Đồ án môn học hệ thống nhúng đề tài thiết kế giàn phơi đồ thông minh

Vì vậy việc có một giàn phơi thông minh sẽ không chiếm diện tích của ban công hoặc là những nơi chật hẹp cũng có thể lắp đặt được giàn phơi thông minh ngoài ra nó còn giúp ta thoát khỏi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TRƯỜNG ĐHKTCN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN TỬ Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

.

k185520207055Lớp: K54ĐVT.01

Ngành: Điện Tử Viễn Thông

Số đề…

Ngày giao đề Ngày hoàn thành

1.Tên đề tài : Thiết Kế Giàn Phơi Đồ Thông Minh

2 Nội dung thuyết minh tính toán

3 Các bản vẽ, chương trình và đồ thị

TỔ TRƯỞNG BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Thái Nguyên, ngày….tháng… năm 2021 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN CHẤM

Thái Nguyên, ngày….tháng… năm 2021

(Ký ghi rõ họ tên)

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với dự phát triển của khoa học kỹ thuật, cũng như nhu cầu đòi hỏi con người càng cao trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội Trong

đó có nhu cầu về cuộc sống tiện nghi, thông minh Điều này đã thôi thúc những nhà thiết kế, chế tạo ra những sản phẩm đáp ứng những tiệng nghi, thông minh đó Một trong số đó cần kể tới là giàn phơi thông minh Vì vậy việc có một giàn phơi thông minh sẽ không chiếm diện tích của ban công hoặc là những nơi chật hẹp cũng có thể lắp đặt được giàn phơi thông minh ngoài ra nó còn giúp ta thoát khỏi những rắc rối trong việc phơi quần áo giúp việc phơi quần áo dễ dàng, tiện lợi, bảo vệ quần áo khỏi tác động của thời tiết như mưa, độ ẩm cao giúp quàn mau khô hơn Trên nhu cầu và thị

trường rộng mở đó chúng em đã bắt tay vào nghiên cứu thiết kế “Hệ thống giàn phơi thông minh” Và trong Đồ án này, chúng em sẽ trình

bày về quá trình nghiên cứu thiết kế, chế tạo giàn phơi thông minh Cụ thể

là, chúng em sẽ bắt đầu từ việc phân tích thị trường giàn phơi thông minh Sau đó, đề xuất ý tưởng cải tiến giàn phơi thông minh Từ ý tưởng này chúng em bắt tay vào thiết kế hệ thống và cuối cùng chế tạo giàn phơi thông minh này Những nội dung trên sẽ được trình bầy cụ thể trong đồ án Trong quá trình thiết kế, chế tạo chắc chắn chúng em sẽ không tránh khỏi những sai sót Chúng em rất mong nhận được những đóng góp quý báu của thầy cô để hoàn thiện hơn nữa đồ án của mình

Chúng em xin đặc biệt gửi lời cảm ơn đến giảng viên hướng dẫn cô Tăng Cẩm Nhung, người đã luôn tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ tận tình cho chúng em

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2021

Sinh viên thực hiện :

