Báo cáo bài tập lớn môn thiết bị điện thông minh đề tài thiết kế ổ cắm điện thông minh

Với mục đích có được kiến thức nền tảng của môn học, làm nền cho các dự án lớn hơn saunày như ngôi nhà thông minh, hay điều khiển trong công nghiệp sử dụng IOTs,.... Chương 1: Tổng quan

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

====o0o====

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN THIẾT BỊ

ĐIỆN THÔNG MINHTên đề tài:

Thiết kế ổ cắm điện thông minh

Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Việt AnhNhóm : 8

Sinh viên :

Lớp: EE6050.2

Năm 2022

Trần Văn Trương 2020608194Nguyễn Văn Quảng 2020605327Bùi Công Tuấn 2020605184Nguyễn Thành Vũ 2020605388Nguyễn Việt Hưng 2021606826

1 Trần Văn Trương 2020608194 Điện 4-K15

2 Nguyễn Văn Quảng 2019600218 Điện 6-K15

3 Bùi Công Tuấn 2019600129 Điện 6-K15

4 Nguyễn Thành Vũ 2019600462 Điện 6-K15

5 Nguyễn Việt Hưng 2019601017 Điện 8-K16

Giáo viên hướng dẫn :Nguyễn Việt Anh

NỘI DUNG

Đề tài: Thiết kế ổ cắm điện thông minh

Mục Lục

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ Ổ CẮM ĐIỆN THÔNG MINH

1.1 : Khái niệm về thiết bị thông minh

1.2 : Ổ cắm điện thông minh

1.3 : IoT

1.3.1 Khái niệm về IoT

1.3.2 Cấu trúc của IoT

1.4 : Giao tiếp thế giới thực

1.4.1 Khái niệm về WIFI

1.4.2 Khái niệm về Internet

1.5 Độ an toàn và tính bảo mật của ổ cắm điện thông minh

1.5.1 Độ an toàn

1.5.2 Tính bảo mật

CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ Ổ CẮM THÔNG MINH ĐIỀU KHIỂN BÓNG ĐÈN

2.1 Ứng dụng Blynk

2.2 Sơ đồ khối của mô hình

2.3 Nguyên lí hoạt động của mô hình

2.4 Tính toán thiết kế hệ thống điều khiển

2.4.1 Lựa chọn thiết bị có trong mô hình

2.4.2 Lưu đồ thuật toán

2.4.3 Chương trình nạp vào nodeMCU

2.4.4 Cài đặt và tạo giao diện trên app Blynk

CHƯƠNG 3 : MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM

3.1 Giới thiệu mô hình

3.2 Vận hành mô hình

3.2.1 Khi mô hình chưa hoạt động

3.2.2 Khi mô hình hoạt động

KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHẦN THUYẾT MINH

1 Tổng quan chung về thiết bị điện thông minh

2 Thiết kế ổ cắm điện thông minh

- Điều khiển thông qua Wifi – không giới hạn khoảng cách

- Điều khiển thông qua nút ấn

3 Xây dựng mô hình thực nghiệm

4 Đánh giá kết quả

Ngày giao đề tài: 03/10/2022 Ngày hoàn thành: 29/11/2022

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Nguyễn Việt Anh

Lời nói đầu

Trong những năm gần đây, IoT đang là một khái niệm quen thuộc, là câu

"cửa miệng" trong các hội thảo về khoa học công nghệ Việc ứng dụng IoT vàomọi mặt của đời sống đang trở nên vô cùng cấp bách và cần thiết Theo xu hướng

đó nhóm em quyết định chọn Đề tài: Thiết kế ổ cắm điện thông minh Với mục

đích có được kiến thức nền tảng của môn học, làm nền cho các dự án lớn hơn saunày như ngôi nhà thông minh, hay điều khiển trong công nghiệp sử dụng IOTs,

Ngoài việc hoàn thành báo cáo với những công việc trên thì nó còn có ýnghĩa sâu sắc đối với sinh viên thực hiện Một lần nữa sinh viên được thực hànhnhững kiến thức học được từ ghế nhà trường sẽ giúp hình thành những sản phẩmcông nghiệp, được sử dụng, cầm tay lắp những cảm biến mà từ trước chỉ nằm trêntrang giấy Trong quá trình tiến hành không thể không gặp những khó khăn vấpphải, Tuy nhiên do hạn chế về kinh nghiệm thực tế và thời gian thực hiện nên việcgiải quyết đề tài không thể tránh khỏi những thiếu sót Do đó rất mong sự chỉ bảothêm của thầy

