Điều khiển và giám sát thiết bị điện trong gia đình sử dụng wifi thông qua điện thoại thông minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÝ THÀNH ĐẠT Điều khiển và giám sát thiết bị điện trong gia đình sử dụng Wifi thông qua điện thoại thông minh Control and monitoring of electrical devi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÝ THÀNH ĐẠT

Điều khiển và giám sát thiết bị điện trong gia đình sử

dụng Wifi thông qua điện thoại thông minh

(Control and monitoring of electrical devices in

the home using WiFi via smartphone)

Chuyên ngành: :Kĩ thuật viễn thông

Mã nghành : CA150134

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN VĂN KHANG

Hà Nội – 2017

i

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy GS.TS.Nguyễn Văn Khang - người đã trực tiếp hướng dẫn tôi trong quá trình nghiên cứu, thầy đã có những định hướng và đưa ra các ý tưởng chỉ dẫn quý giá để tôi có thể hoàn thành luận văn này

Đồng thời, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả các thầy, cô giáo của trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và đặc biệt tới các thầy, cô giáo tham gia giảng dạy lớp 15AKTVTND, những người đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức tạo tiền đề cho tôi hoàn thành luận văn này

Trong quá trình nghiên cứu, mặc dù đã cố gắng để thực hiện luận văn một cách tốt nhất, song do một số mặt hạn chế khó tránh khỏi được sai sót Kính mong nhận được sự giúp đỡ quý báu của các thầy, cô để luận văn được hoàn chỉnh hơn

Tác giả luận văn

Lý Thành Đạt

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Lý Thành Đạt

Học viên lớp: 15AKTVTND – Kỹ thuật viễn thông

Hiện làm viê ̣c ta ̣i: Đài PT-TH tỉnh Nam Định

Đi ̣a chỉ: Số 6 Nguyễn Viết Xuân, P.Lộc Hạ, TP NĐ

Tôi xin cam đoan: Đề tài “ Điều khiển và giám sát thiết bị điện trong gia

đình sử dụng Wifi thông qua điện thoại thông minh ” do thầy giáo

PGS.TS Nguyễn Văn Khang hướ ng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng

tôi Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Tác giả

xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong

đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn Nếu sai tôi hoàn toàn chịu

trách nhiệm trước hội đồng khoa học và trước pháp luật

Tác giả luận văn

Lý Thành Đạt

iii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ix

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN GIA ĐÌNH VÀ IOT(INTERNET OF THING) 5

1.1 Giới thiệu về IOT 5

1.2 Mô hình tổng quan điều khiển các thiết bị điện trong gia đình 7

1.3 Khảo sát mộ số bộ điều khiển thiết bị điện trong gia đình 8

1.4 Các giải pháp điều khiển không dây và hiệu quả 9

1.4.1 Các giải pháp 9

1.4.2 Đánh giá các giải pháp 10

1.5 Giới thiệu về giao tiếp Wifi hiện nay 11

1.5.1 Khái niệm 11

1.5.2 Phân loại 11

1.5.3 Giao thức sử dụng 13

1.5.4 Bảo mât mạng không dây 14

1.6 Vi Xử Lý trung tâm Esp8266 14

iv

1.6.1.Thông số kỹ thuật Vi Xử lý Esp8266 15

1.6.2 Đặc điểm chính của VXL ESP8266 15

1.6.3 CPU, bộ nhớ và giao tiếp 17

1.6.4 Tập lệnh ESP8266[10] 18

1.7 Phát biểu bài toán cần nghiên cứu 21

1.8 Kết luận chương 1 21

CHƯƠNG 2 - THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN 22

2.1 Giới thiệu chương 22

2.2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển 22

2.3 Thiết kế khối nguồn 23

2.4 Thiết kế khối cảm biến nhiệt độ và độ ẩm 24

2.5 Thiết kế Module cảm biến đo cường độ ánh sáng BH1750 28

2.5.1 Chức năng 28

2.5.2 Thông số kỹ thuật 28

2.5.3 Hoạt động 28

2.6 Thiết kế module cảm biến chuyển động (PIR motion) 30

2.6.1 Chức năng 30

2.6.2 Thông số kỹ thuật 30

2.7 Cảm biến khí Gas MQ2 30

2.7.1.Chức năng 30

2.7.2.Thông số kỹ thuật 31

v

2.7.3 Hoạt động 31

2.8 Thiết kế bộ vi xử lý trung tâm 32

2.9 Bộ nhớ ngoài cho CPU 33

2.10 Khối giao tiếp USB 33

2.11 Khối giao tiếp trung gian 34

2.12 Sơ đồ nguyên lý tổng hợp hệ thống 35

2.13 Ứng Dụng trên Smartphone 35

2.16 Chương trình cho Vi xử lý Esp8266 40

2.17 Kết luận chương 2 46

CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG 47

3.1 Giới thiệu chương 47

3.2 Bảng mạch hoàn thiện 47

3.3 Phần mềm điều khiển và giám sát 47

3.3.1 Nguyên lí hoạt động 48

3.3.2 Thử nghiệm đo giá trị nhiệt độ và độ ẩm 48

3.3.3 Thử nghiệm đo giá trị cảm biến ánh sáng 49

3.4 Kết luận chương 3 51

KẾT LUẬN 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CCK Complimentary code keying Khóa mã bù

GSM Global System for Mobile

Communication

Hệ thống thông tin di động toàn cầu thế hệ 2

LAN Local Area Network Mạng cục bộ

LLC Logical Link Control Điều khiển liên kết logic

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường

NDIS Network Driver Interface

Specification Bộ điều khiển mạng

NFC Near Field Communications Công nghệ giao tiếp tầm ngắn

OFDM Orthogonal frequency-division

multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

OSI Open Systems Interconnection Kết nối các hệ thống mở

PC Personal Computer Máy tính cá nhân

PCB PRINTED CIRCUIT BOARD Bảng mạch in

RF Radio Frequency Tần số vô tuyến

SPI Serial Peripheral Interface Giao diện ngoại vi nối tiếp

WEP Wired Equivalent Privacy Bảo mật tương đương với mạng

WLAN Wireless Local Area NetWork Mạng vô tuyến cục bộ

WMAN Wireless Metropolitan Area

NetWork Mạng vô tuyến đô thị

WPA Wireless Protected Area Vùng bảo vệ không dây

vii

WPAN Wireless Personal NetWork Mạng vô tuyến cá nhân WWAN Wireless Wide Area NetWork Mạng vô tuyến diện rộng

viii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Đánh giá các giải pháp điều khiển 10

Bảng 1.2 Một số lệnh AT comand cơ bản 18

Bảng 1.3 Các lệnh AT cấu hình 18

Bảng 1.4 Các lệnh AT đối với module wifi cấu hình là Station/Client 19

Bảng 1.5 Các lệnh AT với module wifi cấu hình Access Point 19

Bảng 1.6 Tập lệnh AT khác 20

Bảng 3.1 Kết quả thử nghiệm cảm biến nhiệt độ và độ ẩm 49

Bảng 3.2 Giá trị trả về của cảm biến chuyển động 51

ix

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Mô hình tổng quan thiết bị điện trong ngôi nhà 8

Hình 1.2 Hình ảnh bộ điều khiển thiết bị từ xa Camsco C601 8

Hình 1.3 Bộ điều khiển thiết bị từ xa sử dụng công nghệ GSM 9

Hình 1.4 Sơ đồ chân ESP8266 16

Hình 1.5 Sơ đồ khối ESP8266 17

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống 22

Hình 2.2 Sơ đồ khối nguồn cấp 23

Hình 2.3 Sơ đồ chân cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 24

Hình 2.4 Sơ đồ kết nối với Vi xử lý 25

Hình 2.5 Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm (DHT11) 25

Hình 2.6 Giao tiếp giữa DHT11 với Vi xử lý 26

Hình 2.7 Giao tiếp giữa DHT11 với Vi xử lý 27

Hình 2.8 Module cảm biến ánh sáng BH1750 29

Hình 2.9 Sơ đồ mạch cảm biến ánh sáng BH1750 29

Hình 2.10 Module cảm biến phát hiện chuyển động 30

Hình 2.11 Module cảm biến khí Gas và Sơ đồ chân 31

Hình 2.12 Cảm biến khí Gas MQ2 31

Hình 2.13 Module RC522 Error! Bookmark not defined Hinh 2.14 Sơ đồ chân Atmega328 Error! Bookmark not defined Hình 2.15 Hình ảnh động cơ Servo Error! Bookmark not defined. Hình 2.16 Sơ đồ chân vi xử lý ESP8266 32

x

Hình 2.17 Sơ đồ chân bộ nhớ Flash 33

Hình 2.18 Sơ đồ chân khối giao tiếp USB 34

Hình 2.19 Giao tiếp trung gian 34

Hình 2.20 Cách tạo nút nhấn 36

Hình 2.21 Hình ảnh nút nhấn đã được tạo xong 37

Hình 2.22 Các tùy chọn trong biểu tượng nút nhấn 38

Hình 2.23 Các tùy chọn để hiển thị giá trị nhiệt độ, độ ẩm 39

Hình 2.24 Các giá trị tùy biến trong Gauge 39

Hình 2.25 Các giá trị của cảm biến ánh sáng và khí gas 40

Hình 2.26 Lưu đồ điều khiển trung tâm 41

Hình 2.27 Lưu đồ điều khiển tín hiệu đầu ra 42

Hình 2.28 Lưu đồ đọc dữ liệu DHT11 43

Hình 2.29 Lưu đồ đọc dữ liệu cảm biến ánh sáng 44

Hình 2.30 Lưu đồ đọc dữ liệu cảm biến ánh sáng 45

Hình 3.1 Mạch điện hoàn thiện 47

Hình 3.2 Hình ảnh giao diện phần mềm 48

Hình 3.3 Giao diện hiển thị tham số nhiệt độ, độ ẩm 49

Hình 3.4 Hình ảnh giao diện hiển thị các tham số 50

đã khiến các thiết bị này trở thành “vật bất ly thân” của rất nhiều người

Kinh tế phát triển, cuộc sống được nâng cao, nhu cầu của con người về một cuộc sống thoải mái, an toàn tiện nghi là điều tất yếu Chính vì vậy ý tưởng về việc điều khiển các thiết bị từ xa đã ra đời như là ý tưởng về một cuộc sống với các thiết bị được vận hành một cách tự động hoặc theo trạng thái của người điều khiển

Ý tưởng trên là một ý tưởng khả thi và đem lại nhiều lợi ích cho con người và được rất nhiều nhà khoa học, các tổ chức trong và ngoài nước quan tâm phát triển Đây là một ý tưởng tương đối rộng nó có thể bao gồm những thiết bị điều khiển đơn giản như điều khiển ti vi bằng điều khiển từ xa cho đến những điều khiển tự động bằng cảm ứng như thay đổi ánh sáng, nhiệt độ theo

sở thích hay thay đổi để phù hợp với các điều kiện thời tiết để tạo sự dễ chịu nhất Chính vì sự đa dạng đó nên đã có rất nhiều công nghệ ra đời

Từ thực trạng trên học viên đã lựa chọn đề tài “Điều khiển và giám sát thiết bị điện trong gia đình sử dụng Wifi thông qua điện thoại thông minh.” Nội dung nghiên cứu chính là ứng dụng phần mềm “Blynk” được cài đặt trên điện thoại kết nối Wifi thông qua Vi xử lý ESP8266 để giám sát các thông số

2

về độ ẩm, nhiệt độ, ánh sáng và điều khiển các thiết bị điện, điện tử trong gia đình

Ngoài việc giám sát điều khiển các thiết bị trong gia đình, hệ thống còn

có các cảm biến các cảnh báo khác như: cảnh báo rò rỉ khí gas, cảnh báo cháy, cảnh báo phát hiện đột nhập Bộ vi xử lý trung tâm của hệ thống kết nối Internet thông qua Wifi và người sử dụng có thể giám sát thông qua ứng dụng của điện thoại

Tất cả các thiết bị trong gia đình được kết nối Internet gọi là IOT(internet of things) và sử dụng phần mềm Blynk trên nền tảng IOT

2 Mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu chế thử mô hình giám sát và điều khiển thiết bị điện, điện

tử trong gia đình kết nối với điện thoại thông minh qua giao tiếp bằng Wifi

- Cảnh báo các mức độ nguy hiểm về trong nhà như: báo khói, dò rỉ khí gas

- Xây dụng mô hình ngôi nhà với 3 phòng: Phòng khách, phòng ngủ và nhà bếp

- Xây dụng mạch điều khiển trung tâm và kết nối các cảm biến cho ngôi nhà

- Xây dụng phần mềm trên nền tảng Android Mobile

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn

* Đối tượng nghiên cứu luận văn là:

- Tìm hiểu về giao tiếp Wifi

- Tìm hiểu về các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và khí ga

- Tìm hiểu về ngôn ngữ C và lập trình ứng dụng Android

3

* Phạm vi nghiên cứu của luận văn bao gồm:

- Nghiên cứu giao tiếp Wifi 802.11 a/b/g/n

- Nghiên cứu lập trình phần mềm trên Android 4.4

4 Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu là:

- Thu thập và phân tích tài liệu thông tin, tài liệu liên quan đến đề tài

- Thảo luận, lựa chọn phương hướng giải quyết vấn đề

- Phân tích thiết kế các mô phỏng của chương trình

- Kiểm tra, đánh giá kết quả

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Luận văn có ý nghĩa khoa học và thực tiễn như sau:

- Trên cơ sở mô hình nhà thông minh kết nối Internet có thể được ứng dụng trong thực tế ở nhiều lĩnh vực khác nhau

- Có thể liên kết tất cả các máy móc thành một mạng lưới Thu thập dữ liệu kết quả qua internet và đặc biệt là kết nối Wifi

- Thuận tiện cho quản lý, điều khiển và giám sát từ xa

- Nâng cao mức độ bảo vệ và an toàn

4

6 Tên và bố cục luận văn

* Tên luận văn:

Điều khiển và giám sát thiết bị điện trong gia đình sử dụng Wifi thông

qua điện thoại thông minh”

* Bố cục luận văn - Nội dung chính của luận văn được chia làm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về điều khiển các thiết bị điện trong gia đình

Nội dung của chương này giới thiệu về các thiết bị điện, điện tử thông minh và các cảm biến thông minh Nghiên cứu về sóng Wifi và kết nối Internet trong ngôi nhà Ngôn ngữ thiết kế phần mềm trên di động

Chương 2: Thiết kế phần cứng

Nội dung của chương này đi sâu vào xây dựng, thiết kế các mạch của

hệ thống và viết chương trình cho Vi xử lý thu nhận các thông tin đầu vào, xử

lý các thông tin và điều khiển các thiết bị đầu cuối Thiết kế phần mềm có thể cài đặt, sử dụng trên điện thoại thông minh Android

Chương 3: Trình bày kết quả nghiên cứu bằng mô hình thực tế

Nội dung của chương này tổng kết các kết quả nghiên cứu, chế tạo và thử nghiệm mô hình hoạt động đảm bảo đúng với mục tiêu đã đề ra

5

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN GIA

ĐÌNH VÀ IOT(INTERNET OF THING) 1.1 Giới thiệu về IOT

- Tính kết nối liên thông: Với IOT bất cứ điều gì cũng có thể kết nối với nhau thông qua mạng lưới thông tin và cơ sở hạ tầng liên lạc tổng thể

- Tính không đồng nhất: Các thiết bị trong IOT là không đồng nhất vì nó

có phần cứng khác nhau, và network khác nhau Các thiết bị giữa các network có thể tương tác với nhau nhờ vào sự liên kết của các network

- Thay đổi linh hoạt: Status của các thiết bị tự động thay đổi, ví dụ, ngủ

và thức dậy, kết nối hoặc bị ngắt, vị trí thiết bị đã thay đổi,và tốc độ đã thay đổi… Hơn nữa, số lượng thiết bị có thể tự động thay đổi

- Quy mô lớn: Sẽ có một số lượng rất lớn các thiết bị được quản lý và giao tiếp với nhau Số lượng này lớn hơn nhiều so với số lượng máy tính kết nối Internet hiện nay Số lượng các thông tin được truyền bởi thiết bị sẽ lớn hơn nhiều so với được truyền bởi con người

1.1.3 Khả năng của IOT

6

- Kết nối dựa trên sự nhận diện: Nghĩa là các “Things” phải có ID riêng biệt Hệ thống IoT cần hỗ trợ các kết nối giữa các “Things”, và kết nối được thiết lập dựa trên định danh (ID) của Things

- Khả năng cộng tác: hệ thống IoT khả năng tương tác qua lại giữa các network và Things

- Khả năng tự quản của network: Bao gồm tự quản lý, tự cấu hình, tự chữa bệnh, tự tối ưu hóa và tự có cơ chế bảo vệ Điều này cần thiết để network có thể thích ứng với các domains ứng dụng khác nhau, môi trường truyền thông khác nhau, và nhiều loại thiết bị khác nhau

- Dịch vụ thoả thuận: dịch vụ này để có thể được cung cấp bằng cách thu thập, giao tiếp và xử lý tự động các dữ liệu giữa các “Things” dựa trên các quy tắc(rules) được thiết lập bởi người vận hành hoặc tùy chỉnh bởi các người dùng

- Các Khả năng dựa vào vị trí(location-based capabilities): Thông tin liên lạc và các dịch vụ liên quan đến một cái gì đó sẽ phụ thuộc vào thông tin vị trí của Things và người sử dụng Hệ thống IoT có thể biết và theo dõi vị trí một cách tự động Các dịch vụ dựa trên vị trí có thể bị hạn chế bởi luật pháp hay quy định, và phải tuân thủ các yêu cầu an ninh

- Bảo mật: Trong IoT, nhiều “Things” được kết nối với nhau Chình điều này làm tăng mối nguy trong bảo mật, chẳng hạn như bí mật thông tin

bị tiết lộ, xác thực sai, hay dữ liệu bị thay đổi hay làm giả

- Bảo vệ tính riêng tư: tất cả các “Things” đều có chủ sở hữu và người sử dụng của nó Dữ liệu thu thập được từ các “Things” có thể chứa thông tin cá nhân liên quan chủ sở hữu hoặc người sử dụng nó Các hệ thống IoT cần bảo vệ sự riêng tư trong quá trình truyền dữ liệu, tập hợp, lưu trữ, khai thác và xử lý Bảo vệ sự riêng tư không nên thiết lập một rào cản đối với xác thực nguồn dữ liệu

7

- Plug and play: các Things phải được plug-and-play một cách dễ dàng

và tiện dụng

- Khả năng quản lý: hệ thống IoT cần phải hỗ trợ tính năng quản lý các

“Things” để đảm bảo network hoạt động bình thường Ứng dụng IoT thường làm việc tự động mà không cần sự tham gia người, nhưng toàn

bộ quá trình hoạt động của họ nên được quản lý bởi các bên liên quan 1.1.4 Ứng dụng IOT

- Quản lý chất thải

- Quản lý và lập kế hoạch đồ thị

- Quản lý môi trường

- Phản hồi các tính huống khẩn cấp

- Mua sắm thông minh

- Quản lý các thiết bị cá nhân

- Đồng hồ đo thông minh

- Điều khiển và giám sát ngôi nhà

1.2 Mô hình tổng quan điều khiển các thiết bị điện gia đình

Mô hình tổng quan các thiết bị điện trong ngôi nhà được mô tả ở hình 1.1 Các trang thiết bị được tự động để kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm, đèn chiếu sáng, rèm cửa, cửa ra vào, cảnh báo khói, rò rỉ khí ga, thiết bị trong nhà (nóng lạnh, điều hòa) tưới nước tự động sân vườn, năng lượng mặt trời, chạm để điều khiển trực tiếp (cảm ứng điện dung), an ninh cho ngôi nhà rất quan trọng

và tất cả được kết nối internet Có thể điều khiển qua Smartphone, Tablet

8

Hình 1.1 Mô hình tổng quan thiết bị điện trong ngôi nhà

1.3 Khảo sát mộ số bộ điều khiển thiết bị điện gia đình

Hiện nay ở các nước đã nghiên cứu chế tạo rất nhiều các bộ điều khiển

và quản lý thiết bị từ sử dụng sóng hồng ngoại, RF, GSM [2]… Các bộ điều khiển này được sử dụng và lắp đặt cho ngôi nhà:

Ví dụ: Bộ điều khiển thiết bị từ xa Camsco C601 của trung quốc sử dụng sóng hồng ngoại Hình ảnh của bộ điều khiển hình 1.2 Khoảng cách điều khiển từ 20m đến 50m

Hình 1.2 Hình ảnh bộ điều khiển thiết bị từ xa Camsco C601

Bộ điều khiển thiết bị điện sử dụng công nghệ GSM[2] Mỗi bộ thông thường chỉ điều khiển được 1 thiết bị và phải mất 1 module GSM để truyền nhận dữ liệu Các module này cũng có thể tích hợp kết nối thành một hệ thống

9

điều khiển và giám sát cho một tòa nhà nhưng chi phí sẽ rất lớn và hệ thống kết nối phức tạp Giá thành mỗi module điều khiển này khoảng 1 triệu đồng Hình ảnh được mô tả ở hình 1.3

Ngoài ra thì các hãng công nghệ lớn: Siemen, Hitachi vv… cũng đã phát triển các hệ thống điều khiển và giám sát các thiết bị điện trong tòa nhà Nhưng những hệ thống này có chi phí rất đắt và chủ yếu phục vụ cho các tòa nhà lớn

Mới đây tập đoàn BKAV và công ty cổ phần Lumi đã nghiên cứu chế tạo thành công và thương mại hóa hệ thống điều khiển nhà thông minh

Đặc điểm của hệ thống này là khả năng tích hợp cao, có nhiều chế độ điều khiển, toàn bộ hoạt động của tòa nhà được giám sát và điều khiển trên một máy tính bảng chạy hệ điều hành Vì vậy giá thành của sản phẩm tương đối cao khi triển khai lắp đặt và điều khiển nhiều thiết bị cùng lúc

Hình 1.2 Bộ điều khiển thiết bị từ xa sử dụng công nghệ GSM

1.4 Các giải pháp điều khiển không dây và hiệu quả

1.4.1 Các giải pháp

Để đạt được mục tiêu nêu trên, giải pháp điều khiển có thể là:

- Điều khiển và giám sát qua Wifi

- Điều khiển và giám sát qua Ethernet

10

- Điều khiển và giám sát qua sóng RF

- Điều khiển qua hồng ngoại

1.4.2 Đánh giá các giải pháp

Việc đánh gia các giải pháp trên được thể hiện ở bảng 1

Bảng 1.1 Đánh giá các giải pháp điều khiển Phương pháp điều khiển Đặc điểm

Điều khiển bằng hồng ngoại

Phạm vi ngắn, không giám sát được thiết bị, không có kết nối Internet

Phụ thuộc vào vị trí lắp đặt giữa các thiết bị điều khiển và thiết bị đầu cuối

Điều khiển và giám sát bằng

sóng RF[5]

Điều khiển và giám sát đơn giản được các thiết

bị

Không có khả năng kết nối internet

Không sử dụng dây dẫn nên lắp đặt được trên mọi địa hình Khoảng cách giới hạn bởi địa hình và công suất thu phát RF

Điều khiển và giám sát qua

Ethernet

Điều khiển và giám sát được các thiết bị

Sử dụng các dây dẫn để kết nối các thiết bị

Điều khiển và giám sát qua

11

Lựa chọn giải pháp: Từ các đánh giá trên và căn cứ vào mục tiêu cần đạt của đề tài học viên lựa chọn phương pháp điều khiển và giám sát qua Wifi

1.5 Giới thiệu về giao tiếp Wifi hiện nay

1.5.1 Khái niệm

Wi-Fi viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11 là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến Truyền thông qua mạng không dây là truyền thông hai chiều Các sóng vô tuyến sử dụng cho WiFi gần giống với các sóng vô tuyến sử dụng cho thiết bị cầm tay, điện thoại di động và các thiết

bị khác Phương thức truyền sóng vô tuyến song công hoàn toàn, các dữ liệu truyền trên đường truyền là sạng số nhị phân, tại các thiết bị đầu cuối tín hiệu được chuyển đổi qua lại giữa Analog và Digital Tuy nhiên, có một số đặc điểm khác biệt của sóng WiFi so với các sóng vô tuyến khác như sau:

Truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz hoặc 5 GHz Tần số này cao hơn

so với các tần số sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay và truyền hình Tần số cao hơn cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn

1.5.2 Phân loại

1.5.2.1 Phân loại theo tiêu chuẩn giao tiếp

Chuẩn 802.11 có các tiêu chuẩn như sau:

• Chuẩn 802.11b : là phiên bản đầu tiên, chuẩn phát tín hiệu ở tần số 2.4GHz, xử lí 11Megabit /s và sử dụng mã CCK ( complimentary code keying ) Đây là chuẩn chậm nhất cũng như chi phí thấp nhất trên thị trường và ít phổ biến so với các chuẩn khác

• Chuẩn 802.11g : phát tần số 2.4 GHz, xử lí 54 Megabit/s cũng với mã OFDM ( orhogonal frequency-division multiplexing là một công nghệ

mã hóa hiệu quả) nên nhanh hơn so với 802.11b

12

• Chuẩn 802.11a : chuẩn này có hiệu năng giống chuẩn 802.11g Là tiền

đề cho chuẩn cuối cùng 802.11n

• Chuẩn 802.11n: có tốc độ nhanh nhất trong các chuẩn có tần số 2.4GHz với tốc độ xử lí 300 Megabit/s

• Chuẩn 802.11ac phát ở tần số 5 GHz, có khả năng truyền tối đa 1.3 Gbits/giây (162,5 MB/giây) Tốc độ truyền của một Router 802.11ac gấp đôi lưu lượng của Router 802.11n

• Chuẩn 802.11ad phát ở tần số 60 GHz, tốc độ truyền dữ liệu lên đến 7 Gbps tuy nhiên khả năng xuyên tường và các vật dụng của tín hiệu 60 GHz rất kém và dễ bị mất năng lượng, phù hợp với chia sẻ dữ liệu giữa các thiết bị trong cùng một phòng với khoảng cách ngắn

1.5.2.2 Phân loại theo phạm vi phủ sóng hoạt động

* Trên cơ sở phạm vi phủ sóng chúng ta có 4 loại mạng sau:

- WPAN (Wireless Personal NetWork)[1] Chủ yếu sử dụng với mạng có dây, kết nối trực tiếp bằng USB, firewire đến 1 máy tính cá nhân của người dùng Như máy in, máy photo

- WLAN (Wireless Local Area NetWork)[1] WLAN là một mạng không dây như một hệ thống mạng thông thường, mạng WLAN cho phép người dùng có thể truy xuất được nguồn tài nguyên sẵn internet bất kỳ vị trí nào có phủ sóng Wifi WLAN sử dụng sóng điện từ (thường là sóng radio hay sóng hồng ngoại) để liên lạc giữa các thiết bị trong phạm vi trung bình So với Bluetooth, Wireless Lan có khả năng kết nối phạm vi rộng hơn so với nhiều vùng phủ sóng khác nhau, do đó các thiết bị di động có thể tự do di chuyển giữa các vùng khác nhau Phạm vi hoạt động từ 100m đén 500m với tốc độ truyền dữ liệu trong khoảng 1Mbps-54Mbps

13

- WMAN (Wireless Metropolitan Area NetWork)[1] Mạng WMAN có kết nối giống như mô hình mạng LAN Nó được nối kết các mạng LAN với nhau thông qua các phương tiện truyền dẫn, cáp… các thiết bị truyền thông kết nối với nhau trong một diên tích rộng nhất định như trong một thành phố…

- WiMAX [1] là từ viết tắt của Wordwide Interopeabillity for MicroWave Access có nghĩa là khả năng tương tác toàn cầu với truy cập viba Công nghệ WIMAX hay còn gọi là chuẩn 802.16 là công nghệ không dây băng thông rộng phát triển rất nhanh với khả năng triển khai phạm vi rộng và được coi là tiềm năng to lớn

- WWAN (Wireless Wide Area NetWork)[1] Băng thông thấp vì vậy kết nối yếu dễ mất kết nối phù hợp với các ứng dụng như E-Mail, Web Phạm vi hoạt động rộng lớn, không giới hạn

1.5.3 Giao thức sử dụng

Mạng không dây khác với mạng hữu tuyến truyền thông chủ yếu ở lớp vật

lý và ở lớp điều khiển truy cập môi trường (MAC) của mô hình tham chiếu liên kết hệ thống mở (OSI) Nhưng phần khác nhau của hai phương thức tiếp cận trong cung cấp điểm giao diện vật lý cho các WLAN Nếu điểm giao diện vật lý là ở lớp điều khiển kênh logic (LLC) thì phương pháp tiếp cận này đòi hỏi các bộ điều khiển của khách hàng phí cung cấp phần mềm mức cao hơn như là hệ điều hành mạng[2]

Một giao diện như vậy cho phép các nút di động trao đổi trực tiếp với nhau thông qua card giao diện mang vô tuyến Điểm giao diện khác là ở lớp MAC và thường áp dụng điểm truy cập Vì vậy các điểm truy nhập thực hiện cầu nối và không thực hiện định tuyến Mặc dù MAC yêu cầu một kết nỗi hữu tuyến nhưng nó cho phép bất kỳ hệ điều hành mạng nào hoặc bộ điều khiển

14

bất kỳ với WLAN Một giao diện như vậy cho phép một Lan hữu tuyến đang

có mở rộng dễ dàng nhờ cung cấp thiết bị cho mạng vô tuyến mới

Các lớp thấp hơn của card giao diện vô tuyến thường được thực hiện bởi phần sụn “Firrmware” và chạy trên bộ xử lý nhúng Các lớp cao hơn của ngăn xếp giao thức mạng cho phép hệ điều hành trao đổi thông tin với Firmware lớp thấp hơn được nhúng trong card giao diện mạng vô tuyến Ngoài ra nó thực hiện chức năng LLC tiêu chuẩn Đối với hệ điều hành WinDows bộ điều khiển thường tuân thủ một số phiên bản của chỉ tiêu kỹ thuật bộ điều khiển mạng(NDIS) Các bộ điều khiển dựa trên Unix, Linux

1.5.4 Bảo mât mạng không dây

Bảo mật là một vấn đề rất quan trọng đối với người dùng trong tất cả các

hệ thống mạng (WLAN, LAN ) Để kết nối tới mạng LAN hữu tuyến cần phải truy cập theo đường truyền bằng dây cáp, phải kết nối với một PC và một cổng mạng Với mạng không dây chỉ cần có thiết bị trong vùng phủ sóng

là có thể truy cập được nên vấn đề bảo mật mạng không dây là cực kỳ quan trọng đối với người sử dụng mạng Bảo mật là vấn đề quan trọng và đặc biệt rất được sự quan tâm của các doanh nghiệp Không những thế bảo mật cũng

là nguyên nhân khiến doanh nghiệp e ngại

* Các phương pháp bảo mật cho mạng không dây

- FireWall: Lọc SSID, Lọc địa chỉ MAC, Lọc giao thức

- Mã hóa đường truyền: WEP, WPA

1.6 Vi Xử Lý trung tâm Esp8266 [3][4]

Vi xử lý trung tâm có chức năng xử lý các tín hiệu vào ra,kết nối SPI, I2C Đồng thời có chức năng kết nối Internet thông qua Wifi

- Tích hợp TR switch, balun, LNA, power amplifier and matching network

- Tích hợp PLL, regulators, and power management units

- +19.5dBm output power in 802.11b mode

- Tích hợp cảm biến nhiệt độ

- Supports antenna diversity

- Power down leakage current of < 10uA

- Integrated low power 32-bit CPU could be used as application processor

- SDIO 2.0, SPI, UART

- STBC, 1x1 MIMO, 2x1 MIMO

- A-MPDU & A-MSDU aggregation & 0.4s guard interval

- Wake up and transmit packets in < 2ms

- Standby power consumption of < 1.0mW (DTIM3)

Sử dụng ngôn ngữ C trên môi trường Arduino IDE để lâp trình cho ESP8266

Sơ đồ chân Vi xử lý trung tâm thể hiện ở hình 1.4

1.6.2 Đặc điểm chính của VXL ESP8266

Kết nối thông minh (ESCP) với hiệu suất cao, khả năng tích hợp nhiều ứng dụng

Tích hợp kết nối không dây, được thiết kế với không gian và năng lượng hạn chế các nhà thiết kế nền tảng điện thoại di động

16

Cung cấp khả năng nhúng Wifi cho một thiết bị khác hoặc có chức năng hoạt động độc lập với chi phí thấp và yêu cầu không gian ngắn

ESP8266EX cung cấp một giải pháp mạng WiFi đầy đủ và khép kín, nó

có thể được sử dụng để lưu trữ các ứng dụng hoặc để giảm tải các chức năng kết nối mạng WiFi từ một bộ xử lý ứng dụng ESP8266EX phục vụ như một

bộ Router WiFi, truy cập internet không dây có thể được thêm vào bất kỳ thiết kế điều khiển cơ bản kết nối đơn giản thông qua (SPI / SDIO hoặc I2C giao diện / UART)

- Hình 1.3 Sơ đồ chân ESP8266[10]

ESP8266EX là một trong những chip WiFi tích hợp mạnh nhất trong ngành công nghiệp; nó tích hợp thiết bị chuyển mạch ăng-ten, RF balun, bộ khuếch đại quyền lực, tiếng ồn thấp nhận được khuếch đại, bộ lọc, phân hệ quản lý điện năng, nó đòi hỏi ít mạch điện bên ngoài, và toàn bộ giải pháp, bao gồm mô-đun front-end, được thiết kế để chiếm diện tích PCB tối thiểu

17

ESP8266EX cũng tích hợp một phiên bản nâng cao với bộ xử lý 32-bit Tensilica, với SRAM trên chip, bên cạnh các chức năng WiFi ESP8266EX thường được tích hợp với bộ cảm biến bên ngoài và các thiết bị ứng dụng cụ thể khác thông qua GPIOs nó ; mã mẫu cho các ứng dụng này được cung cấp trong các bộ phát triển phần mềm (SDK)

1.6.3 CPU, bộ nhớ và giao tiếp

CPU : CPU sử dụng công nghệ Ultra Low power (điện năng tiêu thụ ít) CPU 32bit Giao tiếp Ram/Rom có thể truy cập bộ nhớ bên trong cũng như

bộ nhớ bên ngoài Giao tiếp Data với bộ nhớ bên trong mà cũng có thể truy cập vào bộ nhớ bên ngoài Sơ đồ khối của Vi xử lý ESP8266 được mô tả như hình 1.5

Hình 1.4 Sơ đồ khối ESP8266[10]

- Bộ nhớ: Bộ nhớ điều khiển bao gồm Rom và Ram Nó được truy cập bởi CPU sử dụng IBUS, Dbus và AHB

- Khối AHB thực hiện chức năng như trọng tài, kiểm soát giao tiếp AHB, SDIO và CPU

- Khối giao tiếp: Esp8266 bao gồm các đầu vào ra tín hiệu số và tín hiệu tương tự

18

1.6.4 Tập lệnh ESP8266[10]

Các lệnh AT comand cơ bản được chỉ ra ở bảng 1.2 phía dưới

Bảng 1.2 Một số lệnh AT comand cơ bản Tên lệnh Giá trị trả về Cấu trúc lệnh

AT Kiểm tra lệnh, luôn trả về OK AT

AT+RST Khởi động lại module AT+RST

AT+GMR Truy vấn phiên bản Firmware AT+GMR

Các lệnh AT cấu hình được chỉ ra ở bảng 1.3 dưới đây

Bảng 1.3 Các lệnh AT cấu hình Tên lệnh Tùy chọn Lựa chọn chế độ Cấu trúc lệnh AT+CWMODE=mo

de

Cài đặt chế

độ

1=Station 2=Access point 3=Both

AT+CWMODE=?

AT+CIPMUX=<mo

de>

Cài đặt số lượng các kênh kết nối

0=1kênh kết nối 1=nhiều kênh kết nối

AT+CIPMODE=1

AT+CIPMODE? Truy vấn chế

độ cài đặt dữ liệu

AT+CIPMODE?

VD: AT+CWJAP=

<Smarthome>,<12345678>

AT+CWJAP? Truy vấn mạng

Wifi đang kết nối

AT+CWJAP?

AT+CWLAP Truy vấn các

mạng Wifi có thể kết nối

AT+CWQAP

Các lệnh AT với Module Wifi cấu hình Access Point được chỉ ra ở bảng 1.5 dưới đây

Bảng 1.5 Các lệnh AT với module wifi cấu hình Access Point

Tên lệnh Tùy chọn Lựa chọn chế độ Cấu trúc lệnh AT+CWSAP=

<ssid>,<password

>,<chan>,<enc>

Cài đặt các thông số cho Access point

Ssid “SSID”, pass”Password”,chan”cha nel”, enc “Encrypoint”

(0=open, 1=Wep,2=WPA_PSK,3=

WPA2_PSK,4=

WAP_WPA2_PSK)

AT+CWSAP=”S marthome”,”2345 678”,5,3

AT+CWSAP? Xem cài đặt AT+CWSAP

AT+CWLIF

Ngoài ra còn một số các tập lệnh khác được chỉ ra ở bảng 1.6

Bảng 1.6 Tập lệnh AT khác Chức năng Cấu trúc lệnh Giá trị trả về

thinker.com) Firmware version AT+GMR AT+GMR 0018000902

Vendor:www.ai-OK List Access point AT+CWLAP AT+CWLAP+CWJAP Joint Access point AT+CWJAP?

AT+CWJAP=”ssid”,”password”

Query AT+CWJAP?+CWJAP Quit Access point AT+CWQAP=?

AT+CWQAP

Query

OK Set Parameter of

AT+CWMODE=1 AT+CWMODE=2 AT+CWMODE=3

Query STA

AP BOTH Setup TCP or UDP AT+CIPSTART=?

21

connection (CIPMUX=0) AT+CIPSTART

Get IP Address AT+CIFSR AT+CIFSR

192.168.0.105

1.7 Phát biểu bài toán cần nghiên cứu

Qua khảo sát các thiết bị và nhu cầu cần thiết của người tiêu dùng, tôi

sẽ tập trung:

- Thiết kế và xây dựng được phần cứng chạy ổn định, các thiết bị điều khiển từ xa phải đảm bảo hoạt động tốt không bị nhiễu Các cảm biến phải chạy ổn định ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm

- Nghiên cứu chế thử mô hình giám sát và điều khiển thiết bị điện, điện

tử trong gia đình kết nối với điện thoại thông minh qua giao tiếp bằng Wifi Với các cảnh báo là báo khói, dò rỉ khí gas, chống trộm Bảo mật cho ngôi nhà bằng khóa cửa thông minh sử dụng NFC trên điện thoại (phương thức giao tiếp gần có độ bảo mật cao) cho hình ngôi nhà với 3 phòng: Phòng khách, phòng ngủ và nhà bếp Thiết bị có thể sử dụng nguồn nuối là điện lưới hay điện ắc quy 1 chiều

1.8 Kết luận chương 1

Chương 1 đã nêu khái quát về hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị điện, điện tử trong gia đình kết nối với điện thọai thông minh qua giao tiếp bằng WiFi Đồng thời chương 1 cũng đã xây dựng được sơ đồ khối hệ thống giám sát, điều khiển thiết bị, bảo mật cho ngôi nhà và chức năng của từng khối Căn cứ vào những lý thuyết đã nêu trong chương 1, luận văn sẽ tiếp tục

đi sâu nghiên cứu các giải pháp thiết kế và phần mềm điều khiển

22

CHƯƠNG 2 - THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM CỦA BỘ

ĐIỀU KHIỂN 2.1 Giới thiệu chương

Trong chương này học viên sẽ đưa ra sơ đồ khối của bộ điều khiển

theo nguyên lý: “top- down” Học viên sẽ tiếp tục trình bày nội dung thiết kế

phần cứng và phần mềm cho bộ điều khiển thiết bị điện trong gia đình

2.2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống

Sơ đồ khối của bộ điều khiển được mô tả ở hình 2.1 bao gồm các khối sau:

23

• Khối nguồn

• Khối xử lý Trung tâm

• Khối cảm biến nhiệt độ và độ ẩm

• Khối cảm biến khí gas

• Khối cảm biến hồng ngoại PIR

• Khối cảm biến cường độ sáng

• Khối giao tiếp trung gian

• Khối đọc dữ liệu NFC

• Khối điều khiển Servo Motor

Đồng thời Vi Xử lý trung tâm kết nối với Wifi được cấp phát địa chỉ IP

tự động từ Router Wifi Để Vi Xử Lý trung tâm có thể kết nối Internet

Việc kết nối với Router Wifi thông qua Tên Wifi (Usename: DKTB Gia Đinh), mật khẩu Wifi (12345678) với chế độ bảo mật Wpa/Wpa2

2.3 Thiết kế khối nguồn

Sơ đồ khối nguồn được mô tả ở hình 2.2 dưới đây:

Hình 2.2 Sơ đồ khối nguồn cấp Khối nguồn có chức năng cung cấp điện áp 5v cho Relay, điện áp 3v3 cho bộ

vi xử lý trung tâm và các khối khác[9]

Khối nguồn vào sử dụng Adapter 220vAC - 7VDC/1A

24

- Sử dụng IC ổn áp 7805 ổn áp 5v

- Sử dụng IC ổn áp AMS1117/3v3 ổn áp 3v3

2.4 Thiết kế khối cảm biến nhiệt độ và độ ẩm

Chức năng: Khối cảm biến nhiệt độ[9] có chức năng thu thập số liệu của các phòng trong ngôi nhà và chuyển số liệu về trung tâm để xử lý và ra quyết định

Thông số kỹ thuật :

- Nguồn sử dụng: 3-5vdc

- Dòng điện sử dụng max: 2.5 mA (Khi truyền dữ liệu)

- Đo tốt ở độ ẩm 20%-80% với sai số là 5%

- Đo tốt ở nhiệt độ 0-50 sai số 2%

- Tần số lấy mẫu là 1Hz (1 giây/lần)

Từ các yêu cầu trên, học viện lựa chọn cảm biến nhiệt độ DHT11 Sơ đồ chân được hiện thị ở hình 2.3

Hình 2.3 Sơ đồ chân cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11

Cảm biến nhiệt độ và độ ảm DHT11 sử dụng công nghệ đo nhiệt độ và

độ ẩm độc quyền nên có độ tin cậy cao và có độ ổn định lâu dài Cảm biến DHT11 bao gồm hai thành phần là một là điện trở đo độ ẩm và một đo nhiệt

độ NTC kết nối với 1 vi điều khiển 8 bít Cảm biến đáp ứng được tốc độ đo nhanh, sai số ít chống nhiễu tốt

25

Kết nối DHT11 với VXL:

Kết nối MCU với DHT11 được mô tả ở hình 2.4

Hình 2.4 Sơ đồ kết nối với Vi xử lý Giao tiếp với Vi xử lý theo chuẩn 1 chân được mô tả ở hình 2.5

Hình 2.5 Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm (DHT11) Giá trị nhiệt độ và độ ẩm được hiển thị trên ứng dụng của Smartphone

Để có thể giao tiếp với DHT11 theo chuẩn 1 chân vi xử lý thực hiện theo 2 bước:

Bước 1: Gửi tin hiệu muốn đo (Start) tới DHT11, sau đó DHT11 xác nhận lại

+ Gửi tín hiệu Start

MCU thiết lập chân DATA là Output, kéo chân DATA xuống 0 trong khoảng thời gian >18ms Khi đó DHT11 sẽ hiểu MCU muốn đo giá trị

+ Sau khoảng 20-40us, DHT11 sẽ kéo chân DATA xuống thấp Nếu

>40us mà chân DATA không được kéo xuống thấp nghĩa là không giao tiếp được với DHT11

+ Chân DATA sẽ ở mức thấp 80us sau đó nó được DHT11 kéo nên cao trong 80us Bằng việc giám sát chân DATA, MCU có thể biết được có giao tiếp được với DHT11 không Nếu tín hiệu đo được DHT11 lên cao, khi đó hoàn thiện quá trình giao tiếp của MCU với DHT

Bước 2: Khi đã giao tiếp được với DHT11, Cảm biến sẽ gửi lại 5 byte dữ liệu

và đọc giá trị nhiệt độ trên DHT11 đo được DHT11 sẽ trả giá trị nhiệt độ và

độ ẩm về dưới dạng 5 byte Trong đó:

Byte 1: Giá trị phần nguyên của độ ẩm (RH%)

Byte 2: Giá trị phần thập phân của độ ẩm (RH%)

Byte 3: Giá trị phần nguyên của nhiệt độ (TC)

27

Byte 4: Giá trị phần thập phân của nhiệt độ (TC)

Byte 5: Kiểm tra tổng

Nếu Byte 5 = (8 bit) (Byte1 +Byte2 +Byte3 + Byte4) thì giá trị độ ẩm và nhiệt độ là chính xác, nếu sai thì kết quả đo không có nghĩa Đọc dữ liệu:

Sau khi giao tiếp được với DHT11, DHT11 sẽ gửi liên tiếp 40 bit 0 hoặc 1 về MCU, tương ứng chia thành 5 byte kết quả của Nhiệt độ và độ ẩm Giản đồ thời gian giao tiếp giữa DHT11 với VXL được mô tả ở bảng 2.7

Bit 0:

Bits1:

Hình 2.7 Giao tiếp giữa DHT11 với Vi xử lý

- Giao tiêp I2C Bus

- Độ phân giải cao (1-65535LUX)

- Tiêu hao nguồn ít

+ Ban đêm: 0.001 - 0.02 lx

+ Trời sáng trăng: 0.02 - 0.3 lx

+ Trời mây trong nhà: 5 - 50 lx

+ Trời mây ngoài trời: 50 - 500 lx

+ Trời nắng trong nhà: 100- 1000 lx

Cảm biến BH1750 xuất dữ liệu ra trực tiếp với đơn vị LUX