(Đồ án tốt nghiệp) thiết kế và thi công mô hình ứng dụng iot vào việc điều khiển giám sát các thiết bị điện trong nhà

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬBỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --- ---ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG Đề Tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ỨNG DỤNG IOT VÀO VIỆC

TỔNG QUAN

ĐẶT VẤN ĐỀ

Cuộc cách mạng Internet of Things (IoT) đang biến đổi cuộc sống của chúng ta thông qua việc kết nối các thiết bị thông minh Với sự phát triển của Internet, smartphone và các cảm biến, IoT tạo ra một mạng lưới các vật thể có khả năng thu thập và trao đổi dữ liệu Những thiết bị này có thể kết nối với Internet để điều khiển và giám sát từ xa, mang đến những trải nghiệm tiện ích như tự động mở đèn, điều chỉnh nhiệt độ hay phát nhạc, những điều mà trước đây chỉ có trong phim khoa học viễn tưởng.

Trong cuộc sống hiện đại, việc quên tắt các thiết bị như đèn và điều hòa khi rời khỏi nhà trở thành một vấn đề phổ biến, gây ra nhiều phiền toái cho chúng ta Để khắc phục tình trạng này, nhóm nghiên cứu đã quyết định phát triển một giải pháp công nghệ nhằm thiết kế và thi công hệ thống điều khiển thông minh cho các thiết bị điện trong gia đình Giải pháp này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn mang lại sự tiện lợi cho người sử dụng, giảm thiểu những lo lắng khi ra khỏi nhà.

Đề tài "Công mô hình ứng dụng IoT vào việc điều khiển giám sát các thiết bị điện trong nhà" tập trung vào việc ứng dụng công nghệ IoT để cho phép người dùng bật tắt thiết bị từ xa, bất kỳ lúc nào và ở đâu Ngoài chức năng điều khiển từ xa, nhóm sẽ phát triển thêm các tính năng giám sát trạng thái hoạt động của thiết bị Mặc dù đây không phải là một đề tài mới, nhưng vẫn còn nhiều điểm cần cải thiện, đặc biệt là tốc độ phản hồi khi điều khiển và giao diện người dùng Do đó, mục tiêu chính của nhóm là nâng cao tốc độ điều khiển thiết bị và xây dựng một giao diện điều khiển không chỉ thẩm mỹ mà còn thân thiện với người sử dụng.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

MỤC TIÊU

Tìm hiểu cách điều khiển các thiết bị trong nhà như đèn và quạt thông qua Internet, đặc biệt là sử dụng chip ESP8266 để điều khiển thiết bị qua mạng wifi.

Tìm hiểu và tiến hành xây dựng cơ sở dữ liệu, truyền nhận dữ liệu giữa các thiết bị và server.

Xây dựng giao diện web server để điều khiển và giám sát thiết bị.

Thiết kế và thi công mô hình.

NỘI DUNG THỰC HIỆN

NỘI DUNG 1: Tìm hiểu nguyên lý hoạt động và thiết kế mạch điều khiển sử dụng chip ESP8266.

NỘI DUNG 2: Thiết kế mạch nguồn và mạch công suất cho mô hình.

NỘI DUNG 3: Tìm hiểu và xây dựng cơ sở dữ liệu.

Thiết kế lưu đồ giải thuật và lập trình điều khiển thiết bị là bước quan trọng trong việc phát triển hệ thống Đồng thời, việc thiết kế giao diện web server cho phép người dùng điều khiển và giám sát trạng thái bật tắt của thiết bị qua Internet, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả trong quản lý thiết bị từ xa.

NỘI DUNG 5: Thi công mô hình.

Thử nghiệm và điều chỉnh cả phần cứng lẫn phần mềm là cần thiết để tối ưu hóa mô hình Đồng thời, việc đánh giá các thông số của mô hình cũng rất quan trọng Cuối cùng, cần viết báo cáo thực hiện để tổng kết quá trình và kết quả đạt được.

GIỚI HẠN

 Mô hình chỉ điều khiển các thiết bị trong nhà có công suất dưới 1000W.

 Mô hình có thể điều khiển tối đa là 4 thiết bị.

 Web server chỉ có thể điều khiển và giám sát trạng thái của 4 thiết bị.

BỐ CỤC

Chương này trình bày các phần: đặt vấn đề, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung thực hiện, giới hạn và bố cục của đồ án.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÔNG TẮC

Mô hình này được thiết kế để đóng tắt thiết bị điện trong nhà sử dụng nguồn 220VAC Nguồn điện 220VAC sẽ được chuyển đổi thành 12VDC và sau đó hạ xuống 3,3VDC để cung cấp cho các board mạch trong mô hình hoạt động Công tắc của mô hình có 4 phím cảm ứng, cho phép điều khiển 4 thiết bị khác nhau Quá trình hoạt động diễn ra một cách linh hoạt và hiệu quả.

