ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH

TÓM TẮT NỘI DUNG Đề tài được nhóm chúng em lựa chọn để báo cáo là: “Xây dựng hệ thống nhà thông minh”. Đề tài được chúng em xây dựng thực hiện theo quy trình thiết kế được thể hiện tại phía dưới: 1. Lựa chọn đề tài 2. Xây dựng ý tưởng Mô tả sản phẩm 3. Thiết kế sơ đồ khối 4. Lập kế hoạch thực hiện 5. Xây dựng Lựa chọn các phương án tối ưu 6. Chế tạo mạch 7. Kiểm thử, tinh chỉnh sản phẩm   1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1. Đặt vấn đề Với sự phát triển vượt bậc của Công nghệKhoa học – Kỹ thuật tại thời gian hiện tại, chúng ta có thể thấy ngày càng nhiều những sản phẩm, đồ vật trong căn nhà ngày càng trở nên hiện đại hơn, thông minh hơn. Sự phát triển này giúp cho các thiết bị thông minh – đặc biệt nhất là các bộ vi xử lý các bảng mạch hỗ trợ ngày càng có kích thước nhỏ gọn hơn, mang nhiều chức năng hơn mà vẫn tối ưu, bảo được công năng sử dụng. Đơn cử, ta có thể thấy những sản phẩm như chiếc cửa, cái bóng đèn, … trước vốn rất đơn giản không có khả năng hoạt động một cách tự động, nay lại có thể được tích hợp các công nghệ điều khiển tân tiến trên thế giới, hoạt động một cách có lịch trình, thông minh, giúp cho cuộc sống của chúng ta ngày một tiện nghi hơn. Trên tinh thần như vậy, nhóm chúng em nhận thấy các sản phẩm trong các căn hộ chúng ta sinh sống có thể được áp dụng hình thức điều khiển thông minh thông qua các thiết bị nhúng. Việc có thể tự động hóa, điều khiển các sản phẩm trên có thể giúp cho việc sinh hoạt của chúng ta được tiện nghi hơn. Đơn cử, ứng dụng này có thể áp dụng cho các nhà vườn, các nhà kính sử dụng để nuôi trồng hoa quả, thực vật, vốn sẽ cần một điều kiện về ánh sáng một cách nghiêm ngặt để các sản vật được phát triển một cách tốt nhất. Nhận thấy các phân tích trên đều xuất phát từ những vấn đề, câu chuyện rất thực tiễn, cùng với tính ứng dụng cao, nhóm đánh giá đề tài “Xây dựng hệ thống nhà thông minh” là một đề tài đáng để nghiên cứu, và đã lựa chọn đề tài để đi tới bước tiếp theo – Xây dựng ý tưởng Mô tả sản phẩm.

