Nghiên cứu, thiết kế mô hình điều khiển thiết bị điện trong nhà sử dụng stm32

Các h ệ thống điều khiển thiết bị điện trong nhà thông minh hi n nay 7ệ 1.2.1.. Ngôi nhà thông minh là tích hố ớ ợp của các hệ thống điều khiển và giám sát môi trường như ánh sáng, nhiệt

-

ĐỒ ÁN T T NGHIỆ ĐẠỐ P I HỌC CNKT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGHIÊN C U, THI T K MÔ HÌNH Ứ Ế Ế ĐIỀU KHI N THI T B Ể Ế Ị

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌ C CÔNG NGHI P HÀ N I Ệ Ộ

-

ĐỒ ÁN T T NGHIỆP ĐẠỐ I HỌC CNKT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGHIÊN C U, THI T K Ứ Ế Ế MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ

LỜI CẢM ƠNTrong th i gian th c hiờ ự ện đề tài đồ án t t nghiố ệp, nhóm em đã nhận được nhiều s ự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và ch b o nhi t tình c a các th y cô b môn ỉ ả ệ ủ ầ ộĐiện Tử Viễn Thông cũng như thầy cô trong khoa Điện Tử trường Đại Học Công Nghi p Hà Nệ ội Đồng thời nhóm em đã được ti p c n các trang thi t b ế ậ ế ịhiện đạ ủa khoa đểi c phục v vào mụ ục đích nghiên cứu, học tập

Đặc bi t nhóm em xin g i lời cảm ơn chân thành đến th y ThS Nguy n ệ ử ầ ễNgọc Anh đã hướng d n cho chúng em nhẫ ững kiến th c, kứ ỹ năng cơ bản cần

có để hoàn thành đề tài nghiên cứu này

Sau cùng chúng em xin g i l i cử ờ ảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã động viên, cổ vũ và đóng góp ý kiến trong quá trình học tập, nghiên cứu cũngnhư quá trình làm đồ tán ốt nghiệp

Tuy nhiên trong quá trình nghiên cứu đề tài, vì ki n th c chuyên ngành ế ứcòn h n ch nên nhóm em v n còn nhi u thi u sót khi tìm hiạ ế ẫ ề ế ểu, đánh giá và trình bày v ề đề tài Rất mong nhận đượ ực s quan tâm, đóng góp ý của các thầy

cô để đề tài của chúng em được đầy đủ và hoàn chỉnh hơn

Nhóm em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2023

Nhóm sinh viên

Nguyễn Hữu DũngNguyễn Minh Quy n ềPhùng Văn Tưởng

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

DANH M C CÁC KÝ HI U, T Ụ Ệ Ừ VIẾT T T Ắ iv

DANH M C BỤ ẢNG BI U Ể vi

DANH M C HÌNH Ụ ẢNH vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN V CÔNG NGH Ề Ệ ĐIỀU KHIỂN T Ừ XA 3

1.1 M t s công ngh ộ ố ệ điều khi n t xa hi n nay ể ừ ệ 3

1.1.1 Tia h ng ngo i (IR) ồ ạ 3

1.1.2 Công ngh ệ điều khi n t xa s d ng Bluetooth ể ừ ử ụ 4

1.1.3 Công nghệ điều khi n t xa s dể ừ ử ụng Wifi 6

1.2 Các h ệ thống điều khiển thiết bị điện trong nhà thông minh hi n nay 7ệ 1.2.1 H ệ thống điều khiển điện thông minh [4] 7

1.2.2 H ệ thống cảm bi n thông minh [4] 8ế 1.3 K t lu n ph n 1 ế ậ ầ 9

CHƯƠNG 2 THIẾT K MÔ HÌNH Ế ĐIỀU KHI N THI T B Ể Ế Ị ĐIỆN TRONG NHÀ S D NG STM32 Ử Ụ 10

2.1 Phân tích yêu c u thi t k ầ ế ế 10

2.1.1 M c tiêu thi t k ụ ế ế 10

2.1.2 Điều khiện ràng bu c c a thi t kộ ủ ế ế 10

2.1.3 Thông s kố ỹ thuật 10

2.1.4 Tiêu chí đánh giá sản phẩm 11

2.1.5 M t s ộ ố giải pháp th c hi n ự ệ 11

2.2 Thi t k ế ế mô hình điều khiển thiết bị điện trong nhà 17

2.2.1 Thi t k ế ế sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển thiết b trong nhà ị 17

2.2.2 Thi t k ế ế phần m m ề 30

2.2.3 Thi t k mô hình ế ế 36

2.3 K t luế ận chương 2 37

CHƯƠNG 3 THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 38

3.1 M ch in th công và mô hình th c t ạ ủ ự ế 38

3.2 Th nghi m và ki m ch ng s n ph m ử ệ ể ứ ả ẩ 39

3.3 Đánh giá sản phẩm 41

3.4 ng d ng cỨ ụ ủa s n phả ẩm 41

3.5 K t luế ận chương 3 41

KẾT LU N Ậ 42

TÀI LI U THAM KH 0 Ệ Ả 44

PHỤ L C Ụ 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, T Ừ VIẾT T T Ắ

AI Artificial Intelligence Trí tu nhân t o ệ ạADC Analog Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự ra số

CPU Central Processing Unit Bộ phận xử lý trung tâm CAN Controller Area Network Điều khi n th i gian th c ể ờ ựDVD Digital Video Disc Đĩa quang kỹ thuật số

DHCP Dynamic Host Configuration

Protocol Giao th c c u hình máy ch ứ ấ ủ

HTTP HyperText Transfer Protocol Giao th c truy n tứ ề ải siêu văn

bản IoT Internet of Things Internet v n v t ạ ậ

IC Integrated circuit Chíp, vi mạch điệ ửn t I2C Inter-Integrated Circuit Mạch tích hợp liên

