Đồ án thiết thiết bị điện thông minh đề tài thiết kế ổ cắm điện thông minh

Chứng kiến sự phát triển như vũ bão của các sản phẩm ứng dụng công nghệ IoT và thị trường công nghệ Start up tiềm năng đang ngày càng sôi động hơn bao giờ hết, ýthức được vấn đề đó, cùng

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

ĐỒ ÁN THIẾT THIẾT BỊ ĐIỆN THÔNG MINH

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ Ổ CẮM ĐIỆN THÔNG MINH

Giáo viên hướng dẫn: Ts Đoàn Đức Thắng Sinh viên thực hiện: Mã sinh viên

Nguyễn Đức Hùng 2021604924

Vũ Đại Nghĩa 2021604698

Bùi Lê Nguyễn 2021605063

Lê Trọng Dũng 2021605264

LỜI NÓI ĐẦU 6

Chương 1 TỔNG QUAN 7

Chương 2 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO 12

Chương 3 THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH PHẦN MỀM 26

Chương 4: CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ 33

KẾT LUẬN 35

TÀI LIỆU THAM KHẢO 36

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Biểu đồ Hype Cycle của hãng Gartner 8

Hình 1 2 Một số dự đoán khảo sát 9

Hình 1 3 Kiến trúc một hệ thống IoT 9

Hình 1 4 Tổng quan về một hệ thống IoT 10

Hình 1 5 Một số sản phẩm ổ cắm đơn 11

Hình 1 6 Sản phẩm một ổ có nhiều ổ cắm 11

Hình 2 1 Sơ đồ khối thiết bị 13

Hình 2 2 Modul Hi-link 14

Hình 2 3 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 15

Hình 2 4 Sơ đồ khối các phím chức năng 15

Hình 2 5 Modul esp 8266-01 17

Hình 2 6 Modul ESP 8266-07 18

Hình 2 7 Modul ESP 8266 -12F 19

Hình 2 8 Sơ đồ chân ra của esp 8266-12E 20

Hình 2 9 Sơ đồ nguyên lí của khối wifi esp8266-12E 21

Hình 2 10 Một module relay kiểu mẫu 22

Hình 2 11 Module relay kích ở mức thấp 23

Hình 2 12 Các mức hiệu điện thế tối đa và cường độ dòng điện tối đa 24

Hình 2 13 sơ đồ nguyên lý khối relay 5V 25

Hình 3 1 WIFI Access Point 26

Hình 3 2 Mạng WIFI 27

Hình 3 3 Cài đặt Blink trên arduino IDE 30

Hình 3 4 Giao diện Arduino IDE 31

Hinh 4 1 Sơ đồ nối dây 33

• ESP8266 - Chip xử lí tích hợp thu phát WiFi.

• IDE - Viết tắt của Integrated Development Enviroment - môi trường phát triển

tích hợp

• Compiler - Trình biên dịch

LỜI NÓI ĐẦU

Internet Of Things (IoT) – Internet vạn vật dường như đang đứng trước một

bước ngoặt để đi đến giai đoạn tiếp theo cho một thế giới hiện đại, văn minh Đó

là viễn cảnh mà mọi vật đều có thể kết nối với nhau thông qua Internet không dây

Các doanh nghiệp đang có xu hướng ứng dụng sản phẩm công nghệ IoT vào sảnxuất ngày càng nhiều bởi thị trường sáng tạo tiềm năng và chi phí sản xuất ngày càng thấp Chứng kiến sự phát triển như vũ bão của các sản phẩm ứng dụng công nghệ IoT

và thị trường công nghệ Start up tiềm năng đang ngày càng sôi động hơn bao giờ hết, ýthức được vấn đề đó, cùng với sự đồng ý của giảng viên môn học “mạng tốc độ cao”,

em đã lựa chọn đề tài “ Thiết kế ổ cắm điện thông minh điều khiển qua wifi ” làm

đề tài bài tập lớn Nội dung của báo cáo bài tập lớn có bố cục như sau:

- Chương 1 Tổng quan

- Chương 2 Quy trình công nghệ chế tạo- Thiết kế phần cứng

- Chương 3 Thiêt kế chương trình phần mềm

- Chương 4 Chế tạo và thử nghiệm thiết bị

Được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn GVC ĐOÀN ĐỨC THẮNG ,

bài tập lớn của nhóm em đã cơ bản được hoàn thiện Do thời gian không quá dài và

khả năng còn hạn chế nên bài tập của bọn em còn nhiều thiếu sót.Chún em rất mong

nhận được sự đóng góp của thầy cô và các bạn Xin chân thành cảm ơn

Hà nội, ngày 13 tháng 12 năm 2023 Nhóm sinh viên thực hiện

được gắn cảm biến hoặc hệ thống điện tử đặc biệt cho phép chúng kết nối với nhau để thu thập và trao đổi dữ liệu Các vật thể trong mạng lưới này có thể được kết nối với

mạng Internet cho mục đích điều khiển từ xa

Xét về mặt vật chất, làm thế nào để chất lượng cuộc sống chúng ta được nâng

cao, đó là khi các nhu cầu của chúng ta được đáp ứng nhiều hơn trước Nhu cầu ở đây

có thể là có đầy đủ thức ăn, có quần áo đẹp, không kẹt xe, giảm bớt những lo lắng,

không phải nhớ nhiều thứ linh tinh trong đầu, … Những điều này đều sẽ được đáp ứngbởi IoT Hiện tại, IoT ảnh hưởng lớn nhất đến 5 khía cạnh trong đời sống

IoT có ứng dụng rộng vô cùng, có thể kể ra một số thư như sau:

➢ Quản lí chất thải

➢ Quản lí và lập kế hoạch quản lí đô thị

➢ Quản lí môi trường

➢ Phản hồi trong các tinh huống khẩn cấp

➢ Mua sắm thông minh

➢ Quản lí các thiết bị cá nhân

➢ Đồng hồ đo thông minh

➢ Tự động hóa ngôi nhà

Theo báo cáo hàng năm của hãng Gartner về xu hướng công nghệ sẽ thay đổi

thế giới trong năm 2018 thì IoT đang xếp ở mức đỉnh cao của kỳ vọng và ứng dụng

của IoT trong vòng 5 năm -10 năm nữa sẽ ứng dụng nhiều trong đời sống thực tế

Hình 1 1 Biểu đồ Hype Cycle của hãng Gartner

Theo một số dự đoán khảo sát được đưa ra

Hình 1 2 Một số dự đoán khảo sát

Năm 2003 với 6.3 tỷ người có 500 triệu kết nối internet, với mỗi người sở hữu

0.08 thiết bị kết nối

Năm 2020 với 7.6 tỷ người đã lên đến 50 tỷ kết nối với 1 người sở hữu 6.58

thiết bị kết nối internet

b) Kiến trúc hệ thống IoT

Hình 1 3 Kiến trúc một hệ thống IoT

Kiến trúc hệ thống IoT(IoT ReferenceArchitecture)

Thiết bị kết nối

(Device Connectivity

Xử lý dữ liệu, phân tích

và quản lý(Data Processing,Analytics andManagement

Hiển thị, vai trò kết nối(Presentation andBusiness Connectivity)

Hình 1 4 Tổng quan về một hệ thống IoT

Trên cơ sở nghiên cứu, tìm hiểu về IoT Đề tài đề xuất phương án tự động hóa

ngôi nhà, và cụ thể hơn đó là về những chiếc ổ cắm điện thông minh

Thiết kế, phát triển sản phẩm ổ cắm điện thông minh, online dựa trên cơ sở IoT

cụ thể là điều khiển từ xa bằng wifi, hoặc bất cứ nơi nào smart phone của bạn có kết

nối Internet Sản phẩm đảm bảo các tiêu chí:

o Hoạt động chính xác, ổn định, ngay cả khi các điều kiện của sản

phẩm thay đổi như nhiệt độ, độ ẩm

o Có giao diện phần mềm giao tiếp trực quan với người dùng

Chỉ cần một thiết bị có thể kết nối internet và một công cụ tìm kiếm như

google, sẽ thấy đủ các mẫu mã sản phẩm của các hãng với các giá tiền khác nhau

Chứng tỏ một chiếc ổ cắm thông minh hiện tại là cần thiết đến thế nào với cuộc sống

của chúng ta với công dụng mà nó mang lại

Một số hình ảnh của ổ cắm thông minh bán ngoài thị trường

Hình 1 5 Một số sản phẩm ổ cắm đơn

Hình 1 6 Sản phẩm một ổ có nhiều ổ cắm

Chương 2 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ

TẠO THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

Thiết bị được xây dựng theo mô hình được thể hiện trong sơ dồ khối dưới đây

Hình 2 1 Sơ đồ khối thiết bị

1) Khối nguồn cấp: Cấp điện áp xoay chiều 220VAC từ lưới, từ đây điện áp được

đưa về khối tiếp theo là khối chỉnh lưu Sau chỉnh lưu điện áp là 5VDC đưa đến

IC LM1117 sau quá trình này điện áp đưa về 3,3 VDC cấp cho khối wifi

2) Khối chỉnh lưu: biến đổi điện áp xoay chiều 220VAC thành điện áp một

chiều 5VDC cấp cho các khối

3) Khối wifi: Sử dụng Modul wifi esp8266 để nhận tín hiệu thu về từ vi xử lý, gửi dữliệu nhận được lên web sever để ta có thể theo dõi online qua wifi internet

4) Khối các phím chức năng: gồm các phím reset và phím hỗ trợ khi nạp code

5) Khối đóng cắt: Sử dụng relay 5V-10A để đóng cắt mạch điện khi nhận được tín

hiệu điều khiển từ người sử dụng

2.2.1 Thiết kế khối nguồn

Thiết bị sử dụng các cấp điện áp 220VAC, 5VDC, 3.3VDC

a) Khối chinh lưu và nguồn 5VDC

Ta sử dụng Module nguồn AC-DC Hi-Link HLK-PM01 với:

- Input: 100~240VAC

- 50-60Hz

- Output: 5VDC/3W

để đưa điện áp từ 220VAC về 5VDC sau đó khối nguồn sẽ đưa về các cấp

điện áp phù hợp tiếp theo

Hình 2 2 Modul Hi-link

Hình 2 3 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn

2.2.2 Khối các phím chức năng

Phím này là phím button hỗ trợ khi nạp code và reset Thường dùng Button dán loại nhỏhàn trên mạch

2.2.3 Khối điều khiển esp8266-12E

a) Giới thiệu tổng quan về dòng esp8266

Chip ESP8266 được phát triển bởi Espressif để cung cấp giải pháp giao tiếp

Wifi cho các thiết bị IoT Điểm đặc biệt của dòng ESP8266 là nó được tích hợp các

mạch RF như balun, antenna switches, TX power amplifier và RX filter ngay bên

trong chip với kích thước rất nhỏ chỉ 5x5mm nên các board sử dụng ESP8266 không

cần kích thước board lớn cũng như không cần nhiều linh kiện xung quanh Ngoài ra,

giá thành của ESP8266 cũng rất thấp đủ để hấp dẫn các nhà phát triển sản phẩm IoT

Cấu trúc phần cứng của dòng chip ESP8266 có thể tóm tắt như sau:

• Sử dụng 32-bit MCU core có tên là Tensilica

• Tốc độ system clock có thể set ở 80MHz hoặc 160MHz

• Không tích hợp bộ nhớ Flash để lưu chương trình

• Tích hợp 50KB RAM để lưu dữ liệu ứng dụng khi chạy

• Có đầy đủ các ngoại vi chuẩn đê giao tiếp như 17 GPIO, 1 Slave

SDIO, 3 SPI, 1 I2C, 1 I2S, 2 UART, 2 PWM

• Tích hợp các mạch RF để truyền nhận dữ liệu ở tần số 2.4GHz

• Hỗ trợ các hoạt động truyền nhận các IP packages ở mức hardware

như Acknowledgement, Fragmentation và Defragmentation, Aggregation, Frame

Encapsulation v.v… (và phần stack TCP/IP sẽ được thực hiện trên firmware của

ESP8266)

Do không hỗ trợ bộ nhớ Flash nên các board sử dụng ESP8266 phải gắn thêm

chip Flash bên ngoài và thường là Flash SPI để ESP8266 có thể đọc chương trình ứng dụng với chuẩn SDIO hoặc SPI

Về mô hình lập trình ứng dụng với ESP8266, chúng ta có thể chia làm 2 loại

như sau:

• Sử dụng firmware được cung cấp bởi Espressif và giao tiếp thông qua

mục đích nghiên cứu các tính năng của ESP8266, các module ứng dụng phổ biến hiện nay của ESP8266 đều được phát triển bởi công ty AI-Thinker

Hiện tại có khá nhiều module khác nhau cho ESP8266 được sản xuất bởi công

ty AI-Thinker Đặc điểm khác nhau giữa các module này bao gồm:

• Loại anten sử dụng (PCB anten, chip anten hoặc gắn anten ngoài)

• Dung lượng của chip Flash SPI trên board

• Kích thước board của module

• Có gắn khung nhôm chống nhiễu hay không

• Số lượng pin GPIO đưa ra chân kết nối

Ở thị trường VN thì 3 module là ESP-01, ESP-07 và ESP-12F khá phổ biến và

sẽ được sử dụng để demo trong các bài viết sau nên chúng ta sẽ giới thiệu sơ

các module ở đây:

ESP-01

Có 2 LED trên board để báo nguồn và báo TX

Cung cấp 3 chân GPIO (GPIO0, GPIO2 và GPIO6) và 2 chân TXD/RXD cho UART

Dung lượng SPI Flash 4Mbyte

Đưa chân ra jumper luôn nên có thể kết nối trực tiếp với các board khác 1 cách

nhanh chóng

ESP-07

Hình 2 6 Modul ESP 8266-07

Sử dụng chip anten on-board và có IPEX connector hỗ trợ gắn thêm anten ngoài

để tăng khoảng cách truyền

Có 2 LED trên board để báo nguồn và báo TX

Đưa ra 9 chân GPIO, 2 chân TX/RX cho UART, 1 chân REST để reset chip, 1 chân ADC, 1 chân CH_PD để đưa chip vào chế độ low power

Dung lượng SPI Flash trên board là 4Mbyte

Có thể hàn thêm jumper để kết nối trực tiếp với board khác hoặc hàn trực tiếp

lên board ứng dụng

Hình 2 7 Modul ESP 8266 -12F

Sử dụng PCB anten on-board

Đưa ra 11 chân GPIO, 2 chân TX/RX cho UART, các chân cho SPI, chân RST

để reset chip, 1 chân ADC

Dung lượng SPI Flash là 4Mbyte

Có thể hàn jumper để căm dây vào các board khác hoặc hàn trực tiếp lên board ứng dụng

Qua 3 module ESP8266 trên chúng ta có thể so sánh nhanh như sau:

- ESP-01 đơn giản nhất, số chân GPIO ít nhất và không có shield chống nhiễu

- ESP-07 thì nhiều chân GPIO hơn, có shield chống nhiễu nhưng dùng chip antenna nên

khoảng cách truyền không xa bằng PCB anten Tuy nhiên có thể tăng khoảng cách truyền bằng cách gắn thêm anten ngoài với IPEX connector trên board

- ESP-12F đưa ra nhiều chân GPIO nhất, có shield chống nhiễu và on- board PCB

anten (lưu ý là mặc dù có các chân SPI nhưng đã được sử dụng để đọc SPI

Flash bên trong nên chúng ta không thể sử dụng các chân này)

c) Thiết kế

Sử dụng modul phổ biến nhất đó là esp 8266-12E để thực hiện giao tiếp

UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) với khối vi xử lí thông qua

2 ngõ ra TX và RX

Hình 2 8 dưới đây là pin out của esp 8266-12E

Hình 2 8 Sơ đồ chân ra của esp 8266-12E

URXD(RX) :dùng để nhận tín hiệu trong giao tiếp UART với vi điều khiển

-VCC :đầu vào 3.3V

-GPIO 0 :kéo xuống thấp cho chế độ upload bootloader

-RST :chân reset cứng của module, kéo xuống mass để reset

-GPIO 2 :thường được dùng như một cổng TX trong giao tiếp UART

để debug lỗi

-CH_PD :kích hoạt chip, sử dụng cho Flash Boot và updating lại

module, nối với mức cao

-GND :nối với mass

-UTXD (TX):dùng để truyền tín hiệu trong giao tiếp UART với vi điều

khiển

Hình 2 9 là sơ đồ nguyên lí của khối wifi esp8266-12E

Hình 2 9 Sơ đồ nguyên lí của khối wifi esp8266-12E

Cấp nguồn 3,3VDC cho 2 chân VCC và CH_PD

2.2.4 Khối đóng cắt dùng relay

a) Giới thiệu

Rơ-le là một loại linh kiện điện tử thụ động rất hay gặp trong các ứng dụng thực tế Khi bạn gặp các vấn đề liên quan đến công suất và cần sự ổn định cao,

ngoài ra có thể dễ dàng bảo trì, thì rơ-le chính là cái bạn cần tìm

Rơ le hay rơ le điện (tiếng Pháp: relais électromagnétique) là một công tắc

chạy bằng điện

Nhiều rơ le sử dụng một nam châm điện để vận hành cơ khí công tắc, nhưng

nguyên lý vận hành khác cũng được sử dụng, chẳng hạn như rơ le trạng thái rắn

Rơ le được sử dụng khi cần kiểm soát một mạch điện bằng một tín hiệu công

hợp một số mạch phải được kiểm soát bởi một tín hiệu Các rơle đầu tiên được sử

dụng trong các mạch điện báo đường dài với vai trò bộ khuếch đại: chúng lặp đi lặp

lại các tín hiệu đến từ một mạch và truyền lại nó trên mạch khác Rơ le được dùng

rộng rãi trong trao đổi điện thoại và các máy điện toán thời kỳ đầu với vai trò điều

hành mạch lôgic Một loại rơle có thể xử lý công suất cao cần thiết để trực tiếp kiểm

soát một động cơ điện hoặc mức tải khác được gọi là một contactor Rơ le trạng thái

rắn kiểm soát mạch điện không có bộ phận chuyển động

Hình 2 10 Một module relay kiểu mẫu

b) Các loại rơ-le và cách xác định trạng thái của nó

Trên thị trường chúng ta có 2 loại module rơ-le:

đóng),

đóng)

Nếu sơ sánh giữa 2 module rơ-le có cùng thông số kỹ thuật thì hầu hết mọi

kinh kiện của nó đều giống nhau, chỉ khác nhau ở chỗ cái transitor của mỗi loại

module Chính vì cái transistor này nên mới sinh ra 2 loại module rơ-le này (có 2 loại

transistor là NPN - kích ở mức cao, và PNP - kích ở mức thấp)

Hình 2 11 Module relay kích ở mức thấp

Tùy vào mục đích sử dụng mà ta chọn modul relay thông qua transitor sao cho phù hợp nhất với mục đích

c) Thông số của một modul relay

Một module rơ-le được tạo nên bởi 2 linh kiện thụ động cơ bản là rơ-le và

transistor, nên module rơ-le có những thông số của chúng

• Hiệu điện thế kích tối ưu

Tùy vào mục đích sử dụng

Chẳng hạn, bạn cần một module relay sẽ làm nhiệm vụ bật tắt một bóng đèn (220V) khi trời tối từ cảm biến ánh sáng hoạt động ở mức 5-12V thì bạn phải sửdụng loại module relay 5V (5 volt) hoặc module relay 12V (12 volt) kích ở mứccao

• Các mức hiệu điện thế tối đa và cường độ dòng điện tối đa của đồ dùng

điện khi nối vào module rơ-le

ví dụ về hình ảnh ở dưới đây

Hình 2 12 Các mức hiệu điện thế tối đa và cường độ dòng điện tối đa

với hiệu điện thế <= 250V (AC) là 10A

với hiệu điện thế <= 30V (DC) là 10A

với hiệu điện thế <= 125V (AC) là 10A

với hiệu điện thế <= 28V (DC) là 10A

d, Cách sử dụng rơ-le

Rơ-le bình thường gồm có 6 chân Trong đó có 3 chân để kích, 3 chân còn lại

nối với đồ dùng điện công suất cao

3 chân dùng để kích

➢ Nếu bạn đang dùng module rơ-le kích ở mức cao và chân S bạn cấp điện thế

➢ ON hoặc NO: chân này sẽ nối với chân lửa (nóng) nếu dùng điện xoay

chiều và cực dương của nguồn nếu dòng điện một chiều

➢ OFF hoặc NC: chân này sẽ nối chân lạnh (trung hòa) nếu dùng điện

xoay chiều và cực âm của nguồn nếu dùng điện một chiều

e, Thiết kế

Hình 2 13 sơ đồ nguyên lý khối relay 5V

Modul sử dụng nguồn +5VDC

Lấy tín hiệu từ chân số 19 GPIO4 qua trở R1 và Transitor C1815 là NPN - kích

ở mức cao Nối cực dương vào chân tín hiệu rơ-le sẽ đóng)