Thiết kế và thi công mô hình điều khiển các thiết bị điện trong nhà Thiết kế và thi công mô hình điều khiển các thiết bị điện trong nhà Thiết kế và thi công mô hình điều khiển các thiết bị điện trong nhà Thiết kế và thi công mô hình điều khiển các thiết bị điện trong nhà
TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Trong bối cảnh công nghệ hiện đại, sự tự động hóa mang lại tiện ích đáng kể cho việc quản lý thiết bị điện và đảm bảo an toàn cháy nổ trong ngôi nhà Hệ thống tự động cho phép chủ nhà điều khiển các thiết bị và giám sát an toàn cũng như an ninh ngay cả khi không có mặt tại nhà, giúp giảm bớt lo lắng cho người sử dụng.
MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Mục tiêu của đề tài là thiết kế và thi công mô hình điều khiển các thiết bị điện trong nhà như đèn và quạt thông qua ứng dụng Blynk trên điện thoại có kết nối Internet Hệ thống gửi tín hiệu lên Server Blynk để lưu trữ dữ liệu và giao tiếp với Arduino Mega2560 qua ESP8266 Node MCU ESP8266 cũng kết nối với Blynk để hiển thị nhiệt độ và độ ẩm trên LCD và ứng dụng Hệ thống bao gồm thẻ từ RFID và mật khẩu để mở cửa ra vào, cùng với chức năng báo cháy và báo khí gas qua điện thoại nhằm giám sát an toàn trong nhà Ngoài ra, chức năng đồng bộ nút nhấn với ứng dụng Blynk giúp việc điều khiển và giám sát trở nên trực quan hơn.
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu tổng quan về Arduino, ngôn ngữ lập trình C++, UART, SPI, I2C
Nghiên cứu về Arduino Mega2560, Arduino Nano, ESP 8266, NodeMCU ESP8266, Blynk, LCD 16x2, RFID, Keypad, Servo, các loại cảm biến
Viết chương trình điều khiển cho Arduino Mega, Nano, NodeMCU
Thiết kế mô hình và lắp ráp các khối điều khiển
Chạy thử nghiệm hệ thống
Chỉnh sửa các lỗi phát sinh
Báo cáo đề tài tốt nghiệp
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp tổng hợp tài liệu
Phương pháp khảo sát hệ thống thực tế
Phương pháp mô hình hóa
BỐ CỤC QUYỂN BÁO CÁO
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về đề tài
Chương này giới thiệu lý do chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu, nội dung chính, các giới hạn về thông số và cấu trúc của đồ án.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương này giới thiệu các lý thuyết liên quan, các linh kiện, phần cứng sử dụng trong thiết kế
Chương 3: Thiết kế và tính toán
Chương này tính toán thiết kế hệ thống, thiết kế sơ đồ khối, chức năng từng khối và nguyên lý hoạt động từng khối
Chương 4: Thi công hệ thống
Chương này thi công hệ thống, lắp ráp và kiểm tra
Chương 5: Kết quả, Nhận xét, Đánh giá
Chương này nêu kết quả đạt được, nhận xét đánh giá hệ thống
Chương 6:Kết luận và hướng phát triển
Chương này trình bày những gì đã đạt được và chưa đạt được so với mục tiêu đề ra ban đầu, nêu hướng phát triển
IOT VÀ ỨNG DỤNG TRONG ĐỜI SỐNG
Internet of Things (IoT), hay còn gọi là Mạng lưới thiết bị kết nối Internet, là khái niệm mô tả sự kết nối của các vật dụng thông qua các bộ phận điện tử, phần mềm và cảm biến Hệ thống này tạo ra một mạng lưới phức tạp với nhiều kết nối giữa các thiết bị máy móc, giúp chúng trở nên thông minh hơn và tương tác hiệu quả.
Theo dự đoán của Gartner, Inc, đến cuối năm 2020 sẽ có gần 30 tỷ thiết bị kết nối trên toàn cầu Sự phát triển nhanh chóng của lĩnh vực này được thể hiện rõ qua số liệu: năm 1984, khi Cisco mới thành lập, chỉ có khoảng 1.000 thiết bị được kết nối, và đến năm 2010, con số này đã tăng lên 10 tỷ.
Intel, một tân binh trong ngành sản xuất chip cho thiết bị thông minh phục vụ IoT, đã ghi nhận doanh thu vượt 2 tỷ USD trong năm 2014, đánh dấu mức tăng trưởng 19% so với năm trước.
Bkav, một thương hiệu Việt Nam, đã ghi dấu ấn trong lĩnh vực Internet of Things với hệ thống nhà thông minh SmartHome Hệ thống này bao gồm nhiều thiết bị thông minh kết nối Internet, cho phép tự động điều chỉnh và điều khiển qua smartphone Ngoài Bkav, các tập đoàn lớn như Google, Apple, Samsung, và Microsoft cũng đang chuẩn bị thâm nhập thị trường này, hứa hẹn sẽ tạo ra sự cạnh tranh mạnh mẽ và đưa kỷ nguyên IoT đến gần hơn với người tiêu dùng.