Chương 1: Tổng quan về ổ cắm điện thông minh

1.1 Khái niệm về thiết bị thông minh

Thiết bị điện thông minh cho phép kết nối các thiết bị trong nhà với nhau đểtạo thành một mạng lưới thuận tiện cho việc giám sát, điều khiển từ xa và có khảnăng tự động xử lý và thông báo đến cho người dùng Đem lại sự an toàn, tiệnnghi và tiết kiệm

1.2 Ổ cắm điện thông minh

Ổ cắm thông minh là loại công tắc giúp người dùng có thể đóng/mở cácthiết bị điện như: Bóng đèn, quạt, thông qua thao tác cực kì đơn giản là chạmvào phím cảm ứng hoặc có thể điều khiển từ xa bằng điện thoại hay máy tínhbảng

Ổ cắm điện thông minh là thiết bị điện thông minh cho phép người sử dụng

có thể điều khiển, giám sát hoạt động đối tượng cần điều khiển bằng cách trực tiếphoặc gián tiếp thông qua wifi, bluetooth,…

Nguyên lí hoạt động

Ổ cắm điện có nguyên lý hoạt động tương đối đơn giản:

Hình 1.1 Công tắc thông minhHình 1 1: Ổ cắm thông minh

Bên trong ổ cắm điện thông minh được tích hợp một công tắc ( relay, triac,

…) để đóng cắt thông minh cho tải đầu ra ở ổ cắm

Khi chúng ta đóng công tắc: cực động sẽ tiếp xúc với cực tĩnh làm kín mạchcho dòng điện chạy qua và thiết bị sẽ hoạt động, gửi tín hiệu điến vi điều khiển

Khi cắt công tắc: cực động tách khỏi cực tĩnh làm hở mạch sẽ làm ngắt điệnkhỏi thiết bị, gửi tín hiệu đến vi điều khiển

Thiết lập nút ấn online trên các app để có thể điều khiển được thiết bịthông qua việc giao tiếp và đồng bộ dữ liệu của vi điều khiển

Ngoài ra, khi bạn ra khỏi nhà vẫn có thể điều khiển các thiết bị trong nhàđược, đây là đặc điểm mà rất nhiều người yêu thích và tin dùng

Ưu điểm:

- An toàn, chống rò rỉ điện

Ổ cắm thông minh hoàn toàn cách điện giúp hạn chế tối đa trường hợp chậpcháy, rò rỉ điện, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người sử dụng

Trong trường hợp có sự cố điện, bạn hoàn toàn có thể dùng điều khiển từ xa

để ngắt điện mà không cần dùng tay bấm/ gạt/ tút dây khỏi ổ trực tiếp như Ổ cắm

cơ truyền thống

- Điều khiển mọi lúc, mọi nơi

Với tính năng điều khiển từ xa, bạn sẽ không cần di chuyển đến tận nơi có ổcắm nhiều lần để bật/ tắt/ kết nối thiết bị Đặc biệt với những ai hay quên thì Ổcắm thông minh sẽ là giải pháp tối ưu

Những lúc ở xa nhà, bạn chỉ cần chạm vào màn hình điện thoại hoặc máytính bảng là có thể dễ dàng tắt các thiết bị không cần thiết Nhờ đó mà tiết kiệmđược điện năng đồng thời nâng cao tuổi thọ cho các thiết bị điện tử trong nhà.Ngoài ra bạn có thể chia sẻ thiết bị kết nối trong nhà giữa các thành viên trong giađình mà không cần kết nối một thiết bị nhiều lần

- Dễ lắp đặt, cài đặt, cấu hình thiết bị, bất cứ thợ điện hoặc người dùnghiểu cơ bản về điện đều có thể lắp đặt được

- Không cần phát sinh thêm bộ điều khiển trung tâm để chuyển ngôn ngữ

truyền thông sang router wifi.

- Không bị phụ thuộc vào bộ điều khiển trung tâm Khi bộ điều khiểntrung tâm hỏng hoặc mất kết nối, mọi công tắc vẫn hoạt động độc lập

- Không bị hiện tượng thắt nút cổ chai khi phát sinh lỗi

Nhược điểm: Giá thành khá cao.