Ma Phúc Vỹ

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 4

DANH MỤC HÌNH VẼ 7

CHƯƠNG 1 PHÂN TÍCH VÀ YÊU CẦU HỆ THỐNG 10

1.1 Gi i thi u vềề giàn ph i đồề thồng minh ớ ệ ơ 10

1.2 Các gi i pháp cồng ngh áp d ng cho h thồống ả ệ ụ ệ 12

1.2.1 Gi i pháp điềều khi n ả ể 12

1.2.2 Gi i pháp công ngh và truyềền thông ả ệ 13

1.2.3 C s h tầềng ơ ở ạ 16

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG 16

2.1 Thiềốt kềố mồ hình nguyền lý 16

2.2 L a ch n thiềốt b ự ọ ị 17

2.2.1 L a ch n c m biềến ự ọ ả 17

2.2.2 Qu t t n nhi t ạ ả ệ 19

2.2.3 Ch n đ ng c ọ ộ ơ 20

2.2.4 M ch H áp DC ạ ạ 21

2.2.5 Relay 4 kềnh 22

2.2.6 ESP8266 23

2.2.7 APP điềều khi n Inventor ể 26

2.3 Xây d ng h thồống ự ệ 27

2.3.1 S đôề t ng quan h thôếng ơ ổ ệ 27

2.3.2 S đôề khôếi h thôếng ơ ệ 28

2.3.3 Xầy d ng l u đôề thu t toán ự ư ậ 28

2.4.1 T o project ạ 29

2.4.2 Thiềết kềế giao di n ệ 32

2.4.3 Cài đ t th vi n Firebase ặ ư ệ 32

2.4.4 L p trình logic cho app điềều khi n ậ ể 33

2.5 Xây d ng database bằềng Firebase ự 34

2.5.1 T o project ạ 34

2.5.2 Cài đ t biềến và ki u d li u ặ ể ữ ệ 35

2.5.3 Cài đ t mã b o m t ặ ả ậ 36

2.6 L p trình điềều khi n trền Arduino IDE ậ ể 36

2.6.1 T o project ạ 36

2.6.2 Cài đ t các th vi n cho ESP8266 ặ ư ệ 36

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM 39

3.1 Kềốt qu ho t đ ng t ng quan c a h thồống ả ạ ộ ổ ủ ệ 39

3.2 Ch c nằng c m biềốn ứ ả 39

3.3 Chức năng khử khuẩn 40

3.4 Mô hình hoàn thiện 40

PHỤ LỤC 41

1 Code lập trình cho ESP8266 41

2.Code l p trình cho MIT app Inventor ậ 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

DANH MỤC HÌNH VẼ

HÌNH 1.1 KHUNG CẢ PHƠI QUẦN ÁO KHU CHUNG CƯ 9

HÌNH 1.2 PHƠI QUẦN ÁO TẠM BỢ 9

HÌNH 1.3 MÔ HÌNH GIÀN PHƠI QUAY TAY 10

HÌNH 1.4 MÔ HÌNH GIÀN PHƠI BẤM ĐIỆN 10

HÌNH 1.5 MÔ HÌNH GIÀN PHƠI ĐIỀU KHIỂN TỪ XA 10

HÌNH 1.6 VI ĐIỀU KHIỂN ESP8266 11

HÌNH 1.7 ARDUINO IDE 12

HÌNH 1.8 TRUYỀN THÔNG THÔNG QUA KẾT NỐI WIFI 12

HÌNH 1.9 APP TRÊN HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID 12

HÌNH 1.10 KHỬ KHUẨN SỬ DỤNG TIA UV 13

HÌNH 1.11 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM DHT11 13

HÌNH 1.12 TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO NHỮNG SẢN PHẨM THÔNG MINH 14

HÌNH 1.13 CÔNG NGHỆ IOT (INTERNET OF THINGS) 14

HÌNH 1.14 CƠ SỞ DỮ LIỆU FIREBASE 14

HÌNH 1.15 XÂY DỰNG ỨNG DỤNG SỬ DỤNG MIT APP INVENTOR 15

HÌNH 1.16 SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT CỦA HỆ THỐNG 15

HÌNH 2.1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA HỆ THỐNG 16

HÌNH 2.2: CẢM BIẾN DHT11 16

HÌNH 2.3 CHÂN KẾT NỐI CỦA CẢM BIẾN DHT11 17

HÌNH 2.4 SƠ ĐỒ KẾT NỐI 18

HÌNH 2.5 QUẠT HÚT TẢN NHIỆT 18

HÌNH 2.6 THÔNG SỐ KĨ THUẬT VI ĐIỀU KHIỂN ESP8266 19

HÌNH 2.7 SƠ ĐỒ CHÂN ESP8266 20

HÌNH 2.8 SƠ ĐỒ TRUYỀN THÔNG INTERNET THÔNG QUA TCP/IP 21

HÌNH 2.9 APP INVENTOR 22

HÌNH 2.10 SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT QUAN CỦA HỆ THỐNG 22

HÌNH 2.11 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÀN PHƠI THÔNG MINH23 HÌNH 2.12 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN CỦA HỆ THỐNG 24

