Thiết kế ổ cắm điện thông minh điều khiển qua wifi

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

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 2

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 3

LỜI NÓI ĐẦU 4

Chương 1 TỔNG QUAN 5

1.1 Giới thiệu 5

1.2 Mục tiêu của đề tài 8

1.3 Khảo sát thị trường 8

Chương 2 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO 9

2.1 Đặc điểm cấu tạo của thiết bị 9

2.2 Thiết kế chi tiết các khối 10

2.2.1 Thiết kế khối nguồn 10

2.2.2 Khối các phím chức năng 11

2.2.3 Khối điều khiển esp8266-12E 11

2.2.4 Khối đóng cắt dùng relay 17

Chương 3 THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH PHẦN MỀM 25

3.1 Các chế độ wifi của ESP8266 25

3.1.1 Chế độ WiFi Station 26

3.1.2 Chế độ WiFi Access Point 27

3.2 Web Server 28

3.2.1 Web Server là gì 28

3.2.2 Giới thiệu về blink 28

3.2.3 Cài thư viên blink trên arduino IDE 28

3.2.4 Các bước sử dụng blink 29

3.3 Chương trình cho ESP8266 29

Chương 4: CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ 32

4.1 Chế tạo thiết bị 32

4.2 Thử nghiệm thiết bị 33

KẾT LUẬN 34

TÀI LIỆU THAM KHẢO 35

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Biểu đồ Hype Cycle của hãng Gartner 6

Hình 1 2 Một số dự đoán khảo sát 6

Hình 1 3 Kiến trúc một hệ thống IoT 7

Hình 1 4 Tổng quan về một hệ thống IoT 7

Hình 1 5 Một số sản phẩm ổ cắm đơn 8

Hình 1 6 Sản phẩm một ổ có nhiều ổ cắm 8

Hình 2 1 Sơ đồ khối thiết bị 9

Hình 2 2 Modul Hi-link 10

Hình 2 3 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 11

Hình 2 4 Sơ đồ khối các phím chức năng 11

Hình 2 5 Modul esp 8266-01 13

Hình 2 6 Modul ESP 8266-07 14

Hình 2 7 Modul ESP 8266 -12F 15

Hình 2 8 Sơ đồ chân ra của esp 8266-12E 16

Hình 2 9 Sơ đồ nguyên lí của khối wifi esp8266-12E 17

Hình 2 10 Một module relay kiểu mẫu 18

Hình 2 11 Module relay kích ở mức cao 19

Hình 2 12 Module relay kích ở mức thấp 19

Hình 2 13 Các mức hiệu điện thế tối đa và cường độ dòng điện tối đa 20

Hình 2 14 sơ đồ nguyên lý khối relay 5V 22

Hình 2 15 Mạch PCB 2D 24

Hình 2 16 Mạch PCB 3D 24

Hình 3 1 WIFI Access Point 25

Hình 3 2 Mạng WIFI 26

Hình 3 3 Cài đặt Blink trên arduino IDE 29

Hình 3 4 Giao diện Arduino IDE 30

Hình 4 1 PCB mô phỏng của thiết bị trên Altium Designer 32

Hình 4 2 Hình ảnh thực tế của thiết bị 33

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

 IoT - Internet Of Things hay internet vạn vật

 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 sản xuất 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 nghệIoT và thị trường công nghệ Start up tiềm năng đang ngày càng sôi động hơn bao giờ hết, ý thức 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 Đào Đức Thịnh,

các thầy cô trong bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp cùng các thầy cô trong viện Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, bài tập lớn của em đã cơ bản được hoàn thiện Do thời gian không quá dài và khả năng còn hạn chế nên bài tập của em còn nhiều thiếu sót Em rất mong nhận được sự đóng góp của thầy cô và các bạn Em xin chân thành cảm ơn

Hà nội, ngày 20 tháng 12 năm 2018

Sinh viên thực hiện

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu

a) Giới thiệu tổng quan về IoT

Thời đại vạn vật kết nối Internet of Things (IoT) là một mạng lưới các vật thể 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

Hình 1 4 Tổng quan về một hệ thống IoT

Kiến trúc hệ thống IoT(IoT Reference Architecture)

Thiết bị kết nối

(Device Connectivity

Xử lý dữ liệu, phân tích

và quản lý(Data Processing, Analytics and Management

Hiển thị, vai trò kết nối(Presentation and Business Connectivity)

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.

1.2 Mục tiêu của đề tài

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

1.3 Khảo sát thị trường

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

2.1 Đặc điểm cấu tạo của thiết bị

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

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

KHỐI NGUỒN CẤP 220VAC

KHỐICHỈNHLƯU

KHỐI CÁCPHÍMCHỨCNĂNG

3) Khối wifi: Sử dụng Modul wifi esp8266 để nhận tín hiệu thu về từ vi xử lý, gửi dữ liệu 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 Thiết kế chi tiết các khối

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

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 nhỏ hàn trên mạch

Hình 2 4 Sơ đồ khối các phím chức năng

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

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

AT commands

 Lập trình firmware trực tiếp vào ESP8266 sử dụng bộ thư viện SDK cung cấp bởi Espressif.

b) Các loại modul trên thị trường

Ngoại trừ module ESP-WROOM-02 được phát triển bởi chính Espressif cho 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

Hình 2 5 Modul esp 8266-01

Sử dụng on-board PCB antenna

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

ESP-12F

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 tăngkhoảng 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 board PCB anten  (lưu ý là mặc dù có các chân SPI nhưng đã được sử dụng để đọc SPIFlash bên trong nên chúng ta không thể sử dụng các chân này)

on-Do đó tùy vào yêu cầu của ứng dụng, chúng ta có thể lựa chọn module từ đơn giản đến phức tạp.

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 2.10 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 2.11 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 tắcchạy 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 suất thấp (với đầy đủ cách điện giữa kiểm soát và mạch điều khiển), hoặc trong trườnghợp 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 lạicác 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: 

 module rơ-le đóng ở mức thấp (nối cực âm vào chân tín hiệu rơ-le sẽ

Hình 2 11 Module relay kích ở mức cao

Hình 2 12 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 sử

dụng 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 13 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