IFTTT If This Then That Nếu điều này xảy ra thì làm

việc kia

IR Infrared Radiation Tia h ng ngoồ ại LED Light Emitting Diodes Đi ốt phát quang LCD Liquid-Crystal Display Màn hình tinh th ểMPU Memory Protection Unit Bộ b o v b ả ệ ộ nhớ PWM Pulse Width Modulation Điều ch độ ộế r ng xung

RX Receiver Nhận tín hiệu điều khi n ể

RTC Real-time computing Hệ thống tính toán th i gian ờ

thực SPI Serial Peripheral Interface Giao di n ngo i vi nệ ạ ối tiếp SDK Software Development Kit Bộ phát triển ph m m m ầ ề

SMT Surface Mount Technology Gắn k t b m t ế ề ặSCL Serial Clock Tín hi u xung nh p ệ ịSDA Serial Data Dữ liệu n i ti p ố ếSSID Service Set Identifier Mạng c c b không dây ụ ộ

SRAM Static random-access memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên

DANH M C Ụ BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 B ng so sánh 3 gi i pháp ả ả 15

Bảng 2.2 B ng thông s k thu t cả ố ỹ ậ ủa IC PC817 24

Bảng 2.3 B ng thông tin c a ESP8266 ả ủ ở chế độ AP 33

Bảng 3.1 B ng k t qu ả ế ả thực nghi m ệ 39

DANH M C Ụ HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ bộ điều khi n t xa s d ng IR ể ừ ử ụ 3

Hình 1.2 K t n i các thi t b b ng Bluetooth ế ố ế ị ằ 5

Hình 1.3 Công tắc điều khi n thông minh ể 7

Hình 1.4 C m bi n ánh sáng trong ngôi nhà thông minh ả ế 8

Hình 2.1 Sơ đồ khối s dử ụng vi điều khi n AT89S52 ể 11

Hình 2.2 Sơ đồ khối s dử ụng vi điều khi n PIC18F4520 ể 13

Hình 2.3 Sơ đồ khối s dử ụng vi điều khi n STM32F103C8T6 ể 14

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý kh i ngu n ố ồ 17

Hình 2.5 Module LM2596 18

Hình 2.6 Nút nh n 4 chân ấ 18

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý kh i nút nh n ố ấ 19

Hình 2.8 Kit STM32F103C8T6 BluePill 20

Hình 2.9 Sơ đồ chân chức năng Kit STM32F103C8T6 BluePill 20

Hình 2.10 Module ESP8266 21

Hình 2.11 Sơ đồ chức năng module ESP8266 21

Hình 2.12 Sơ đồ kết nối giao tiếp UART 22

Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý và giao ti p mế ạng 23

Hình 2.14 Relay 5V 23

Hình 2.15 IC PC817 24

Hình 2.16 Sơ đồ chân của IC PC817 24

Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý khối relay 25

Hình 2.18 Màn hình LCD 1602 26

Hình 2.19 Sơ đồ chân LCD 1602 26

Hình 2.20 Module PCF8574 I2C 27

Hình 2.21 Sơ đồ kết nối PCF8574 với LCD 28

Hình 2.22 Sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống 29

Hình 2.23 Lưu đồ thuật toán của STM32F103C8T6 32

Hình 2.24 K t n i Laptop v i ESP8266 ế ố ớ 33

Hình 2.25 Lưu đồ giải thuật chương trình cấu hình mạng cho ESP8266 34

Hình 2.26 Lưu đồ giải thuật chương trình giao tiếp Blynk server 35

Hình 2.27 Thi t k mô hình ế ế 36

Hình 2.28 Bìa tr ng formex ắ 36

Hình 2.29 Keo 502 36

Hình 3.1 M ch c a hạ ủ ệ thống điều khi n thi t b ể ế ị điện trong nhà 38

Hình 3.2 Mô hình của đề tài 39

MỞ ĐẦU

❖ Lý do l a ự chọn đề tài:

Ngày này, các công ngh k t nệ ế ối, điều khi n thi t b không dây, công ngh ể ế ị ệtrí tu nhân t o (AI) ngày càng ph ệ ạ ổ biến bi n và phát tri n m nh m nhi u quế ể ạ ẽ ở ề ốc gia trên thế giới và được ứng d ng trong nụ hiều lĩnh vực Trong những năm gần đây, khái niệm nhà thông minh dần dần trở nên quen thuộc và phổ biến đặc biệt

đố ới v i những cư dân sống ở các thành ph l n Ngôi nhà thông minh là tích hố ớ ợp của các hệ thống điều khiển và giám sát môi trường như ánh sáng, nhiệt độ, độẩm Ngoài ra, nhà thông minh còn được sử ụ d ng các công nghệ hiện đại nhằm

đảm bảo an ninh, tiện nghi như khóa vân tay, điều khiển t xa các thi t bị trong ừ ếnhà

Chính vì v y góp ph n tiậ để ầ ện nghi hơn cho ngôi nhà thông minh và xuất phát từ lĩnh vự thực c ti n trên và v n dễ ậ ụng những ki n thế ức đã học, nhóm em đã

đưa ra đề tài “Nghiên c u, tứ hiế ế mô hình điều khiển thi t b t k ế ị điện trong nhà

sử dụng STM32” V i công nghớ ệ được áp dụng trong mô hình, người dùng có thể ễ d dàng điều khiển bật tắt các thiết bị bằng nút nhấn hoặc giọng nói hoặc có thể cài đặt th i gian b t t t các thi t b ờ ậ ắ ế ị như mong muốn

❖ Mục tiêu nghiên c ứu:

Tìm hiểu các bước cơ bản l p trình STM32F103C8T6, tìm hi u các hoậ ể ạt

động c a modul wifi ESP8266 và hoạt động của relay K t n i giủ ế ố ữa vi điều khiển STM32F103C8T6 v i ESP8266 qua giao ti p UART.ớ ế

❖ Đối tượng và phạm vi đề tài:

- Đối tượng: tìm hi u vể ề vi điều khi n STM32F103C8T6, ESP8266 wifi ểmodul, PC817 và m t s linh ki n khác ộ ố ệ

- Phạm vi đề tài: nghiên cứu, thiết kế mô hình điều khiển thiết bị điện trong nhà đạt những yêu cầu đã đề ra

❖ Phương pháp nghiên cứu: Dựa trên nh ng ki n thữ ế ức đã học của môn vi điều khiển, t ng h p ki n th c t ổ ợ ế ứ ừ những nguồn khác để phân tích và chọn lựa nh ng ữcách thức ứng d ng phù h p ph c v cho th c hiụ ợ ụ ụ ự ện đề tài.