Một vài ứng dụng trong đời sống:
Ngôi nhà thông minh (smart home) đang trở thành ứng dụng được tìm kiếm nhiều nhất trên toàn cầu Một ngôi nhà thông minh cho phép bạn điều khiển các thiết bị như điều hòa, bình nóng lạnh từ xa, tắt đèn khi không có mặt tại nhà, và mở cửa cho bạn bè ngay cả khi bạn không ở đó.
Các công ty đang sản xuất hàng loạt sản phẩm nhằm đơn giản hóa và thuận tiện hóa cuộc sống con người Smart home được coi là bước đột phá trong xu hướng IoT, với dự đoán rằng nó sẽ trở nên phổ biến như smartphone hiện nay.
Các thiết bị đeo thông minh như tai nghe, kính, ba lô và vòng tay đang ngày càng phổ biến trên toàn thế giới, với sự đầu tư mạnh mẽ từ các tập đoàn lớn như Google và Samsung Những thiết bị này được trang bị cảm biến và phần mềm để thu thập dữ liệu người dùng, phục vụ cho nhu cầu về sức khỏe, thể chất và giải trí Yêu cầu thiết kế cho các thiết bị này bao gồm công suất thấp, kích thước nhỏ gọn và tính thẩm mỹ cao.
Hình 2.2:Thiết bị đeo thông minh
Thành phố thông minh là một ứng dụng của IoT, thu hút sự quan tâm của người dân nhờ vào các giải pháp như giám sát thông minh, vận chuyển tự động và hệ thống quản lý năng lượng hiệu quả Những ứng dụng này giúp giải quyết các vấn đề lớn tại các đô thị như ô nhiễm môi trường, tắc nghẽn giao thông và thiếu năng lượng Một ví dụ điển hình là thùng rác thông minh, có khả năng gửi cảnh báo đến bộ phận vệ sinh khi cần được dọn dẹp, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống trong thành phố.
Cài đặt ứng dụng và sử dụng thiết bị thông minh giúp người dùng dễ dàng tìm kiếm cây xăng, siêu thị, quán ăn và bãi gửi xe miễn phí Hệ thống điện được bảo vệ bởi cảm biến, giúp phát hiện nhanh chóng các vấn đề nhiễu, trục trặc và lắp đặt.
IoT trong nông nghiệp đang trở thành một xu hướng quan trọng khi dân số ngày càng tăng, dẫn đến nhu cầu lương thực gia tăng Nông dân hiện nay có thể áp dụng công nghệ tiên tiến và các kỹ thuật mới để nâng cao sản lượng sản xuất Nông nghiệp thông minh, nhờ vào IoT, được xem là lĩnh vực phát triển nhanh nhất trong ngành nông nghiệp hiện đại.
Thông tin mà người nông dân thu thập giúp họ đưa ra quyết định đầu tư thông minh, tránh tình trạng "được mùa mất giá, được giá mất mùa" Cảm biến độ ẩm, chất dinh dưỡng của đất và mức độ hấp thụ nước đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát sự phát triển của cây trồng, cho phép người gieo trồng xác định và điều chỉnh lượng phân bón cần thiết.
Hình 2.4: IOT trong nông nghiệp
Internet công nghiệp, hay IIoT (Industrial Internet of Things), đang trở thành một xu hướng mới trong ngành công nghiệp IIoT cung cấp hỗ trợ cho kỹ thuật công nghiệp thông qua việc sử dụng cảm biến và phần mềm mạnh mẽ, giúp tạo ra những máy móc thông minh Những thiết bị này có khả năng giao tiếp dữ liệu với độ chính xác và nhất quán vượt trội so với con người Nhờ vào dữ liệu thu thập được, các công ty và nhà quản lý có thể phát hiện và giải quyết vấn đề sớm hơn, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động.
IoT mang lại tiềm năng to lớn trong việc kiểm soát chất lượng và tính bền vững Việc ứng dụng công nghệ này để trao đổi thông tin giữa nhà cung cấp, nhà phân phối và nhà bán lẻ về hàng hóa và hàng tồn kho sẽ nâng cao hiệu quả của chuỗi cung ứng.
Hình 2.5:IOT trong công nghiệp
Bán lẻ thông minh với sự hỗ trợ của IoT tạo ra kết nối chặt chẽ giữa nhà bán lẻ và khách hàng, từ đó nâng cao trải nghiệm mua sắm tại cửa hàng Tiềm năng phát triển của IoT trong lĩnh vực bán lẻ là rất lớn.
