Tóm tắt đồ án Thiết kế và thi công thiết bị giám sát nhiệt độ, độ ẩm, điều khiển thiết bị tự động thông minh từ xa

Nội dung text: Tóm tắt đồ án Thiết kế và thi công thiết bị giám sát nhiệt độ, độ ẩm, điều khiển thiết bị tự động thông minh từ xa

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG VIỆT - HÀN KHOA KỸ THUẬT MÁY TÍNH VÀ ĐIỆN TỬ  THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG THIẾT BỊ GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM, ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG THÔNG MINH TỪ XA TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG Sinh viên thực hiện : Hồ Văn Giáp Mã sinh viên : K12C08504 Giảng viên hướng dẫn : ThS. Trần Thị Trà Vinh Khóa đào tạo : 2018 - 2021 Đà Nẵng - 12/2020
2. PHẦN MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề và và lý do chọn đề tài Ngày nay, xã hội ngày càng hiện đại, khoa học kỹ thuật càng phát triển thì cuộc sống của con người càng có nhu cầu sử dụng đầy đủ các thiết bị thông minh để phục vụ cho sinh hoạt và công việc của mình. Một thực tế rất gần với con người là trong chính căn nhà của mình, mong muốn được ứng công nghệ tự động hóa càng được rộng rãi, tất cả đồ dùng trong nhà từ phòng ngủ, phòng khách đến toilet đều gắn các bộ giám sát và điều khiển điện tử có thể kết nối với Internet và điện thoại di động, cho phép chủ nhân giám sát và điều khiển vật dụng từ xa hoặc lập trình cho thiết bị ở nhà hoạt động theo lịch thời gian đúng mong muốn. Nhu cầu về giám sát hay kiểm soát hệ thống thiết bị điện và điều khiển thiết bị thông minh ngày càng phổ biến như kiểm tra nhiệt độ độ ẩm của phòng, kiểm tra trạng thái của đèn, quạt, máy lạnh, các thiết bị khác, có thể mở hay tắt tự động các thiết bị điện trong nhà khi chịu tác nhân môi trường hoặc bật tắt thiết bị trong nhà từ xa bằng thiết bị di động, thiết bị máy tính thông qua mạng Internet Hiện nay với nền khoa học phát triển thì ngoài việc để điều khiển các thiết bị trong nhà bằng cách dùng tay, bằng remote hồng ngoại, giám sát tình trạng thiết bị qua đèn tín hiệu chỉ ở khoảng cách gần (chỉ một nơi cố định) thì ngày nay các thiết bị trong ngôi nhà được giám sát và điều khiển qua app trên điện thoại, web, có thể bật tắt thiết bị khi nhiệt độ cao (thấp), khi trời sáng (tối), ngoài ra còn có thể điều khiển thiết bị qua các trợ lý ảo thông minh hỗ trợ AI như: Google Assistant (Google), Alexa (Amazon), Siri (Apple), Cortana dù ta ở bất cứ nơi đâu. Vì vậy em đã tìm hiểu , nghiên cứu, chọn đề tài “Thiết kế và thi công thiết bị giám sát nhiệt độ, độ ẩm, điều khiển thiết bị tự động thông minh từ xa”. 2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu ⁃ Tìm hiểu về hệ thống giám sát nhiệt độ độ ẩm và điều 1
3. khiển thông minh các thiết bị trong nhà. ⁃ Tìm hiểu về Google Assistant, IOT, Wifi, Arduino ⁃ Thi công thiết bị giám sát nhiệt độ, độ ẩm, điều khiển thiết bị tự động thông minh từ xa. ⁃ Kiểm tra, đánh giá tính ứng dụng của đề tài. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ⁃ Nghiên cứu kích thước thiết bị ⁃ Sử dụng KIT NodeMCU ESP8266 ⁃ Tập trung nghiên cứu vào thiết bị điều khiển trung tâm ⁃ Sử dụng các nền tảng đã có sẵn và các thư viện mở để phát triển sản phẩm 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Trong đề tài này em đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu: ⁃ Phương pháp tham khảo tài liệu: bằng cách thu thập thông tin từ sách, tạp chí về điện tử và truy cập từ mạng Internet. ⁃ Phương pháp quan sát: Khảo sát một số mạch điện thực tế đang có trên thị trường và tham khảo thêm một số dạng mạch từ mạng Internet. ⁃ Phương pháp thực nghiệm: từ những ý tưởng và kiến thức vốn có của mình kết hợp với sự hướng dẫn từ các trang điện tử trên Youtube, Internet, em đã lắp ráp thử nghiệm nhiều dạng mạch khác nhau để từ đó chọn lọc những mạch điện tối ưu. 5. Dự kiến kết quả Dự kiến kết quả của thiết bị giám sát nhiệt độ, độ ẩm, điều khiển thiết bị tự động thông minh từ xa có các chức năng sau: . Qua xử lý, nhiệt độ độ ẩm sẽ được cập nhật liên tục, hiển thị trên màn hình oled và gửi báo kết quả đến điện thoại người dùng thông qua app. . Tùy chọn 2 chế độ: ⁃ Thủ công: 2
4. Người dùng gửi lệnh bằng app trên điện thoại để điều khiển tắt/mở thiết bị Người dùng dùng các nút nhấn để điều khiển thiết bị Có thể điều khiển thiết bị bằng giọng nói qua trợ lý ảo Google Assistant ⁃ Tự động: Khi nhiệt độ vượt quá giới hạn thì thiết bị sẽ tự động bật tắt Khi trời sáng hoặc tối thiết bị sẽ tự động bật tắt 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Kết quả nghiên cứu từ đề tài này sẽ giúp có nhiều kinh nghiệm để sau khi tốt nghiệp em có đủ khả năng nghiên cứu chế tạo hoàn chỉnh thiết bị điều khiển hệ thống điện cho ngôi nhà thông minh đáp ứng được sử dụng yêu cầu trên thị trường với giá thành hợp lý, chất lượng đảm bảo, phù hợp với điều kiện sống tại Việt Nam. 3
5. CHƢƠNG I. TÌM HIỂU CHUNG VỀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1. TỔNG U N VỀ INTERNET OF THINGS 1.1.1. Giới thiệu về Internet of Things IoT 1.1.2. Lịch sử hình thành 1.1.3. Ứng dụng của IoT 1.2. CÔNG NGHỆ WIFI 1.2.1. Giới thiệu Wifi là một mạng thay thế cho mạng có dây thông thường, thường được sử dụng để kết nối các thiết bị ở chế độ không dây bằng việc sử dụng công nghệ sóng vô tuyến. Dữ liệu được truyền qua sóng vô tuyến cho phép các thiết bị truyền nhận dữ liệu ở tốc độ cao trong phạm vi của mạng Wifi. Kết nối các máy tính với nhau, với Internet và với mạng có dây. 1.2.2. Công nghệ tru ền nhận dữ liệu 1.3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MODULE WIFI ESP8266 1.3.1. Giới thiệu về ESP8266 1.3.2. Cấu tạo của NODEMCU ESP8266 1.3.3. Tính năng của NODEMCU ESP8266 1.3.4. Quản lý năng lƣợng NODE MCU ESP8266 1.3.5. Cấu tr c phần mềm và lập tr nh rduino 1.4. ĐẶC ĐIỂM CẢM BIẾN DHT22 1.5. CÁC CHUẨN GIAO TIẾP ĐƢỢC SỬ DỤNG 1.5.1. Chuẩn One-Wire 1.5.2. Chuẩn giao tiếp UART 1.6. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ APP BLYNK 1.7. GOOGLE ASSISTANT 1.7.1. Khái niệm 1.7.2. Lịch sử phát triển 1.7.3. Ƣu nhƣợc điểm 1.8. CÔNG CỤ IFTTT (IF THIS THEN THAT) 4
6. CHƢƠNG II. PHÂN TÍCH THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC 2.1. MÔ TẢ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ Trong đề tài này, em sẽ thiết kế thiết bị có hai chế độ: Thủ công: Các relay có thể điều khiển được bằng giọng nói thông qua Google assistant hoặc thao tác trên app Android và nút ấn cảm ứng. Ngoài ra còn thiết kế mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm để người dùng có thể biết được nhiệt độ, độ ẩm tại vị trí đặt hiện tại trên màn hình oled hoặc thông qua app trên điện thoại, Tự động: Khi người dùng chọn chế độ tự động các relay tự động bật tắt thiết bị khi nhiệt độ cao hoặc nhiệt độ thấp và bật tắt khi trời tối hoặc sáng. Hệ thống hoạt động dựa trên sự kết hợp của Module Nodemcu Esp8266 và app Blynk trên smartphone. Blynk sẽ lưu dữ liệu. App Blynk ngoài chức năng lưu trữ dữ liệu từ mạch đo gửi lên còn có chức năng hiển thị giao diện điều khiển thiết bị, dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm ra giao diện người dùng. - Khi nhận được tín hiệu nhiệt độ báo về từ cảm biến thì bộ vi xử lý của hệ thống module Nodemcu Wifi ESP8266 sẽ xử lý tín hiệu và sau đó truyền lên phần mềm blynk thông qua môi trường ko dây wifi. - Khi module wifi ESP8266 gửi tín hiệu lên App blynk người dùng có thể truy cập vào hệ thống để điều khiển thiết bị trong gia đình và giám sát nhiệt độ, độ ẩm từ xa có mạng internet. - Tại Blynk , thông qua mạng LAN (nội bộ) hoặc thông qua internet, nhà quản lý có thể: + Giám sát nhiệt độ liên tục tại các thời điểm trong ngày. Có thể xem nhiệt độ tại các điểm đo trong cùng một thời điểm + Hiển thị nhiệt độ cao nhất hoặc thời điểm nhiệt độ thấp nhất, thuận tiện cho việc theo dõi nhiệt độ vượt ngưỡng. 2.2. YÊU CẦU CỦA THIẾT BỊ 5
7. 2.2.1. Module đo nhiệt độ 2.2.2. App blynk 2.2.3. Trợ lý ảo Google Assistant 6
8. CHƢƠNG III. THIẾT KẾ THIẾT BỊ 3.1. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 3.1.1. Thiết kế sơ đồ khối Hình 3.1. Sơ đồ mô hình hệ thống giám sát điều khiển từ xa Hình 3.2. Sơ đồ khối hệ thống 3.1.2. Các linh kiện chính và tính toán, thiết kế theo từng khối 3.1.2.1. Khối xử lý trung tâm 3.1.2.2. Khối ngõ ra công suất 3.1.2.3. Khối cảm biến 3.1.2.4. Khối nguồn 3.1.2.5. Khối điều khiển 3.1.2.6. Khối hiển thị 3.1.3. Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch 7
9. Hình 3.17. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch Hình 3.18. Mô ph ng trên phần mềm fritzing 3.1.4. Thiết kế mạch in Hình 3.19. Mạch in của phần mạch điện thiết bị 8
10. 3.2. THIẾT KẾ PHẦN MỀM 3.2.1. Thiết lập kết nối Blynk và google assistant với Esp8266 3.2.2. Thiết kế chƣơng tr nh cho thiết bị  Lưu đồ giải thuật chương trình 3.2.3. Thiết kế mô hình sản phẩm 9
11. CHƢƠNG IV: THI CÔNG THIẾT BỊ 4.1. DANH SÁCH VẬT DỤNG VÀ CÁC LINH KIỆN 4.2. THI CÔNG MẠCH ĐIỆN \ Hình 4.1. Phần mạch điện sau khi hoàn thành 4.3. THI CÔNG KHUNG THIẾT BỊ Hình 4.2. Khung thiết bị sau khi hoàn thành 10
12. CHƢƠNG V. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 5.1. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC Board ESP8266 là mạch điều khiển chính trong hệ thống. Em đã biết cách ứng dụng chức năng tích hợp Wifi trong board để phát triển hệ thống điều khiển thiết bị từ xa. Từ đó nắm được bản chất điều khiển, để có thể mở rộng cho các ứng dụng IoT sau này, điều khiển được một hệ thống lớn. Thông qua đề tài em đã biết cách điều khiển và giám sát thiết bị qua Internet (Wifi). Đồng thời thiết kế được mô hình, ứng dụng Android cho hệ thống điều khiển. Đề tài có sử dụng cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến LDR qua đó em biết được cấu tạo, nguyên lý hoạt động cũng như cách sử dụng cảm biến. Cảm biến này rất phổ biến, thích hợp cho việc giám sát nhiệt độ, độ ẩm trên các hệ thống nh . 5.2. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Hình 5.1. Sản phẩm sau khi hoàn thành và chạy thực nghiệm 11
13. Hình 5.2. Chạy thực nghiệm trên máy tính Hình 5.3. Chạy thực nghiệm trên điện thoại qua App Blynk 12
14. Hình 5.4. Điều khiển qua trợ lý ảo google assistant 5.3. ĐÁNH GIÁ Trong quá trình vận hành thiết bị, em đã ghi nhận lại kết quả được tổng hợp. Bảng 5.1. Số liệu thực nghiệm Thời Số lần Số lần gian Đánh Công việc thao thành đáp giá tác công ứng Điều khiển thiết bị qua 1 – 2 30 28 Đạt ứng dụng giây Điều khiển thiết bị 3 – 4 30 27 Đạt qua google assistant giây Điều khiển bằng nút 30 30 1 giây Đạt nhấn Giám sát cảm biến Ổn định Ổn định 2 giây Đạt Đánh giá chung Đạt Qua những số liệu được thống kê ở bảng trên, em đánh giá thiết bị về cơ bản đã đáp ứng được mục tiêu đặt ra. Thiết bị hoạt động ổn định sau nhiều lần chạy, kiểm tra thử trong nhiều trường hợp. Mô hình nh gọn, thẩm mỹ, nhưng vẫn đảm bảo tính an toàn cao, dễ dàng lắp đặt và sử dụng. Nhưng để đưa hệ thống này áp dụng vào thực tế thì em cần phải hoàn thiện một số phần như sau: tăng tốc 13
15. độ điều khiển cũng như phản hồi, tối ưu hóa mô hình, thêm một số chức năng như: giám sát nơi điều khiển, cảnh báo chống trộm, báo cháy, 14
16. KẾT LUẬN  Kết luận Sau thời gian nghiên cứu, thi công thì đồ án tốt nghiệp của em với đề tài “giám sát nhiệt độ độ ẩm và điều khiển thiết bị điện qua internet dùng module arduino esp8266”đã hoàn thiện, đáp ứng được những yêu cầu ban đầu đặt ra.  Ƣu điểm - Mạch điều khiển nh gọn, hoạt động khá ổn định, thời gian đáp ứng khá nhanh. - Giao diện điều khiển và giám sát dễ sử dụng, thân thiện người dùng. - Mô hình hệ thống có độ chính xác, tính an toàn và dễ dàng thao tác với người dùng. - Phù hợp cho các hệ thống điện trong phòng học, hộ gia đình. Nhìn chung, mô hình đã hoạt động tương đối ổn định, có thể làm việc liên tục, đạt 100% yêu cầu đề ra ban đầu. Bên cạnh đó hệ thống mở rộng thêm chức năng điều khiển bằng giọng nói. Người dùng thao tác một cách đơn giản, dễ sử dụng.  Nhƣợc điểm Tuy nhiên, do sự hạn chế về kiến thức và thời gian thực hiện, nguồn tài liệu tham khảo chủ yếu thông qua internet nên đề tài không tránh kh i sai sót và còn một số hạn chế: - Hạn chế lớn nhất là tác động điều khiển còn chậm do giao thức hoạt động chính sử dụng dịch vụ Cloud. - Thiết bị phụ thuộc vào nguồn điện 220VAC, và tốc độ truy cập mạng Internet. - Hoạt động chủ yếu tại môi trường có phủ sóng wifi. - Hộp mô hình còn mang tính tượng trưng. - Kích thước sản phẩm còn thô, thiếu tính thẩm mỹ. - Số lượng thiết bị còn hạn chế 15
17. - Giới hạn về thời gian, kiến thức nên hệ thống chưa được tối ưu. - Khung sản phẩm chưa được thẩm mỹ  Hƣớng phát triển Thiết bị hiện tại đã đáp ứng được việc điều khiển các thiết bị. Trong quá trình thực hiện, em thấy rằng đề tài này rất phổ biến, có tính ứng dụng rất cao trong nhiều dự án thực tế. Vì vậy em đưa ra một số đề xuất nhằm cải tiến và nâng cấp hệ thống: - Google assistant nhận diện được giọng nói người dùng - Tự tạo ứng dụng điều khiển trên điện thoại không phải phụ thuộc vào ứng dụng dịch vụ trung gian. - Mở rộng số lượng cũng như công suất thiết bị điều khiển. - Giám sát nơi điều khiển bằng camera, cảnh báo chống trộm, báo cháy. - Điều chỉnh độ sáng đèn, tốc độ quạt, nhiệt độ điều hòa, - Thiết lập hệ thống điều khiển thiết bị tự động nhằm tối ưu hóa việc sử dụng và tiết kiệm điện năng. - Ứng dụng đề tài vào hệ thống thực tế như smart home, smart city 16