❖ Ý nghĩa đề tài: Đề tài là m t cây c u g n k t gi a lí thuyộ ầ ắ ế ữ ết được h c v i ọ ớ thực hành, t o ra các s n ph m th c tạ ả ẩ ự ế để ổ b sung ki n thế ức và gia tăng tay nghềcủa sinh viên Mặt khác, đề tài cũng là tài liệu tham kh o cho nhả ững nghiên cứu có liên quan và áp d ng cho th c t ụ ự ế

❖ Cấ u trúc c a báo cáo: ủ

Nội dung đồ án t t nghiố ệp được c u trúc gấ ồm 3 chương:

▪ Chương 1: Tổng quan về công ngh ệ điều khi n t ể ừ xa

Tìm hiểu một s công ngh ố ệ điều khi n t xa và các h ể ừ ệ thống điều khi n thiể ết

bị điện trong nhà thông minh hi n nay ệ

▪ Chương 2: Thiết k ế mô hình điều khi ển thiết bị điện trong nhà sử dụng STM32

Trình bày các ki n th c liên quan t i n i dung nghiên cế ứ ớ ộ ứu, thi t k h ế ế ệ thống Lựa chọn phương án thiế ế ồi đưa ra sơ đồ khối, nêu cht k r ức năng nhiệm v cụ ủa từng kh i r i l a ch n linh ki n phù hố ồ ự ọ ệ ợp để rồi thiết kế sơ đồ nguyên lý, Thiế ế t kphần mềm điều khiển bằng cách v ẽ lưu đồ thu t toán c a các ch ậ ủ ế độ hoạt động

▪ Chương 3: Thử nghiệm và đánh giá

Trình bày v mô hình th c nghiề ự ệm và hướng d n s d ng s n ph m Phân ẫ ử ụ ả ẩtích tính năng và hiệu quả của sản phẩm Đưa ra tính ứng dụng, mức độ an toàn

và tác động của s n ph m tả ẩ ới môi trường, kinh t , xã h ế ội

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA

Trong một căn nhà thông minh hay Smarthome hiện nay, mọi nơi sẽ được kiểm soát b ng các thiết bị điệ ửằ n t Chúng sẽ s dụng các cách giao tiử ếp riêng đềhiểu nhau như: Bluetooth, Zigbee, Z Wave, Wifi, Matter, KNX,… - Nhờ ứng d ng ụcác công nghệ như hồng ngoại, điện tho i thông minh, IoT, công nghạ ệ đám mây…Nhà thông minh có thể tự động giúp bạn làm những công việc trong nhà

Và công nghệ điều khi n t xa các thi t bể ừ ế ị điện trong nhà là m t ph n không th ộ ầ ểthiếu trong một căn nhà thông minh

Hệ thống công ngh ệ điều khi n thi t b t xa là các công ngh ể ế ị ừ ệ cho phép người dùng t xa có th ừ ể điều khiển và quản lý các thi t b ế ị như máy tính, thiết bị điệ ửn t ,

hệ thống thông tin, điều hòa, đèn chiếu sáng, cửa, camera thông qua kết nối mạng internet hoặc các công ngh truy n thông khác Hệ ề ệ thống này cho phép người dùng th c hi n các thao tác t xa như bật/t t thi t bự ệ ừ ắ ế ị, điều chỉnh nhiệt độ,

độ sáng, lịch trình hoạt động giúp ti t ki m th i gian, ti n bế ệ ờ ề ạc và năng lượng

1.1 M ột số công nghệ điều khiển t xa hi n nay ừ ệ

1.1.1 Tia h ng ngo i (IR) ồ ạ

Một chiếc điều khiển IR s gẽ ồm các bộ phận cơ bản n m trong m t hằ ộ ộp nối cáp kỹ thuậ ố như t s Hình 1.1 g m: m t b ng m ch tích h p; tồ ộ ả ạ ợ ụ điện; đi ố- t phát quang (LED)

Hình 1.1 Sơ đồ ộ điề b u khi n t xa s d ng IR ể ừ ử ụ

Nguyên lý cơ bản của loại điều khiển từ xa này là sử dụng ánh sáng h ng ồngoại của quang ph ổ điện từ mà mắt thường không thấy được để chuyển tín hiệu

đến thiết bị cần điều khiển Nó đóng vai trò như mộ ộ phát tín hi u, sẽ phát ra t b ệcác xung ánh sáng h ng ngo i mang m t mã s ồ ạ ộ ố nhị phân c ụ thể Khi ta ấn m t nút ộphía bên ngoài thì s v n hành m t chu i các hoẽ ậ ộ ỗ ạt động khi n các thi t b cế ế ị ần điều khiển s ẽ thực hi n l nh c a nút bệ ệ ủ ấm đó [10]

❖ Ưu điểm:

- Giá thành thấp vì chúng được tích hợp vào nhi u thi t b gia dề ế ị ụng

- Dễ s d ng: Không cử ụ ần cài đặt ph n m m hay n m v ng k thuầ ề ắ ữ ỹ ật đểđiều khi n các thi t b ể ế ị

- Tiết kiệm năng lực: Không c n ph i di chuyầ ả ển điều khi n t i t ng thiể ớ ừ ết

bị để điều khi n, ti t ki m th i gian, công sể ế ệ ờ ức

❖ Nhược điểm:

- Phải tr thi t b ỏ ế ị điều khi n vào ể thiết b ịnhận để điều khi n N u có vể ế ật cản gi a hai thi t b thì s không th truy n tín hiữ ế ị ẽ ể ề ệu được

- Tầm hoạt động h n chạ ế: Thường ch trong kho ng 10-20m và có th ỉ ả ể

bị giảm t m xa n u ánh sáng mầ ế ạnh (như ánh sáng mặt tr i) chi u vào ờ ế

- Không th ể điều khi n quể a tường hoặc các v t c n khác ậ ả

- Thiết bị phải được cài đặt đúng mã hồng ngoại để có thể điều khiển được

❖ Ứng dụng:

- Điều khiển tivi, đầu đĩa DVD hoặc các thiết bị gia đình khác

- Thiết b y t : M t s thi t b y t s d ng tia h ng ngoị ế ộ ố ế ị ế ử ụ ồ ại để đo nhiệt độ

- Các hệ thống an ninh và c a tử ự động: Tia h ng ngo i có thồ ạ ể được s ửdụng để mở khóa c a ho c kích ho t các thi t b an ninh ử ặ ạ ế ị

1.1.2 Công ngh ệ điều khi ển từ xa s d ử ụng Bluetooth

Bluetooth là sự trao đổ ữ liệi d u không dây t m g n gi a các thi t b ầ ầ ữ ế ị điệ ử n tBluetooth s d ng sóng Radio t n s 2.4GHz [7] ử ụ ầ ố

Hình 1.2 K ết nố i các thi ết bị ằ b ng Bluetooth

Hình 1.2 mô t công ngh Bluetooth hả ệ ỗ trợ ế ố ữ liệ k t n i d u qua các kho ng ảcách ng n gi a các thi t b ắ ữ ế ị di động như điện thoại di động, laptop, máy chơi game với nhau và v i thi t b c ớ ế ị ố định mà không c n m t sầ ộ ợi cáp để truy n t i ề ả

- Độ b o m t cao: Công nghả ậ ệ Bluetooth đượ ử ục s d ng b i nở hiều thi t b ế ị

để truy n tải thông tin và đảm bảo an toàn ề

❖ Nhược điểm:

- Khoảng cách k t n i ng n: Công ngh Bluetooth có kho ng cách k t nế ố ắ ệ ả ế ối giới hạn, nên người dùng cần ở gần thi t b ế ị để ế ố k t n i

- Tốc độ truy n d ề ữ liệu chậm hơn: So với các công ngh kệ ết nối khác, tốc

độ truy n d liệu của Bluetooth chề ữ ậm hơn

- Chọn mua phiên bản Bluetooth tương thích: Người dùng cần phải chọn phiên bản Bluetooth tương thích với thiết bị c a mình ủ

- Điều khi n thi t b y t t xa b ng Bluetooth ể ế ị ế ừ ằ

1.1.3 Công ngh ệ điều khi ển từ xa s d ử ụng Wifi

Wifi là vi t t t c a Wireless Fidelity là h ế ắ ủ ệ thống truy c p internet không dâyậ Wifi là công c k t n không th thiụ ế ối ể ếu trên điện tho i, laptop, máy tính b ng và ạ ảmột s thiố ết b ịthông minh khác như smartwatch

Công ngh ệ điều khi n thi t b t xa b ng Wifi là mể ế ị ừ ằ ột phương pháp cho phép người dùng điều khiển và quản lý các thiết bị ợc k t nđư ế ối tr c ti p v i mự ế ớ ạng Wifi Cho phép người dùng t xa tùy chừ ỉnh và điều khi n thi t b thông qua ng ể ế ị ứdụng được cài đặt trên điện thoại hoặc máy tính [3]

- Thông minh hơn: thường được tích hợp các tính năng thông minh, ví

dụ như hẹn giờ, giọng nói,

❖ Nhược điểm:

- Phụ thu c vào k t n i wifi: N u k t n i wifi b ộ ế ố ế ế ố ị gián đoạn ho c không ặ

ổn định, việc điều khi n thi t b s nên rể ế ị ẽ trở ất khó khăn

- An ninh: Công nghệ điều khi n thi t b t xa b ng wifi có th d b ể ế ị ừ ằ ể ễ ịtấn công b i hacker, ch y u là nh ng thi t b có c u hình kém hoở ủ ế ữ ế ị ấ ặc không được bảo vệ đúng cách

- Giá thành: M t s thi t bộ ố ế ị có tính năng điều khi n t xa wifi có giá ể ừthành cao

- Điều khi n các robot: có thể ể điều khi n các robot, máy bay không ểngười lái và xe t lái t ự ừ xa

- Trợ lý gia đình: Các tr lý ợ ảo như Google Home, Amazon Echo hoặc Apple HomeKit

1.2 Các h ệ thống điều khiển thiết bị điện trong nhà thông minh hiệ n nay 1.2.1 H ệ thống điề u khiển điện thông minh [4]

Hệ thống điều khiển điện trong ngôi nhà thông minh cũng là một phần khá quan trọng t o nên s thông minh cạ ự ủa m t ngôi nhà Có th k ộ ể ể đến đó là hệ thống các công tắc điện thông minh Đây là một lo i công t c ngoài nhạ ắ ững thao tác đơn giản để bật/tắt thông thường b ng cách ch m vào phím cằ ạ ảm ứng mà chúng còn có khả điều khi n t xa b ng các thi t bể ừ ằ ế ị smartphone, điều khiển từ xa, giọng nói thông qua k t n i internet và chúng có th k t v i v i các thi t bế ố ể ế ớ ớ ế ị điệ ửn t thông minh như bộ điều khiển trung tâm, hệ thống đèn… thông qua các chuẩn kết nối tiên tiến như Blutuool Mesh, Wifi, Zigbee…