HÌNH 2.13 GIAO DIỆN WEB MIT APP INVENTOR 25

HÌNH 2.14 25

HÌNH 2.14 ĐẶT TÊN CHO PROJECT 26

HÌNH 2.15 GIAO DIỆN THIẾT KẾ APP ĐIỀU KHIỂN 26

HÌNH 2.16 THIẾT KẾ GIAO DIỆN APP 27

HÌNH 2.17 THÊM THƯ VIỆN FIREBASE 27

HÌNH 2.17 CÀI ĐẶT THƯ VIỆN FIREBASE 27

HÌNH 2.19 LẬP TRÌNH TƯƠNG TÁC GIAO DIỆN APP 29

HÌNH 2.20 ĐẶT TÊN CHO PROJECT 30

HÌNH 2.21 TẠO CÁC BIẾN LƯU TRỮ VÀ ĐẶT KIỂU DỮ LIỆU 30

HÌNH 2.22 LẤY MÃ BẢO MẬT TỪ FIREBASE 31

CHƯƠNG 1 PHÂN TÍCH VÀ YÊU CẦU HỆ THỐNG

1.1 Giới thiệu về giàn phơi đồ thông minh

Trong bối cảnh xã hội Việt Nam ngày nay, sự bùng nổ về dân số và đờisống người dân ngày càng tăng lên mà diện tích đất thì cố định, nó không thể tăng lên theo sự tăng dân số này Chính vì vậy, các tòa nhà cao tầng, các khu chung cư hình thành Các tòa nhà chung cư xuất hiện ngày càng nhiều, giúp cho người dân có thêm nơi cư trú Nhưng cũng chính từ đây mà kéo theo không ít các vấn đề, đặc biệt là trong sinh hoạt cá nhân Vì không gian sinh hoạt của một căn hộ chung cư không phải là nhiều, với một gia đình căn bản của Việt Nam gồm 4 thành viên thì phải tận dụng không gian thật hiệu quả mới có thể sinh hoạt một cách tốt được Những hoạt động sinh hoạt cá nhân, đặc biệt là việc phơi quần áo đã trở thành một trong những vấn đề khó khăn đối với nhiều hộ gia đình Họ tận dụng tốt đa không gian để thực hiện việc này, nhưng xem như có vẻ không hiệu quả lắm Ta cóthể thấy cảnh người dân ở các khu chung cư phơi quần áo như thể nào ở Hình 1.1 Không gian sinh hoạt bị chiếm khá lớn cho việc phơi quần áo, tạo

ra khung cảnh xấu cho khu đô thị Chưa kể nhiều hộ gia đình còn không có

cả nơi để phơi quần áo, họ phải phơi ở những chỗ tạm bợ (Hình 1.2), nơi ít gió và ánh sáng, điều này làm cho quần áo trở nên ẩm mốc và gây khó chịucho người mặc

Hình 1.1 Khung cả phơi quần áo

khu chung cư

Hình 1.2 Phơi quần áo tạm bợ

Trước vấn đề cấp thiết đó và với tiềm năng lớn của nhu cầu thị trường,

nâng cấp thành nhiều loại khác nhau Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu về các loại giàn phơi hiện có trên thị trường.

Trên thị trường hiện nay có 3 loại giàn phơi chủ yếu: giàn phơi quay tay, giàn phơi bấm điện và giàn phơi điều khiển từ xa Dưới đây là mô hình

3 loại dàn phơi:

Hình 1.3 Mô hình giàn phơi quay tay

Đây là sản phẩm được sử dụng rộng rãi nhất trên thị trường vì nó đáp ứng được những yêu cầu cơ bản nhất của người sử dụng đồng thời giá thành rẻ là yếu tố ảnh hưởng nhất đến việc nhiều người sử dụng sản phẩm này

Hình 1.4 Mô hình giàn phơi bấm điện

Với giá thành rơi vào khoảng 4 đến 5 triệu đồng, đồng thời kết cấu kháđơn giản, vận hành dễ dàng nên giàn phơi bấm điện cũng tương đối phổ biến trên thị trường nhưng vẫn không bằng giàn phơi quay tay

Hình 1.5 Mô hình giàn phơi điều khiển từ xa

Loại giàn phơi này được xem là loại giàn phơi cao cấp nhất trên thị trường hiện nay Nó đem lại rất nhiều tính năng hữu ích cho người sử dụng Tuy nhiên, vì giá thành quá cao nên vẫn chưa được nhiều người sử dụng

 Đề xuất cải tiến hệ thống giàn phơi thông minh

Dựa trên những tìm hiểu về các hệ thống giàn phơi hiện có trên thị trường, chúng em đưa ra ý tưởng để cải tiến giàn phơi thông minh như sau :

- Giàn phơi có thể tạo chuyển động của các móc quần áo quay tròn giúpquá trình tiếp nhận ánh sáng, nhiệt và các tia khử khuẩn một cách đồng đều

- Hệ thống có bộ cấp nhiệt và gió giúp tăng tốc độ làm khô khi cần thiết

- Hệ thống sử dụng đèn chứa tia UV giúp khử khuẩn

- Hệ thống có khả năng kiểm soát được mức độ ẩm nhận biết được thời điểm khô để có thể tác động thu quần áo

Ngoài chế độ tự động, người dùng có thể điều khiển phơi, thu bằng taythông qua hệ thống nút nhấn điều khiển phơi hoặc thu

