Tài liệu Thiết kế ổ cắm điện thông minh điều khiển qua wifi

Thiết kế ổ cắm điện thông minh MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ...............................................................................................2 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT......................................................................................3 LỜI NÓI ĐẦU..............................................................................................................4 Chương 1. TỔNG QUAN...........................................................................................5 1.1. Giới thiệu.........................................................................................................5 1.2. Mục tiêu của đề tài.........................................................................................8 1.3. Khảo sát thị trường........................................................................................8 Chương 2. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO.................................................9 2.1. Đặc điểm cấu tạo của thiết bị.........................................................................9 2.2. Thiết kế chi tiết các khối..............................................................................10 2.2.1. Thiết kế khối nguồn..............................................................................10 2.2.2. Khối các phím chức năng.....................................................................11 2.2.3. Khối điều khiển esp8266-12E..............................................................11 2.2.4. Khối đóng cắt dùng relay.....................................................................17 Chương 3. THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH PHẦN MỀM.......................................25 3.1 . Các chế độ wifi của ESP8266.....................................................................25 3.1.1 Chế độ WiFi Station....................................................................................26 3.1.2 Chế độ WiFi Access Point.......................................................................27 3.2. Web Server....................................................................................................28 3.2.1 Web Server là gì......................................................................................28 3.2.2. Giới thiệu về blink................................................................................28 3.2.3. Cài thư viên blink trên arduino IDE.....................................................28 3.2.4. Các bước sử dụng blink........................................................................29 3.3 Chương trình cho ESP8266............................................................................29 Chương 4: CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ...........................................32 4.1. Chế tạo thiết bị..............................................................................................32 4.2. Thử nghiệm thiết bị......................................................................................33 KẾT LUẬN................................................................................................................34 Bài tập lớn 1 Thiết kế ổ cắm điện thông minh TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................35 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. 1 iiểu đồ Hype Cycle củca hnng Gartner...........................................................6 Hình 1. 2 nột số dự đoán khoo sát................................................................................6 Hình 1. 3 Kiến trcc một hệ thống IoT............................................................................7 Hình 1. 4 Tnng uuan về một hệ thống IoT.....................................................................7 Hình 1. 5 nột số son phẩm n cắm đơn...........................................................................8 Hình 1. 6 Son phẩm một n có nhiều n cắm..................................................................... Hình 2. 1 Sơ đồ khối thiết bị..........................................................................................9 Hình 2. 2 nodul Hi-link..............................................................................................10 Hình 2. 3 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn........................................................................11 Hình 2. 4 Sơ đồ khối các phím chức năng...................................................................11 Hình 2. 5 nodul esp 8266-01......................................................................................13 Hình 2. 6 nodul ESP 8266-07.....................................................................................14 Hình 2. 7 nodul ESP 8266 -12F..................................................................................15 Hình 2. 8 Sơ đồ chân ra củca esp 8266-12E..................................................................16 Hình 2. 9 Sơ đồ nguyên lí củca khối wifi esp8266-12E.................................................17 Hình 2. 10 nột module relay kiểu mẫu.......................................................................18 Hình 2. 11 nodule relay kích ở mức cao.....................................................................19 Hình 2. 12 nodule relay kích ở mức thấp...................................................................19 Hình 2. 13 Các mức hiệu điện thế tối đa và cường độ dòng điện tối đa.......................20 Hình 2. 14 sơ đồ nguyên lý khối relay 5V...................................................................22 Hình 2. 15 nạch PCi 2D...........................................................................................24 Hình 2. 