(Tiểu luận) 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 củaban 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 n

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

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

(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

GIÁO VIÊN CHẤM

(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 củaban 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 TăngCẩm 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 năm2021

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 ớthi uệvềề giàn ph ơiđồề thồng minh 10

1.2 Các giải pháp cồng nghệ áp dụng cho hệ thồống 12

1.2.1 Gi iảpháp điềều khiển 12

1.2.2 Gi iảpháp công ngh ệvà truyềền thông 13

1.2.3 C ơs ởh ạtầềng 16

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG 16

2.1 Thiềốt ềốkmồ hình nguyền lý 16

2.2 Lựa chọn thiềốt bị 17

2.2.1 Lựa chọn cảm biềến 17

2.2.2 Quạt tản nhiệt 19

2.2.3 Chọn động cơ 20

2.2.4 Mạch Hạ áp DC 21

2.2.5 Relay 4 kềnh 22

2.2.6 ESP8266 23

2.2.7 APP điềều khiển Inventor 26

2.3 Xây dựng hệ thồống 27

2.3.1 S ơđôề tổng quan hệ thôếng 27

2.3.2 S ơđôề khôếi hệ thôếng 28

2.3.3 Xầy d ựng l ưu đôề thuật toán 28

2.4 Xây d ngự app điềều khi nể bằềng MIT app Inventor 29

2.4.1 Tạo project 29

2.4.2 Thiềết ềếk giao dinệ 32

2.4.3 Cài đặt thư viện Firebase 32

2.4.4 L pậ trình logic cho app điềều khiển 33

2.5 Xây d ựng database bằềng Firebase 34

2.5.1 Tạo project 34

2.5.2 Cài đặt biềến và kiuể dữ liệu 35

2.5.3 Cài đặt mã bảo mật 36

2.6 L pậ trình điềều khiển trền Arduino IDE 36

2.6.1 Tạo project 36

2.6.2 Cài đặt các thư viện cho ESP8266 36

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM 39

3.1 Kềốt quả hoạt động tổng quan của hệ thồống 39

3.2 Chức nằng cảm biềốn 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 lập trình cho MIT app Inventor 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 đời sống 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 có thể 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 chịu cho người mặc

Hình 1.1 Khung cả phơi quần áo Hình 1.2 Phơi quần áo tạm bợ khu

chung cư

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

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 khá đơn 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 giúp quá 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 tay

thông 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 sửdụng 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

Đầu ra cả nhiệt độ và độ ẩm thông qua dữ

liệu nối tiếp

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

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 tính toán nào So với cảm biến đời mới hơn là DHT22 thì DHT11 cho khoảng đo và độ chính xác kém hơn rất nhiều

Thông số kỹ thuật DHT11:

- Điện áp hoạt động: 3V - 5V DC

- Dòng điện tiêu thụ: 2.5mA

- Phạm vi cảm biến độ ẩm: 20% - 90% RH, sai số ±5%RH

- 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:

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 sử dụng 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 ESP8266điều khiển quá trình nạp code nên bên trong NodeMCU (có tên gọi là strapping pins) cócác trở kéo để định sẵn mức logic cho chúng như sau:

GPIO0: HIGH, GPIO2: HIGH, GPIO15: LOW Vì vậy khi muốn sử dụng các chân này 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

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

khác nhau Giao thức TCP/IP thực chất là một họ giao thức cho phép các hệ thống mạng cùng làm việc với nhau thông qua việc cung cấp phương tiện truyền thông liên mạng.

Hình 2.8 Sơ đồ truyền thông internet thông qua TCP/IP

2.2.7 APP điều khiển Inventor

App Inventor là một ứng dụng web mã nguồn mở được cung cấp bởi Google từtháng 7 năm 2010 Sau này, App Inventor được quản lý bởi Viện Công nghệ

Massachusetts hay còn gọi là MIT Đó cũng là lý do tại sao nó hay được gọi là MIT App Inventor

Về cơ bản, App Inventor sẽ hoạt động dựa trên nền tảng di động Android Tức

là các thành phẩm được tạo ra từ App Inventor sẽ chỉ hoạt động được trên Android Giao diện của App Inventor bao gồm các khối hộp, bên trong là các đoạn mã Khi sử dụng, người dùng sẽ kéo thả các khối này vào bảng mã để tiến hành lắp ghép thành một ứng dụng hoàn chỉnh Nhìn chung, cách sử dụng App Inventor rất đơn giản, tất cả chỉ xoay quanh thao tác kéo và thả thôi

Mục tiêu cốt lõi của MIT App Inventor là giúp đỡ những người chưa có kiến thức

về ngôn ngữ lập trình từ trước khả năng tạo ra những ứng dụng có ích trên hệ điều hành Android