Smartphone là thiết bị chủ yếu giúp các nhà bán lẻ duy trì kết nối với khách hàng, cả khi họ đang ở cửa hàng và khi rời đi Việc tương tác qua điện thoại và ứng dụng công nghệ tiên tiến cho phép các nhà bán lẻ cải thiện dịch vụ khách hàng, đồng thời điều chỉnh cách bài trí cửa hàng để đáp ứng tốt hơn nhu cầu tiêu dùng.
Hình 2.6: IOT trong mua sắm
KHÁI NIỆM VỀ MẠNG WIFI
Wi-Fi, viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11, là một hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến tương tự như điện thoại di động, truyền hình và radio Hệ thống này đã được triển khai tại nhiều địa điểm như sân bay, quán café, thư viện và khách sạn, cho phép người dùng truy cập Internet mà không cần cáp nối Ngoài các điểm kết nối công cộng (hotspots), Wi-Fi cũng có thể được thiết lập tại nhà riêng để sử dụng cá nhân.
Tên gọi 802.11 được đặt theo viện IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), nơi phát triển nhiều chuẩn cho các giao thức kỹ thuật khác nhau Hệ thống phân loại của viện này bao gồm 6 chuẩn WiFi phổ biến hiện nay: 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n, 802.11ac và 802.11ad Sóng vô tuyến mà WiFi sử dụng tương tự như sóng vô tuyến cho các thiết bị cầm tay, điện thoại di động và nhiều thiết bị khác, cho phép chuyển và nhận sóng vô tuyến cũng như chuyển đổi mã nhị phân 1 và 0 sang sóng vô tuyến và ngược lại.
Hình 2.11:Các thiết bị kết nối Wifi
Tuy nhiên, sóng WiFi có một số khác biệt so với các sóng vô tuyến khác ở chỗ:
Chúng phát và truyền tín hiệu ở các tần số 2.4 GHz, 5 GHz hoặc 60 GHz, cao hơn so với tần số của điện thoại di động, thiết bị cầm tay và truyền hình Tần số cao này cho phép tín hiệu truyền tải nhiều dữ liệu hơn.
Chuẩn 802.11b là phiên bản đầu tiên của công nghệ Wi-Fi, nổi bật với tốc độ chậm nhất và chi phí thấp nhất Mặc dù đã từng phổ biến, nhưng hiện nay nó ít được sử dụng hơn so với các chuẩn Wi-Fi khác Chuẩn này phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz và có khả năng xử lý dữ liệu lên đến 11 megabit/giây, sử dụng mã CCK (complimentary code keying).
Chuẩn 802.11g hoạt động ở tần số 2.4 GHz và có tốc độ xử lý lên đến 54 megabit/giây, nhanh hơn so với chuẩn 802.11b Sự gia tăng tốc độ này là nhờ vào việc sử dụng công nghệ mã hóa OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing), mang lại hiệu quả cao hơn.
Chuẩn 802.11a phát ở tần số 5 GHz và có thể đạt đến 54 megabit/ giây
Nó cũng sử dụng mã OFDM Những chuẩn mới hơn sau này như 802.11n còn nhanh hơn chuẩn 802.11a, nhưng 802.11n vẫn chưa phải là chuẩn cuối cùng
Chuẩn 802.11n cũng phát ở tần số 2.4 GHz, nhưng nhanh hơn so với chuẩn 802.11a, tốc độ xử lý đạt 300 megabit/giây
Chuẩn 802.11ac phát ở tần số 5 GHz
Chuẩn 802.11ad phát ở tần số 60 GHz
Wifi hoạt động trên ba tần số khác nhau và có khả năng chuyển đổi nhanh chóng giữa các tần số này, giúp giảm thiểu nhiễu sóng và cho phép nhiều thiết bị kết nối đồng thời Các thiết bị kết nối vào mạng Wifi được gọi là station (trạm), và việc kết nối này được hỗ trợ bởi một access point (AP) AP hoạt động như một hub cho nhiều station và thường được kết nối với mạng dây để phát Wifi, tức là chuyển đổi từ mạng dây sang Wifi Mỗi access point được nhận diện qua SSID (Service Set IDentifier), là tên mạng hiển thị khi kết nối vào Wifi.
A hotspot is a location where devices can connect to the Internet, typically via Wi-Fi, through a wireless local area network (WLAN) linked to a router.
Để kết nối vào mạng WiFi, các máy tính trong vùng phủ sóng cần có bộ thu không dây hoặc adapter Những bộ này có thể được tích hợp sẵn trong máy tính xách tay hoặc để bàn hiện đại, hoặc thiết kế dưới dạng cắm vào khe PC card, cổng USB, hoặc khe PCI Sau khi cài đặt adapter không dây và phần mềm điều khiển, máy tính sẽ tự động nhận diện và hiển thị các mạng không dây có sẵn trong khu vực.
