Được sự phân công của quý thầy cô khoa Kỹ Thuật Công Nghệ, trường Đại Học Tây Đô, sau gần ba tháng thực hiện em đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện từ xa thông qua mạng Internet trên phần mềm điện thoại thông minh”. Để hoàn thành nhiệm vụ được giao, ngoài sự học tập, nghiên cứu của bản thân còn có sự hướng dẫn tận tình của thầy cô. Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn thầy Th.s Đỗ Chí Tâm người đã hướng dẫn, chỉ bảo cho em trong suốt thời gian qua, để em có thể hoàn thành tốt được bài luận văn. Thầy đã định hướng, giúp đỡ cho em để em có thể hoàn thành tốt nhiệm vụ. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy và chúc thầy dồi dào sức khoẻ. Tuy nhiên, vì kiến thức chuyên môn còn hạn chế và bản thân còn thiếu nhiều kinh nghiệm thực tiễn nên nội dung của luận văn không tránh khỏi những thiếu xót, nên em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo thêm của quý thầy cô để luận văn này được hoàn thiện hơn. Một lần nữa em xin gửi đến quý thầy lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất.
Tình hình nghiên cứu ngoài nước liên quan tới đề tài
Thế giới đang trải qua sự chuyển mình mạnh mẽ với xu hướng "Internet of Things" (IoT), dự kiến đến năm 2021 sẽ có 28 tỷ thiết bị kết nối, trong đó có 15 tỷ thiết bị IoT, bao gồm các thiết bị M2M như đồng hồ đo thông minh và cảm biến Theo báo cáo của Ericsson Mobility Report, 13 tỷ thiết bị còn lại sẽ là điện thoại di động, máy tính xách tay và máy tính bảng IDC dự đoán toàn cầu sẽ chi 1.300 tỷ đô la Mỹ cho IoT vào năm 2019, trong khi Gartner dự đoán giá trị gia tăng từ IoT sẽ tiếp tục gia tăng vào năm 2020.
Theo McKinsey, đến năm 2025, Internet vạn vật (IoT) dự kiến sẽ đóng góp 11.000 tỉ đô la Mỹ vào nền kinh tế toàn cầu Đến năm 2021, số lượng thuê bao IoT dự kiến sẽ đạt 9,1 tỉ, vượt qua tổng dân số do mỗi người có thể sở hữu nhiều thiết bị kết nối Tổng giá trị của IoT vào năm 2023 được ước tính là 1.900 tỉ đô la Mỹ.
IoT đang phát triển mạnh mẽ, bao gồm cả các SIM/eSIM được tích hợp trong thiết bị và các thiết bị không cần SIM Hiện nay, 50% doanh nghiệp đã triển khai các dự án IoT, mở ra cơ hội doanh thu cho nhiều ngành Các giải pháp IoT đang được thương mại hóa nhanh chóng, đặc biệt trong các lĩnh vực như dịch vụ tiện ích, giao thông, tòa nhà thông minh và bán lẻ.
Tháng 2 vừa qua, IBM đã giới thiệu Quarks, một công cụ phát triển mã nguồn mở giúp các nhà sản xuất và lập trình viên phát triển ứng dụng hiệu quả hơn dựa trên dữ liệu từ cảm biến IoT Quarks, được xây dựng trên nền tảng IBM Streams, khác biệt ở chỗ cung cấp một công cụ mã nguồn mở cho việc xây dựng ứng dụng kết nối, nhằm xử lý dữ liệu trực tiếp từ thiết bị IoT một cách đơn giản và hiệu quả Tại CES 2016, Ericsson đã giới thiệu giải pháp Connected Water, giám sát chất lượng nước qua kết nối 4G/LTE và IoT, hợp tác với AT&T để bảo vệ sông Chattahoochee ở Atlanta Giải pháp này sử dụng cảm biến giá thành thấp để đo và ghi nhận dữ liệu thời gian thực, phục vụ cho hơn 4.000 người dân và 60.000 người sống quanh khu vực.
Trang 4 cung cấp các thông số quan trọng về chất lượng nước, bao gồm độ sạch và lượng kim loại nặng, được truyền liên tục qua đám mây và mạng di động thông qua công nghệ LTE Low Power Wide Area (LSWA) Các thiết bị này có tuổi thọ pin lâu dài, đảm bảo hiệu quả sử dụng, giúp chính quyền địa phương giám sát và có hành động kịp thời đối với các vấn đề ô nhiễm khi cần thiết.