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG

ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH

Giảng viên hướng dẫn: TS Ngô Vũ Đức

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG

ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH

Giảng viên hướng dẫn: TS Ngô Vũ Đức

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

DANH MỤC HÌNH ẢNH 5

DANH MỤC BẢNG BIỂU 7

LỜI NÓI ĐẦU 8

TÓM TẮT NỘI DUNG 9

1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 10

1.1 Đặt vấn đề 10

1.2 Xây dựng ý tưởng & Mô tả sản phẩm 10

1.2.1 Mục tiêu của sản phẩm 10

1.2.2 Xây dựng yêu cầu chức năng & phi chức năng 11

1.3 Thiết kế sơ đồ khối 13

1.4 Xây dựng kế hoạch thực hiện 14

2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 17

2.1 IOT Platform 17

2.1.1 Giới thiệu về IOT Platform 17

2.1.2 Lựa chọn IoT Platform 19

2.2 Lựa chọn linh kiện 21

2.2.1 Bộ xử lý trung tâm 21

2.2.2 Điều khiển rèm cửa & Điều khiển cửa ra vào 22

2.2.3 Khối hiển thị 24

2.2.4 Các linh kiện khác 24

2.3 Sơ đồ khối chi tiết & nguyên lý hoạt động của linh kiện 25

2.3.1 Sơ đồ khối hoàn chỉnh 25

2.3.2 Đặc điểm các linh kiện sử dụng 27

3 CHẾ TẠO SẢN PHẨM 37

3.1 Xây dựng mô hình phòng sinh hoạt & hệ thống điều khiển vật lý 37

3.1.1 Xây dựng mô hình phòng sinh hoạt 37

3.1.2 Xây dựng hệ thống điều khiển rèm vật lý 39

3.1.3 Hệ thống điều khiển cửa 41

3.2 Chế tạo mạch điều khiển 42

3.2.1 Lưu đồ thực hiện chức năng của hệ thống 43

3.2.2 Thiết lập kết nối giữa ESP32 & server Ubidots 44

3.2.3 Xây dựng chức năng điều khiển rèm 44

3.2.4 Xây dựng chức năng đóng mở cửa 45

3.2.5 Xây dựng chức năng đo nhiệt độ/độ ẩm & hiển thị 46

4 Kiểm thử sản phẩm & kết quả thu được 48

4.1 Tổng quan sản phẩm 48

4.2 Kết quả kiểm nghiệm sản phẩm 50

4.3 Nhận xét về sản phẩm: 51

4.4 Các đề xuất cải tiến sản phẩm 51

KẾT LUẬN 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Sơ đồ khối của hệ thống 12

Hình 2 1 Tiến trình phát triển ứng dụng cùng Ubidots 18

Hình 2 2 Liên két giữa các thực thể của Ubidots 20

Hình 2 3 Sơ đồ khối chi tiết của hệ thống nhà thông minh 25

Hình 2 4 Bảng phát triển ESP32 Node-MCU, hình ảnh thực tế 26

Hình 2 5 Bộ xử lý ESP32-WROOM-32D, sử dụng trên bảng phát triển 27

Hình 2 6 Bảng mạch sử dụng trên bảng phát triển 27

Hình 2 7 Module điều khiển động cơ L298N 30

Hình 2 8 Các chân tín hiệu của module L298N 30

Hình 2 9 Motor giảm tốc 3 – 9VDC (vàng) 32

Hình 2 10 Động cơ servo SG90 33

Hình 2 11 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 33

Hình 2 12 Màn hình LCD 1602 34

Hình 2 13 Sơ đồ chân màn hình LCD 1602 34

Hình 3 1 Mô hình phòng sinh hoạt & rèm cửa 38

Hình 3 2 Mô hình phòng sinh hoạt & rèm cửa, cùng với kích thước 38

Hình 3 3 Mô hình hệ thống thanh giữ rèm & rèm cửa, cùng với kích thước 39

Hình 3 4 Hệ thống điều khiển rèm vật lý 40

Hình 3 5 Bánh răng ròng rọc được cố định vào đầu quay của motor Một đầu rèm được cố định vào dây tờ 40

Hình 3 6 Đầu còn lại của rèm được cố định vào vị trí khóa rèm 40

Hình 3 7 Tạo cửa trên mô hình phòng 41

Hình 3 8 Lắp đặt mô hình cửa với động cơ servo SG90 41

Hình 3 9 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 42

Hình 3 10 Lưu đồ thực hiện chức năng của hệ thống 43

Hình 3 11 Khởi tạo các thông số để kết nối vào server Ubidots 44

Hình 3 12 Kết nối ESP32 vào mạng Internet & server Ubidots 44

Hình 3 13 Hàm điều khiển chuyển động mở/đóng rèm 45

Hình 3 14 Mã điều khiển đóng mở rèm qua thao tác với webpage 45

Hình 3 15 Thiết lập chân điều khiển cho servo & đặt giá trị ban đầu (đóng cửa) .46

Hình 3 16 Nhận tín hiệu điều khiển cửa từ Ubidots và tiến hành đóng mở cửa vật lý 46

Hình 3 17 Quy định loại cảm biến & chân điều khiển (trên ESP32) 46

Hình 3 18 Khởi tạo biến điều khiển cho cảm biến 46

Hình 3 19 Đọc dữ liệu nhiệt độ/độ ẩm từ cảm biến, hiển thị lên LCD & gửi lên server Ubidots 47

Hình 4 1 Mặt trước của mô hình demo 48

Hình 4 2 Mặt trên của mô hình demo, hệ thống điều khiển rèm, cửa & màn hình LCD hiển thị 48

Hình 4 3 Mặt sau của mô hình demo & hệ thống mạch 49

Hình 4 4 Giao diện điều khiển thông qua Ubidots 49

Hình 4 5 Biểu đồ biểu diễn dữ liệu thu thập được từ cảm biến 50

Hình 4 6 Thống kê hoạt động của các chức năng 51

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Yêu cầu chức năng/phi chức năng của hệ thống 13