Đây là thiết bị cũng khá quan trọng và cũng đáng để đầu tư trong các hệ thống trong ngôi nhà thông minh vì chúng có những điểm nổi bật như có thể hoạt động độc lập mà không phụ thuộc vào bộ điều khiển trung tâm (Công tắc điều khiển điện thông minh chu n k t n Wifi) ẩ ế ối

Hiện nay trên thị trường có 2 lo i công tạ ắc điều khiển điện thông minh ch ủyếu đó là công tắc thông minh với chuẩn kết nối wifi và công t c thông minh vắ ới chuẩn kết nối điều khiển Blutooth Mesh (Lo i này ph i dùng kạ ả ết hợp v i h ớ ộ điều khiển trung tâm) Như Hình 1.3

ắc điề ể

1.2.2 H ệ thố ng c m bi n thông minh [4] ả ế

Hệ thống c m bi n thông minh có nhi m vả ế ệ ụ như một “vệ ỹ” củ s a ngôi nhà thông minh Chúng ti p nh n các d ế ậ ữ liệu đầu vào như sự chuyển động, ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm… và gửi thông tin về bộ xử lý trung tâm Từ đây, bộ điều khiển trung tâm sẽ “ra lệnh” để điều khi n cac thi t b hay các k ch b n mà bể ế ị ị ả ạn đã cài đặt sãn theo nhu c u c a mình Các lo i c m bi n trong ngôi nhà thông minh hiầ ủ ạ ả ế ện nay được phân chia d a trên chự ức năng hoạt động, bao gồm:

- Hệ thống c m bi n trong ngôi nhà thông minh ả ế

- Cảm biến ánh sáng trong ngôi nhà thông minh như Hình 1.4

Hình 1.4 C m bi n ánh sáng trong ngôi nhà thông minh ả ế

1.3 K ết lu n ph n 1 ậ ầ

Qua quá trình tìm hi u v t ng quan v m t s công nghể ề ổ ề ộ ố ệ điều khi n tể ừ xa

và các công nghệ điều khi n thi t bể ế ị điện trong nhà thông minh hi n nay, nhóm ệ

em quyết định chọn và hoàn thành đề tài tốt nghiệp “Nghiên c u, thi t k mô ứ ế ế

hình h ệ thống điều khi n thi t b ể ế ị điện trong nhà s d ng STM32ử ụ ” Đây là mô hình nh có tính ỏ ứng d ng r t th c t có th s dụ ấ ự ế ể ử ụng cho các h ộ gia đình nhỏ Nội dung thi t k chi ti t s ế ế ế ẽ được trình bày ở các chương tiếp theo

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN

5V Điều khiển được thi t b ế ị điện qua nút nh n trên mô hình ấ

- Điều khiển được thi t b ế ị điện t ừ xa qua điện thoại thông minh

- Cài đặt thời gian b t t t c a các thi t b theo mong muậ ắ ủ ế ị ốn

- Điều khiển được thi t b qua gi ng nói ế ị ọ

2.1.2 Điều khi n ràng bu c c a thi t k ệ ộ ủ ế ế

- Nguồn điện phải ổn định và đáp ứng các yêu cầu an toàn điện

- Thiết b ịđiều khiển phải được thi t k ế ế để hoạt động đúng cách với các thiết

bị điện khác đồng bộ và không gây ra các vấn đề ề v an toàn

- Các tín hiệu điều khi n phể ải được chuy n t i mể ả ột cách đáng tin cậy, chính xác và đáp ứng các yêu c u v tầ ề ốc độ và kh ả năng truyề ải n t

- Hệ thống điều khiển phải bảo vệ toàn diện cho các thiết bị điện, người sử dụng và toàn b ngôi nhà ộ

- Đảm bảo mô hình điều khi n ph i tể ả ối ưu hóa tính đơn giản, d s d ng và ễ ử ụtiện ích cho người sử dụng

- Tuân thủ các quy định về an toàn điện và môi trường, bảo đảm s an toàn ựngườ ửi s d ng và b o v ụ ả ệ môi trường xung quanh

2.1.3 Thông s k ố ỹ thu t ậ

- Điện áp hoạt động: 220VAC cấp cho Đèn 220V-5W; 5V c p cho kh i relay ấ ố

và chân vào c a STM32F103C8T6, ESP8266; 3.3V c p cho kh i nút nh n, ủ ấ ố ấkhối hi n th ể ị

- Giao th c k t n i là giao th c Wifi ứ ế ố ứ

- Mô hình điều khiển thiết bị điện trong nhà có th hể ỗ trợ chức năng điều khiển từ xa bằng ứng dụng trên điện thoại di động

2.1.4 Tiêu chí đánh giá sản phẩm

- Mạch chạy ổn định, không bị lỗi

- Hoạt động được trong một thời gian dài

- Sản phẩm có tính ng d ng th c tiứ ụ ự ễn

- Hệ thống đơn giản, an toàn và d dàng vễ ới ngườ ử ụng i s d

- Có độ bền và tính th m m cao ẩ ỹ

2.1.5 M ột s ố giải pháp th c hi n ự ệ

➢ Giải pháp 1: Sử dụng vi điều khi n AT89S52 giao ti p v i module ESP8266 ể ế ớ

Hình 2.1 Sơ đồ khố ử ụ i s d ng vi điều khi n AT89S52 ể

- Khối x lý trung tâm AT89S52 ch u trách nhi m giao ti p nh n lử ị ệ ế ậ ệnh điều khiển từ khối nút nh n, x lý yêu cấ ử ầu đóng mở relay, g i d u t i khử ữ liệ ớ ối hiển thị LCD và kh i giao ti p m ng ESP8266 ố ế ạ