1.2 Các giải pháp công nghệ áp dụng cho hệ thống

1.2.1 Giải pháp điều khiển

- Sử dụng ESP8266 làm bộ điều khiển chính với khả năng truyền thông internet thông qua kết nối wifi tiêu cuẩn 802.11b hoạt động tại băng tần 2,4 Ghz

Hình 1.6 Vi điều khiển ESP8266

- Phần lập trình sử dụng ngôn ngữ C/C++ cho phần mềm lập trình ARDUINO IDE để điều khiển chương trình chính

Hình 1.7 Arduino Ide

- Kết nối truyền thông internet thông qua wifi

Hình 1.8 Truyền thông thông qua kết nối wif

- Sử dụng app điều khiển với quyển quản trị chính cho hệ thống

Hình 1.9 App trên hệ điều hành Android

1.2.2 Giải pháp công nghệ và truyền thông

- Ứng dựng tia khử khuẩn UV vào quá trình phơi sấy quần áo giảm thiểu tối đa vi khuẩn gây hại

Hình 1.10 Khử khuẩn sử dụng tia UV

- Tích hợp cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm chuyên dụng đã có trên thị trường sử dụng giám sát cho hệ thống

Hình 1.11 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11

- Đưa ra thuật toán tối ưu tiết kiệm năng lượng trong quá trình hoạt động.

Hình 1.12 Tiết kiệm năng lượng cho những sản phẩm thông minh

- Sử dụng công nghệ IoT cho hệ thống sử dụng điều khiển thông qua app trên smartphone

Hình 1.13 Công nghệ IoT (Internet of things)

- Sử dụng cơ sở dữ liệu được dựng sẵn Firebase

Hình 1.14 Cơ sở dữ liệu Firebase

- Xây dựng app mobile thông qua MIT app Inventor

Hình 1.15 Xây dựng ứng dụng sử dụng MIT app Inventor

1.2.3 Cơ sở hạ tầng

Sơ đồ tổng quát hệ thống:

Hình 1.16 Sơ đồ tổng quát của hệ thống

Hệ thống sử dụng mô hình điều khiển có phản hồi thông qua cảm biến đặt ngoài môi trường và vị trí luồng không khí ra của hệ thống quạt hút Từ

đó, ta có thể ước lượng được mức độ khô của quần áo trên giàn phơi

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG

2.1 Thiết kế mô hình nguyên lý

Mô hình tổng quát của hệ thống bao gồm:

Các thiết bị đầu ra:

2.2 Lựa chọn thiết bị

2.2.1 Lựa chọn cảm biến

Hình 2.2: Cảm biến DHT11

Cấu tạo cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11:

Cảm biến DHT11 bao gồm một phần tử cảm biến độ ẩm điện dung và một điện trở nhiệt để cảm nhận nhiệt độ Tụ điện cảm biến độ ẩm có hai điện cực với chất nền giữ ẩm làm chất điện môi giữa chúng Thay đổi giá trị điện dung xảy ra với sự thay đổi của các mức độ ẩm IC đo, xử lý các giá trị điện trở đã thay đổi này và chuyển chúng thành dạng kỹ thuật số

Để đo nhiệt độ, cảm biến này sử dụng một nhiệt điện trở có hệ số nhiệt độ âm, làm giảm giá trị điện trở của nó khi nhiệt độ tăng Để có được giá trị điện trở lớn hơn ngay cả đối với sự thay đổi nhỏ nhất của nhiệt độ, cảm biến này thường được làm bằng gốm bán dẫn hoặc polymer

Sơ đồ chân DHT11:

Số

chân Tên chân Mô tả

1 Vcc Nguồn 3.5V đến 5.5V

2 Data liệu nối tiếpĐầu ra cả nhiệt độ và độ ẩm thông qua dữ

3 NC Không có kết nối và do đó không sử dụng

4 Ground Nối đất

Hình 2.3 Chân kết nối của cảm biến DHT11

Tính năng:

Cảm Biến Nhiệt Độ Và Độ Ẩm DHT11 là cảm biến rất thông dụng hiện nay vì chi phí rẻ và rất dễ lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1 wire (giao tiếp digital 1 dây truyền dữ liệu duy nhất) Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp trong cảm biến giúp bạn có được dữ liệu chính xác mà không phải qua bất kỳ tínhtoán nào So với cảm biến đời mới hơn là DHT22 thì DHT11 cho khoảng đo

- Phạm vi cảm biến nhiệt độ: 0°C ~ 50°C, sai số ±2°C

- Tần số lấy mẫu tối đa: 1Hz (1 giây 1 lần)

- Kích thước: 23 * 12 * 5 mm

Sơ đồ kết nối:

Hình 2.4 Sơ đồ kết nối

2.2.2 Quạt tản nhiệt

Hình 2.5 Quạt hút tản nhiệt Quạt tản nhiệt 12VDC 8x8 cm - 3 W.

