TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Hiện nay, điện thoại thông minh trở nên phổ biến và hệ điều hành Android liên tục được phát triển với mã nguồn mở Việc sử dụng điện thoại để điều khiển và giám sát thiết bị qua wifi đang trở thành xu hướng nổi bật, cho phép người dùng kiểm soát thiết bị ở bất kỳ đâu có internet Mạng lưới thiết bị kết nối internet, hay còn gọi là Internet of Things (IoT), dự kiến sẽ có khoảng 50 tỷ đồ vật kết nối vào Internet vào năm 2020, và con số này có thể còn tăng cao hơn IoT sẽ tạo ra một mạng lưới khổng lồ kết nối mọi thứ, bao gồm cả con người và thiết bị, hình thành các mối quan hệ giữa người với người, người với thiết bị, và thiết bị với thiết bị.
Trên thị trường hiện nay, nhiều sản phẩm ổ cắm thông minh điều khiển qua wifi vẫn có kích thước lớn và cần phải cắm vào ổ điện thông minh trước khi kết nối với ổ điện thường, gây mất thẩm mỹ và chiếm diện tích Để giải quyết vấn đề này, cần tìm cách tận dụng ổ cắm điện âm tường quen thuộc, biến chúng thành thiết bị điện thông minh mà không tốn nhiều chi phí hay thay đổi cấu trúc Vì vậy, chúng tôi quyết định thực hiện đề tài: “Tối ưu kích thước bộ điều khiển cho ứng dụng ngôi nhà thông minh”, góp phần vào xu hướng kết nối mọi thiết bị qua internet trong tương lai.
Mục tiêu của đề tài là thiết kế bộ điều khiển nhỏ gọn, dễ lắp đặt vào hộp đế âm của ổ cắm điện thông dụng, biến chúng thành các ổ cắm điện thông minh Bộ điều khiển này sẽ sử dụng nền tảng thiết bị thông minh để quản lý thiết bị qua internet, nhằm mang lại sự tiện lợi và hiện đại cho người dùng.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN khiển thông qua Cloud sử dụng của Google Firebase và điều khiển vòng kín nhằm tránh trường hợp thông tin gửi đi bị thất lạc do lỗi đường truyền.
Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển trên Android Studio.
Thiết kế và lập trình và thi công khối mạch giao tiếp giữa module wifi ESP8266 với điện thoại thông minh thông qua sóng wifi.
Thiết kế và thi công khối công suất tối đa 5500W đối với tải thuần trở và công suất tối đa 2HP (1490W) đối với tải cảm.
Thi công lắp đặt ổ cắm thường chuyển thành ổ cắm thông minh.
Ổ cắm thông minh này chỉ hoạt động với kết nối sóng wifi không sử dụng các loại sóng RF, Bluetooth, sóng điện thoại để điều khiển.
Ổ cắm thông minh này có khả năng điều khiển tối đa 3 ngõ ra, với công suất tối đa mỗi ngõ đạt khoảng 5500W cho tải thuần trở và 2HP (1490W) cho tải cảm.
Chỉ điều khiển đóng cắt ON/OFF không điều khiển analog.
Chương này giới thiệu vấn đề nghiên cứu, nêu rõ lý do chọn đề tài, xác định mục tiêu và nội dung nghiên cứu, đồng thời trình bày các giới hạn thông số và cấu trúc của đồ án.
Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.
Trình bày các cơ sở lý thuyết cần thiết để thực hiện đề tài.
Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán
Chương này sẽ thiết kế và tính toán các khối trong hệ thống điều khiển.
Chương 4: Thi Công Hệ Thống
Chương này đề cập đến quy trình thi công và lắp đặt các khối trong hệ thống, đồng thời trình bày về lập trình phần mềm và chương trình hệ thống nhằm điều khiển thiết bị thông minh hiệu quả.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 2 qua wifi Hướng dẫn thao tác sử dụng app Android điều khiển thiết bị trong hệ thống.
Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá
Chương này sẽ trình bày tất cả những kết quả đã làm được thông qua hình ảnh, đánh giá sản phẩm qua thực tế.
Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển
Chương này trình kết luận những gì làm được, chưa làm được và hướng phát triển.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 3
Giới hạn
Ổ cắm thông minh này chỉ hoạt động với kết nối sóng wifi không sử dụng các loại sóng RF, Bluetooth, sóng điện thoại để điều khiển.
Ổ cắm thông minh này có khả năng điều khiển tối đa 3 ngõ ra, với công suất tối đa khoảng 5500W cho tải thuần trở và 2HP (1490W) cho tải cảm.
Chỉ điều khiển đóng cắt ON/OFF không điều khiển analog.
Chương này giới thiệu vấn đề nghiên cứu, lý do lựa chọn đề tài, mục tiêu và nội dung của nghiên cứu, đồng thời nêu rõ các giới hạn về thông số và cấu trúc của đồ án.
Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.
Trình bày các cơ sở lý thuyết cần thiết để thực hiện đề tài.
Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán
Chương này sẽ thiết kế và tính toán các khối trong hệ thống điều khiển.
Chương 4: Thi Công Hệ Thống
Chương này sẽ trình bày về quy trình thi công và lắp đặt các khối trong hệ thống Ngoài ra, nội dung cũng sẽ đề cập đến việc lập trình phần mềm và hệ thống để điều khiển thiết bị thông minh một cách hiệu quả.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 2 qua wifi Hướng dẫn thao tác sử dụng app Android điều khiển thiết bị trong hệ thống.
Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá
Chương này sẽ trình bày tất cả những kết quả đã làm được thông qua hình ảnh, đánh giá sản phẩm qua thực tế.
Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển
Chương này trình kết luận những gì làm được, chưa làm được và hướng phát triển.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 3
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tìm hiểu cở sở dữ liệu Google Firebase
Google Firebase là dịch vụ cơ sở dữ liệu thời gian thực trên nền tảng đám mây do Google cung cấp, giúp lập trình viên phát triển ứng dụng nhanh chóng bằng cách đơn giản hóa việc quản lý cơ sở dữ liệu Các tính năng nổi bật của Google Firebase bao gồm lưu trữ dữ liệu thời gian thực, xác thực người dùng và Firebase Hosting.
Hình 2.1: Cấu trúc của Google Firebase 2.1.1 Lưu trữ dữ liệu thời gian thực - Firebase Realtime Database
Dữ liệu trong Firebase được lưu trữ dưới dạng JSON và đồng bộ theo thời gian thực đến tất cả các kết nối Client Khi phát triển ứng dụng đa nền tảng cho Android, iOS và JavaScript SDK, tất cả các Client sẽ chia sẻ một cơ sở dữ liệu Firebase và tự động cập nhật với dữ liệu mới nhất.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 4
Firebase tự động tính toán quy mô cho ứng dụng mới của bạn, giúp bạn yên tâm phát triển mà không cần lo lắng về việc nâng cấp máy chủ Với khả năng quản lý hàng triệu kết nối đồng thời và hàng tỉ lượt truy vấn mỗi tháng, Firebase sẽ xử lý mọi yêu cầu một cách hiệu quả.
Các tính năng bảo mật lớp đầu đảm bảo rằng tất cả dữ liệu được truyền qua kết nối an toàn SSL với chứng nhận 2048-bit Việc truy vấn cơ sở dữ liệu và xác nhận được quản lý chi tiết thông qua các quy tắc mềm dẻo Security Rules Language Tất cả logic bảo mật dữ liệu được tập trung tại một vị trí, giúp việc cập nhật và kiểm tra trở nên dễ dàng hơn.
Firebase đảm bảo sự ổn định nhờ vào nền tảng Cloud của Google, giúp người dùng yên tâm về việc không xảy ra tình trạng ngừng hoạt động của Server hay tốc độ kết nối chậm Việc nâng cấp và bảo trì Server diễn ra dễ dàng mà không cần dừng dịch vụ Firebase duy trì tương tác ngay cả khi có sự cố internet, với khả năng ghi dữ liệu vào cơ sở dữ liệu Local trước khi đồng bộ hóa với Server khi kết nối được khôi phục.