Bảng 1 2 Bảng phân công nhiệm vụ & theo dõi lịch trình 16

Bảng 2 1 So sánh các bộ xử lý trung tâm 22

Bảng 2 2 So sánh các loại motor 24

Bảng 2 3 Danh sách chi tiết các linh kiện sử dụng 27

Bảng 4 1 Bảng kiểm nghiệm các chức năng 49

LỜI NÓI ĐẦU

Với sự phát triển của công nghệ và khoa học kỹ thuật ngày nay, các sảnphẩm kỹ thuật tiên tiến, công nghệ cao đang ngày càng đóng một vai trò quantrọng và cấp thiết trong cuộc sống của mỗi con người chúng ta Các sản phẩmnày có thể được tìm thấy tại khắp nơi xung quanh môi trường mà chính ta sinhsống, đến với mọi hình dáng, chức năng khác nhau, và ngày càng được tích hợpthêm nhiều tính năng để hỗ trợ chúng ta trong quá trình vận hành Xong, để đảmbảo được khả năng hoạt động của sản phẩm, cùng với các tiêu chí khác như độ

an toàn, khả năng dễ sử dụng, v.v , sản phẩm cần phải trái qua một quá trìnhthiết kế và kiểm thử một cách nghiêm ngặt, chặt chẽ trước khi được sản xuấthàng loạt và thương mại hóa

Một trong những sản phẩm công nghệ quan trọng, đã và đang được pháttriển với tốc độ tên lửa trong vòng 50 năm trở lại đây, chính là các bộ Vi xử lý,

sử dụng trong các thiết bị điện tử thông minh Vi xử lý luôn được ví như bộ nãocủa các thiết bị điện tử, là bộ xử lý chính các chức năng, hoạt động mà chúng tayêu cầu, trong các máy vi tính (PC, Laptop, …), các thiết bị di động thông minh(điện thoại, thiết bị giải trí cầm tay, …), hoặc đặc biệt hơn trong sự phát triểncủa Cách mạng công nghiệp 4.0 – sử dụng trong các thiết bị nhúng, các hệthống, dây chuyền tự động, điều khiển từ xa

Trong khuôn khổ của môn học “Hệ thống nhúng và thiết kế giao tiếpnhúng”, nhóm chúng em xin lựa chọn đề tài: “Xây dựng hệ thống nhà thôngminh” làm đề tài nghiên cứu cho đồ án môn học, để đảm bảo việc tiếp nhận &vận dụng các kiến thức đã thu nhận được trong suốt quả trình học tập

Nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy TS Ngô VũĐức, người đã cung cấp cho chúng em những kiến thức quan trọng về môn học

để có thể nghiên cứu & hoàn thành đề tài này

2 Xây dựng ý tưởng & Mô tả sản phẩm

3 Thiết kế sơ đồ khối

4 Lập kế hoạch thực hiện

5 Xây dựng & Lựa chọn các phương án tối ưu

6 Chế tạo mạch

7 Kiểm thử, tinh chỉnh sản phẩm

1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Đặt vấn đề

Với sự phát triển vượt bậc của Công nghệ/Khoa học – Kỹ thuật tại thờigian hiện tại, chúng ta có thể thấy ngày càng nhiều những sản phẩm, đồ vậttrong căn nhà ngày càng trở nên hiện đại hơn, thông minh hơn Sự phát triểnnày giúp cho các thiết bị thông minh – đặc biệt nhất là các bộ vi xử lý & cácbảng mạch hỗ trợ ngày càng có kích thước nhỏ gọn hơn, mang nhiều chứcnăng hơn mà vẫn tối ưu, bảo được công năng sử dụng Đơn cử, ta có thể thấynhững sản phẩm như chiếc cửa, cái bóng đèn, … trước vốn rất đơn giản &không có khả năng hoạt động một cách tự động, nay lại có thể được tích hợpcác công nghệ điều khiển tân tiến trên thế giới, hoạt động một cách có lịchtrình, thông minh, giúp cho cuộc sống của chúng ta ngày một tiện nghi hơn.Trên tinh thần như vậy, nhóm chúng em nhận thấy các sản phẩm trongcác căn hộ chúng ta sinh sống có thể được áp dụng hình thức điều khiểnthông minh thông qua các thiết bị nhúng Việc có thể tự động hóa, điềukhiển các sản phẩm trên có thể giúp cho việc sinh hoạt của chúng ta đượctiện nghi hơn Đơn cử, ứng dụng này có thể áp dụng cho các nhà vườn, cácnhà kính sử dụng để nuôi trồng hoa quả, thực vật, vốn sẽ cần một điều kiện

về ánh sáng một cách nghiêm ngặt để các sản vật được phát triển một cáchtốt nhất

Nhận thấy các phân tích trên đều xuất phát từ những vấn đề, câu chuyện

rất thực tiễn, cùng với tính ứng dụng cao, nhóm đánh giá đề tài “Xây dựng

hệ thống nhà thông minh” là một đề tài đáng để nghiên cứu, và đã lựa

chọn đề tài để đi tới bước tiếp theo – Xây dựng ý tưởng & Mô tả sản phẩm

1.2 Xây dựng ý tưởng & Mô tả sản phẩm

1.2.1 Mục tiêu của sản phẩm

Với bài toán đặt ra là việc điều khiển các thiết bị trong phòng/căn hộ mộtcách tiện nghi và thông minh, nhóm thấy đề tài cần đạt được một số các yêucầu như sau:

- Các chức năng điều khiển thuận lợi hơn – sản phẩm có thể được điềukhiển tử xa thông qua các thiết bị như điện thoại thông minh, máy vitính, …

Sau khi nhận định được các mục tiêu cho đề tài, nhóm lựa chọn các nhómchức năng trong phòng/căn hộ để áp dụng các phương pháp điều khiển, baogồm:

- Điều khiển rèm cửa

- Điều khiển cửa ra vào

- Đo nhiệt độ/độ ẩm trong phòng

- Hiển thị các chức năng hoạt động (màn hình LCD hoặc thông quawebsite), thông báo tới người sử dụng

1.2.2 Xây dựng yêu cầu chức năng & phi chức năng

Dựa vào các mục tiêu đã được đặt ra tại phía trên, nhóm tiến hành xâydựng các yêu cầu chức năng/phi chức năng liên quan tới sản phẩm, được thểhiện tại bảng dưới đây

Yêu cầu chức năng

Điều khiển

rèm cửa Rèm cửa được cơ giới hóa,có khả năng điều khiển từ xa

Điều khiển cửa

ra vào Cửa ra vào được cơ giới hoá, có khả năng điều khiển từ xa

Cho phép người sử dụng truycập thông qua các thiết bịnhư máy vi tính, điện thoại

di động để điều khiển

Đo nhiệt độ/độ

ẩm Thu thập dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm tại môi trường lắp đặt

Hiển thị dữ

liệu

Dữ liệu được hiển thị thôngqua màn hình LCD được lắpđặt cùng hệ thống, hoặcthông qua Webpage quản lýCảnh báo

tới người

dùng

Gửi thông tin cảnh báo tớingười dùng nếu có các điềukiện nhiệt độ/độ ẩm bấtthường diễn ra

Yêu cầu phi chức năng

hệ thống điều khiển để chạythử sản phẩm

Độ an toàn Rất an toàn, không có khảnăng gây hại cho người sử

Độ bền Trung bình Phụ thuộc vào thiết kế vật lýcủa hệ thống

Bảo trì Khả năng người sử dụng tựbảo trì không cao Không cho phép người sửdụng can thiệp/sửa chữa (về

mặt phần mềm)

Tầm hoạt động Bán kính hoạt đông nhỏ

Chức năng điều khiển quathiết bị di động sử dụngmạng không dây (WiFi) đểđiều khiển, có bán kính nhỏ

Bảng 1 1 Yêu cầu chức năng/phi chức năng của hệ thống

1.3 Thiết kế sơ đồ khối

Sau khi xác định được các yêu cầu chức năng & phi chức năng của hệthống, nhóm tiến hành đề xuất thiết kế sơ đồ khối cho hệ thống, được thểhiện tại hình phía dưới

Hình 1 1 Sơ đồ khối của hệ thống

Sơ đồ khối hệ thống được nhóm đề xuất gồm 04 khối chính, được thểhiện trên hình bằng màu xám đen, cùng liên kết giữa các khối, bao gồm:

- Khối nguồn: Gồm các nguồn điện, cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống

- Bộ xử lý trung tâm: Bộ vi xử lý/Bảng mạch tích hợp vi xử lý để thực hiệncác chức năng cần thiết

- Khối hiển thị: Gồm các thiết bị/linh kiện hiển thị, thể hiện trạng thái hoạtđộng của hệ thống (màn hình LCD)

- Router: Bao gồm các thiết bị mạng cần thiết để thiết lập kết nối giữa hệthống với IOT Platform/Webpage điều khiển & hiển thị các chức năngCác thiết bị phần cứng được triển khai để thực hiện các chức năng (đánh dấu

đỏ trên hình) bao gồm:

- Hệ thống điều khiển cửa ra vào

- Hệ thống điều khiển rèm cửa

- Cảm biến nhiệt độ/độ ẩm

Hệ thống hoạt động được điều khiển & giám sát thông qua một IOT platform(đánh dấu màu xanh trên hình) Người dùng có thể truy cập vào và điềukhiển thông qua các thiết bị thông minh như máy vi tính, điện thoại di động,

…

1.4 Xây dựng kế hoạch thực hiện

Dưới đây là bảng phân công & theo dõi tiến độ thực hiện công việc củanhóm trong suốt quá trình triển khai đồ án môn học

STT Nhiệm vụ Thời gian Bắt đầu Kết thúc thực hiện Người

1 Tìm hiểu, phân tích đề tài 2 tuần 01/06 15/06 Đức, Quang, Thạch

1.1 Tìm hiểu đề tài, các sản phẩm liên

Đức, Thạch, Quang

2 Tìm hiểu các kiến thức liên quan 3 tuần 15/06 06/07 Đức, Thạch, Quang

2.1 Kiến thức liên quan tới Vi xử lý

3 Tạo sản phẩm mẫu 5 tuần 06/07 10/08 Đức, Thạch, Quang

3.1 Tạo sản phẩm mẫuvật lý (mô hình

Điều khiển theo

Web server &

Hiển thị các chức

năng

4 Kiểm tra hệ thống &

Đưa đề xuất mới 1 tuần 10/08 17/08

Đức, Thạch, Quang

4.1 Kiểm tra hệ thống & các chức năng 1 tuần 10/08 17/08

Đức, Thạch, Quang

4.2 Thực hiện các chỉnh sửa cần thiết 1 tuần 10/08 17/08

5 Làm báo cáo 1 tuần 10/08 17/08 Đức, Quang5.1 Làm báo cáo tổng kết 1 tuần 10/08 17/08

Đức, Quang5.2 Làm slide tổng kết 1 tuần 10/08 17/08

Bảng 1 2 Bảng phân công nhiệm vụ & theo dõi lịch trình

2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG

2.1 IOT Platform

2.1.1 Giới thiệu về IOT Platform

Trong xã hội hiện nay, con người và máy tính gần như không còn khoảngcách với nhau Để có thể liên kết các thiết bị, các cảm biến với nhau và có sựtrao đổi với con người thì ta cần có một hệ thống kết nối Đó là nguồn gốc đểchúng ta sinh ra được các nền tảng IoT

IoT platform (Internet of Things) còn được gọi là nền tảng Internet vạn

vật hay mạng lưới vạn vật kết nối Đây là thuật ngữ phổ biến được dùng để

miêu tả việc kết nối giữa Internet và máy tính đến các thiết bị cảm biến và vật

dụng đời thường Những sự vật (things) thường có sự liên quan với nhau thông qua các mã nhận dạng (UID) Đồng thời, khả năng truyền dữ liệu qua Internet

không yêu cầu sự tương tác giữa người dùng và máy tính Chính sự kết nối này

đã tạo ra các cụm từ như: “ngôi nhà thông minh” hay “thành phố thông minh”.IoT platform được tạo ra nhằm cung cấp chức năng chung cho các ứng dụngcủa người dùng Điều này giúp bạn tập trung thiết lập điểm mới cho sản phẩmcủa mình và tăng tính năng trải nghiệm người dùng Sở hữu những tính năng ưuviệt, IoT platform giúp giảm chi phí và rủi ro trong quá trình phát triển sảnphẩm Bên cạnh đó, nền tảng này còn thúc đẩy sản phẩm của bạn nhanh chóng

ra mắt thị trường Một số chức năng thiết yếu khác như sau:

- Thu thập dữ liệu theo thời gian thực

- Xử lý và phân tích dữ liệu cục bộ

- Sử dụng cloud để nhận và truyền lệnh

- Lưu trữ dữ liệu ở đám mây

- Báo cáo thông tin cho người dùng

- v.v

Các thành phần cấu thành lên một hệ thống IoT bao gồm:

- Thiết bị: Thành phần này có chức năng kết nối, thu thập, truyền và nhận

dữ liệu Những thiết bị này bao gồm: các loại cảm biến, máy móc hoặcthiết bị có các chức năng tương tự

- Phương thức kết nối:  Các phương thức này được chọn lựa qua thông sốcủa các thiết bị và server/cloud

- Bộ phận xử lý dữ liệu: Những dữ liệu từ các thiết bị được thu thập bởiserver/cloud sẽ được phân tích và thực hiện

- Giao diện: Toàn bộ quá trình vận hành của hệ thống sẽ được hiển thị tạiđây Nhờ đó, người dùng có thể quan sát và tương tác với dữ liệu dễ dànghơn