2.2.4 Mạch Hạ áp DC

Hình 2.10 Mạch hạ áp DC

Thông số kĩ thuật của mạch hạ áp dc-dc:

- Điện áp đầu vào: 4V-35V

- điện áp đầu ra: 1.23V-30V

- Dòng đầu ra: 3A (max)

- Hiệu suất chuyển đổi: 92% (tối đa)

- Tần số hoạt động: 150kHz

- Nhiệt độ hoạt động: -40 ℃ đến + 85 ℃

Sơ đồ kết nối chân

2.2.5 Relay 4 kênh

Thông số kỹ thuật

- Điện áp nuôi mạch: 12VDC

- Dòng tiêu thụ: khoảng 200mA/1RelayModule 4 Relay Kích H/L 12V

- Tín hiệu kích: High (12VDC) hoặc Low (0VDC) chọn bằng Jumper

- Relay trên mạch:

Nguồn nuôi: 12VDC

Tiếp điểm đóng ngắt max: 250VAC-10A hoặc 30VDC-10A

2.2.6 ESP8266

a) Các tính năng của chip ESP8266 bao gồm:

- ESP8266 là một vi xử lý được thiết kế bởi Espressif System tích hợp sẵn wifi Có nhiều loại board được thiết kế sử dụng vi xử lý ESP8266

Sự khác nhau của các loại board là số lượng các GPIO (GPIO là các cổng được sử dụng cho input hoặc output)

- Đây là một board rất hữu dụng để mọi người có thể có những bước tiếp cận tốt thất đến thế giới IOT- Internet Of Things

- Trên thị trường có rất nhiều các bo Esp8266 khác nhau, đến từ nhiều nhà sản xuất khác nhau Nó có thể đến từ Espressif System, hoặc cũng có thể đến từ Adafruit Huzzah, NodeMCU devkit, node.IT, SparkFun WiFi Shield – ESP8266 Về công dụng thì không có sự chênh lệch lớn

b) Thông số kĩ thuật:

Hình 2.6 Thông số kĩ thuật vi điều khiển Esp8266

c) Sơ đồ chân của module ESP8266:

NodeMCU có tổng cộng 13 chân GPIO tuy nhiên một số chân được dùng cho những mục đích quan trọng khác vì vậy chúng ta phải lưu ý khi sửdụng như sau:

Tất cả các GPIO đều có trở kéo lên nguồn bên trong (ngoại trừ GPIO16

có trở kéo xuống GND) Người dùng có thể cấu hình kích hoạt hoặc không kích hoạt trở kéo này

GPIO1 và GPIO3: hai GPIO này được nối với TX và RX của bộ UART0, NodeMCU nạp code thông qua bộ UART này nên tránh sử dụng 2 chân GPIO này

GPIO0, GPIO2, GPIO15: đây là các chân có nhiệm vụ cấu hình mode cho ESP8266 điều khiển quá trình nạp code nên bên trong NodeMCU (có tên gọi

là strapping pins) có các trở kéo để định sẵn mức logic cho chúng như sau: GPIO0: HIGH, GPIO2: HIGH, GPIO15: LOW Vì vậy khi muốn sử dụng các chânnày ở vai trò GPIO cần phải thiết kế một nguyên lý riêng để tránh xung đột đến quá trình nạp code Các bạn có thể tham khảo nguyên lý thiết kế mạch nạp ở bài viết này

d) Truyền thông

ESP8266 sử dụng giao thức TCP/IP để truyền thông dữ liệu qua internet, do được tích hợp sẵn bộ thu phát wifi băng tần 2,4 Ghz trên module chip

Giao thức TCP/IP được phát triển từ mạng ARPANET và Internet và được dùng như giao thức mạng và vận chuyển trên mạng Internet TCP

(Transmission Control Protocol) là giao thức thuộc tầng vận chuyển và IP (Internet Protocol) là giao thức thuộc tầng mạng của mô hình OSI Họ giao thức TCP/IP hiện nay là giao thức được sử dụng rộng rãi nhất để liên kết các máy tính và các mạng

Hiện nay các máy tính của hầu hết các mạng có thể sử dụng giao thức TCP/IP để liên kết với nhau thông qua nhiều hệ thống mạng với kỹ thuật