- Khối hiển th s d ng Module PCF8574 I2C h n ch chân c a LCD ị ử ụ để ạ ế ủ

và dùng LCD để hiển thị trực quan tr ng thái b t t t c a các thi t b ạ ậ ắ ủ ế ị

- Khối giao ti p m ng s d ng module ESP8266 có nhi m vế ạ ử ụ ệ ụ nhận l nh ệđiều khi n t ể ừ khối x ử lý trung tâm sau đó gửi d ữ liệu lên server qua đường truyển internet thông qua wifi, đồng thời tiếp nhận lệnh điều khiển từ server để truyền tới kh i x lý trung tâm ra l nh b t t t thi t b ố ử ệ ậ ắ ế ị

- Server blynk nh n dậ ữ liệu t ESP8266 và hi n thừ ể ị trực quan trên bảng điều khi n Dashboard cung c p kh ể ấ ả năng giám sát từ xa

❖ Ưu, nhược điểm khi s dử ụng vi điều khiển AT89S52

Hình 2.2 Sơ đồ khố ử ụng vi điề i s d u khi n PIC18F4520 ể

- Khối relay đóng mở nguồn cho thi t b cế ị ần điều khiển

- Khối x lý trung tâm PIC18F4520 ch u trách nhi m giao ti p nh n l nh ử ị ệ ế ậ ệđiều khi n t kh i nút nh n, x lý yêu cể ừ ố ấ ử ầu đóng mở relay, gử ữ ệ ới d li u t i khối hi n th LCD và k t n i v i module HC05 qua giao p UART ể ị ế ố ớ tiế

- Khối hiển thị s dụng Module PCF8574 I2C h n ch chân cử để ạ ế ủa LCD và dùng LCD để hiển thị trực quan tr ng thái b t tạ ậ ắt c a các thi t b ủ ế ị

- Module HC05 phát ra Bluetooth Smartphone k t nđể ế ối sau đó điều khiển thiết b ị

- Mobile App là m t thi t bộ ế ị điện tử như smartphone sử ụ d ng hệ điều hành Android có khả năng kế ốt n i Bluetooth, Internet và t i vả ề ứng d ng MIT ụAI2 Companion trên CH Play

❖ Ưu, nhược điểm khi s dử ụng vi điều khi n PIC18F4520 ể

- Ưu điểm:

+ S dử ụng cho các bài toán có độ phức tạp cao

+ Được ứng dụng rộng rãi trong công nghi p ệ

+ Đã được hỗ trợ nhiều tài nguyên hơn so với AT89S52

- Nhược điểm:

+ Giá thành khá cao so với các dòng vi điều khiển tương tự

+ Tốc độ ử x lý chậm hơn so với các dòng vi điều khiển hiện nay

➢ Giải pháp 3: S d ử ụng vi điề u khi n STM32F103C8T6 giao ti p v i module ể ế ớ

- Khối x lý trung tâm STM32 ch u trách nhi m giao ti p nh n lử ị ệ ế ậ ệnh điều khiển từ khối nút nh n, x lý yêu cấ ử ầu đóng mở relay, g i d u t i khử ữ liệ ớ ối hiển thị LCD và kh i giao ti p m ng ESP8266 ố ế ạ

- Khối hi n th s dể ị ử ụng Module PCF8574 I2C h n ch chân c a LCD để ạ ế ủ

và dùng LCD để hiển th ị trực quan tr ng thái b t t t c a các thi t b ạ ậ ắ ủ ế ị

- Khối giao ti p m ng s d ng module ESP8266 có nhi m vế ạ ử ụ ệ ụ nhận l nh ệđiều khi n t ể ừ khối x ử lý trung tâm sau đó gửi d ữ liệu lên server qua đường truyển internet thông qua wifi, đồng thời tiếp nhận lệnh điều khiển từ server để truyền tới kh i x lý trung tâm ra l nh b t t t thi t b ố ử ệ ậ ắ ế ị

- Server blynk nh n dậ ữ liệu t ESP8266 và hi n thừ ể ị trực quan trên bảng điều khi n Dashboard cung c p kh ể ấ ả năng giám sát từ xa

- Server IFTTT nh n lậ ệnh giọng nói t Google Aừ ssistant trên điện tho i sau ạ

đó gử ệnh đến server blynk đểi l bật tắt thiết b ị

❖ Ưu điểm:

- Sử dụng cho các bài toàn có độ phức tạp cao

- Được ứng d ng r ng rãi trong công nghi p ụ ộ ệ

- Dòng vi điều khi n có nhiể ều ứng d ng th c t ụ ự ế

- Tốc độ xử lý nhanh, đã được cải thiện so với những dòng vi điều khiển cùng t m giá ầ

- Giá thành r ẻ

- Đã được hỗ trợ nhiều tài nguyên hơn so với AT89S52 cũng như PIC18F4520

❖ Lựa ch n và đánhọ giá gi i pháp tối ưu ả

Từ những ưu và nhược điểm c a 3 gi i ủ ả pháp nhóm em đã rút ra bảng so sánh giữa 3 giải pháp như bảng 2.3

B ảng 2.1 B ng so sánh 3 gi i pháp ả ả

Tiêu chí Giải pháp 1 [5] Giải pháp 2 [6] Giải pháp 3 [2]

Dung lượng 8KB Flash,

256byte SRAM

32KB Flash, 2KB SRAM

64KB Flash, 20KB SRAM Công ngh s ệ ử

Chi phí Khoảng

400.000VND

Khoảng 485.000VND

Khoảng 445.000VND Tần s ố hoạt

2.2 Thiết k ế mô hình điều khiển thiết bị điện trong nhà

2.2.1 Thiết k ế sơ đồ nguyên lý mạch điều khi n thi t b trong nhà ể ế ị

Theo yêu c u cầ ủa bài toán đặt ra, nhóm đã lựa ch n gi i pháp 3 s d ng vi ọ ả ử ụđiều khi n STM32 giao ti p v i module ESP8266 do vể ế ớ ậy sơ đồ khối c a h ủ ệ thống

và các chức năng các khối đã được trình bày Hình 2.3 c a m c 2.1.3 trang 14 ở ủ ụ