Ứng dụng trong các nhà hàng, quán rượu, khách sạn: Dùng làm công tắccho các hệ thống chiếu sáng, hệ thống máy điều hòa, máy nóng lạnh Cho phépbạn kiểm tra và giám sát hoạt động của các thiết bị một cách dễ dàng Có thể ngắthoạt động của các thiết bị ở những phòng trống hay ở những khu vực cần thiếtkhác nhờ những cảm biến tự động hay điều khiển từ xa

Ứng dụng của Ổ cắm thông minh trong nông nghiệp: Dùng để bật tắt máytưới, máy sục khí hồ cá, soi sáng vườn tược, máy ấp,… một cách tự động

1.3 IoT

1.3.1 Khái niệm về IoT

IoT viết tắt Internet of Things là mạng lưới thiết bị kết nối Internet hayInternet kết nối vạn vật Trong đó toàn bộ vật dụng được tích hợp các bộ phậnđiện tử, phần mềm, cảm biến để trở nên thông minh hơn [1]

Hình 1 2: IoTs

Ứng dụng của IoT trong đời sống : các thiết bị trong nhà thông minh, thiết

bị theo dõi sức khỏe, thành phố thông minh hay là trang trại thông minh,…

IoT giúp việc theo dõi, điều khiển, truy cập, thu thập số liệu một cách chínhxác và nhanh chóng ở mọi lúc mọi nơi là xu hướng phát triển của thế giới

1.3.2 Cấu trúc của IoT

Cấu trúc của IoT gồm có 4 giai đoạn đó là: lớp cảm biến, lớp mạng, lớp xử lí dữ liệu và lớp thực thi thông minh

Lớp thực thi thông minh:

Đây là lớp cuối cùng của IoT, là nơi dữ liệu đã được xử lí sẽ ứng dụng vàocác mục đích như chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, chăn nuôi, nhà ở,…

Hình 1.3 Cấu trúc của IoT Hình 1 3: Cấu trúc của IoT

1.4 Giao tiếp thế giới thực

1.4.1 Khái niệm về WIFI

WIFI viết tắt của từ Wireless Fidelity là hệ thống mạng không dây sử dụngsóng vô tuyến, giống như điện thoại, truyền hình và radio

Hệ thống này đã được sử dụng rất phổ biến ở nhiều quốc gia vùng lãnh thổ,trong nhiều lĩnh vực khác nhau như kinh doanh, hộ gia đình, và các điểm phátWIFI công cộng

Hình 1 4: WifiCác sóng vô tuyến sử dụng cho WIFI gần giống với các sóng vô tuyến sửdụng cho các thiết bị như điện thoại, truyền hình, … nó có thể chuyển và nhậnsóng vô tuyến, chuyển đổi các mã nhị phân 1 và 0 sang sóng vô tuyến và ngượclại

Tuy nhiên, sóng Wifi có một số khác biệt so với các sóng vô tuyến khác ởchỗ:

- Chúng truyền và phát tín hiệu ở 2,4GHz, 5GHz, 60GHz, có thể thấy tần số nàycao hơn so với tần số được sử dụng trong điện thoại 50MHz và radio 100MHz.Chuẩn Wi-Fi 802.11:

- Chuẩn 802.11b là phiên bản đầu tiên trong lĩnh vực này Đây là một chuẩnchậm nhất và rẻ nhất, nên nó ít phổ biến hơn so với các chuẩn khác.

- Chuẩn 802.11n cũng phát ở tần số 2,4 GHz, nhưng nhanh hơn

- Chuẩn 802.11a, tốc độ xử lý đạt 300 megabit/s

- Chuẩn 802.11ac phát ở tần số 5 GHz

- Chuẩn 802.11ad phát ở tần số 60 GHz

1.4.2 Khái niệm về Internet

Internet là một hệ thống thông tin toàn cầu, có thể được truy nhập công

cộng gồm nhiều mạng máy tính được liên kết với nhau Hệ thống này sẽ truyền

thông tin theo kiểu chuyển gói dữ liệu (packet switching) dựa trên một giao thức liên mạng đã được chuẩn hóa (địa chỉ IP) Hệ thống này bao gồm hàng ngàn

mạng máy tính nhỏ của các doanh nghiệp, các viện nghiên cứu và các trường đạihọc hay của người dùng cá nhân