2.1.1 Điều khiển trực tiếp từ mô hình

Khi người dùng chạm vào bề mặt phím cảm ứng điện dung, tín hiệu điều khiển được gửi đến bộ xử lý trung tâm, từ đó tín hiệu được chuyển tới mạch công suất để đóng hoặc mở thiết bị Dữ liệu trạng thái của thiết bị sau đó được gửi lên server qua mạng wifi Server tiếp nhận và xử lý dữ liệu, lưu trữ vào cơ sở dữ liệu, và cập nhật trạng thái hiện tại của thiết bị trên web Người dùng có thể truy cập vào trang web để kiểm tra trạng thái thiết bị.

2.1.2 Điều khiển thông qua web

Khi người dùng truy cập vào trang web, server sẽ cung cấp trạng thái hiện tại của thiết bị Người dùng có thể chọn thiết bị để điều khiển, và khi thực hiện thao tác trên web, server sẽ gửi dữ liệu điều khiển đến bộ xử lý trung tâm Bộ xử lý trung tâm tiếp nhận dữ liệu và thực hiện tác động để đóng hoặc mở thiết bị tương ứng, đồng thời server sẽ cập nhật trạng thái của thiết bị đó.

GIỚI THIỆU VỀ PHẦN CỨNG

2.2.1 Mạch cảm ứng điện dung a Tổng quan [1]

Cảm ứng điện dung là công nghệ cảm ứng hiện đại, hoạt động dựa trên sự thay đổi điện tích trên màn hình khi có sự tiếp xúc nhẹ từ tay người dùng Công nghệ này kế thừa và phát triển từ các phương pháp cảm ứng trước đây như cảm ứng hồng ngoại, cảm ứng sóng âm bề mặt và cảm ứng điện trở Một trong những ưu điểm nổi bật của cảm ứng điện dung là người dùng chỉ cần chạm nhẹ mà không cần tác động mạnh lên bề mặt cảm ứng.

Cảm ứng điện dung được chia thành hai loại chính: cảm ứng đơn điểm, chỉ cho phép nhận một chạm tại một thời điểm, và cảm ứng đa điểm (multi-touch), cho phép thực hiện nhiều thao tác chạm đồng thời Một trong những IC cảm ứng điện dung tiêu biểu là AT42QT2120.

Hình 2.1: IC Cảm ứng điện dung AT42QT2120.

AT42QT2120 hoạt động với nguồn điện từ 1,8V đến 5,5V Khi người dùng chạm vào lớp đồng tương ứng với kênh cảm ứng điện dung, kênh này sẽ hoạt động như một nút nhấn thông thường.

Khi có điện dung thay đ i trên lớp đồng (nối với ngõ vào của IC AT42QT2120) thì ngõ ra tương ứng của IC sẽ xuất ra 1 mức điện áp.

 Có 5 kênh cảm ứng, tối đa 12 kênh khi giao tiếp thông chuẩn I2C.

 Điện áp làm việc từ 1,8 ~ 5,5V.

 Dòng tiêu thụ khi hoạt động khoảng 0,55mA.

 Kênh cảm ứng, có thể đƣợc tác động từ lớp nhựa có độ dày lên đến 10mm, lớp thủy tinh có độ dày lên đến 20mm.

AT42QT2120 có 2 chế độ làm việc: chế độ Comms và chế độ Standalone.

Chế độ Comms của AT42QT2120 cho phép thiết lập tối đa 12 kênh cảm ứng điện dung thông qua giao tiếp I2C, yêu cầu một vi điều khiển để kết nối và giao tiếp hiệu quả với thiết bị này.

Với chế độ Standalone: AT42QT2120 hoạt động độc lập, có thể thiết lập tối đa 5 kênh cảm ứng điện dung.

AT42QT2120 là một giải pháp lý tưởng cho mạch cảm ứng điện dung với dãy điện áp hoạt động rộng và dòng tiêu thụ thấp Sản phẩm này cung cấp 5 kênh cảm ứng, vượt qua yêu cầu tối thiểu là 4 kênh, đồng thời có khả năng mở rộng lên đến 12 kênh, giúp dễ dàng phát triển các dự án quy mô lớn Do đó, nhóm đã quyết định lựa chọn AT42QT2120 cho dự án của mình.

Hình 2.2: Sơ đồ chân của AT42QT2120.

Bảng 2.1 Mô tả các chân của AT42QT2120 ở chế độ Standalone

 I: Chỉ có thể là chân ngõ vào (Input)

 I/O: Có thể là chân ngõ vào hoặc ngõ ra (Input/Output)

 OD: Chân loại cực máng hở (Open Drain)

Mạch xử lý trung tâm hoạt động với điện áp 3,3VDC và có công suất thấp, do đó không thể trực tiếp điều khiển thiết bị điện 220VAC Để điều khiển thiết bị này, mạch xử lý trung tâm cần gửi tín hiệu điều khiển đến một mạch điện khác, gọi là mạch công suất.

Có nhiều loại mạch dùng để đóng cắt thiết bị điện 220VAC, nhƣng thông dụng nhất là mạch công suất dùng relay và mạch công suất sử dụng triac.

Việc sử dụng mạch công suất triac thay vì relay mang lại nhiều lợi ích, đặc biệt là giảm thiểu tiếng ồn và nhiễu cho các thiết bị xung quanh Mạch công suất triac không phát sinh tia lửa điện khi đóng cắt, giúp hạn chế tác động tiêu cực đến các thiết bị khác Do đó, nhóm đã quyết định chọn mạch công suất triac BTA12 – 600BRG để điều khiển thiết bị điện 220VAC.

Triac BTA12 – 600BRG là linh kiện bán dẫn có 3 cực lớp, làm việc nhƣ 2 thyristor mắc song song ngƣợc chiều, có thể dẫn điện theo hai chiều.

Hình 2.4: Sơ đồ chân của triac BTA12 – 600BRG.

Triac BTA12 đƣợc sử dụng trong các ứng dụng điều chỉnh điện áp xoay chiều, điều khiển động cơ, điều khiển đóng tắt thiết bị điện,…

 Điện áp cực đại chịu đƣợc: 600V.

 Dòng điện thuận cực đại: 12A.

 Điện áp điều khiển mở van: 1,3V

 Dòng điều khiển mở van: 50mA

 Nhiệt độ làm việc: - 40 o C ~ 125 o C. b Opto Coupler MOC3020 [4]

Opto MOC3020 là linh kiện bán dẫn bao gồm một bộ phát quang và cảm biến quang tích hợp Bộ phát quang, là một diode phát quang, có chức năng phát ra ánh sáng để kích hoạt các cảm biến quang (triac) dẫn.

Hình 2.5: Sơ đồ chân và cấu tạo của MOC3020.

MOC3020 là một linh kiện quan trọng được sử dụng để cách ly giữa các khối điện áp hoặc công suất khác nhau, chẳng hạn như giữa khối công suất nhỏ và khối điện áp lớn Nó có khả năng chống nhiễu hiệu quả cho các mạch cầu H, đầu ra PLC và các thiết bị đo lường, giúp cải thiện độ ổn định và độ chính xác của hệ thống.

Nguyên lý hoạt động của opto triac dựa trên việc khi dòng điện đủ lớn đi qua hai đầu LED, LED sẽ phát sáng Sự phát sáng này làm thông hai cực của triac, cho phép dòng điện lưu thông qua.

 Dòng duy trì tối đa: 60mA.

 Điện áp ngƣợc tối đa: 3V.

 Điện áp thuận đầu vào: 1,5V.

 Điện áp đầu ra tối đa chịu đƣợc: 400VAC.

 Dòng tối đa trên triac: 1A.

 Dòng kích LED tối đa: 30mA.

Mạch xử lý trung tâm hoạt động với mức điện áp 3,3V và giao tiếp với mạch công suất thông qua triac để điều khiển thiết bị điện 220VAC Để đảm bảo mạch xử lý trung tâm có thể điều khiển mạch công suất, cần sử dụng opto Opto MOC3020 hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu cần thiết, vì vậy nhóm đã quyết định lựa chọn MOC3020 cho dự án này.

2.2.3 Mạch xử lý trung tâm

Mạch xử lý trung tâm nhận tín hiệu từ mạch cảm ứng điện dung và gửi yêu cầu bật tắt thiết bị tương ứng đến mạch công suất, sử dụng ESP8266 để điều khiển hiệu quả.

ESP8266 là chip Wi-Fi 2,4GHz tích hợp, giá rẻ và có thể lập trình, được sản xuất bởi Espressif Systems, Trung Quốc Ra mắt vào tháng 8 năm 2014 dưới dạng Module ESP-01 do AI-Thinker sản xuất, chip này cho phép kết nối Internet qua Wi-Fi nhanh chóng với ít linh kiện đi kèm Với giá cả hợp lý so với tính năng vượt trội, ESP8266 đã thu hút một cộng đồng lớn các nhà phát triển toàn cầu, cung cấp nhiều module lập trình mã nguồn mở, giúp người dùng dễ dàng tiếp cận và xây dựng ứng dụng.

Hiện nay tất cả các dòng chip ESP8266 trên thị trường đều mang nhãn ESP8266EX, là phiên bản nâng cấp của ESP8266.

Hình 2.6: Sơ đồ chân ESP8266.

 32-bit RISC CPU : Tensilica Xtensa LX106 chạy ở xung nhịp 80 MHz.

 Hỗ trợ Flash ngoài từ 512KiB đến 4MiB.

 64KBytes RAM thực thi lệnh.

 Chuẩn wifi EEE 802.11 b/g/n, Wi-Fi 2.4 GHz.

 Tích hợp TR switch, balun, LNA, khuếch đại công suất và matching network.

 Hỗ trợ WEP, WPA/WPA2, Open network.

 Tích hợp giao thức TCP/IP.

 Hỗ trợ nhiều loại anten.

 Nguồn cấp từ 2,5VDC ~ 3,6VDC.

 Dòng điện khi hoạt động trung bình khoảng 80mA.

 Hỗ trợ SDIO 2.0, UART, SPI, I²C, PWM, I²S.

 Dải nhiệt độ hoạt động rộng : -40 o C ~ 125 o C.

Do ESP8266 không hỗ trợ bộ nhớ Flash tích hợp, các board sử dụng chip này cần phải kết nối thêm bộ nhớ Flash bên ngoài Việc này cho phép ESP8266 thực hiện việc đọc chương trình ứng dụng thông qua chuẩn SPI hoặc SDIO.

Các chế độ Boot của ESP8266

Bảng 2.2: Các chế độ boot của ESP8266 và cấu hình chân GPIO

Chân MTD0, tương ứng với chân GPIO15 của ESP8266, có thể kết nối với điện trở kéo lên hoặc kéo xuống, cũng như nút nhấn, để tạo tín hiệu High/Low nhằm chọn bộ nhớ chứa mã code mà ESP8266 có thể đọc và thực thi, chẳng hạn như SPI Flash hoặc SD Card Ngoài ra, ESP8266 còn hỗ trợ nạp code ứng dụng từ máy tính qua giao thức UART và lưu trữ vào bộ nhớ SPI Flash trên board, cho phép cập nhật mã mới cho các board ESP8266 Để đảm bảo hoạt động hiệu quả, ESP8266 cần một số linh kiện thiết yếu, trong đó việc sản xuất và kiểm tra anten là thách thức lớn nhất, dẫn đến sự xuất hiện của nhiều module và board mạch phát triển trên thị trường để hỗ trợ người dùng trong việc phát triển ứng dụng.

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý cho ESP8266.

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

GIỚI THIỆU

Nhóm đặt mục tiêu thiết kế một mô hình nhỏ gọn, bao gồm ba bản PCB được kết nối thông qua rào cắm Các khối trong mô hình sẽ được tổ chức một cách hợp lý để tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm không gian.

Khối nguồn sử dụng điện áp 220VAC để cấp nguồn cho thiết bị điện được điều khiển thông qua mô hình Nguồn 220VAC sẽ được chỉnh lưu bằng cầu diode để chuyển đổi thành nguồn điện phù hợp.

Điện áp DC được hạ xuống 12VDC qua IC LNK3206G, sau đó tiếp tục được giảm xuống 3,3VDC bằng mạch hạ áp sử dụng IC MC34063, cung cấp nguồn cho mạch xử lý trung tâm và mạch cảm ứng điện dung.

Khối công suất sử dụng opto MOC3020 và triac BTA12 để điều khiển 4 thiết bị sử dụng nguồn xoay chiều 220VAC.

Khối cảm ứng điện dung sử dụng IC AT42QT2120 với 4 phím cảm ứng, để điều khiển 4 thiết bị.

Khối xử lý trung tâm sử dụng module ESP8266 ESP-12F để kết nối với wifi và truyền nhận dữ liệu từ server Mạch nạp cho ESP8266 được thiết kế với IC CH340G.

Một PCB sử dụng IC CH340G để tạo mạch nạp cho ESP8266, kết hợp với khối xử lý trung tâm và khối cảm biến điện dung Đồng thời, PCB này hoạt động với điện áp 220VAC, tích hợp cả khối nguồn và khối công suất.

THI CÔNG HỆ THỐNG

GIỚI THIỆU

Mô hình chia làm 2 phần thi công: phần cứng và phần mềm.

Chúng tôi đã thi công 2 PCB với kích thước 40mm x 69mm và 1 PCB kích thước 40mm x 20mm Mỗi PCB được thiết kế với 2 lớp (Top và Bottom), đảm bảo sắp xếp linh kiện và đi dây hợp lý Quá trình thi công mạch đã hoàn tất.

Thi công hộp đựng mô hình phù hợp với board mạch Đã hoàn thành, board mạch được đặt cố định trong hộp Kích thước hộp là 74x45x40mm.

Trong quá trình thi công, việc kiểm tra thiết bị được thực hiện liên tục, bao gồm hai lần thi công phần cứng và hai lần thiết kế hộp Kết quả cuối cùng của sản phẩm đã đạt gần 90% các yêu cầu đề ra.

Lập trình ESP8266 cho phép xử lý yêu cầu từ người dùng, điều khiển bật tắt thiết bị và truyền nhận dữ liệu từ server Dự án đã hoàn thành cơ bản với thời gian phản hồi nhanh chóng.

Đã hoàn thành việc xây dựng server, cơ sở dữ liệu và giao diện web Server hoạt động ổn định, cơ sở dữ liệu đã được thiết lập cơ bản, và giao diện web đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đã đề ra.

Mô hình đã hoàn thành yêu cầu, kết nối truyền nhận dữ liệu với server và cho phép lưu trạng thái hoạt động của các thiết bị trên web Hệ thống có giao diện quản lý thân thiện, tuy nhiên vẫn gặp một số vấn đề về nhiễu ở phần cứng và cấu trúc cơ sở dữ liệu chưa được tối ưu.

THI CÔNG HỆ THỐNG

Thi công board mạch bao gồm 3 PCB: PCB đầu tiên chứa mạch nguồn và mạch công suất với 2 đầu vào dây 220VAC và 4 dây ra kết nối các thiết bị sử dụng điện 220VAC PCB này cũng có rào để kết nối với PCB thứ hai, bao gồm 4 chân tín hiệu nhận dữ liệu điều khiển từ ESP và 2 chân nguồn 3,3VDC PCB thứ ba được thiết kế để nạp chương trình cho ESP và kết nối với PCB thứ hai.

Hình 4.1: Ảnh thực tế board mạch của mô hình.

PCB thứ 3 là mạch nạp chương trình, chỉ được sử dụng khi cần nạp chương trình mới vào ESP Trong quá trình hoạt động của mô hình, không cần thiết phải kết nối PCB thứ 3.

Mạch in của PCB thứ 1:

Hình 4.2: Sơ đồ bố trí linh kiện mặt trên của PCB thứ 1.

Hình 4.3: Sơ đồ đi dây mặt trên của PCB thứ 1.

Hình 4.4: Sơ đồ bố trí linh kiện mặt dưới của PCB thứ 1.

Hình 4.5: Sơ đồ đi dây mặt dưới của PCB thứ 1.

Hình 4.6: Sơ đồ mạch in của PCB thứ 1.

Bảng 4.1: Danh sách linh kiện

4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra a Lắp ráp mạch nguồn

Hình 4.17: Mặt trên khối nguồn.

Hình 4.18: Mặt dưới khối nguồn.

Module nguồn có kích thước khoảng 40x40mm, sử dụng mạch in 2 lớp với linh kiện xuyên lỗ ở lớp trên và linh kiện dán ở lớp dưới Để kiểm tra khối nguồn, cần đưa dây 220VAC vào các chân L và N, sau đó kiểm tra ngõ ra (GND – 3,3V) Nếu điện áp đạt 3,3V ± 5%, module được coi là đạt yêu cầu Để kiểm tra khả năng chịu dòng, sử dụng trở công suất; nếu dòng khoảng 400 ~ 500mA mà điện áp ra vẫn giữ ở 3,3V, module cũng đạt yêu cầu Bước tiếp theo là lắp ráp mạch công suất.

Mạch công suất gồm 4 MOC3020 và 4 TRIAC BTA12 nhận tín hiệu từ 4 chân 1, 2,

3, 4 ở mặt dưới và đóng tắt thiết bị tương ứng tại 4 ngõ ra 1, 2, 3, 4 ở mặt trên.

Hình 4.19: Mặt trên khối công suất.

Hình 4.20: Mặt dưới khối công suất.

Kiểm tra mạch kết nối dây 220V với các thiết bị điện là bước quan trọng để đảm bảo hoạt động ổn định Các đầu dây của thiết bị cần được kết nối với dây nguội (dây N) Tiến hành kích hoạt các chân tín hiệu 1, 2, 3, 4 để xác nhận mạch hoạt động đúng cách, đồng thời kiểm tra nhiễu có thể gây ra hiện tượng tự kích với tải cảm như quạt Nếu mạch đóng tắt tốt và không bị tự kích với các loại tải thiết bị, thì mạch đã đạt yêu cầu Cuối cùng, lắp ráp mạch xử lý trung tâm và mạch cảm ứng điện dung để hoàn thiện hệ thống.

Hình 4.21: Mặt trên PCB thứ 2.

Hình 4.22: Mặt dưới PCB thứ 2.

Kiểm tra nguồn cấp 3,3V từ PCB 1 để xác định xem ESP có hoạt động hay không Nạp chương trình cho ESP và kiểm tra xem ESP có nhận chương trình thành công Đồng thời, kiểm tra tín hiệu từ KEY nhấn để đảm bảo độ nhạy Nếu tất cả các yêu cầu này đều đạt, mạch được coi là đạt tiêu chuẩn.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH d Lắp ráp mạch nạp chương trình cho ESP

Hình 4.23: Mặt trên của mạch nạp USB-UART.

Hình 4.24: Mặt dưới của mạch nạp USB-UART.

Kết nối mạch nạp với PCB thứ 2, bao gồm mạch xử lý trung tâm và mạch cảm ứng điện dung Sau đó, kết nối với máy tính để kiểm tra xem máy tính có nhận cổng COM hay không; nếu có, thì yêu cầu đã được đáp ứng Cuối cùng, tiến hành lắp ráp toàn bộ mạch.

Hình 4.25: Board công tắc IoT.

Khi board hoạt động, không cần gắn mạch nạp, giúp mô hình trở nên nhỏ gọn hơn Chỉ cần cấp nguồn và kết nối với thiết bị để kiểm tra toàn bộ mạch, đảm bảo hoạt động đúng yêu cầu.

ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH

4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển

Board mạch đƣợc đóng hộp bởi 1 khối mica lắp ghép vào nhau, thiết kế vỏ với kích thước nhỏ gọn để đặt vừa trong đế âm tường.

Hộp thiết kế có khoảng trống cho dây 220VAC và các dây kết nối thiết bị, đồng thời tích hợp lỗ thông thoát khí để cải thiện khả năng tản nhiệt khi bo mạch hoạt động.

Hình 4.26: Thiết kế vỏ hộp bằng phần mềm Solidworks.