2.2.1.1 Thiết k ế khối nguồn

Trong mô hình điều khiển thiết bị điện trong nhà có s d ng 3 nguử ụ ồn:

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý kh ối nguồ n

Nguồn 220VAC để cung cấp riêng cho đèn 220V-5W Trong sơ đồ nguyên

lý kh i ngu n có s d ng m t Adapter nhi m v chuy n t 220VAC xu ng 5VDC ố ồ ử ụ ộ ệ ụ ể ừ ố

để cung c p cho chân Vin ESP8266, STM32 và khối relay Sau đó dùng module ấLM2596 để hạ áp xuống 3.3VDC như Hình 2.4B để cung cấp cho nút nhấn và khối hi n thị Header 2X2 n i với các nguồn 5V và 3.3V d phòng cho các mục ể ố ựđích sử dụng khác nếu có trong tương lai như Hình 2.4A

LM2596 là m t IC hộ ạ áp được s d ng phử ụ ổ biến Phiên bản điều ch nh có ỉthể nhận điện áp đầu vào t ừ 4,5V đến 40V và chuyển đổi thành nguồn điện áp liên tục 3.3V

A

B

Hình 2.5 Module LM2596

Hình 2.5 là hình d ng th c t cạ ự ế ủa module LM2596 g m IC LM2596 và biồ ến trở s dử ụng để điều chỉnh điện áp đầu ra

Đặc tính thông s k thu t c a LM2596: [8] ố ỹ ậ ủ

- Có bộ điều chỉnh 3.3V, bộ điều ch nh 5V, b điều ch nh 12V và bộ ỉ ộ ỉđiều ch nh biỉ ến đổi

- Điện áp đầu vào: 4,5V đến 40V

- Dải điện áp đầu ra có thể điều chỉnh: 1.23V đến 38.5V

- Dòng điện đầu ra liên t c: 3A ụ

- Dòng điện chịu đựng: 2A

Khối nút nhấn được cấp ngu n +3.3V, tín hiồ ệu đầu ra nối đến chân c a vi ủđiều khiển Các điện trở R1, R3, R5 nối lên VCC để ạ t o m c logic 1 mứ ặc định Khi người dùng ấn nút trạng thái đầu ra s ẽ ở m c logic 0 ứ Đồng th i khi nút nhờ ấn được nh n xuấ ống, t 1uF s ụ ẽ được nạp, làm tăng thời gian đáp ứng c a m ch, giúp ủ ạtránh tình tr ng nhi u ạ ễ

2.2.1.3 Thiết k khế ố ửi x lý và giao ti p mế ạng

Trong m i họ ệ thống điều khiển cũng như trong hệ thống nhúng, kh i xố ử lý luôn là b ph n r t quan tr ng Kh i này s x lý các tín hiộ ậ ấ ọ ố ẽ ử ệu được đưa vào và đưa ra các tín hiệu ra để điều khiển hệ thống hoạt động như mong muốn Trong

hệ thống điều khiển thiết bị điện trong nhà, kh i x lý số ử ẽ được s d ng b ng vi ử ụ ằđiều khi n STM32F103C8T6 ể

Hình 2.8 Kit STM32F103C8T6 BluePill

Hình 2.8 là hình nh th c t c a Kit STM32F103C8T6 ả ự ế ủ

Hình 2.9 Sơ đồ chân chức năng Kit STM32F103C8T6 BluePill

Từ sơ đồ chức năng ở Hình 2.9 có th ể thấy Kit STM32F103C8T6 có các giao tiếp: CAN, I2C, SPI, UART,

Để điều khiển được thiế ị ệt b đi n trong nhà t xa thì hệ thống s dụng công ừ ửnghệ Wifi vì có th b t tể ậ ắt b ng nút nhằ ấn từ xa, b t t t bậ ắ ằng cài đặt th i gian và ờ

có th ể điều khi n b t t t qua gi ng nói ể ậ ắ ọ

ESP8266 là m t chip c a Espressif Systems có tích h p công nghộ ủ ợ ệ Wi-Fi

Sử d ng firmware tụ ập lệnh AT tiêu chu n b ng cách k t nẩ ằ ế ối nó v i bớ ất k bỳ ộ vi điều khi n nào s d ng UART n i ti p ho c trể ử ụ ố ế ặ ực ti p làm b ế ộ vi điều khi n h ể ỗ trợ Wifi, b ng cách l p trình mằ ậ ột chương trình cơ sở mới sử dụng SDK được cung cấp Hình 2.10 là hình nh th c t cả ự ế ủa ESP8266

Hình 2.10 Module ESP8266

Hình 2.11 Sơ đồ chức năng module ESP8266

Sơ đồ chức năng ở Hình 2.11 cho thấy module ESP8266 cũng có các giao tiếp Analog, SPI, UART, PWM, …

Thông số kỹ thuật của ESP8266: [11]

- Bộ vi điều khi n: CPU RISC -bit Tensilica Xtensa LX106 ể 32

- Điện áp hoạt động: 3.3V

- Điện áp đầu vào: 7-12V

- Chân I/O k thuỹ ật s : 16 ố

- Chân đầu vào tương tự (ADC): 1

Tên đầy đủ c a ủ UART là “Universal Asynchronous Receiver / Transmitter”,

và nó là m t vi m ch s n có trong mộ ạ ẵ ột vi điều khiển nhưng không giống như một giao th c truy n thông (I2C & SPI) Chứ ề ức năng chính của UART là truy n d ề ữ liệu nối tiếp [12]

Hình 2.12 Sơ đồ kết nối giao tiếp UART

Dựa vào Hình 2.12 thì có thể thấy cách k t n i vi ế ố điều khi n v i thi t b ể ớ ế ịngoại vi tương đối đơn giản, chân TX c a ngo i vi s n i chân RX củ ạ ẽ ố ủa vi điều khiển và chân RX c a ngo i vi s n i chân TX củ ạ ẽ ố ủa vi điều khiển