Đặc tính chung của các sản phẩm IoT phần lớn đều rất phức tạp vì chúngphải tích hợp nhiều thành phần “chồng chéo” nhau Do đó, rất khó tìm kiếm mộtnền tảng IoT phù hợp với mọi lĩnh vực công nghệ Vậy nên, hầu hết người dùngđều cần đến những nền tảng IoT khác nhau để áp dụng vào quy trình làm việc.Tuy nhiên, hiện nay có 4 loại nền tảng IoT phổ biến sau:

- Nền tảng cloud: giúp hỗ trợ ứng dụng như phân tích, lưu trữ và hiển thị

dữ liệu

- Nền tảng kết nối IoT: giúp các thiết bị được kết nối với cloud hoặc kholưu trữ khác

- Nền tảng thiết bị IoT: cung cấp các nguyên liệu phát triển phần cứng do

đó người dùng có thể cải tiến và phát triển các thiết bị của mình

- Nền tảng phân tích: cung cấp các tính năng phân tích một cách tùy chỉnh.Ứng dụng của IoT trong xã hội hiện nay:

- Cơ sở thông minh: Nền tảng IoT giúp kiểm soát và quản lý việc tiêu haonhiên liệu chính xác, hiệu quả hơn Những thao tác tự động của chúngcũng giúp bạn tiết kiệm được thời gian vận hành

- Nhà máy thông minh: IoT platform đảm nhiệm vai trò theo dõi các yếu tốnhư: tình trạng hoạt động của máy móc, năng suất sản xuất, năng lượng,môi trường, tình trạng nguyên vật liệu,… Chúng giúp doanh nghiệp giảmbớt gánh nặng về nhân sự

- Giám sát đường ống: IoT platform báo cáo chi tiết các yếu tố ảnh hưởngđến độ bền đường ống như: nhiệt độ, áp suất, độ ăn mòn,… Việc nàygiúp người vận hành nhanh chóng nhận diện được các vấn đề đang gặpphải Từ đó, họ có thể đưa ra các giải pháp làm giảm thiệt hại hiệu quảhơn

Ta có thể thấy được rằng nền tảng IoT mang lại cuộc sống thông minh và tiệnnghi hơn cho người dùng Và để có thể mang lại hiệu quả về mặt sản xuất, chiphí thì việc lựa chọn và phân biệt được các nền tảng IoT sẽ vô cùng quan trọng.Một số dịch vụ cần thiết như sở hữu hệ sinh thái rộng, cung cấp người dùngquyền truy cập, có tính năng mở rộng, tùy biến và mức độ triển khai dễ dàng sẽgiúp ta dễ dàng kiểm soát và tối ưu sản phẩn.

2.1.2 Lựa chọn IoT Platform

Để triển khai đề tài của đồ án môn học, nhóm chúng em lựa chọn nền tảngIoT Ubidots, cung cấp rất nhiều công cụ hữu ích trong quá trình thực hiện

Hình 2 1 Tiến trình phát triển ứng dụng cùng Ubidots

2.1.2.1 Giới thiệu tổng quan về Ubidots:

- Là một nền tảng IoT cung cấp các dịch vụ

- Hỗ trợ các thiết bị như Arduino, Raspberry,…

- Có các loại dịch vụ từ kết nối các thiết bị cho tới trực quan hóa dữ liệu

- Device onboarding

 Thiết bị thân thiện với API và SDKs giúp kết nối với phần cứngvới cloud Ubidots bằng 1 số phương thức như HTTP, MQTT,TCP/UDP, …

 Dữ liệu plugin có thể tạo API của riêng mình và phân tích dữliệu thành chức năng GET hoặc POST HTTP

- Data Transformation

 Synthentic variables giúp chuyển dữ liệu thô thành các dữ liệu

đã được phân tích và thống kê

 UbiFunctions dùng để phân tich dữ liệu, chạy các dữ liệu đãđược lọc và tối ưu để trích xuất thông tin chi tiết từ bên dướidịch vụ

- Data management

 Cung cấp 1 kho để lưu trữ dữ liệu của người dùng

 Cung cấp trang dashboard để phân tích dữ liệu và điều khiểnthiết bị Trực quan hóa dữ liệu bằng việc hiển thị biểu đồ, đồthị

 Cung cấp dữ liệu rõ ràng, thường xuyên bằng chức năngreporting Gửi báo cáo PDF hoặc Excel

 Có thể kích hoạt giao tiếp m2m và các cảnh báo thông quaSMS, Email,… bằng cách sử dụng events engine