Chuyển gói dữ liệu (packet switching) là một loại kĩ thuật gửi dữ liệu từ

máy tính nguồn tới nơi nhận (máy tính đích) qua mạng dùng một loại giao thứcthoả mãn 3 điều kiện sau:

- Dữ liệu cần vận chuyển được chia nhỏ ra thành các gói có kích thước và địnhdạng xác định

- Mỗi gói như vậy sẽ được chuyển riêng rẽ và có thể đến nơi nhận bằng cácđường truyền khác nhau Như vậy, chúng có thể dịch chuyển trong cùng thờiđiểm

- Khi toàn bộ các gói dữ liệu đã đến nơi nhận thì chúng sẽ được hợp lại thành dữliệu ban đầu

Hình 1 5:Internet

Địa chỉ IP bất kỳ thiết bị mạng nào bao gồm bộ định tuyến, bộ chuyển

mạch mạng, máy vi tính, máy chủ hạ tầng, máy in, máy fax qua Internet, và vàiloại điện thoại tham gia vào mạng đều có địa chỉ riêng, và địa chỉ này là đơn nhấttrong phạm vi của một mạng cụ thể Vài địa chỉ IP có giá trị đơn nhất trong phạm

vi Internet toàn cầu, trong khi một số khác chỉ cần phải đơn nhất trong phạm vimột công ty

chạm tay trực tiếp vào ổ cắm để kết nối và bật tắt các thiết bị mà chỉ cần một cáichạm nhẹ trên smartphone hoặc có thể điều khiển bằng giọng nói.

Trong trường hợp bắt buộc phải chạm vào công tắc để tắt bật thiết bị thì khi

đó các nút công tắc thông minh cũng sẽ được làm bằng mặt kính cách điện cạnh

cổ cắm Do đó, bàn tay của người dùng sẽ không tiếp xúc trực tiếp với nguồnđiện, trách được rủi ro điện giật

Đặt mật khẩu mạnh sử dụng kí tự đặc biệt, số, chữ viết hoa để tăng tính bảomật cho hệ thống

Hình 2.1 Các nền tảng của Blynk Hình 2 1: Các nền tảng của Blynk

Chương 2: Thiết kế Ổ cắm thông minh điều khiển bóng đèn

2.1 Ứng dụng Blynk

Với đề tài về công tắc thông minh này, nhóm quyết định sẽ tạo ra 1 mô hìnhcông tắc thông minh với chức năng cơ bản là có thể điều khiển từ xa (qua appBlynk) và điều khiển trực tiếp bằng công tắc vật lý

Blynk là một phần mềm mã nguồn mở được thiết kế cho các ứng dụngIoT(Internet of Things) Ứng dụng giúp người dùng điều khiển phần cứng từ xa,

có thể hiển thị dữ liệu cảm biến, lưu trữ dữ liệu, biến đổi dữ liệu hoặc làm nhiềuviệc khác Nền tảng Blynk có ba phần chính:

- Blynk App – Ứng dụng Blynk cho phép khởi tạo giao diện cho các dự án

- Blynk Server – Chịu trách nhiệm giao tiếp qua lại hai chiều giữa điện thoại vàphần cứng

- Blynk Library – Thư viện chứa các nền tảng phổ biến, giúp việc giao tiếp phầncứng với Server dễ dàng hơn

2.2 Sơ đồ khối của mô hình

Hình 2 2: Sơ đồ khối

2.3 Nguyên lí hoạt động của mô hình

Module thu/phát wifi esp 8266 NodeMCU sẽ kết nối router wifi để gửi dữliệu đến Blynk server thông qua mã “auth token” nhận được Dữ liệu được gửi từmodule NodeMCU và app Blynk sẽ được đồng bộ Sau đó từ Blynk server,module NodeMCU sẽ đọc dữ liệu và điều khiển ON/OFF bóng đèn ( khi điềukhiển trên app Blynk) Còn app Blynk, từ Blynk server cũng sẽ đọc dữ liệu vàhiển thị trên app Blynk ( khi điều khiển bằng công tắc vật lý)

Vi điều khiển sẽ thực hiện chương trình đã được nạp vào từ trước đó để đưatín hiệu đầu ra tương ứng với các tín hiệu đầu vào, sau đó tín hiệu từ vi điều khiển

sẽ được đưa đến relay Relay có nhiệm vụ đóng cắt điện cho phụ tải

2.4 Tính toán thiết kế hệ thống điều khiển

2.4.1 Lựa chọn thiết bị có trong mô

Thông số kỹ thuật

 Module ESP 12F

- Phiên bản firmware: Node MCU

- Chip nạp và giao tiếp UART: CH340

- GPIO tương thích hoàn toàn với firmware - Node MCU

- Cấp nguồn: 3.3VDC

- GIPO giao tiếp mức 3.3VDC

- Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash

Hình 2.9 Mạch nguồn 5v 600mA

Hình 2.10 Transistor C1815

- Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino.

 Relay SDR chân 5v 10A

 - Length / Height, external: 22 mm

 - Material, contact: Silver alloy

Giá trị điện trở đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện của điện trở.Yêu cầu cơ bản đối với giá trị điện trở đó là ít thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm vàthời gian, Điện trở dẫn điện càng tốt thì giá trị của nó càng nhỏ và ngược lại

 Nút ấn 4 chân

Thông số kỹ thuật:

- Nút nhấn không giữ, sử dụng cho điều khiển mạch, reset,

- Sử dụng làm nút nguồn, nút nhấn trong các mạch điện tử

- Có 4 chân vuông

- Thường gọi nút nhấn con rùa

- Kích thước: 6x6x3mm

 Opto PC817

PC817 là một opto được sử dụng rất phổ biến, nó chứa một LED hồngngoại và một transistor quang trong một gói Opto hay còn được gọi là cách lyquang là những linh kiện dạng IC có từ 4 chân đến nhiều chân, chủ yếu được

sử dụng để cách ly hai mạch với nhau

Hoạt động của nó rất đơn giản, khi một điện áp được đặt vào LED hồngngoại được nối trên chân 1 và 2, LED sẽ được kích hoạt và ánh sáng được nhậnbởi transistor quang bên trong làm cho nó ở trạng thái bão hòa từ đó nối chân 3

và 4 với nhau PC817 là một opto được sử dụng rộng rãi và hoạt động trongmạch điện tử chỉ với nhiệm vụ cách ly Nếu bạn cần nhiều tác vụ cách ly hơncùng lúc thì bạn cũng có thể sử dụng các opto khác có chứa vài LED hồngngoại và transistor quang trong một gói duy nhất.

 Thông số kỹ thuật PC817

Loại gói: Dip 4 chân và SMT

Loại transistor: NPN

Dòng cực góp tối đa (IC): 50mA

Điện áp cực góp - cực phát tối đa (VCEO): 80V

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

Điện áp cực phát - cực gốc tối đa (VEBO): 6V

Công suất tiêu tán cực góp tối đa (Pc): 200 mW

Nhiệt độ lưu trữ và hoạt động phải là: -55 đến +120 độ C để lưu trữ và -30 đến+100 để hoạt động

 Tụ SMD

Tụ dán (hay tụ điện dán smd) về cơ bản giống như tụ điện thông thường Tuynhiên về hình dáng bên ngoài thay vì có chân thì nó được làm liền thành một khối

ở hai đầu

Tụ dán được sử dụng với số lượng lớn trong sản xuất các thiết bị điện tử

Sau điện trở dán thì tụ dán là linh kiện điện tử được sử dụng phổ biến

Có nhiều loại tụ dán từ gốm, tantalum, điện phân…Trong đó tụ dán gốm được sửdụng nhiều nhất

Bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính 3 cực có thể điều chỉnh hoặc cố định

Bộ điều chỉnh điện áp sụt thấp (LDO)

Loại điện áp cố định: 1.5V, 1.8V, 2.5V, 2.85V, 3.3V và 5V

Phạm vi điện áp thay đổi: 1,25V đến 13,8V

Dòng điện đầu ra là 1000mA

Điện áp sụt tối đa: 1.3V

Giới hạn dòng điện tích hợp và bảo vệ nhiệt

Nhiệt độ hoạt động lớp tiếp giáp là 125 ° C

Gói SOT-223, TO-252 và SO-8

• Mạch nguồn không vỏ 5v1a là mạch chuyển đổi dòng điện 220v xuống dòng điện

DC 5V1A dành cho các thiết bị chạy 5v công suất dưới 5w

• Điện áp vào: 100V – 240V

• Điện áp ra: 5V - 1A

• Công suất: 3W