Mô hình này bao gồm 4 công tắc điều khiển 4 bóng đèn nhỏ, hoạt động với điện áp 220VAC Các công tắc được lắp đặt giống như các thiết bị trong gia đình, với đế âm tường Kích thước của mô hình là 74x45x40cm, được làm từ khối mica Các công tắc và bóng đèn được gắn ở phía trước, trong khi hệ thống dây điện được bố trí ở phía sau mô hình.

LẬP TRÌNH HỆ THỐNG

4.4.1 Lưu đồ giải thuật của Web Server a Yêu cầu

Người dùng có thể điều khiển đóng tắt, giám sát trạng thái của các thiết bị thông qua web server. b Lưu đồ của web server

Chọn phòng cần điều khiển và giám sát

Nút nhấn trên web đƣợc nhấn?

ESP gửi trạng thái của thiết bị lên server?

Gửi tín hiệu điều khiển xuống ESP

Lưu trạng thái của thiết bị vào cơ sở dữ liệu

Hình 4.27: Lưu đồ của server.

Người dùng truy cập vào website và đăng nhập với thông tin đúng Sau khi chọn phòng cần điều khiển và giám sát, họ nhấn nút điều khiển trên website Hệ thống sẽ gửi tín hiệu điều khiển đến ESP, thiết bị tương ứng sẽ được điều khiển Sau đó, trạng thái của thiết bị được lưu vào cơ sở dữ liệu Khi ESP gửi trạng thái thiết bị lên website, hệ thống cũng sẽ cập nhật và lưu trạng thái đó vào cơ sở dữ liệu.

4.4.2 Lưu đồ giải thuật của ESP a Yêu cầu điều khiển

ESP sẽ thực hiện 2 nhiệm vụ:

Khi người dùng chạm vào nút cảm ứng, thiết bị sẽ được kích hoạt và ngay lập tức gửi dữ liệu trạng thái đến server.

Khi người dùng tương tác với web server để điều khiển thiết bị, ESP sẽ nhận dữ liệu từ web server và thực hiện lệnh đóng hoặc mở thiết bị theo yêu cầu.

Cấu hình 4 chân ngõ ra và 4 chân ngõ vào

Nút cảm ứng Đ đƣợc nhấn? Điều khiển thiết bị tương ứng với nút nhấn S

Gửi trạng thái của thiết bị lên server

Hình 4.28: Lưu đồ của ESP.

ESP kết nối với mạng wifi và server để thực hiện quy trình tuần hoàn Khi có dữ liệu từ server, ESP sẽ điều khiển thiết bị theo yêu cầu Nếu người dùng nhấn nút, ESP gửi tín hiệu đến mạch công suất để điều khiển thiết bị và sau đó truyền dữ liệu lên server, nơi lưu trữ trạng thái của thiết bị.

4.4.3 Phần mềm lập trình cho ESP Để viết chương trình cho ESP8266 Espressif hiện đã hỗ trợ 3 nền tảng SDK (Software Development Kit – Gói phát triển phần mềm) độc lập là: NONOS SDK,

RTOS SDK và Arduino đều có những ưu điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng cụ thể Hiện nay, Arduino được ưa chuộng nhờ vào tính dễ sử dụng, kiến trúc phần mềm hiệu quả và khả năng tận dụng nhiều thư viện từ cộng đồng.

Arduino là một IDE tích hợp bao gồm editor, compiler, và programmer, cùng với firmware có bootloader và các thư viện dễ dàng tích hợp Sử dụng ngôn ngữ C/C++, Arduino hoàn toàn mã nguồn mở và được phát triển bởi cộng đồng Thiết kế của Arduino hướng tới người mới và không chuyên, giúp các công ty và phần cứng dễ dàng áp dụng Với trình biên dịch C/C++ và thư viện chất lượng, hiệu suất của Arduino ngày càng cải thiện, không thua kém các trình biên dịch chuyên nghiệp Ban đầu, Arduino sử dụng chip AVR, nhưng hiện nay đã hỗ trợ nhiều chip khác như ARM, PIC, STM32, ESP8266, ESP32 và RISCV, mang lại khả năng phần cứng và phần mềm mạnh mẽ hơn.

Hình 4.29: Phần mềm Arduino. Đặc điểm của Arduino:

Arduino đơn giản hóa việc lập trình và điều khiển phần cứng bằng cách sử dụng các khái niệm dễ hiểu và thủ tục ngắn gọn Trong khi việc thiết lập đầu ra cho một vi điều khiển (MCU) thường yêu cầu người dùng tham khảo datasheet vì độ phức tạp của việc cấu hình thanh ghi, Arduino chỉ cần gọi một hàm duy nhất để thực hiện điều đó.

Với tính năng linh hoạt và dễ sử dụng, các thư viện tích hợp sẵn giúp người không chuyên dễ dàng tiếp cận và phát triển sản phẩm mà không cần phải hiểu sâu về điện tử, chỉ cần tập trung vào các tính năng của sản phẩm mà bỏ qua các chi tiết như giao thức hay bảng dữ liệu.

Nhiều người dùng thường không chú ý đến cách thức hoạt động của các Module đi kèm, dẫn đến khó khăn trong việc xử lý các vấn đề phát sinh ngoài khả năng của thư viện.