Sau khi tìm hiểu được các thông s k thuố ỹ ật, sơ đồ chức năng ủa cSTM32F103C8T6 và ESP8266 và sơ đồ ế ố ủ k t n i c a giao ti p UART ế thì đề tài s ẽthiết k ế khối x lý và giao ti p mử ế ạng được th ể hiện ở Hình 2.13

Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý khối x lý và giao ti ử ếp m ng ạ

Kit STM32F103C8T6 g i dử ữ liệu và nh n dậ ữ liệ ừu t ESP8266 thông qua giao tiếp UART được n i t các chân TX3 (PIN B10) và RX3 (PIN B11) cố ừ ủa STM32 t i các chân TX0 và RX0 trên kit ESP8266 Ngoài ra STM32 s dớ ử ụng thêm UART1 để Debug

2.2.1.4 Thiết k ế khối Relay

Mô hình hệ thống sẽ điều khiển đèn 220V, quạt 5V, motor 5V Vì điện áp nằm trong d i tả ừ 5V đến 220V do v y theo tính toán nhóm s s dậ ẽ ử ụng Relay có điện áp tiếp điểm 250VAC Do m ạch được cung c p ngu n 5VDC v y nên nhóm ấ ồ ậ

đã sử ụng Relay có đ d iện áp cuộn hút 5V có 3 chân ra NO/NC và COM Hình và

ảnh thực t của Relay ế như ở Hình 2.14

Hình 2.16 Sơ đồ chân của opto PC817

PC817 là một opto được sử d ng r t phụ ấ ổ biến, ch a m t LED h ng ngo i và ứ ộ ồ ạmột transistor quang được thể hiện như Hình 2.16 Được sử dụng để cách ly hai mạch với nhau

Thông s k thu t c a PC817: [14] ố ỹ ậ ủ

B ảng 2.2 B ng thông s k ả ố ỹ thuật của PC817

Dòng c c góp tự ối đa (IC): 50mA

Điện áp c c góp - c c phát tự ự ối đa: 80V

Điện áp bão hòa c c góp - c c phát: ự ự 0,1 đến 0,2

Điện áp c c phát - c c g c tự ự ố ối đa: 6V

Công su t tiêu tán c c góp tấ ự ối đa (Pc): 200 mW

Sau khi tìm hi u v thông sể ề ố và nguyên lý hoạt động c a Relay và PC817ủ ,

có th thi t k ể ế ế sơ đồ nguyên lý khối relay như ở Hình 2.1 7

Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý khối relay

Module relay s d ng các relay có cu n hút 5V, tín hiử ụ ộ ệu điều khi n t ể ừSTM32 được cách ly bằng các opto PC817 Các transistor dùng để ẫn dòng đi dqua cu n dây, R2, R4, R6 phân c c cho transistor ộ để ự

Khi vi điều khiển xu t ra mấ ức logic 0, khi đó sẽ có dòng qua LED làm LED phát sáng đồng thời chân 3 và chân 4 của PC817 sẽ được kích dẫn, dòng 5V sẽ vào c c B cự ủa transistor C1815, lúc đó chân C vs chân E n thông Lúc này s ối ẽ

có dòng điện từ +5V ch y qua ả cuộn hút của Relay kích ho t tiạ ếp điểm Relay

Khi tắt dòng điện cho cu n dây thì cu n dây sộ ộ ẽ phóng điện ngượ ạc l i, nên cần s dử ụng các Diode D1, D2, D3 để ả b o vệ không cho dòng điện phóng ngược lại m ch ạ

2.2.1.5 Thiết k ế khố i hi n th ể ị

Trong hệ thống điều khiển thi t bế ị điện trong nhà s d ng kh i hi n th bao ử ụ ố ể ịgồm LCD và module PCF8574 I2C

Hình 2.18 Màn hình LCD 1602

LCD có r t nhi u d ng phân biấ ề ạ ệt theo kích thướ ừc t vài kí t n hàng chự đế ục

ký t , t m t hàự ừ ộ ng đến vài chục hàng Trong đồ án s dử ụng LCD 1602 có nghĩa

là có 2 hàng, mỗi hàng có 16 ký t ự được mô t Hình 2.18 ả ở Sơ đồ chân c a LCD ủđược mô tả ở Hình 2.19

Hình 2.19 Sơ đồ chân LCD 1602

Hình 2.20 Module PCF8574 I2C

Hình nh th c t cả ự ế ủa PCF8574 được th ể hiện ở Hình 2.20 Thay vì ph i mả ất

6 chân vi điều khiển để ế ố ớ k t n i v i LCD 1602 (RS, EN, D7, D6, D5 và D4) thì module PCF8574 chỉ ầ ốn 2 chân (SCL, SDA) để kết nối c n t

Module PCF8574 hỗ trợ các loại LCD s d ng driver HD44780(LCD 16×2, ử ụLCD 20×4, …) và tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện nay

Thông s k thu t c a PCF8574: [15] ố ỹ ậ ủ

- Điện áp hoạt động: 2.5-6V DC

- Hỗ trợ màn hình: LCD1602,1604,2004 (driver HD44780)

- Giao tiếp: I2C

- Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2)

- Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt

- Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD

PCF8574 giao ti p v i STM32 qua giao ti p IC2, chân SCL n i chân SCL ế ớ ế ố(PIN PB6) và chân SDA n i chân SDA (PIN PB7) c a STM32F103C8T6 ố ủ

Từ các thông số kĩ thuật và các ưu điểm c a module PCF8574 thì hủ ệ thống thiết k ế khối hi n th ể ị như Hình 2.21

Hình 2.21 Sơ đồ kết nối PCF8574 với LCD

2.2.1.6 S ơ đồ nguyên lý và sơ đồ ạ m ch in c ủa h ệ thống điề u khi n thi t b ể ế ị