Các chuẩn bảo mật Wifi:
WEP (Wired Equivalent Privacy) là một giải thuật bảo mật cho mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.11, ban đầu chỉ hỗ trợ bảo mật 64 bit, sau đó nâng cấp lên 128 bit và 256 bit Tuy nhiên, WEP đã bộc lộ nhiều lỗ hổng bảo mật, khiến các khóa WEP dễ bị crack chỉ trong vài phút bằng phần mềm miễn phí Đến năm 2004, với sự ra đời của các chuẩn bảo mật mới như WPA và WPA2, IEEE đã tuyên bố ngừng hỗ trợ chuẩn WEP trong bảo mật Wifi.
- WPA (Wi-Fi Protected Access) là giao thức và chuẩn bảo mật WiFi phát triển bởi Liên hiệp Wifi (Wifi Alliance) WPA được phát triển để thay thế cho
Chuẩn WEP trước đây có nhiều lỗ hổng bảo mật, trong khi phiên bản phổ biến nhất của WPA là WPA-PSK (Pre-Shared Key) với độ bảo mật cao hơn nhờ sử dụng ký tự 256 bit, vượt trội hơn so với mã hóa 64 bit và 128 bit của WEP WPA hỗ trợ TKIP (Temporal Key Integrity Protocol), giúp bảo vệ an toàn cho các gói tin truyền trong WIFI Tuy nhiên, TKIP cũng đã phát hiện ra một số lỗ hổng bảo mật và đã được thay thế bởi AES (Advanced Encryption Standard), giao thức được sử dụng trong cả WPA và WPA2.
WPA2 (WiFi Protected Access II) là chuẩn bảo mật WiFi thay thế WPA từ năm 2006, được coi là an toàn nhất hiện nay Nó không chỉ sử dụng giao thức mã hóa AES mà còn kết hợp với giao thức CCMP (CTR mode with CBC-MAC Protocol), đảm bảo tính bảo mật và nguyên vẹn cho dữ liệu truyền tải Đến nay, WPA2 với AES vẫn là giao thức bảo mật WiFi tốt nhất.
Nguồn phát sóng WiFi là máy tính với:
- Một cổng để nối cáp hoặc modem ADSL
- Một router (bộ định tuyến)
- Một access point không dây
Hầu hết các router có độ phủ sóng trong khoảng bán kính 30,5 m về mọi hướng
2.3 CÔNG NGHỆ RFID VÀ ỨN DỤNG TRONG ĐỜI SỐNG a.Công nghệ RFID và quá trình phát triển
Giới thiệu về công nghệ RFID
Công nghệ RFID (Nhận diện tần số vô tuyến) cho phép đọc thông tin từ chip mà không cần tiếp xúc trực tiếp, hoạt động hiệu quả ở khoảng cách xa mà không cần giao tiếp vật lý giữa các thiết bị Công nghệ này mang lại giải pháp tối ưu cho việc truyền và nhận dữ liệu từ một điểm đến điểm khác một cách nhanh chóng và tiện lợi.
Kỹ thuật RFID sử dụng truyền thông không dây trong dải tần sóng vô tuyến để truyền dữ liệu từ các thẻ (tag) đến bộ đọc (reader) Các thẻ này có thể được gắn vào sản phẩm, hộp hoặc giá kê (pallet) để nhận diện Bộ đọc quét dữ liệu từ thẻ và gửi thông tin về cơ sở dữ liệu lưu trữ dữ liệu của thẻ Chẳng hạn, thẻ RFID có thể được gắn trên kính chắn gió xe hơi, cho phép hệ thống thu phí đường nhanh chóng nhận diện và thu tiền trên các tuyến đường.
Hệ thống RFID bị động hiện nay hoạt động đơn giản: reader phát tín hiệu tần số vô tuyến qua anten đến con chip, sau đó nhận thông tin từ chip và gửi về máy tính điều khiển để xử lý Các chip không tiếp xúc này không cần nguồn điện riêng, mà hoạt động nhờ năng lượng từ tín hiệu do reader phát ra.
Lịch sử và quá trình phát triển
Năm 1897: Guglielmo Marconi phát hiện ra sóng radio, tạo nền tảng để phát triển RFID
Năm 1937: phòng thử nghiệm nghiên cứu Naval U.S phát triển hệ thống xác định Friend – or – Foe (IFF) cho phép những đối tượng thuộc về quân ta với quân địch
Hình 2.12: Thiết bị IFF và thiết bị RFID ngày nay
Cuối thập kỷ 60 và đầu thập kỷ 70, nhiều công ty như Sensormatic và Checkpoint Systems đã giới thiệu các sản phẩm mới với thiết kế đơn giản hơn và ứng dụng rộng rãi hơn, nhờ vào sự tích hợp công nghệ trong IC và chip nhớ lập trình được.