- End-user Data Visualization

 Quản lý có thể phân quyền, hạn chế các chức năng của ngườidùng

2.1.2.2 Phương thức hoạt động của Ubidots

- Giao thức HTTP: Giao thức được thiết kế & hoạt động theo chuẩn sau

o HOST: industrial.api.ubidots.com

o PATH: /api/v1.6/devices/<…>

o Headers: X-Auth-Token, Content-Type, …

o Body: dữ liệu dưới dạng JSON

- Hệ thống phần cứng (Hardware):

o Thực thể chính khi liên kết với Ubidots gồm devices, variables,dots Mỗi khi devices nhận được giá trị của 1 variables thì 1dots sẽ được tạo ra Mỗi dots bao gồm value, timestamp,context và được lưu trữ bởi Ubidots

o Liên kết phần cứng với hệ thống thì có nhiều cách thông quaHTTP hoặc MQTT Trong đây nhóm em sẽ tìm hiểu cách liênkết thông qua HTTP

o Bước 1: Thiết lập phần cứng

o Bước 2: Gửi dữ liệu thông qua phương thức POST HTTPtới Ubidots Truy cập vào server của Ubidots ta cần phảilấy token mà Ubidots cung cấp và chạy 1 chương trìnhtruy cập

o Bước 3: Tạo tài khoản Ubidots và xác minh dữ liệu Sau

đó ta sẽ thấy 1 thiết bị mới đã được thêm vào

Hình 2 2 Liên két giữa các thực thể của Ubidots

2.2 Lựa chọn linh kiện

Dựa vào sơ đồ khối đã đề xuất trên phần 1.3 Thiết kế sơ đồ khối, nhómxin tiến hành phân tích & lựa chọn các linh kiện phù hợp trong quá trìnhthực hiện

ESP8266 Node-MCU (ESP8266)

ESP32 Node-MCU (ESP32)

Kích thước Lớn nhất~ 6.5cm x 5.5 cm Nhỏ~ 5.5cm x 3cm Nhỏ nhất~ 5cm x 2.5cm

Giá thành

RẻKhoảng 120.000VND – 180.000VND

Rẻ nhất

~ 100.000VND

Đắt nhất, phụ thuộc vào loại bảng mạch phát triển

Từ 180.000VNDtrở lên

Khả năng thiết

kế, lập trình Lập trình thông qua Arduino IDE

Lập trình thông qua Arduino IDE,

ESP-IDF

Lập trình thông qua Arduino IDE,

ESP-IDFKết nối không

Số chân tín hiệu

vào/ra Digital I/O: 20Analog I/O: 6 Digital I/O: 17

Digital Input only: 4

Digital I/O: 30Khả năng tiếp

Ưu tiên lựa

Bảng 2 1 So sánh các bộ xử lý trung tâm

Dựa vào các tiêu chí đánh giá tại phía trên, nhóm tiến hành lựa chọn bảngmạch phát triển ESP32 Node-MCU Các tiêu chí quan trọng nhất để bảngphát triển này được lựa chọn bao gồm:

- Vi xử lý ESP32 là tốt nhất trong 03 sản phẩm được so sánh

- Bảng mạch đã được tích hợp sẵn các module kết nối không dây (WiFi,Bluetooth & BLE), phù hợp với hệ thống đang được phát triển mà khôngcần thêm linh kiện liên quan tới truyền/phát không dây

- Số chân tín hiệu vào/ra lớn nhất, cho phép kết nối nhiều module/khốithiết bị để điều khiển

2.2.2 Điều khiển rèm cửa & Điều khiển cửa ra vào

Sau quá trình khảo sát các sản phẩm tương tự, nhóm có một số đề xuất sửdụng linh kiện cho khối điều khiển vật lý, cụ thể là việc sử dụng các loạimotor để điều khiển việc mở/đóng rèm cửa Dưới đây là bảng so sánh giữa