Trên thế giới đã và đang nghiên cứu một số hệ thống, thiết bị đo nhiệt độ trong tất cả các lĩnh vực có thể kể đến như :
Atmel, nhà chế tạo chip vi điều khiển hàng đầu thế giới, vừa giới thiệu dòng chip đo nhiệt độ AT30TS750, sử dụng giao thức truyền thông số và tích hợp bộ nhớ EEPROM.
- Alfredo Milani Comparetti đã cho ra đời phần mềm Speedfan theo dõi điện áp, tốc độ quạt và nhiệt độ trong máy tính với màn hình phần cứng chip
- Tại Úc các nhà vật lý học thuộc Đại học Adelaide tuyên bố đã chế tạo thành công nhiệt kế chính xác nhất thế giới
Cypress Micro System đã phát triển công nghệ PSOC (Programmable System On Chip) nhằm tạo ra các thiết bị đo nhiệt độ tiên tiến dựa trên nền tảng này.
Tình hình nghiên cứu trong nước liên quan tới đề tài
Hiện nay, các nghiên cứu về thiết bị và bộ điều khiển từ xa qua Internet ngày càng phổ biến, nhưng hầu hết chỉ dừng lại ở mô hình chung mà chưa cụ thể hóa thiết bị Trình ứng dụng điều khiển chưa tối ưu, thiếu tính năng tương tác bằng giọng nói và thường không sử dụng mạng LAN cục bộ Đề tài này tập trung vào việc phát triển bộ điều khiển cụ thể, tối ưu hóa tính năng và thiết kế trình ứng dụng điều khiển dành cho Smartphone, giúp dễ dàng quản lý, tương tác và cài đặt các thông số Bộ điều khiển sử dụng mạng Wifi, loại mạng không dây phổ biến nhất hiện nay.
Các công trình nghiên cứu tại Việt Nam như:
Ứng dụng Inernet Of Things xây dựng ngôi nhà thông minh của Đại học Hàng hải Việt Nam
Ứng dụng hệ thống Inernet Of Things xây dựng hệ thống đèn chiếu sáng thông minh của Đại học Duy Tân
Nghiên cứu ứng dụng công nghệ iot cho giám sát môi trường của Đại học Quốc gia Hà Nội
Viện Chiến lược và Chính sách KH&CN đang nghiên cứu khả năng và định hướng phát triển Internet kết nối vạn vật (IoT) trên toàn cầu.
Danh mục các công trình đã công bố thuộc lĩnh vực của đề tài của chủ nhiệm và những thành viên tham gia nghiên cứu:
Ứng dụng Internet of Things (IoT) trong việc xây dựng ngôi nhà thông minh tại Đại học Hàng hải Việt Nam đã được nghiên cứu bởi các tác giả Nguyễn Văn Thắng, Phạm Trung Minh, Nguyễn Cảnh Toàn và Nguyễn Trọng Đức Bài báo này được đăng tải trên Tạp chí khoa học Hàng hải, cung cấp cái nhìn sâu sắc về tiềm năng và ứng dụng của IoT trong việc cải thiện cuộc sống hàng ngày.
Hệ thống Internet of Things (IoT) được ứng dụng để phát triển hệ thống đèn chiếu sáng thông minh tại Đại học Duy Tân Các tác giả Lê Minh Hải, Phan Vũ Đình Nguyên và Trương Quốc Dũng đã thực hiện nghiên cứu này nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và tạo ra môi trường học tập hiện đại.
Nghiên cứu của Phạm Minh Tuấn, Phạm Thượng Cát và Trần Đức Minh tại Viện Công nghệ Thông Tin, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam tập trung vào việc thiết kế và chế tạo hệ thống đo giám sát nhiệt độ và độ ẩm cho các kho nông lâm sản, nhằm đáp ứng yêu cầu trong môi trường khắc nghiệt.
Tính cấp thiết của đề tài
Hạn chế các công trình đã có:
Các công trình nghiên cứu trước, bộ điều khiển không cho phép người dùng điều khiển từ xa ngoài mạng cục bộ
Trình điều khiển chưa thông minh, hổ trợ ít thiết bị điện
Chưa gửi được thông tin trạng thái thiết bị (bật hay tắt) lên ứng dụng của người dùng
Sự cần thiết của đề tài là phát triển một bộ điều khiển thông minh, cho phép người dùng dễ dàng kiểm soát và theo dõi trạng thái hoạt động của thiết bị điện trong nhà từ xa qua Internet, đồng thời hỗ trợ nhiều thiết bị smartphone truy cập và điều khiển cùng lúc.
Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu và phát triển một bộ điều khiển cho phép người dùng dễ dàng theo dõi và điều khiển trạng thái hoạt động của thiết bị điện trong nhà từ bất kỳ đâu có kết nối Internet.
Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu và thiết kế thành công bộ điều khiển từ xa có khả năng:
Điều khiển các thiết bị điện như đèn, máy quạt, TV, máy điều hòa…v.v
Điều khiển đa dạng phù hợp với nhiều người dùng
Điều khiển từ xa qua mạng Internet, bất cứ ở nơi nào có Internet
Thông báo trạng thái thiết bị điện qua phần mềm trên điện thoại Android
Hẹn giờ bật tắt thiết bị
Đo nhiệt độ và độ ẩm và hiển thị lên màn hình và Smartphone.
Nhiệm vụ nghiên cứu
Để thực hiện thành công đề tài “THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TỪ
Trong nghiên cứu "XA THÔNG QUA MẠNG INTERNET TRÊN PHẦN MỀM ĐIỆN THOẠI THÔNG MINH", tác giả đã dành nhiều thời gian và công sức để tìm hiểu nguyên tắc hoạt động của các thiết bị, đồng thời tham khảo các cơ sở lý thuyết và những đề tài liên quan.
Trong phạm vi đề tài, người nghiên cứu thực hiện các nhiệm vụ sau đây:
Tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của các hệ thống hiện có
Đọc kỹ các tài hiệu liên quan về mạch điện tử và am hiểu về Vi điều khiển
Vẽ và thiết kế mạch nguyên lý trên lý thuyết, mô phỏng trên phần mềm Proteus
Vẽ mạch PCB và thi công mạch thực tế, chạy thử và khắc phục khuyết điểm, sau đó cho ra sản phẩm hoàn thiện nhất.
Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm:
Nghiên cứu cách tạo App trên Smartphone
Tìm hiểu và xây dựng chương trình đọc dữ liệu từ các cảm biến như: cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến ánh sáng
Xây dựng chương trình điều khiển kết hợp điều khiển thiết bị bằng Remote, nút nhấn vật lý và Smartphone
Tìm hiểu cách cài đặt, sử dụng ứng dụng Blynk trên Smartphone
Tìm hiểu Module Wifi ESP8266 và cách xây dựng chương trình
Xây dựng chương trình truyền và nhận dữ liệu giữa vi điều khiển và Sever
Nghiên cứu và xây dựng chương trình chính cho bộ điều khiển
Vẽ sơ đồ nguyên lý, mạch PCB, thi công ráp mạch cho bộ điều khiển
Kiểm nghiệm hoạt động của bộ điều khiển ngoài thực tế.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu tài liệu
Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến đề tài như:
Các giáo trình lý thuyết như: Mạch điện tử, Điện tử công nghiệp, Kỹ thuật vi xử lý…
Các sơ đồ nguyên lý có liên quan đến đề tài
Tham khảo các đề tài trên web, sách, tài liệu liên quan chuyên ngành.
Phương pháp nghiên cứu thực tiễn
Tham khảo các ý kiến của các thầy cô giáo chuyên ngành
Học hỏi các kinh nghiệm của những người đi trước
Lấy kinh nghiệm trong suốt quá trình học tại trường.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Sơ lược về vi điều khiển
Vi điều khiển là một máy tính tích hợp trên một chip, thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử Nó bao gồm một vi xử lý có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp, kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các module vào ra, và các module biến đổi số sang tương tự và ngược lại Khác với các bộ vi xử lý đa năng dùng trong máy tính, vi điều khiển thường có cấu trúc đơn giản hơn với các mô đun được xây dựng trên chip và mạch ngoài.
Vi điều khiển là thành phần quan trọng trong việc xây dựng các hệ thống nhúng, thường được ứng dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị điện tử như máy giặt, lò vi sóng, điện thoại, đầu đọc DVD, và các thiết bị đa phương tiện, cũng như trong dây chuyền tự động.
Các vi điều khiển thông dụng:
Họ vi điều khiển AMCC, sản xuất bởi tập đoàn "Applied Micro Circuits Corporation", được phát triển và tung ra thị trường bởi IBM từ tháng 5 năm 2004 Các sản phẩm bao gồm: 403 PowerPC CPU, PPC 403GCX, 405 PowerPC CPU, PPC 405EP, PPC 405GP/CR, PPC 405GPr, PPC NPe405H/L, 440 PowerPC Book-E CPU, PPC 440GP, PPC 440GX, PPC 440EP/EPx/GRx, và PPC 440SP/Spe.
