

2.7.1 Giới thiệu ứng dụng Blynk

Blynk là một nền tảng với các ứng dụng điện thoại thông minh cho phép bạn có thể

dễ dàng tương tác với bộ vi điều khiển như: Arduino, Esp8266, Esp32 hoặc Raspberry qua Internet Blynk App là một bảng điều khiển kỹ thuật số cho phép bạn có thể xây dựng giao diện đồ họa cho dự án của mình bằng cách kéo và thả các widget khác nhau

mà nhà cung cấp thiết kế sẵn Blynk không bị ràng buộc với một số bo hoặc shield cụ thể Thay vào đó, nó hỗ trợ phần cứng mà bạn lựa chọn Cho dù Arduino hoặc Raspberry

Pi của bạn được liên kết với Internet qua Wi-Fi, Ethernet hoặc chip ESP8266, Blynk sẽ giúp bạn kết nối và sẵn sàng cho các dự án IoT Blynk Server – chịu trách nhiệm về tất

cả các giao tiếp giữa điện thoại thông minh và phần cứng Bạn có thể sử dụng Blynk Cloud hoặc chạy cục bộ máy chủ Blynk riêng của mình Nó là mã nguồn mở, có thể dễ dàng xử lý hàng nghìn thiết bị và thậm chí có thể được khởi chạy trên Raspberry Pi Thư viện Blynk – dành cho tất cả các nền tảng phần cứng phổ biến – cho phép giao tiếp với máy chủ và xử lý tất cả các lệnh đến và lệnh đi Mỗi khi bạn nhấn một nút trong ứng dụng Blynk, thông điệp sẽ truyền đến không gian của đám mây Blynk, và tìm đường đến phần cứng của bạn Mọi thứ bạn cần để xây dựng và quản lý phần cứng được kết nối: cung cấp thiết bị, hiển thị dữ liệu cảm biến, điều khiển từ xa với các ứng dụng web và di động, cập nhật chương trình cơ sở qua mạng, bảo mật, phân tích dữ liệu, quản lý người dùng và truy cập, cảnh báo, tự động hóa và nhiều thứ khác hơn…

Thao tác ghim trực tiếp mà không cần viết mã

Dễ dàng tích hợp và thêm chức năng mới bằng cách sử dụng ghim ảo

Theo dõi dữ liệu lịch sử qua tiện ích SuperChart

Giao tiếp giữa thiết bị với thiết bị sử dụng Bridge Widget

Gửi email, tweet, push notification…

2.7.3 Cách hoạt động của Blynk

Triển khai một hệ thống nhà thông minh, điều khiển giám sát từ xa,… giới hạn duy nhất là khả năng cũng như sự sáng tạo của bạn mà thôi

Các widget như: nút nhấn, hiển thị giá trị, thanh kéo giá trị, vẽ sơ đồ,… cho phép điều khiển GPIO của arduino, từ đó bật tắt relay, điều khiển thiết bị trong nhà

Đặc biệt hơn bạn có thể chia sẽ bảng điều khiển cho người dùng khác (cha mẹ, con cái, … ) để sử dụng chung 1 hệ thống

Thiết bị arduino chịu trách nhiệm điều khiển các thiết bị trong nhà thông qua relay lắp trực tiếp vào các GPIO của arduino, hoặc bất kì kiểu giao tiếp nào khác nếu bạn đủ khả năng (RF, Uart) Thiết bị này yêu cầu phải kết nối mạng (ESP8266, ESP32, …) App Blynk từ điện thoại thông qua đám mây sẽ gửi tín hiệu đến board và ngược lại, các board arduino được đánh dấu bằng 1 token - chữ kí số, tạo ra trong quá trình setup ứng dụng

Hình 2 8 Cách hoạt động của ứng dụng Blynk

(Nguồn: Internet)