Firebase cung cấp giải pháp xác thực người dùng đơn giản cho ứng dụng Android, iOS và JavaScript chỉ với một vài dòng mã Với các tính năng xác thực qua Email, Facebook, Twitter, GitHub, Google và xác thực nặc danh, Firebase giúp các ứng dụng xử lý vấn đề đăng nhập hiệu quả, tiết kiệm thời gian và giảm thiểu các phức tạp liên quan đến backend.
Việc tích hợp xác thực người dùng thông qua Custom Auth Tokens cùng với các chức năng backend hiện có giúp nâng cao bảo mật cho ứng dụng Sử dụng giao thức bảo mật SSL trên nền tảng Cloud và phân quyền người dùng cơ sở dữ liệu bằng cú pháp Javascript mang lại mức độ an toàn cao hơn cho hệ thống của bạn.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 5
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Phát triển ứng dụng web nhanh chóng với Hosting tĩnh từ Firebase, nơi tất cả các kết nối được bảo mật qua SSL từ mạng CDN toàn cầu Firebase cung cấp nhiều API hỗ trợ đa nền tảng, giúp tiết kiệm thời gian quản lý và đồng bộ dữ liệu Việc triển khai ứng dụng trở nên dễ dàng hơn với tính năng xác thực người dùng, rút ngắn đáng kể thời gian phát triển Tất cả ứng dụng sẽ có đường dẫn mặc định tại firebaseapp.com.
Module wifi ESP8266 V12E
2.2.1 Giới thiệu module wifi ESP8266 V12E
Module wifi ESP8266, được phát triển bởi Espressif Systems, là một hệ thống trên chip (SoC) tích hợp đầy đủ tính năng internet trong kích thước nhỏ gọn và giá cả phải chăng Đây là lựa chọn lý tưởng cho các dự án IoT, thiết bị cầm tay và ứng dụng di động.
Module wifi ESP8266 V12E là một lựa chọn tiết kiệm chi phí và được ưa chuộng cho các ứng dụng internet và wifi, thay thế cho các module RF truyền thống Được trang bị chip IC wifi SoC ESP8266, module này đáp ứng nhu cầu nghiên cứu IoT hiện đại với khả năng xử lý và lưu trữ mạnh mẽ ESP8266 cho phép tích hợp dễ dàng với các bộ cảm biến, vi điều khiển và các thiết bị ứng dụng thông qua các chân GPIO, mang lại giải pháp kết nối linh hoạt cho các dự án phát triển.
Bộ môn Điện tử Công nghiệp 6 cung cấp mạng Wi-Fi đầy đủ và khép kín, cho phép lưu trữ ứng dụng và giảm tải các chức năng kết nối mạng Wi-Fi điều khiển từ xa.
Module wifi ESP8266 V12E có kích thước nhỏ gọn, tích hợp đầy đủ chân của IC wifi SoC ESP8266 Sản phẩm được thiết kế với chất lượng cao, vỏ bọc kim loại chống nhiễu và anten wifi PCB tích hợp, giúp đảm bảo khoảng cách truyền xa và ổn định.
2.2.2 Đặc điểm và thông số của module wifi ESP8266
Module WiFi ESP8266 có 9 chân GPIO, cho phép lập trình các chức năng chân qua phần mềm Việc cấu hình Input và Output được thực hiện thông qua các thanh ghi, và các chân này có thể được sử dụng cho nhiều mục đích như I2C, I2S, PWM và UART.
Bảng 2.1: Bảng thông số kỹ thuật của module wifi ESP8266 V12E
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 7 ĐẶC TÍNH
Bảng 2.2: Bảng so sánh các module IoT wifi ESP8266
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 8
Bảng 2.3: Bảng tiêu thụ dòng ở các chế độ khác nhau của ESP8266 V12E
Tx802.11b, CCK 11Mbps, POUT=+17dBm
Tìm hiểu về hệ điều hành Android
Android là hệ điều hành do Google phát triển, chuyên dụng cho điện thoại di động và máy tính bảng, và đang ngày càng trở nên phổ biến trong ngành công nghiệp điện thoại.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 9
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Android, được phát triển trên nền tảng Linux và phân phối miễn phí, cho phép người dùng thay thế bất kỳ ứng dụng mặc định nào bằng ứng dụng yêu thích của họ, bao gồm cả màn hình cuộc gọi và màn hình chính Khác với Windows Mobile và iOS, Android không phân biệt giữa ứng dụng mặc định và ứng dụng của bên thứ ba, vì tất cả đều sử dụng cùng một tập tin API Điều này tạo ra một môi trường phát triển ứng dụng phong phú và dễ tiếp cận cho người dùng.
Các nhà phát triển ứng dụng Android chủ yếu sử dụng ngôn ngữ Java Sự ra mắt của Android vào ngày 5 tháng 11 năm 2007 đánh dấu sự khởi đầu của một hệ sinh thái thiết bị cầm tay mã nguồn mở, với sự tham gia của 78 công ty trong lĩnh vực phần cứng, phần mềm và viễn thông Mục tiêu của họ là xây dựng một tiêu chuẩn mở cho điện thoại di động trong tương lai Google đã công bố hầu hết mã nguồn của Android theo giấy phép Apache.
2.3.1 Các ứng dụng có sẵn trên Android (Native Applications)
Một hệ điều hành Android thông thường sẽ đi kèm với một vài ứng dụng đã được cài đặt sẵn bao gồm:
Chương trình quản lý tin nhắn SMS.
Một trình email tương thích với gmail.
Chương trình quản lý thông tin cá nhân, bao gồm cả lịch làm việc, danh bạ dược đồng bộ với dịch vụ của Google.
Trình duyệt Web dựa trên nhân Webkit.
Trình đa phương tiện (chơi nhạc, xem ảnh, xem video, …)
Android CH Play – cho phép người dùng tải ứng dụng mới.
Phiên bản thu nhỏ của Google Map cho điện thoại, bao gồm: StreetView, tìm kiếm địa điểm, chỉ đường,
Tất cả các ứng dụng hiện có đều được phát triển bằng ngôn ngữ Java và sử dụng Android Studio Thông tin người dùng, chẳng hạn như danh bạ, vẫn được các ứng dụng bên thứ ba truy cập và sử dụng Ngoài ra, ứng dụng của bạn hoàn toàn có khả năng xử lý các sự kiện như cuộc gọi đến và nhận tin nhắn mới, thay thế cho các ứng dụng có sẵn.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 10
Do tính chất nhỏ gọn và hạn chế về phần cứng của điện thoại di động, việc lưu trữ và truy xuất dữ liệu cần phải diễn ra nhanh chóng và hiệu quả.
Android cung cấp hỗ trợ quản lý dữ liệu thông qua SQLite, kèm theo API dễ sử dụng cho các ứng dụng Mỗi ứng dụng hoạt động trong môi trường Sandbox, nghĩa là nội dung Database của từng ứng dụng chỉ có thể được truy cập bởi ứng dụng đó Tuy nhiên, vẫn có cơ chế cho phép các ứng dụng chia sẻ và trao đổi Database với nhau.
2.3.3 Truy cập phần cứng (Access Hardware)
Android cung cấp một bộ thư viện API giúp tối ưu hóa việc sử dụng phần cứng của thiết bị, cho phép các ứng dụng hoạt động hiệu quả trên nhiều loại thiết bị khác nhau, miễn là chúng hỗ trợ hệ điều hành Android.
Android Studio bao gồm API cho phần cứng như GPS, Camera, kết nối mạng, Wifi, Bluetooth, con quay gia tốc, màn hình cảm ứng, quản lý năng lượng,…
2.3.4 Hệ thống thông báo (Notifications)
Thông báo là phương thức tiêu chuẩn giúp thiết bị thông báo cho người dùng về các sự kiện như cuộc gọi đến hoặc pin sắp hết Bằng cách sử dụng các API, ứng dụng của bạn có thể gửi thông báo đến người dùng thông qua âm thanh, rung, hoặc ánh sáng từ đèn Led trên thiết bị.