Họ vi điều khiển Atmel:
+ Dòng Atmel AT91 (Kiến trúc ARM THUMB)
+ Dòng AT90, Tiny & Mega – AVR (Atmel Norway design)
+ Dòng Atmel AT89 (Kiến trúc Intel 8051/MCS51)
Họ vi điều khiển Cypress MicroSystems: CY8C2xxxx (PSoC)
Họ vi điều khiển Freescale Semiconductor Từ năm 2004, những vi điều khiển này được phát triển và tung ra thị trường bởi Motorola:
+ Dòng 8-bit: 68HC05 (CPU05), 68HC08 (CPU08), 68HC11 (CPU11)
+ Dòng 16-bit: 68HC12 (CPU12), 68HC16 (CPU16), Freescale DSP56800 (DSPcontroller)
+ Dòng 32-bit: Freescale 683XX (CPU32), MPC500, MPC 860 (PowerQUICC), MPC 8240/8250 (PowerQUICC II), MPC 8540/8555/8560 (PowerQUICC III) + Họ vi điều khiển Fujitsu: F²MC Family (8/16 bit), FR Family (32 bit), FR-V
Họ vi điều khiển Intel
+ Dòng 8-bit: 8XC42, MCS48, MCS51, 8061, 8xC251
Vi điều khiển dùng trong đề tài: ESP8266
ESP8266 là một wifi SOC (system on a chip) do Espressif Systems phát triển, nổi bật với kích thước nhỏ gọn và giá thành phải chăng (khoảng 2$) Thiết bị này tích hợp đầy đủ tính năng internet, trở thành lựa chọn lý tưởng cho các dự án IoT, thiết bị cầm tay và ứng dụng di động.
ESP8266 là dòng chip Low-power và là một wifi SOC nên cần rất ít linh kiện ngoài (tầm 7 thành phần) Hoạt động trong dãi nhiệt -40°C to +125°C
32-bit RISC CPU: Tensilica Xtensa LX106 hoạt động với 80 MHz*
64 KiB instruction RAM, 96 KiB data RAM
QSPI flash ngoài – 512 KiB – 4 MiB* (có thể lên tới 16 MiB)
Tích hợpTR switch, balun, LNA, power amplifier và matching network
WEP hoặc WPA/WPA2 authentication, open networks
I2S interfaces với DMA (dùng chung với GPIO)
Mạch tích cực ở High Level
ESP8266EX là một chip Wifi tích hợp nổi bật trong ngành công nghiệp, với kích thước nhỏ gọn chỉ 5mm x 5mm, giúp giảm thiểu số lượng linh kiện cần thiết để hỗ trợ.
Trang 10 ngoài ESP8266EX được tích hợp 32-bit Tensilica MCU, các ngoại vi cơ bản, antenna switches, RF balun, khuếch đại công suất, khuếch đại nhận nhiễu thấp (low noise), bộ lọc và các modules quản lý nguồn
The ESP8266EX features a Tensilica L106 32-bit microcontroller (MCU) that is a low-power, 16-bit RISC chip with a maximum clock speed of 160 MHz When the system operates with a Real-Time Operating System (RTOS) and a Wi-Fi stack, it provides approximately 80% processing capability for user applications.
ESP8266EX là một giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng di động, thiết bị điện tử cầm tay và Internet of Things (IoT) nhờ vào mức tiêu thụ năng lượng rất thấp và công nghệ độc quyền Với ba chế độ hoạt động – active mode, sleep mode và deep sleep mode, ESP8266EX cho phép phát triển các thiết bị có thời lượng pin ấn tượng.
Là thiết kế bền vững
ESP8266EX hoạt động hiệu quả trong dãi nhiệt từ -40°C đến +125°C, phù hợp cho môi trường công nghiệp Với mức độ tích hợp cao, chip này yêu cầu rất ít linh kiện bên ngoài, từ đó nâng cao độ tin cậy, sự chặt chẽ và ổn định trong quá trình vận hành.
Module ESP được thiết kế với các thành phần như bộ nhớ flash, anten và đèn LED Có nhiều phiên bản khác nhau của module này, bao gồm ESP-01, ESP-02, ESP-03, trong đó ESP-12 là phiên bản phổ biến nhất.