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT, CẢNH BÁO, ĐIỀU KHIỂN CHO NGÔI NHÀ THÔNG MINH

3.1 Tổng quan về cảm biến, giám sát được sử dụng trong hệ thống giám sát,

 Kết nối 4 chân với 2 chân cấp nguồn (VCC và GND) và 2 chân tín hiệu ngõ ra

 Hổ trợ cả 2 dạng tín hiệu ra Analog và TTL Ngõ ra Analog 0 – 4.5V tỷ lệ thuận với

nồng độ khí gas, ngõ TTL tích cực mức thấp

MQ2 là cảm biến khí, dùng để phát hiện các khí có thể gây cháy Nó được cấu tạo từ chất bán dẫn SnO2 Chất này có độ nhạy cảm thấp với không khí sạch Nhưng khi trong

khí gây cháy khác Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng do mạch đơn giản và chi phí thấp

MQ2 hoạt động rất tốt trong môi trường khí hóa lỏng LPG, H2, và các chất khí gây cháy khác Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng do mạch đơn giản

và chi phí thấp.

3.1.3 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lí hoạt động của cảm biến MQ2

Hình 3 2 Cấu tạo module cảm biến khí gas MQ2

(Nguồn: Internet)

MQ2 là cảm biến khí, dùng để phát hiện các khí có thể gây cháy Nó được cấu tạo

từ chất bán dẫn SnO2 Chất này có độ nhạy cảm thấp với không khí sạch Nhưng khi trong môi trường có chất gây cháy, độ dẫn của nó thay đổi lập tức Chính nhờ đặc điểm này người ta thêm vào mạch đơn giản để biến đổi từ độ nhạy này sang điện áp Khi môi trường sạch điện áp đầu ra của cảm biến thấp, giá trị điện áp đầu ra càng tăng khi nồng

độ khí gây cháy xung quang MQ2 càng cao

Khi phát hiện khí gas bị rò rỉ module sẽ xuất tín hiệu ở hai dạng DOUT_dạng số (digital) và AOUT_dạng tương tự (analog) Người sử dụng có thể tùy vào mục đích sử dụng để lựa chọn tín hiệu phù hợp

Trong mạch có 2 chân đầu ra là Aout và Dout Trong đó:

 Aout: điện áp ra tương tự Nó chạy từ 0.3 đến 4.5V, phụ thuộc vào nồng độ khí xung quang MQ2

 Dout: điện áp ra số, giá trị 0 hay 1 phụ thuộc vào điện áp tham chiếu và nồng

độ khí mà MQ2 đo được

Việc có chân ra số Dout rất tiện cho ta mắc các ứng dụng đơn giản, không cần đến

vi điều khiển Khi đó ta chỉ cần chỉnh giá trị biến trở tới giá trị nồng độ ta muốn cảnh báo Khi nồng độ MQ2 đo được thấp hơn mức cho phép thì Dout = 1, còi sẽ giữ nguyên trạng thái chờ Khi nồng độ khí gây cháy đo được lớn hơn nồng độ cho phép thì Dout

=0, còi sẽ kêu

Ta có thể ghép nối vào mạch Realy để điều khiển bật tắt đèn, còi, hoặc thiết bị cảnh báo khác

Một điều khó khăn khi làm việc với MQ2 là chúng ta khó có thể quy từ điện

áp Aout về giá trị nồng độ ppm Rồi từ đó hiển thị và cảnh báo theo ppm Do giá trị điện

áp trả về từng loại khí khác nhau, lại bị ảnh hưởng nhiệt độ, độ ẩm nữa

Trong thiết bị của mình, có thể xác định điểm cảnh báo một cách thủ công:

 Đầu tiên 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 rồi tương ứng với nồng độ khí bắt đầu nguy hiểm, ta ghi lại giá trị Vout2 Ta chọn giá trị Vout2 là giá trị ngưỡng cảnh báo Nếu giá trị đo được lớn hơn ta sẽ cảnh báo

 Chỉnh chân biến trở để điện áp đo tại chân 3 của L358 = Vout2

3.1.4 Ứng dụng của cảm biến MQ2

Cảm biến khí gas có ứng dụng rất lớn trong đời sống: