ĐỒ ÁN CƠ SỞ 3ĐỀ TÀI:THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊCHIẾU SÁNG SỬ DỤNG ĐIỆN THOẠITHÔNG MINH QUA WIFI TRONG NHÀ

Một trong những ứng dụng đó là kỹ thuậtđiều khiển thiết bị chiếu sáng, với tự động hóa hoàn toàn hoặc bán tự độngtrong việc quản lý, điều khiển.. Hệ thống điện tử này giao tiếp với chủ n

THÔNG MINH QUA WIFI TRONG NHÀ

Giáo viên hướng dẫn : PSG.TS.Nguyễn Thanh Bình

Sinh viên thực hiện : Trần Ngọc Thắng 18IT5

Cao Bá Vũ 18IT3

Đà nẵng, tháng 8 năm 2020

MỞ ĐẦU

Ngày nay trên thế giới với sự bùng nổ của các ngành công nghệthông tin, điện tử, nhúng v.v Đã làm cho đời sống của chúng ta ngày cànghoàn thiện, tiến bộ hơn Các thiết bị tự động hóa đã ngày càng được sửdụng rộng rãi đưa vào trong sản xuất và thậm chí là vào cuộc sống sinhhoạt hằng ngày Nhà thông minh là một ví dụ điển hình Các thiết bị giámsát, tự động, điều khiển từ xa v.v với đặc điểm nổi bật như sự chính xáccao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ là những điều rất cần thiết cho cuộc sống củachúng ta ngày một tiến bộ hơn Một trong những ứng dụng đó là kỹ thuậtđiều khiển thiết bị chiếu sáng, với tự động hóa hoàn toàn hoặc bán tự độngtrong việc quản lý, điều khiển Hệ thống điện tử này giao tiếp với chủ nhàthông qua phần mềm trên di động, máy tính bảng, hoặc một giao diện web.Thông qua đó, ta có thể bật tắt tất cả thiết bị chiếu sáng trong nhà, hẹn giờhay lập lịch trình tự động qua ứng dụng di động (Android) Thiết kế nhàthông minh mặc dù đều dựa trên nền tảng IoT, tuy nhiên có rất nhiều cáchtiếp cận khác nhau trong việc thiết kế các mô hình nhà thông minh Một sốcách có thể kể đến là sử dụng các máy tính nhúng như Raspberry PI3,Orange Pi One, PIC hoặc Arduino Ở đây nhóm đã sử dụng NodeMCU-ESP12E tương tự Arduino, và xây dựng đề tài nghiên cứu với mục tiêuđiều khiển các thiết bị chiếu sáng qua internet (wifi)

LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Thanh Bình đã trựctiếp hướng dẫn, góp ý, chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu, tận tình giúp

đỡ và tạo điều kiện để chúng em hoàn thành tốt đề tài

Xin chân thành cảm ơn!

NHẬN XÉT (Của giáo viên hướng dẫn)

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Chữ ký

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN 10

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 10

1.2 MỤC TIÊU 10

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 11

1.4 GIỚI HẠN 11

1.5 CẤU TRÚC ĐỒ ÁN 11

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13

2.1 GIỚI THIỆU 13

2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 13

2.2.1 Bộ điều khiển trung tâm NodeMCU ESP-12E 13

2.2.2 Rơ le 4 kênh 16

2.2.3 Điện trở 18

2.2.4 Đèn chiếu sáng 19

2.2.5 Module cảm biến ánh sáng 19

2.2.6 Nút nhấn 2 chân 20

2.3 GIỚI THIỆU CÔNG CỤ LẬP TRÌNH 22

2.3.1 Arduino IDE 22

2.3.2 Visual Studio Code 28

2.3.3 Android Studio 30

2.3.4 Google Assistant – IFTTT 34

Chương 3 PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ HỆ THỐNG 38

3.1 GIỚI THIỆU 38

3.2 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI 38

3.2.1 Khối cảm biến ánh sáng 39

3.2.2 Khối nút nhấn điều khiển 40

3.2.3 Khối bật tắt các thiết bị 40

3.2.4 Khối xử lý trung toàn mạch 41

3.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 42

3.4 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 43

3.4.1 Lưu đồ lấy trạng thái của các đèn và cảm biến từ Web server 43

3.4.2 Lưu đồ điều khiển các bóng đèn bởi rơ le 44

3.4.3 Lưu đồ điều khiển các bóng đền bởi công tắc 45

3.4.4 Lưu đồ điều khiển đèn bởi cảm biến ánh sáng 46

Chương 4 TRIỂN KHAI THỰC HIỆN 47

4.1 LẮP RÁP PHẦN CỨNG 47

4.2 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 47

4.2.1 Chương trình cho NodeMCU 47

4.2.2 Xây dựng Web Server 47

4.2.3 Ứng dụng di động Android 49

4.2.4 Google Assistant 49

Chương 5 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 50

5.1 MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH 50

5.2 WEB SERVER 50

5.3 ỨNG DỤNG DI ĐỘNG 51

5.4 GOOGLE ASSISTANT 52

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 53

6.1 KẾT LUẬN 53

6.2 HẠN CHẾ 53

6.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 53

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

DANH MỤC HÌNH

Trang

Hình 2.1 Bộ điều khiển trung tâm – NodeMCU ESP-12E 12

Hình 2.2 Sơ đồ chân NodeMCU ESP-12E 13

Hình 2.3 Ứng dụng NodeMCU trong học tập 14

Hình 2.4 Ứng dụng NodeMCU trong công nghiệp 15

Hình 2.5 Ứng dụng NodeMCU trong dân dụng 15

Hình 2.6 Rơ le 4 kênh 16

Hình 2.7 Sơ đồ chân Rơ le 16

Hình 2.8 Điện trở 17

Hình 2.9 Giá trị của điện trở 18

Hình 2.10 Đèn chiếu sáng 18

Hình 2.11 Module cảm biến ánh sáng 19

Hình 2.12 Nút nhân 2 chân 20

Hình 2.13 Mạch nút nhấn 2 chân 20

Hình 2.14 Giao diện Code Arduino IDE 21

Hình 2.15 Các phiên bản JRE 22

Hình 2.16 Tải xuống Arduino IDE 23

Hình 2.17 Cài đặt Driver cho Arduino IDE 24

Hình 2.18 Vùng lệnh cơ bản trong Arduino IDE 25

Hình 2.19 Vùng thông báo trong Arduino IDE 26

Hình 2.20 Chọn cổng COM cho arduino 27

Hình 2.21 Giao diện Code Visual Studio Code 28

Hình 2.22 Cài đặt Visual Studio Code 28

Hình 2.23 Cài các extension cơ bản 29

Hình 2.24 Giao diện màn hình đầu của Android Studio 29

Hình 2.25 Một project bình thường thì có dạng như thế này 30

Hình 2.26 Cài đặt Android Studio 30

Hình 2.27 Cài máy ảo trong Android Studio 32

Hình 2.28 Google Assistant - IFTTT 34

Hình 2.29 Các bước cấu hình IFTTT trên điện thoại 35

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 37

Hình 3.2 Khối cảm biến ánh sáng 38

Hình 3.3 Khối nút nhấn điều khiển 39

Hình 3.4 Khối bật tắt các thiết bị 39

Hình 3.5 Khối xử lý trung tâm toàn mạch 40

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý hoạt động 41

Hình 3.7 Lưu đồ lấy trạng thái của các đèn và cảm biến từ Web server 42

Hình 3.8 Lưu đồ điều khiển các bóng đèn bởi rơ le 43

Hình 3.9 Lưu đồ điều khiển các bóng đèn bởi công tắc 44

Hình 3.10 Lưu đồ điều khiển đèn bởi cảm biến ánh sáng 45

Hình 4.1 Chương trình cho NodeMCU 46

Hình 4.2 Xây dựng Web Server 46

Hình 4.3 Phần mềm điều khiển sử dụng Android Studio 48

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Thường ngày để điều khiển chiếu sáng trong nhà, bạn phải di chuyển và bậttắt lắm công tắc Tuy nhiên, với ngôi nhà thông minh thì các kịch bản chiếu sángđược thiết lập sẵn cho từng hoạt cảnh chi tiết, chỉ một chạm là bạn được điềukhiển khung chiếu sáng theo ý muốn

Với những người mất khả năng đi lại, thì giải pháp này là lựa chọn tốt nhất.Qua bảng điều khiển trên úng dụng, bạn có thể biết được đèn nào đang bật hay đãtắt và bạn 100% bật hoặc tắt thiết bị đó ngay trên điện thoại hay Website khikhông cần thiết

Nếu bạn là người hay quên, đãng trí thì chức năng hẹn giờ bật tắt đèn là giảipháp hiệu quả trong việc tiết kiệm điện, ví dụ như đèn ở ngoài trời tự động bật tắtvào ban ngày hoặc ban đêm nhờ cảm biến ánh sáng, hay hẹn giờ lập thời gianbiểu cho các thiết bị trong nhà có thể tự động bật tắt theo giờ, theo ngày, hay cảtuần

1.2 MỤC TIÊU

- Điều khiển hệ thống chiếu sáng trong gia đình qua các thiết bị có internetbất cứ ở đâu

- Bật tắt tự động qua thiết lập thời gian biểu cho các thiết bị

- Thay đổi tùy thuộc vào ánh sáng môi trường và điều chỉnh cho phù hợp

- Xây dựng phần mềm quản lý trên nhiều nền tảng: Android, Website, IOS(sau này), v.v

- Giao diện quản lý thân thiện, đơn giản và dễ sử dụng

=> Tiết kiệm năng lượng, hiệu quả sử dụng cao, an toàn, dễ sử dụng, tiện nghi vàthông minh, đem lại sự hiện đại, sang trọng

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Xác định mục tiêu và giới hạn nghiên cứu

- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết

- Thiết kế khối cảm biến, khối khối điều khiển qua rơ le và khối nút nhấn thủ công và khối hoàn chỉnh

- Xây dựng WebServer

- Viết code cho NodeMCU ESP-12E

- Xây dựng ứng dụng di đông (Android App)

- Thiết kế mô hình nhà và lắp ráp các board mạch

- Chạy thử và kiểm tra, sửa chữa lỗi

1.4 GIỚI HẠN

- Hệ thống chỉ ở mức độ điều khiển đơn giản

- Chỉ hoạt động khi có WIFI trong nhà

- App chỉ có trên nền tảng Android

- Domain cho WebServer miễn phí nên khó tránh rủi ro tốc độ và lâu dài

1.5 CẤU TRÚC ĐỒ ÁN

Với đề tài "THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG SỬDỤNG ĐIỆN THOẠI THÔNG MINH QUA WIFI TRONG NHÀ" thì bố cục đồ

án như sau:

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày giới thiệu phần cứng của hệ thống điều khiển, cáccông cụ hỗ trợ cho việc xây dựng phần mềm hệ thống

Chương 3: Phân tích và thiết kế hệ thống

Chương này trình bày về sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý, sơ đồ hoạt động củacác board mạch của hệ thống, lưu đồ thuật toán Quy trình xây dựng WebServer

và App Android và các chức năng liên quan

Chương 4: Triển khai thực hiện

Chương này trình bày quy trình lắp ráp các board mạch và thiết kế môhình nhà Hoàn thiện WebServer và ứng dụng di động Android Bên cạnh đó làhình ảnh thực tế, cũng như kết quả

Chương 5: Kết quả đạt được

Chương này giới thiệu về sản phẩm thực hiện, mô hình, ứng dụng di động

và web server

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương này trình bày quy trình kết quả mà đề tài đạt được, đồng thời đưa rahướng phát triển để có được một đề tài hoàn thiện và đáp ứng được nhu cầu chocuộc sống hiện đại như ngày nay

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

- Thiết bị đầu ra: module rơ le, các đèn

- Thiết bị vửa là đầu vào và đầu ra: NodeMCU ESP-12E

- Thiết bị điều khiển: di động Android, máy tính, laptop có kết nối internet

- Chuẩn giao thức mạng internet: HTTP (GET METHOD)

2.2.1 Bộ điều khiển trung tâm NodeMCU ESP-12E

Chương 3 Giới thiệu về NodeMCU v1.0 Lua – ESP8266

ESP12E

NodeMcu là một mạch phát triển nền tảng IoT (Internet of Thing), sử dụng môđun ESP-12 (Wifi ESP8266 SoC).

Hình 2.1 Bộ điều khiển trung tâm – NodeMCU ESP-12E

NodeMcu có một số ưu điểm như sau:

- Thiết kế theo cách tương tự Arduino

- Hỗ trợ In/Out, PWM, ADC, I2C, UART

- Sử dụng ESP8266 cho khả năng kết nối Wifi

- Có sẵn cổng giao tiếp với máy tinh (COM ảo) tương tự Arduino

- Có thể lập trình bằng nhiều công cụ, trong đó có Arduino IDE

- Sử dụng NodeMcu, với chíp wifi ESP8266, có thể triển khai các dự

án, đề tài điện tử, cơ - điện tử, sử dụng giao tiếp không dây wifimột cách dễ dàng và tiết kiệm chi phí

Hiện nay có 2 phiên bản NodeMcu là 0.9 và 1.0 (do MME cung cấp)nhỏ gọn, tiện dụng cho mạch test (mạch cắm lỗ) đồng thời sử dụngchíp giao tiếp máy tính CP2102

a) Sơ đồ chân

Hình 2.2 Sơ đồ chân NodeMCU ESP-12E

b) Thông số

Các thông số điển hình:

- Wi-Fi 2.4 GHz, hỗ trợ WPA/WPA2, 802.11 b/g/n protocol

- 1 kênh ADC 10 bit, 10 chân In/Out, PWM, truyền nhận SPI,

UART, I2C

- Tốc độ hoạt động 80Mhz,

- Tích hợp giao thức TCP/IP (ipv4)

- Dòng tiêu thụ thấp

- Tích hợp vi điều khiển 32-bit tiêu thụ điện năng thấp

- Điện áp nguồn (qua cổng USB) 5V Điện áp các chân In/Out: 3.3V

- Tích hợp cổng giao tiếp (COM ảo) Có thể lập trình bằng Arduino

c) Một số ứng dụng cơ bản

a Trong học tập

Sử dụng ESP8266 hiển thị lên led ma trận

Một cách đơn giản để bạn tạo một chiếc đồng hồ, hay một khungled để biểu thị các đoạn văn bản mà bạn muốn Có thể áp dụng ứngdụng ESP8266 web server để áp dụng vào ứng dụng này, bạn sẽ sửdụng trình duyệt web hoặc điện thoại để gửi đoạn văn bản đến led

ma trận

Hình 2.3 Ứng dụng NodeMCU trong học tập

b Trong công nghiệp

Robot: Arduino được ứng dụng trong các thiết kế về Robot, cụthể như điều khiển motor, nhận biết và xử lý thông qua cảm biến Máy CNC mini sử dụng cho điêu khắc sử dụng laser hoặc spindletốc độ cao

Hình 2.4 Ứng dụng NodeMCU trong công nghiệp

c Trong dân dụng

Nhà thông minh sử dụng các thiết bị kết nối Internet để có thểquản lý và giám sát các thiết bị và hệ thống từ xa như ánh sáng vànhiệt độ

Hình 2.5 Ứng dụng NodeMCU trong dân dụng

3.1.1 Rơ le 4 kênh

a) Giới thiệu rơ le 4 kênh và tính năng

Rơ-le là một loại linh kiện điện tử thụ động rất hay gặp trong cácứng dụng thực tế

Module 4 relay thích hợp cho các ứng dụng đóng ngắt điện thế cao AChoặc DC, các thiết bị tiêu thụ dòng lớn, module thiết kế nhỏ gọn, có opto

và transistor cách ly, kích đóng bằng mức thấp (0V) phù hợp với mọi loại

MCU và thiết kế có thể sử dụng nguồn ngoài giúp cho việc sử dụng trởnên thật linh động và dễ dàng!

Rơ-le là một công tắc (khóa K) Nhưng khác với công tắc ở một chỗ cơbản, rơ-le được kích hoạt bằng điện thay vì dùng tay người

Hình 2.6 Rơ le 4 kênh

b) Sơ đồ chân

Hình 2.7 Sơ đồ chân Rơ le

NO = Normally Open : chân thường mở

COM = Common Pin : chân chung

NC = Normally Closed : chân thường đóng

GND = Ground (-) : chân đất, mass – (DC-)

VCC = 5V (+) : chân nguồn dương + (DC+)SIG = SIGNAL : chân tín hiệu

Relay switch indicator = HIGH or LOW : chế độ ban đầu cao hoặc thấpRelay : tải đóng ngắt (cuộn cảm

c) Thông số

- Sử dụng điện áp nuôi 5VDC

- 4 Relay đóng ngắt ở điện thế kích bằng 0V nên có thể sử dụng cho

cả tín hiệu 5V hay 3v3 (cần cấp nguồn ngoài), mỗi Relay tiêu thụ dòng khoảng 80mA

- Điện thế đóng ngắt tối đa: AC250V - 10A hoặc DC30V - 10A

- Có thể kích mức 0 hoặc mức 1 thông qua Jupmer

- Có đèn báo đóng ngắt trên mỗi Relay

3.1.2 Điện trở

a) Giới thiệu và tính năng

Điện trở hay Resistor là một linh kiện điện tử thụ động gồm 2 tiếpđiểm kết nối, thường được dùng để hạn chế cường độ dòng điện chảytrong mạch, điều chỉnh mức độ tín hiệu, dùng để chia điện áp, kích hoạtcác linh kiện điện tử chủ động như transistor, tiếp điểm cuối trong đườngtruyền điện và có trong rất nhiều ứng dụng khác

Hình 2.8 Điện trở

b) Thông số

Hình 2.9 Giá trị của điện trở

3.1.3 Đèn chiếu sáng

Dùng để chiếu sáng, trong sản phẩm thực hiện dùng đèn AC 220V

Hình 2.10 Đèn chiếu sáng

3.1.4 Module cảm biến ánh sáng

a) Giới thiệu về module cảm biến ánh sáng và tính năng

Module Cảm Biến Ánh Sáng dùng quang trở có ưu điểm:

Hình 2.11 Module cảm biến ánh sáng

Tính năng:

- Cảm biến ánh sáng ban ngày và ban đêm

- Sử dụng ánh sáng điều khiển thiết bị điện

- Đèn sáng tự động khi trời tối

3.1.5 Nút nhấn 2 chân

a) Giới thiệu và tính năng

- Đóng ngắt trong thời gian nhất định

- Dùng trong các mạch điện tử

- Đóng ngắt cho thiết bị

3.2 GIỚI THIỆU CÔNG CỤ LẬP TRÌNH

3.2.1 Arduino IDE

IDE viết tắt của cụm từ Integrated Development Environment là phầnmềm cung cấp cho các lập trình viên một môi trường tích hợp bao gồm nhiềucông cụ khác nhau như chương trình viết mã lệnh hay code editor, chương trìnhsửa lỗi hay debugger, chương trình mô phỏng ứng dụng khi chạy thực tế haysimulator… Nói cách khác thì IDE là một phần mềm bao gồm những gói phầnmềm khác nhau giúp phát triển ứng dụng phần mềm

a) Giao diện IDE

Arduino IDE là một trình soạn thảo văn bản, giúp bạn viết code đểnạp vào bo mach Arduino

Một chương trình viết bởi Arduino IDE được gọi là sketch được lưu dướidạng ino

Môi trường lập trình đơn giản dễ sử dụng, ngôn ngữ lập trình C hoặc C++quen thuộc với người làm kỹ thuật Số lượng thư viện code viết sẵn vàchia sẻ bởi cộng đồng nguồn mở cực kỳ lớn

Hình 2.14 Giao diện Code Arduino IDE

b) Cài đặt Arduino IDE

a Cài đặt Java Runtime Environment (JRE)

Vì Arduino IDE được viết trên Java nên bạn cần phải cài đặtJRE trước Arduino IDE

Link tải: downloads.html

b Cài đặt Arduino IDE

Bước 1: Truy cập địa chỉ http://arduino.cc/en/Main/Software.Đây là nơi lưu trữ cũng như cập nhật các bản IDE của Arduino.Bấm vào mục Windows ZIPfile for non admin install

Hình 2.16 Tải xuống Arduino IDE

Bước 2: Sau khi download xong, các bạn bấm chuột phải vào filevừa download arduino-1.8.13-windows.zip và chọn “Extract here”

để giải nén

Bước 3: Copy thư mục arduino-1.8.13 vừa giải nén đến nơi lưu trữ.Bước 4: Chạy file trong thư mục arduino-1.8.13\ để khởi độngArduino IDE

Xem hướng dẫn thực hiện tại bài viết Disabling Driver Signature

on Windows 8 của SparkFun

Đầu tiên, các bạn chạy file x86.exe (Windows x86) hoặc arduino-1.6.4\drivers\dpinst-amd64.exe (Windows x64) Cửa sổ “Device DriverInstallation Wizard” hiện ra, các bạn chọn Next để tiếp tục.

arduino-1.6.4\drivers\dpinst-Hình 2.17 Cài đặt Driver cho Arduino IDE

Khi có yêu cầu xác nhận cài đặt driver, chọn “Install”

Đợi khoảng 10 giây trong lúc quá trình cài đặt diễn ra …

c) Các chức năng cơ bản trong Arduino IDE

a Vùng lệnh

Bao gồm các nút lệnh menu (File, Edit, Sketch, Tools, Help).Phía dưới là các icon cho phép sử dụng nhanh các chức năngthường dùng của IDE được miêu tả như sau:

Hình 2.18 Vùng lệnh cơ bản trong Arduino IDE

b Vùng viết chương trình

Bạn sẽ viết các đoạn mã của mình tại đây Tên chương trìnhcủa bạn được hiển thị ngay dưới dãy các Icon, ở đây nó tên là

“Blink” Để ý rằng phía sau tên chương trình có một dấu “§”.

Điều đó có nghĩa là đoạn chương trình của bạn chưa được lưulại

c Vùng thông báo

Những thông báo từ IDE sẽ được hiển thị tại đây Để ý rằnggóc dưới cùng bên phải hiển thị loại board Arduino và cổngCOM được sử dụng Luôn chú ý tới mục này bởi nếu chọn sailoại board hoặc cổng COM, bạn sẽ không thể upload đượccode của mình

Hình 2.19 Vùng thông báo trong Arduino IDE

d) Một số lưu ý

Khi lập trình, các bạn cần chọn port (cổng kết nối khi gắn board vào)

và board (tên board mà bạn sử dụng) Giả sử, bạn đang dùng mạchArduino Uno, và khi gắn board này vào máy tính bằng cáp USB nóđược nhận là COM4 thì bạn chỉnh như thế này là có thể lập trìnhđươc nhé