Tiêu chí/

Linh kiện Motor giảm tốc Servo motor Motor bước

Kích thước Phụ thuộc nhiều vào loại motor được lựa chọn sử dụng

Đặc điểm

Điều khiển quay tương tự với nguyên lý của động cơ thông thường

Ma sát nghỉ rất lớn, motor khôngthể bị tác động quay khi không cấp nguồn

Điều khiển khả năng quay chính xác theo góc quay

Bị giới hạn góc quay

Điều khiển quay

sử dụng xung tín hiệu, có thể điều khiển chính xác góc quay

Có khả năng khóa chặt vào các vị trí được định sẵn & nhiều

ưu điểm khác

Cơ chế điều

khiển rèm

Sử dụng cùng với hệ thống ròng rọc & dây tời

Một đầu của rèmđược cố định tại

vị trí đóng, đầu còn lại được nối với dây tời để điều khiển

Không xây dựng được cách thức điều khiển rèm

Sử dụng bổ sung

hệ thống thanh trượt & vít trượt, điều khiển con chạy trên thanh trượt

Một đầu của rèmđược cố định tại

vị trí đóng, đầu còn lại được nối với con trượt để điều khiển

Chân điều khiển 2 chân Tối thiểu 3 chân Tối thiểu 4 chân

Độ phức tạp

trong điều khiển

Đơn giản, chỉ cần cấp độ chênhlệch điện áp vào

2 đầu

Phức tạp, không khả thi trong điều khiển rèm Phức tạp

Giá thành Phụ thuộc lớn vào loại motor được lựa chọnTrung bình Trung bình tới

Đắt Trung bình tới ĐắtKhả năng

tiếp cận Dễ tiếp cận

Bảng 2 2 So sánh các loại motor

Dựa vào các tiêu chí đã đánh giá tại phía trên, nhóm tiến hành lựa chọnloại motor giảm tốc (động cơ giảm tốc), cùng với việc xây dựng hệ thốngđiều khiển rèm thông qua dây tời & ròng rọc Các tiêu chí quan trọng nhất

để đưa ra lựa chọn này bao gồm:

- Cơ chế điều khiển motor & rèm đơn giản, dễ tiếp cận

- Khả năng xây dựng mô hình dựa trên cơ chế điều khiển rèm cao hơn cácphương án khác

- Giá thành cho linh kiện motor giảm tốc & hệ thống điều khiển thấp hơn

so với các lựa chọn khác

Đồng thời, để có thể điều khiển được động cơ với công suất phù hợp, nhómphải sử dụng thêm module điều khiển động cơ L298N, sử dụng IC cầu HL298N

Đối với việc điều khiển cửa ra vào, nhóm tiến hành lựa chọn điều khiểnvới động cơ servo, cho phép thực hiện chức năng đóng/mở cửa thông quakhả năng điều khiển chính xác góc quay của loại động cơ này

2.2.3 Khối hiển thị

Trong suốt quá trình hệ thống chạy, chúng ta cũng cần thêm các linhkiện/thiết bị để thể hiện trạng thái hoạt động của hệ thống Dưới đây là một

số đề xuất cho khối hiển thị được nhóm lựa chọn:

- Hiển thị sử dụng Liquid Crystal Display (LCD), hiển thị các thông tin cầnthiết về trạng thái của hệ thống

- Hiển thị sử dụng Web Server (xây dựng các tính năng hiển thị trên WebServer)

o Nguồn DC 9V, sử dụng để cung cấp nguồn cho module điều khiểnđộng cơ L298N & các motor giảm tốc được sử dụng (2 chiếc)

o Nguồn 5V, sử dụng cho thiết bị hiển thị (màn hình LCD) cũng nhưmột số các thiết bị khác

- Khả năng truyền nhận dữ liệu: Nhờ việc sử dụng bộ xử lý trung tâm làbảng phát triển ESP32 Node-MCU, các chức năng truyền phát không dâycần được sử dụng (cụ thể là mạng WiFi) đã được tích hợp sẵn, nên khôngcần sử dụng thêm các linh kiện khác cho khối này

- Cảm biến: Cảm biến nhiệt độ/độ ẩm DHT11

2.3 Sơ đồ khối chi tiết & nguyên lý hoạt động của linh kiện

Sau khi đã lựa chọn được các linh kiện cần thiết để xây dựng hệ thống.nhóm xin đưa ra sơ đồ khối chi tiết về các linh kiện & cách ghép nối các linhkiện để trở thành hệ thống hoàn chỉnh

2.3.1 Sơ đồ khối hoàn chỉnh

Sơ đồ khối hoàn chỉnh của hệ thống được thể hiện tại hình ảnh phía dưới

Hình 2 3 Sơ đồ khối chi tiết của hệ thống nhà thông minh

Danh sách chi tiết các linh kiện nhóm sử dụng được thể hiện tại bảng dưới

Linh kiện/

Đặc điểm

Số lượn g

Motor giảm tốc 2 3 - 9VDC Sử dụng để điều khiển trong hệ thống điều khiển rèmMotor servo

Cảm biến nhiệt 1 3.3VDC Đo nhiệt độ/độ ẩm môi