Các module prototype làm sẵn cho Arduino có độ bền không cao, mục tiêu đơn giản hóa quá trình làm sản phẩm.

Các lợi ích khi sử dụng Arduino

Một thiết kế IDE chất lượng cho phép tích hợp linh hoạt nhiều loại compiler và phần cứng mà không làm giảm hiệu suất Chẳng hạn, Arduino gốc hỗ trợ AVR nhưng cũng có nhiều phiên bản tương thích với STM32, PIC32, ESP8266, ESP32, giúp tận dụng tối đa các thư viện có sẵn.

Các thư viện được phát triển dựa trên lớp API chung, vì vậy hầu hết các thư viện cho Arduino đều có thể áp dụng cho tất cả các vi điều khiển Chẳng hạn, thư viện Arduino dành cho ESP8266 có thể sử dụng hơn 90% các thư viện Arduino khác.

Trình biên dịch cho Arduino sử dụng ngôn ngữ C/C++, cho phép biên dịch ESP8266 non-os SDK và ESP8266 Arduino với hiệu năng tương đương Việc tổ chức các thư viện C/C++ theo mô hình OOP hỗ trợ phân lớp, kế thừa và quản lý hiệu quả cho các ứng dụng lớn Khi các MCU ngày càng mạnh mẽ, yêu cầu về ứng dụng cũng sẽ tăng cao, khiến các mô hình quản lý code đơn giản trước đây (thuần C) trở nên khó khăn Tất cả các dự án cho Arduino đều là mã nguồn mở, giúp người dùng dễ dàng truy cập, tích hợp vào sản phẩm và học hỏi từ những thiết kế chương trình chất lượng.

Arduino nổi bật với tính đa nền tảng và khả năng module hóa cao, phù hợp cho nhiều ứng dụng từ đơn giản đến phức tạp Các ứng dụng này ngày càng phổ biến trong thực tế Nếu bạn gặp vấn đề về overcontrol mà không sử dụng C++ hoặc Arduino, hãy xem xét thử nghiệm với Arduino Điều này sẽ giúp tiết kiệm thời gian đáng kể, cho phép bạn tập trung vào tính năng của sản phẩm.

Với Arduino ta có thể viết 1 Sketch sử dụng các thư viện và hàm tương tự của Arduino cho ESP8266.

The ESP8266 Arduino core includes a Wi-Fi connection library that supports TCP, UDP, and applications such as HTTP, mDNS, SSDP, and DNS servers Additionally, it enables Over-The-Air (OTA) updates, utilizes filesystem capabilities with Flash memory or SD cards, and allows for the control of servos and peripherals through SPI and I2C interfaces.

4.4.4 Phần mềm lập trình cho Web

Nhóm sử dụng phần mềm Visual Studio để lập trình cho Web.

HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC

Bước 1: Kết nối công tắc IoT với các thiết bị cần đều khiển, tiến hành cấp nguồn

Sau khi hoàn tất bước này, người dùng có thể điều khiển thiết bị bằng các nút nhấn cảm ứng điện dung Khi chạm vào nút, thiết bị sẽ được kích hoạt, và để tắt thiết bị, người dùng chỉ cần chạm lại vào nút đó Dữ liệu trạng thái của thiết bị sẽ được gửi lên server và lưu trữ trong cơ sở dữ liệu.

Hình 4.32: Các nút nhấn cảm ứng điện dung.

Bước 2: Truy cập vào web “tinhtam.baigiai.vn”, người dùng điền chính xác user và password Với user: tinhtam, password: 123.

Hình 4.33: Giao diện đăng nhập vào web server.

Sau khi đăng nhập vào trang web, người dùng có thể chọn phòng để điều khiển và giám sát Hiện tại, có một phòng đã được tạo, đó là phòng số 01 Để chọn phòng số 01, người dùng chỉ cần nhấp vào biểu tượng “ngăn tủ màu xanh”.

Trong trang này, chọn vào phòng khách Click vào biểu tƣợng “ngăn tủ màu xanh” để chọn phòng khách.

Người dùng đã truy cập vào trang điều khiển và giám sát thiết bị phòng khách, nơi nút màu xanh biểu thị trạng thái tắt và nút màu đỏ biểu thị trạng thái bật của thiết bị Bằng cách nhấn vào các nút trên trang web, người dùng có thể dễ dàng điều khiển thiết bị, với trạng thái của các nút luôn đồng bộ với trạng thái thực tế của thiết bị được điều khiển.

Hình 4.36: Giao diện điều khiển và giám sát thiết bị.

KẾT QUẢ NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ

MẠCH CẢM ỨNG ĐIỆN DUNG

Kết quả đạt đƣợc: Ƣu điểm:

 Mạch hoạt động điện dung có thể khoảng

15mm. n định, đạt những yêu cầu cơ bản, nút nhấn cảm ứng tác động thông qua mặt mica, mặt kiếng với độ dày

 Hiểu đƣợc cách hoạt động của cảm ứng điện dung, biết thêm nhiều linh kiện hỗ trợ chức năng cảm ứng điện dung nhƣ các dòng IC của Microchip,

 Hiểu đƣợc cách thức hoạt động của IC cảm ứng điện dung

 Khoảng cách tác động nút nhấn cảm ứng điện dung còn hạn chế, yêu cầu đề ra là 25mm nhƣng khoảng cách tối đa chỉ đạt 15mm.

