Đồ án Thiết kế và thi công mô hình ứng dụng IoT vào việc điều khiển giám sát các thiết bị điện trong nhà

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ 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 ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT

CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ

GVHD: TS. Nguyễn Văn Thái

SVTH: Nguyễn Huỳnh Tâm 16341022

Hình Đông Tịnh

16341024

Tp. Hồ Chí Minh – 01/2018

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ 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 ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT

CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ

GVHD: TS. Nguyễn Văn Thái

SVTH: Nguyễn Huỳnh Tâm 16341022

Hình Đông Tịnh

16341024

Tp. Hồ Chí Minh – 01/2018

TRƢỜNG ĐH. SƢ PHẠM KỸ THUẬT

TP. HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Tp. HCM, ngày 12 tháng 1 năm 2018

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: Nguyễn Huỳnh Tâm

MSSV:16341022

MSSV:16341024

Mã ngành: 41

Hình Đông Tịnh

Chuyên ngành:

Hệ đào tạo:

Khóa:

Công nghệ kỹ thuật điện tử truyền thông

Đại học chính quy chuyển tiếp

2016

Mã hệ:

Lớp: 163410

3

I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ỨNG DỤNG IOT VÀO

VIỆC ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG

NHÀ.

II. NHIỆM VỤ

1. Các số liệu ban đầu:

Cảm ứng điện dung từ tay ngƣời ngƣời dùng .............................................................

.....................................................................................................................................

2. Nội dung thực hiện:

- Điều khiển thiết bị thông qua Internet và theo dõi trạng thái thiết bị .......................

- Lƣu trữ dữ liệu vào cơ sỡ dữ liệu..............................................................................

- Xây dựng web server.................................................................................................

- Thiết kế thi công mô hình .........................................................................................

.....................................................................................................................................

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

25/9/2017

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/1/2018

V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN:

TS. NGUYỄN VĂN THÁI

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

i

TRƢỜNG ĐH. SƢ PHẠM KỸ THUẬT

TP. HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Tp. HCM, ngày 12 tháng 1 năm 2018

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên 1: Nguyễn Huỳnh Tâm...........................................................................

Lớp: 163410A............................................................... MSSV: 16341022.......................

Họ tên sinh viên 2: Hình Đông Tịnh .................................................................................

Lớp: 163410A............................................................... MSSV: 16341024.......................

Tên đề tài: Thiết kế và thi công mô hình ứng dụng IoT vào việc điều khiển giám sát

các thiết bị điện trong nhà .................................................................................................

...........................................................................................................................................

Xác nhận

GVHD

Tuần/ngày

Tuần 4 (tháng 9)

Nội dung

Tìm hiểu sản phẩm thị trƣờng về công tắc

thông minh.

Tuần 1 (tháng 10)

Tìm hiểu hoạt động của mạch ESP, nguồn,

cảm ứng điện dung, mạch công suất.

Thiết kế mạch nguồn, mạch công suất.

Tuần 2+3 (tháng 10)

Tuần 4 (tháng 10)

Thiết kế mạch cảm ứng điện dung, mạch

ESP

Tuần 1 (tháng 11)

Tuần 2+3 (tháng 11)

Tuần 4 tháng 11

Kiểm tra mạch, chỉnh sửa thiết kế

Tìm hiểu về web server, cơ sở dữ liệu,...

Thiết kế web server, cơ sở dữ liệu,.... +

chỉnh sửa, thiết kế board mạch

Tuần 1 (tháng 12)

Thiết lập kết nối ESP và server + chỉnh

sửa thiết kế board mạch

Tuần 2 (tháng 12)

Tuần 3 (tháng 12)

Tuần 4 (tháng 12)

Chỉnh sửa phần cứng và phần mềm

Tìm hiểu html, css, javascript,...

Chỉnh sửa giao diện web

Tuần 1 (tháng 1/2018) + Kiểm tra hệ thống, chỉnh sửa + viết báo

hiện tại cáo.

GV HƢỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ và tên)

ii

LỜI CAM ĐOAN

 Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ỨNG DỤNG IOT VÀO

VIỆC ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ

 GVHD:

 Họ tên sinh viên 1: NGUYỄN HUỲNH TÂM

MSSV: 16341022 Lớp: 163410A

Số điện thoại liên lạc: 0972797876

TS. NGUYỄN VĂN THÁI

Email: 16341022@student.hcmute.edu.vn

 Họ tên sinh viên 2: HÌNH ĐÔNG TỊNH

MSSV:

Số điện thoại liên lạc:

16341024

Lớp: 163410A

01678922669

Email: 16341024@student.hcmute.edu.vn

“Tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính tôi nghiên

cứu và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà

không trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tôi xin chịu hoàn toàn

trách nhiệm”.

Ngƣời thực hiện đề tài

Nguyễn Huỳnh Tâm

Hình Đông Tịnh

iii

LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Văn Thái đã trực tiếp

hƣớng dẫn và tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện để chúng em hoàn thành tốt đề tài.

Chúng em xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Hữu Trung, giảng viên Khoa

Công nghệ thông tin, đã góp ý và chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu để chúng em có

thể thực hiện tốt đề tài.

Chúng em xin gửi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện-Điện Tử

đã tạo những điều kiện tốt nhất cho chúng em trong quá trình thực hiện đồ án.

Chúng em c ng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 16341 đã chia sẻ trao đ i

kiến thức c ng nhƣ những kinh nghiệm quý báu giúp đỡ chúng em hoàn thành Đồ án

tốt nghiệp này.

Xin chân thành cảm ơn!

Ngƣời thực hiện đề tài

Nguyễn Huỳnh Tâm

Hình Đông Tịnh

iv

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................................................................i

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP................................................. ii

LỜI CAM ĐOAN...................................................................................................... iii

LỜI CẢM ƠN.............................................................................................................iv

MỤC LỤC...................................................................................................................v

LIỆT KÊ HÌNH ........................................................................................................ vii

LIỆT KÊ BẢNG..........................................................................................................x

TÓM TẮT ĐỒ ÁN.....................................................................................................xi

Chƣơng 1. TỔNG QUAN..............................................................................................1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ.......................................................................................................1

1.2 MỤC TIÊU............................................................................................................2

1.3 NỘI DUNG THỰC HIỆN.....................................................................................2

1.4 GIỚI HẠN.............................................................................................................2

1.5 BỐ CỤC ................................................................................................................3

Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................................4

2.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÔNG TẮC ................................................4

2.1.1 Điều khiển trực tiếp từ mô hình .....................................................................4

2.1.2 Điều khiển thông qua web..............................................................................4

2.2 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN CỨNG...........................................................................5

2.2.1 Mạch cảm ứng điện dung ...............................................................................5

2.2.2 Mạch công suất...............................................................................................8

2.2.3 Mạch xử lý trung tâm ...................................................................................10

2.2.4 Mạch nguồn..................................................................................................18

2.3 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM...........................................................................23

2.3.1 Web server....................................................................................................23

2.3.2 Cơ sở dữ liệu.................................................................................................24

Chƣơng 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ..................................................................26

3.1 GIỚI THIỆU........................................................................................................26

3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ........................................................27

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ........................................................................27

3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch ...........................................................................28

Chƣơng 4. THI CÔNG HỆ THỐNG .........................................................................41

4.1 GIỚI THIỆU........................................................................................................41

4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG.....................................................................................41

v

4.2.1 Thi công bo mạch .........................................................................................41

4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra.......................................................................................51

4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ............................................................57

4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển ................................................................................57

4.3.2 Thi công mô hình..........................................................................................58

4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG...................................................................................58

4.4.1 Lƣu đồ giải thuật của Web Server................................................................58

4.4.2 Lƣu đồ giải thuật của ESP............................................................................60

4.4.3 Phần mềm lập trình cho ESP........................................................................61

4.4.4 Phần mềm lập trình cho Web .......................................................................63

4.4.5 Phần mềm xây dựng cơ sở dữ liệu ...............................................................64

4.5 HƢỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC............................................................65

Chƣơng 5. KẾT QUẢ NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ ......................................................68

5.1 MẠCH CẢM ỨNG ĐIỆN DUNG......................................................................68

5.2 MẠCH XỬ LÝ TRUNG TÂM ...........................................................................69

5.3 MẠCH CÔNG SUẤT .........................................................................................69

5.4 MẠCH NGUỒN..................................................................................................70

5.5 KẾT QUẢ MÔ HÌNH .........................................................................................71

5.5 KẾT QUẢ PHẦN MỀM .....................................................................................71

Chƣơng 6. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ..............................................73

6.1 KẾT LUẬN .........................................................................................................73

6.2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN ......................................................................................73

TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................74

PHỤ LỤC .....................................................................................................................76

vi

LIỆT KÊ HÌNH

Hình 2.1: IC Cảm ứng điện dung AT42QT2120.............................................................5

Hình 2.2: Sơ đồ chân của AT42QT2120.........................................................................6

Hình 2.3: Triac BTA12 – 600BRG. ................................................................................8

Hình 2.4: Sơ đồ chân của triac BTA12 – 600BRG. ........................................................8

Hình 2.5: Sơ đồ chân và cấu tạo của MOC3020. ............................................................9

Hình 2.6: Sơ đồ chân ESP8266. ....................................................................................11

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý cho ESP8266......................................................................13

Hình 2.8: Module tích hợp ph biến (Module ESP-12F)..............................................14

Hình 2.9: Sơ đồ chân của module ESP-12F..................................................................15

Hình 2.10: IC FT232. ....................................................................................................17

Hình 2.11: IC CP2102. ..................................................................................................17

Hình 2.12: IC PL-2303..................................................................................................17

Hình 2.13: IC CH340G..................................................................................................18

Hình 2.14: IC nguồn LNK3206G..................................................................................19

Hình 2.15: Sơ đồ khối chức năng của LNK3206G. ......................................................20

Hình 2.16: Sơ đồ chân của LNK3206G. .......................................................................20

Hình 2.17: IC MC34063................................................................................................21

Hình 2.18: Sơ đồ chân của MC34063. ..........................................................................22

Hình 2.19: Sơ đồ khối chức năng của MC34063. .........................................................22

Hình 2.20: Cách thức giao tiếp với web server. ............................................................24

Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống................................................................................27

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý của khối cảm ứng điện dung. .............................................28

Hình 3.3: Sơ đồ khối của mạch ESP-12........................................................................30

Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý của mạch reset....................................................................31

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý của mạch nguồn sử dụng nguồn từ c ng USB...................31

Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý mạch nạp cho ESP..............................................................32

Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển GPIO.......................................................33

Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý của khối xử lý trung tâm. ...................................................34

Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý của khối công suất..............................................................37

Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý của mạch 220VAC – 12VDC...........................................38

Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý mạch 12VDC-3,3VDC.....................................................39

vii

Hình 4.1: Ảnh thực tế board mạch của mô hình............................................................42

Hình 4.2: Sơ đồ bố trí linh kiện mặt trên của PCB thứ 1. .............................................42

Hình 4.3: Sơ đồ đi dây mặt trên của PCB thứ 1............................................................43

Hình 4.4: Sơ đồ bố trí linh kiện mặt dƣới của PCB thứ 1. ............................................43

Hình 4.5: Sơ đồ đi dây mặt dƣới của PCB thứ 1...........................................................44

Hình 4.6: Sơ đồ mạch in của PCB thứ 1. ......................................................................44

Hình 4.7: Sơ đồ bố trí linh kiện mặt trên của PCB thứ 2. .............................................45

Hình 4.8: Sơ đồ đi dây mặt trên của PCB thứ 2............................................................45

Hình 4.9: Sơ đồ bố trí linh kiện mặt dƣới của PCB thứ 2. ............................................46

Hình 4.10: Sơ đồ đi dây mặt dƣới của PCB thứ 2.........................................................46

Hình 4.11: Sơ đồ mạch in của PCB thứ 2. ....................................................................47

Hình 4.12: Sơ đồ bố trí linh kiện mặt trên của PCB thứ 3. ...........................................47

Hình 4.13: Sơ đồ đi dây mặt trên của PCB thứ 3..........................................................48

Hình 4.14: Sơ đồ bố trí linh kiện mặt dƣới của PCB thứ 3...........................................48

Hình 4.15: Sơ đồ đi dây mặt dƣới của PCB thứ 3.........................................................48

Hình 4.16: Sơ đồ mạch in của PCB thứ 3. ....................................................................49

Hình 4.17: Mặt trên khối nguồn. ...................................................................................51

Hình 4.18: Mặt dƣới khối nguồn...................................................................................52

Hình 4.19: Mặt trên khối công suất...............................................................................53

Hình 4.20: Mặt dƣới khối công suất..............................................................................53

Hình 4.21: Mặt trên PCB thứ 2. ....................................................................................54

Hình 4.22: Mặt dƣới PCB thứ 2. ...................................................................................55

Hình 4.23: Mặt trên của mạch nạp USB-UART. ..........................................................56

Hình 4.24: Mặt dƣới của mạch nạp USB-UART..........................................................56

Hình 4.25: Board công tắc IoT......................................................................................57

Hình 4.26: Thiết kế vỏ hộp bằng phần mềm Solidworks..............................................58

Hình 4.27: Lƣu đồ của server........................................................................................59

Hình 4.28: Lƣu đồ của ESP...........................................................................................60

Hình 4.29: Phần mềm Arduino......................................................................................62

Hình 4.30: Phần mềm Visual Studio.............................................................................64

Hình 4.31: Phần mềm SQL Server Management Studio...............................................65

Hình 4.32: Các nút nhấn cảm ứng điện dung. ...............................................................65

viii

Hình 4.33: Giao diện đăng nhập vào web server. .........................................................66

Hình 4.34: Phòng số 01. ................................................................................................66

Hình 4.35: Phòng khách. ...............................................................................................66

Hình 4.36: Giao diện điều khiển và giám sát thiết bị....................................................67

Hình 5.1: Mô hình hoàn chỉnh sau thời gian thực hiện.................................................71

Hình 5.2: Giao diện web server.....................................................................................71

Hình 5.3: Giao diện điều khiển thiết bị của web server. ...............................................72

ix

LIỆT KÊ BẢNG

Bảng 2.1 Mô tả các chân của AT42QT2120 ở chế độ Standalone..................................7

Bảng 2.2: Các chế độ boot của ESP8266 và cấu hình chân GPIO................................12

Bảng 2.3: Một số module đƣợc AI-Thinker sản xuất....................................................14

Bảng 3.1: Trạng thái chuyển mạch tự động ..................................................................32

Bảng 3.2: Liệt kê công suất tiêu thụ của một số thiết bị điện gia dụng ........................35

Bảng 3.3: Thông số điện áp và dòng tiêu thụ của các linh kiện trong mô hình ............38

Bảng 4.1: Danh sách linh kiện.......................................................................................49

x

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

IoT vẫn còn là khái niệm khá mới với nhiều ngƣời. Nói một cách đơn giản, IoT

là một hệ thống kết nối mọi thứ xung quanh chúng ta lại với nhau qua Internet, nhƣ xe

hơi, các vật dụng trong nhà và thậm chí những hệ thống lớn phức tạp nhƣ đèn giao

thông hay các cảm biến thời tiết. Chúng ta có thể điều khiển, quản lý hoặc thu thập các

thông tin từ chúng một cách dễ dàng qua các thiết bị cầm tay.

IoT đã và đang làm thay đ i cả thế giới, tại Việt Nam trong khoảng 4 năm trở

lại đây, IoT đã từng bƣớc đƣợc ứng dụng trong một số lĩnh vực của cuộc sống, tuy

nhiên chỉ dừng lại ở mức rời rạc, chƣa đồng bộ. Những lợi ích và tiềm năng phát triển

của IoT là rất lớn, ở đâu có kết nối Internet ở đó đều có khả năng xuất hiện các thiết bị

IoT mang đến giá trị thông qua việc truyền tải và trao đ i thông tin, dữ liệu.

Dù cho sự phát triển của IoT đang tăng lên với tốc độ chóng mặt, nhƣng việc

điều khiển thiết bị dân dụng vẫn còn dùng công tắc cơ. Công tắc cơ đã trở nên lạc hậu

trong thời đại “Internet thế giới phẳng”. Công tắc cần đƣợc thay đ i theo cách hiện đại

hơn, việc kết hợp 2 ý tƣởng công tắc điều khiển và IoT mà đề tài “thiết kế và thi công

mô hình ứng dụng IoT vào việc điều khiển giám sát các thiết bị điện trong nhà” ra đời.

Trên thị trƣờng Việt Nam hiện nay, ý tƣởng công tắc kết nối Internet, công tắc thông

minh đã đƣợc thực hiện bởi các doanh nghiệp tiêu biểu nhƣ LUMI, BKAV,… Đề tài

này với mục tiêu đặt ra là đạt đƣợc những tính năng mà các công tắc thông minh trên

thị trƣờng đang có. Là có thể điều khiển thiết bị từ xa thông qua Internet và điểm n i

bật của mô hình là có thể giám sát trạng thái của thiết bị, có server quản lý và điều

khiển thiết bị.

xi

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI

Chƣơng 1. TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Mỗi giai đoạn phát triển của lịch sử thế giới đều gắn liền với những cuộc cách

mạng về khoa học kỹ thuật. Và ngày nay, cuộc cách mạng Internet of Things đã tạo

nên những thay đ i đáng kể cuộc sống của chúng ta ở hiện tại và trong tƣơng lai. Với

sự phát triển của Internet, Smartphone và đặc biệt là các thiết bị cảm biến, Internet of

Things (IoT) đang trở thành xu hƣớng mới của thế giới. IoT là một mạng lƣới các vật

thể đƣợc gắn các cảm biến hoặc hệ thống điện tử đặc biệt cho phép chúng kết nối với

nhau để thu thập và trao đ i dữ liệu. Các vật thể trong mạng lƣới này có thể đƣợc kết

nối với mạng Internet cho mục đích điều khiển và giám sát từ xa. Việc chúng ta vào

nhà, mở cửa, đèn sẽ tự động sáng ở chỗ ta đang đứng, điều hòa sẽ tự động điều chỉnh

nhiệt độ, nhạc sẽ tự động bật lên,… những điều chỉ có trong phim khoa học viễn tƣởng

mà chúng ta thƣờng xem, đang dần trở thành hiện thực với công nghệ IoT.

Trong cuộc sống thƣờng nhật, chúng ta đã quá quen thuộc với việc bật tắt các

thiết bị bằng công tắc thông thƣờng. Với cuộc sống bộn bề ngày nay, chúng ta bị chi

phối bởi nhiều thứ. Việc chúng ta ra khỏi nhà mà quên tắt đèn, điều hòa là chuyện

không hiếm gặp. Với công tắc thông thƣờng, khi chúng ta rời khỏi nhà mà vẫn quên tắt

các thiết bị trong nhà. Để tắt các thiết bị thì chỉ cách quay trở lại về nhà rồi tắt chúng.

Điều này đôi khi gây ra cho chúng ta nhiều phiền toái.

Để giải quyết vấn đề trên, nhóm đã lựa chọn đề tài: “THIẾT KẾ VÀ THI

CÔNG MÔ HÌNH ỨNG DỤNG IOT VÀO VIỆC ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT

CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ”, ứng dụng công nghệ IoT vào đời sống. Giúp

chúng ta có thể bật tắt các thiết bị trong nhà ở mọi lúc mọi nơi. Ngoài chức năng bật

tắt các thiết bị từ xa, đề tài của nhóm sẽ xây dựng thêm các chức năng giám sát trạng

thái điều khiển, bật tắt của thiết bị. Đây là một đề tài không mới, nhiều anh chị khóa

trƣớc c ng đã thực hiện. Nhƣng vẫn còn nhiều điểm cần cải thiện đó là tốc độ đáp ứng

khi điều khiển thiết bị và giao diện điều khiển thiết bị. Vì vậy đề tài của nhóm trọng

tâm sẽ thực hiện việc cải thiện tốc độ điều khiển thiết bị lên mức tối đa có thể, xây

dựng giao diện điều khiển thiết bị có tính thẩm mỹ và thân thiện với ngƣời dùng.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

1

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1.2 MỤC TIÊU

GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI

Tìm hiểu và thực hiện điều khiển các thiết bị trong nhà nhƣ đèn, quạt,… thông

qua mạng Internet. Cụ thể là tìm hiểu chip ESP8266 để điều khiển thiết bị thông 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.

1.3 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.

NỘI DUNG 4: Thiết kế lƣu đồ giải thuật và viết chƣơng trình điều khiển thiết bị,

thiết kế giao diện web server và để điều khiển, giám sát trạng thái đóng tắt của

thiết bị thông qua Internet.

NỘI DUNG 5: Thi công mô hình.

NỘI DUNG 6: Thử nghiệm và điều chỉnh phần cứng c ng nhƣ chƣơng trình để

mô hình đƣợc tối ƣu. Đánh giá các thông số của mô hình.

NỘI DUNG 7: Viết báo cáo thực hiện.

1.4 GIỚI HẠN

 Mô hình chỉ điều khiển các thiết bị trong nhà có công suất dƣới 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.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

2

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI

1.5 BỐ CỤC

Chƣơng 1: Tổng Quan

Chƣơng 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.

Chƣơng 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Chƣơng này trình bày quy trình hoạt động của mô hình. Cụ thể:

 Trình bày về lý thuyết về mạch nguồn, nguyên tắc hoạt động của mạch

công suất, chip ESP8266 và mạch cảm ứng điện dung.

 Trình bày lý thuyết về web server và cơ sở dữ liệu. Phƣơng thức truyền

nhận dữ liệu giữa thiết bị và web server.

Chƣơng 3: Tính Toán và Thiết Kế

Trình bày các phƣơng án thiết kế, tính toán các thông số và từ đó tiến hành thiết

kế mạch nguồn, mạch công suất, mạch xử lý trung tâm, mạch cảm ứng. Thiết kế cơ sở

dữ liệu, xây dựng giao diện web server.

Chƣơng 4: Thi Công Hệ Thống

Trong chƣơng này trình bày quá trình thực hiện thi công các board mạch, các

phần điều khiển và phần cứng mô hình của đề tài.

Sau đó lắp ráp một hệ thống mô hình hoàn chỉnh đã xây dựng trƣớc đó, để từ đó

xây dựng nên lƣu đồ giải thuật và viết chƣơng trình điều khiển cho hệ thống.

Sau khi có đƣợc mô hình và chƣơng trình điều khiển, tiến hành cho hệ thống

hoạt động, tìm lỗi và khắc phục lỗi nếu có.

Chƣơng 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá

Chƣơng này trình bày kết quả mô hình, những yêu cầu đạt đƣợc và chƣa đạt

đƣợc bao gồm cả về phần cứng và phần mềm. Từ đó đƣa ra nhận xét, đánh giá và tìm

cách khắc phục.

Chƣơng 6: Kết luận và Hƣớng phát triển

Trình bày tóm tắt những việc làm đƣợc và chƣa làm đƣợc của cả mô hình. Nêu

hƣớng phát triển của sản phẩm trong tƣơng lai.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

3

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI

Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÔ HÌNH

Mô hình đƣợc sử dụng để đóng tắt thiết bị điện trong nhà 220VAC. Nguồn điện

220VAC là nguồn cung cấp cho toàn mô hình, 220VAC sẽ đƣợc chuyển đ i thành

nguồn 12VDC, trƣớc khi hạ xuống thành nguồn 3,3VDC cấp cho các board mạch

trong mô hình hoạt động. Công tắc có 4 phím cảm ứng, để điều khiển 4 thiết bị. Quá

trình hoạt động nhƣ sau:

2.1.1 Điều khiển trực tiếp từ mô hình

Khi ngƣời dùng chạm vào bề mặt phím cảm ứng điện dung của mô hình, tín hiệu

điều khiển đƣợc đƣa tới bộ xử lý trung tâm, sau đó bộ xử lý trung tâm gửi tín hiệu điều

khiển đến mạch công suất, cho phép đóng tắt thiết bị tƣơng ứng. Tiếp theo gửi dữ liệu

chứa trạng thái của thiết bị lên server thông qua Internet, cụ thể là mạng wifi. Server sẽ

tiếp nhận dữ liệu vừa gửi tới, kế đến tiến hành xử lý và lƣu dữ liệu vào cơ sở dữ liệu.

Cập nhật trạng thái hiện tại của thiết bị trên web. Ngƣời dùng có thể truy cập vào web

để biết đƣợc trạng thái hiện tại của thiết bị.

2.1.2 Điều khiển thông qua web

Ngƣời dùng truy cập vào web, server sẽ trả về trạng thái hiện tại của thiết bị lên

web. Ngƣời dùng có thể lựa chọn thiết bị cần điều khiển. Khi ngƣời dùng tác động vào

web, server sẽ gửi dữ liệu điều khiển về bộ xử lý trung tâm. Bộ xử lý trung tâm nhận

dữ liệu, sau đó tiến hành tác động để đóng mở thiết bị tƣơng ứng và đồng thời server

sẽ cập nhật trạng thái của thiết bị vừa đƣợc tác động.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

4

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI

2.2 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 dựa trên những thay đ i của điện tích

trên màn hình khi tay ngƣời chạm nhẹ vào. Công nghệ này ra đời nhƣ một sự kế tục

của các công nghệ cảm ứng trƣớc đó nhƣ cảm ứng hồng ngoại, cảm ứng sóng âm bề

mặt và cảm ứng điện trở.

Ƣu điểm của công nghệ này là ngƣời dùng không cần tác động mạnh lên lớp cảm

ứng, chỉ cần chạm nhẹ.

Về bản chất, cảm ứng điện dung có thể chia thành 2 loại: Một là cảm ứng đơn

điểm, chỉ nhận đƣợc tối đa 1 chạm trong quá trình thao tác, hai là cảm ứng đa điểm

(multi-touch), nghĩa là cho phép ngƣời dùng thực hiện đƣợc nhiều thao tác chạm cùng

một lúc.

b. IC cảm ứng điện dung AT42QT2120 [2]

Hình 2.1: IC Cảm ứng điện dung AT42QT2120.

AT42QT2120 sử dụng nguồn từ 1,8 ~ 5,5V, chỉ cần chạm vào lớp đồng tƣơng

ứng với kênh cảm ứng điện dung thì kênh cảm ứng điện dung sẽ hoạt động tƣơng tự

nhƣ tác động vào nút nhấn.

Khi có điện dung thay đ i trên lớp đồng (nối với ngõ vào của IC AT42QT2120)

thì ngõ ra tƣơng ứng của IC sẽ xuất ra 1 mức điện áp.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

5

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI

Thông số kỹ thuật:

 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.

Với chế độ Comms: AT42QT2120 có thiết lập tối đa 12 kênh cảm ứng điện dung

thông qua chuẩn giao tiếp I2C. Ở chế độ này, phải cần 1 vi điều khiển để giao tiếp với

AT42QT2120.

Với chế độ Standalone: AT42QT2120 hoạt động độc lập, có thể thiết lập tối đa 5

kênh cảm ứng điện dung.

AT42QT2120 có dãy điện áp hoạt động rộng, dòng tiêu thụ thấp, có 5 kênh cảm

ứng đáp ứng hơn cả yêu cầu của đề tài là 4 kênh, có thể mở rộng lên thành 12 kênh dễ

dàng cho việc mở rộng và phát triển đề tài với quy mô lớn. Vì thế nhóm quyết định

chọn AT42QT2120 để xây dựng mạch cảm ứng điện dung.

Hình 2.2: Sơ đồ chân của AT42QT2120.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

6

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS NGUYỄN VĂN THÁI

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

STT

1

Tên

KEY6

KEY5

KEY4

KEY3

KEY2

GUARD

PROX

VSS

Kiểu chân

Mô tả

I/O

P

Ngõ vào cảm ứng điện dung kênh thứ 6

Ngõ vào cảm ứng điện dung kênh thứ 5

Ngõ vào cảm ứng điện dung kênh thứ 4

Ngõ vào cảm ứng điện dung kênh thứ 3

Ngõ vào cảm ứng điện dung kênh thứ 2

Kênh bảo vệ (kênh thứ 1)

2

3

4

5

6

7

Kênh này đƣợc sử dụng nhƣ 1 cảm biến tiệm cận (kênh 0)

Nối với mass

8

9

VDD

P

Nối với nguồn

10

MODE

I

Dùng để lựa chọn chế độ hoạt động

Chế độ Comms: nối chân MODE với VSS

Chế độ Standalone: nối chân MODE với VDD

Ở chế độ Standalone, chân này không sử dụng

Dùng để reset AT42Q2120, reset tích cực mức thấp

Ngõ ra cực máng hở của kênh cảm biến tiệm cận

Ở chế độ Standalone, chân này không sử dụng

Ngõ ra tín hiệu của kênh cảm ứng điện dung thứ 6

Ngõ ra tín hiệu của kênh cảm ứng điện dung thứ 5

Ngõ ra tín hiệu của kênh cảm ứng điện dung thứ 4

Ngõ ra tín hiệu của kênh cảm ứng điện dung thứ 3

Ngõ ra tín hiệu của kênh cảm ứng điện dung thứ 2

11

12

N/C

OD

I

RESET

13 PXOUT

OD

I/O

14

15

16

17

18

19

20

N/C

OUT6

OUT5

OUT4

OUT3

OUT2

Chú thích kiểu chân:

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

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

 P: Chân nguồn (Power)

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

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

7