Hình 3: Sơ đồ chân ESP-12
Chức năng của từng chân:
+ VCC: là nguồn cung cấp từ 3.3v đến 3.6v
+ TXD: là chân truyền dữ liệu (ở mức 3.3v)
+ RXD: là chân nhận dữ liệu (ở mức 3.3v)
+ CH_PD: chân kích hoạt chế độ ngủ cho Vi điều khiển (kích ở mức thấp) + GPIO + mã số: Các chân I/O của Vi điều khiển
Thiết lập phần cứng với Module ESP8266
+ Thiết lập thêm một số linh kiện để module có thể hoạt động được
+ Đầu tiên, cần cấp nguồn cho chip Dòng chip này hoạt động ở 3.3V, phải cẩn thận nếu kết nối ESP8266 với các thiết bị 5V
+ Tiếp theo, cần 1 Module USB to TTL (USB-UART) để nạp chip Kêt nối chân
TX và RX của module USB-UART với chân RX và TX của ESP8266
Chân GPIO 2 cần được đặt ở mức cao khi khởi động, trong khi chân GPIO 0 phải ở mức thấp trong quá trình tải chương trình mới và ở mức cao khi khởi động Đối với Model ESP-12, chân GPIO 15 nên ở mức thấp khi khởi động Các kết nối nên sử dụng điện trở, với giá trị 2.2K được khuyến nghị Cuối cùng, chân CH_PD (chip-enable) nên luôn được giữ ở mức cao.
+ Mắc 1 nút reset module cho tiện trong lúc thao tác với module
Chúng ta có mạch như sau:
Hình 4: Cách lắp mạch trên Breadboard
Trong đề tài, bộ điều khiển đã sử dụng Module Node MCU ESP 8266 có tích hợp sẵn cách mạch để hoạt động và nạp chương trình
Hình 5: Hình ảnh thực tế Module Node MCU ESP 8266
Sơ đồ nguyên lý Module ESP-12 NodeMCU
Hình 6: Sơ đồ nguyên lý Module ESP8266- Node MCU
ESP8266 được hỗ trợ bởi chương trình Arduino IDE
Hình 7: Giao diện chương trình Arduino IDE
Lý do chính cho việc sử dụng Arduino IDE cho ESP8266 thay cho SDK của Espressif là vì nó đơn giản và có tính cộng đồng lớn
To program the ESP8266 using the Arduino IDE, you need to add an extension Navigate to File > Preferences, and in the Additional Boards Manager URLs, enter the URL for the ESP8266 package: http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json However, please note that the URL may currently be inaccessible, resulting in a 404 Client Error: Not Found.
Hình 8: Thêm một Extension vào Arduino IDE
Sau đó vào Tools > Board và mở Boards Manager Tìm ESP8266 (ESP8266 community) và Install nó
Hình 9: Tìm và cài đặt Board ESP8266 vào Arduino IDE
Vào Tools > Board và chọn board tương ứng (NodeMCU 1.0 (ESP-12E Module) nếu đang sử dụng Module ESP8266 NodeMCU)
Hình 10: Chọn board tương ứng để lập trình và nạp chương trình
Bây giờ, bạn có thể bắt đầu tải lên chương trình đầu tiên Hãy chọn một chương trình đơn giản như Blink từ File > Examples và thực hiện việc tải lên để đảm bảo rằng mọi thiết lập đã được hoàn tất.
Hình 11: Chạy thử một ví dụ có sẵn
Việc upload mất khoảng một lúc để hoàn thành, khi nạp xong cửa sổ dưới sẽ như thế này:
Hình 12: Quá trình nạp chương trình của phần mềm Arduino IDE
Nguồn xung AC - DC 5VDC - 2A
Mạch nguồn xung AC-DC 5VDC 2A chuyển đổi nguồn xoay chiều 220 VAC thành 5 VDC với công suất tối đa 10W, phù hợp để cấp điện cho thiết bị Sản phẩm được làm từ linh kiện chất lượng cao và có độ bền vượt trội Thiết kế mạch sử dụng biến áp xung cách ly AC/DC cùng với các cơ chế bảo vệ hồi tiếp và chống nhiễu, đảm bảo an toàn và ổn định tối đa, mang lại độ tin cậy cao cho người sử dụng.
- Điện áp ngõ vào: 100 ~ 240 VAC
- Dòng ngõ vào: 0.0273A (110VAC) / 0.014A (AC220VAC)
- Điện áp ngõ ra: 5 VDC (sai số 1%)
- Dòng ngõ ra trung bình: 2000 mA
Mạch nguồn xung AC - DC 5VDC 2A dùng để cung cấp nguồn 5 VDC cho các thiết bị sử dụng nguồn 5 VDC có công suất