2.3.5 Tối ưu hóa bộ nhớ và quản lý tiến trình
Quản lý bộ nhớ và tiến trình trong Android có sự khác biệt so với các nền tảng khác Tương tự như Java và NET, Android sử dụng một bộ Run-time riêng với công nghệ ảo hóa để quản lý bộ nhớ cho các ứng dụng đang hoạt động Đặc biệt, Android Run-time còn đảm nhận việc quản lý thời gian sống của ứng dụng, điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất và tài nguyên hệ thống.
Android tối ưu hóa hiệu suất ứng dụng bằng cách dừng và hủy các tiến trình không cần thiết, từ đó giải phóng tài nguyên cho các tiến trình ưu tiên cao hơn Độ ưu tiên của các tiến trình được xác định dựa trên ứng dụng mà người dùng đang tương tác Hệ thống đảm bảo rằng các tiến trình có thể bị hủy nhanh chóng và cũng có khả năng khởi động lại ngay lập tức khi cần thiết.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 11
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT thực sự quan trọng trong một môi trường mà ở đó bản thân ứng dụng không thể tự kiểm soát được thời gian sống của chính mình.
2.3.6 Các thư viện của Android
Android cung cấp các gói API cần thiết cho việc phát triển ứng dụng Dưới đây là danh sách các gói core API, giúp bạn hiểu rõ những tính năng được hỗ trợ sẵn Tất cả các thiết bị chạy Android đều phải đảm bảo hỗ trợ tối thiểu các API này.
android.util: Gói API lõi, chứa các class cấp thấp như String formatters, XML parsing, containers.
android.os: Truy cập tới các chức năng của hệ điều hành chẳng hạn như gửi nhận tin nhắn, giao tiếp nội bộ giữa các ứng dụng, thời gian,…
android.graphics cung cấp các lớp cho việc xử lý đồ họa ở mức thấp, hỗ trợ các chức năng cơ bản như vẽ điểm, vẽ miền và tô màu trên một khung.
android.text: Cung cấp các hàm phân tích và xử lý chuỗi.
android.database: Cung cấp các lớp cấp thấp cần thiết để làm việc với Database
android.content: Dùng để quản lý các tài nguyên, các nội dung và các gói.
android.view: Views là lớp chính của mọi lớp giao diện người dùng.
android.widget: Được kết thừa từ lớp View, bao gồm các lớp cơ bản để xây dựng giao diện widget như list, button, layout.
android.maps: Gói API cấp cao dùng để truy cập đến các chức năng của
android.app: Gói API cao cấp bao gồm lớp Activity và Service – hai lớp cơ sở cho mọi ứng dụng Android.
android.telephony: Cung cấp cho bạn khả năng tương tác trực tiếp với các chức năng cơ bản của một chiếc điện thoại như nghe, gọi, nhắn tin.
android.web: Cung cấp một WebView control trên nền webkitđể có thể nhúng vào ứng dụng, cùng với các API điều khiển cơ bản như: Stop, Refresh, Cookie manager,…
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 12
Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
Đề tài yêu cầu thiết kế một sản phẩm nhỏ gọn để lắp đặt trong các hộp đế âm của ổ cắm điện âm tường, với ưu tiên hàng đầu là phần cứng Phần cứng cần được thiết kế nhỏ gọn và dễ dàng lắp đặt Để đáp ứng yêu cầu này, phương án thiết kế theo dạng module rời được đề xuất, giúp tận dụng khoảng trống hạn chế trong hộp đế âm Các thành phần phần cứng bao gồm khối điều khiển, khối nguồn và khối công suất.
3.2 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG
Hệ thống điều khiển được thiết kế với bộ điều khiển có ngõ ra công suất, cho phép điều khiển qua wifi thông qua điện thoại thông minh chạy nền tảng Android Dưới đây là sơ đồ minh họa cho hệ thống.
Hình 3.1: Sơ đồ của hệ thống
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 13
CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