 Mạch hoạt động đôi khi không n định do nhiễu tác động từ mạch nguồn, mạch công suất.

 Nút cảm ứng điện dung thiết kế với kích thước nhỏ, nên gây khó khăn cho người dùng khi tác động.

Để tối ưu hóa thiết kế mạch cảm ứng, cần chú ý đến cách đi dây và vị trí đặt mạch sao cho hợp lý, giữ khoảng cách an toàn và hạn chế tác động từ các nguồn gây nhiễu Việc xây dựng lồng Faraday sẽ giúp bảo vệ mạch khỏi nhiễu, nâng cao hiệu suất hoạt động.

 Có thể thay thế các loại chip khác, để nâng cao chất lƣợng của mạch cảm ứng điện dung (tăng khoảng cách tác động, tăng độ nhạy).

MẠCH XỬ LÝ TRUNG TÂM

 Board mạch đƣợc thiết kế nhỏ gọn, hoạt động khá n định.

Mạch nạp được thiết kế và thi công hoàn chỉnh với chức năng tự động chuyển đổi chế độ hoạt động của ESP, giúp dễ dàng chuyển giữa chế độ chạy chương trình và chế độ tiếp nhận chương trình mới khi người dùng tiến hành nạp Việc thiết kế mạch nạp thành một PCB riêng biệt không chỉ mang lại tính linh hoạt trong sử dụng mà còn tiết kiệm chi phí, thay vì phải sử dụng một mạch nạp tích hợp cho mỗi ESP.

 Mạch xử lý trung tâm ESP xử lý đƣợc tín hiệu từ mạch cảm ứng điện dung, hoàn thành đƣợc yêu cầu cơ bản đề ra.

 Hiểu rõ hơn nguyên lý hoạt động, cách thức nạp của ESP.

 Mạch xử lý trung tâm ESP, đôi khi bị mất kết nối với wifi.

 Thiết kế thêm phần chống nhiễu cho ESP bằng các mạch lọc, lồng Faraday,…

ESP32 là phiên bản nâng cấp của ESP, sở hữu nhiều chân GPIO hơn và tích hợp khả năng điều khiển qua Bluetooth và RF Khám phá thêm các IC phục vụ cho các dự án IoT với chi phí hợp lý và chất lượng vượt trội so với ESP.

MẠCH CÔNG SUẤT

 Mạch hoạt động đúng yêu cầu đề ra, đóng tắt thiết bị không gây ra tiếng ồn, ít bị nhiễu, không xảy ra hiện tƣợng tự kích của triac.

 Thiết kế mạch tương đối nhỏ gọn.

 Hiểu rõ nguyên lý hoạt động của mạch, các linh kiên đƣợc thêm vào với mục đích giảm nhiễu, chống hiện tƣợng tự kích.

 Mạch công suất dễ gây ra nhiễu cho mạch xử lý trung tâm.

 Thiết kế mạch có kích thước nhỏ gọn hơn, dùng linh kiện dán nhƣng vẫn đảm bảo đƣợc các thông số kỹ thuật

MẠCH NGUỒN

 Mạch nguồn được thiết kế với kích thước tương đối nhỏ gọn

40x40mm, điện áp đầu ra đạt yêu cầu 3,3V, dòng cấp đạt khoảng 400mA.

 Thiết kế mạch nguồn với kích thước đường mạch phù hợp với áp và dòng đi qua, tạo đƣợc khoảng cách chống nhiễu, tản nhiệt cho mạch.

 Nắm đƣợc nguyên lý và cơ chế hoạt động của các IC nguồn

 Hiểu thêm một số cách thức chống nhiễu, lọc nguồn cho mạch dùng mạch lọc nhiễu EMI, tụ bảo vệ, cuộn cảm lọc đầu ra,…

 Biết đƣợc nhiều loại nguồn chuyển đ i từ AC – DC, DC – DC.

Mặc dù hệ thống có nhiều linh kiện lọc nhiễu, nguồn điện 220VAC không sạch vẫn gây ra nhiều nhiễu ở đầu ra, ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống, đặc biệt là mạch cảm ứng điện dung.

 Do không cách lưu hoàn toàn, nên vẫn ra hiện tượng rò điện.

 Tìm hiểu thiết kế mạch chống nhiễu tối ƣu hơn.

 Đóng hộp cách ly nguồn với các phần khác trong mạch, để chống nhiễu và tránh rò điện.

KẾT QUẢ MÔ HÌNH

Hình ảnh kết quả đạt đƣợc sau thời gian thực hiện:

Hình 5.1: Mô hình hoàn chỉnh sau thời gian thực hiện.

Sau 2 lần thi công, cuối c ng nhóm c ng đã hoàn thành đƣợc mô hình Kết quả sau khi kiểm tra, đạt đƣợc 90% yêu cầu đề ra.

Định dạng
Số trang	112
Dung lượng	8,81 MB