16 nạch PCi 3D...........................................................................................24 Y Hình 3. 1 WIFI Access Point.......................................................................................25 Hình 3. 2 nạng WIFI..................................................................................................26 Hình 3. 3 Cài đặt ilink trên arduino IDE...................................................................29 Hình 3. 4 Giao diện Arduino IDE................................................................................30 Hình 4. 1 PCi mô phỏng củca thiết bị trên Altium Designer........................................32 Hình 4. 2 Hình onh thự c tế củca thiết bị........................................................................33 Bài tập lớn 2 Thiết kế ổ cắm điện thông minh DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT  IoT - Internet Of Things hay internet vạn vật.  ESP8266 - Chip xử lí tích hợp thu phát WiFi.  IDE - Viết tắt củca Integrated Development Enviroment - môi trường phát triển tích hợp  Compiler - Trình biên dịch Bài tập lớn 3 Thiết kế ổ cắm điện thông minh LỜI NÓI ĐẦU Internet Of Things (IoT) – Internet vạn vật dường như đang đứng trước một bước ngoặt để đi đến giai đoạn tiếp theo cho một thế giới hiện đại, văn minh. Đó là viễn conh mà mọi vật đều có thể kết nối với nhau thông uua Internet không dây. Các doanh nghiệp đang có xu hướng ứng dụng son phẩm công nghệ IoT vào son xuất ngày càng nhiều bởi thị trường sáng tạo tiềm năng và chi phí son xuất ngày càng thấp. Chứng kiến sự phát triển như vũ bno củca các son phẩm ứng dụng công nghệ IoT và thị trường công nghệ Start up tiềm năng đang ngày càng sôi động hơn bao giờ hết, ý thức được vấn đề đó, cùng với sự đồng ý củca giong viên môn học “mạng tốc độ cao”, em đn lự a chọn đề tài “ Thiết kế ổ cắm điện thông minh điều khiển qua wifi ” làm đề tài bài tập lớn. Nội dung củca báo cáo bài tập lớn có bố cục như sau: - Chương 1. Tổng quan - Chương 2. Quy trình công nghệ chế tạo- Thiết kế phần cứng - Chương 3. Thiêt kế chương trình phần mềm - Chương 4. Chế tạo và thử nghiệm thiết bị Được sự hướng dẫn tận tình củca thầy giáo hướng dẫn GVC. Đào Đức Thịnh, các thầy cô trong bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp cùng các thầy cô trong viện Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, bài tập lớn củca em đn cơ bon được hoàn thiện. Do thời gian không uuá dài và kho năng còn hạn chế nên bài tập củca em còn nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp củca thầy cô và các bạn. Em xin chân thành com ơn Hà nội, ngày 20 tháng 12 năm 2018 Sinh viên thực hiện Bài tập lớn 4 Thiết kế ổ cắm điện thông minh Bài tập lớn 5 Thiết kế ổ cắm điện thông minh Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu a) Giới thiệu tnng uuan về IoT Thời đại vạn vật kết nối Internet of Things (IoT) là một mạng lưới các vật thể được gắn com biến hoặc hệ thống điện tử đặc biệt cho phép chcng kết nối với nhau để thu thập và trao đni dữ liệu. Các vật thể trong mạng lưới này có thể được kết nối với mạng Internet cho mục đích điều khiển từ xa. Xét về mặt vật chất, làm thế nào để chất lượng cuộc sống chcng ta được nâng cao, đó là khi các nhu cầu củca chcng ta được đáp ứng nhiều hơn trước. Nhu cầu ở đây có thể là có đầy đủc thức ăn, có uuần áo đẹp, không kẹt xe, giom bớt những lo lắng, không phoi nhớ nhiều thứ linh tinh trong đầu, … Những điều này đều sẽ được đáp ứng bởi IoT. Hiện tại, IoT onh hưởng lớn nhất đến 5 khía cạnh trong đời sống. IoT có ứng dụng rộng vô cùng, có thể kể ra một số thư như sau:  Quon lí chất thoi  Quon lí và lập kế hoạch uuon lí đô thị  Quon lí môi trường  Phon hồi trong các tinh huống khẩn cấp  nua sắm thông minh  Quon lí các thiết bị cá nhân  Đồng hồ đo thông minh  Tự động hóa ngôi nhà Theo báo cáo hàng năm củca hnng Gartner về xu hướng công nghệ sẽ thay đni thế giới trong năm 2018 thì IoT đang xếp ở mức đỉnh cao củca kỳ vọng và ứng dụng củca IoT trong vòng 5 năm -10 năm nữa sẽ ứng dụng nhiều trong đời sống thự c tế Bài tập lớn 6 Thiết kế ổ cắm điện thông minh Hình 1. 1 Biểu đồ Hype Cycle của hãng Gartner Theo một số dự đoán khoo sát được đưa ra Bài tập lớn 7 Thiết kế ổ cắm điện thông minh Hình 1. 2 Một số dự đoán khảo sát Năm 2003 với 6.3 tỷ người có 500 triệu kết nối internet, với mỗi người sở hữu 0.08 thiết bị kết nối. Năm 2020 với 7.6 tỷ người đn lên đến 50 tỷ kết nối với 1 người sở hữu 6.58 thiết bị kết nối internet. b) Kiến trcc hệ thống IoT Kiến trcc hệ thống IoT (IoT Reference Architecture) Thiết bị kết nối (Device Connectivity Xử lý dữ liệu, phân tích và uuon lý (Data Processing, Analytics and nanagement Hiển thị, vai trò kết nối (Presentation and iusiness Connectivity) Hình 1. 3 Kiến trúc một hệ thống IoT Bài tập lớn 8 Thiết kế ổ cắm điện thông minh Hình 1. 4 Tổng quan về một hệ thống IoT Trên cơ sở nghiên cứu, tìm hiểu về IoT. Đề tài đề xuất phương án tự động hóa ngôi nhà, và cụ thể hơn đó là về những chiếc n cắm điện thông minh. 1.2. Mục tiêu của đề tài Thiết kế, phát triển son phẩm n cắm điện thông minh, online dự a trên cơ sở IoT cụ thể là điều khiển từ xa bằng wifi, hoặc bất cứ nơi nào smart phone củca bạn có kết nối Internet. Son phẩm đom boo các tiêu chí: o Hoạt động chính xác, nn định, ngay co khi các điều kiện củca son phẩm thay đni như nhiệt độ, độ ẩm. o 1.3. Có giao diện phần mềm giao tiếp trự c uuan với người dùng. Khảo sát thị trường Chỉ cần một thiết bị có thể kết nối internet và một công cụ tìm kiếm như google, sẽ thấy đủc các mẫu mn son phẩm củca các hnng với các giá tiền khác nhau. Chứng tỏ một chiếc n cắm thông minh hiện tại là cần thiết đến thế nào với cuộc sống củca chcng ta với công dụng mà nó mang lại. nột số hình onh củca n cắm thông minh bán ngoài thị trường. Bài tập lớn 9 Thiết kế ổ cắm điện thông minh Hình 1. 5 Một số sản phẩm ổ cắm đơn Hình 1. 6 Sản phẩm một ổ có nhiều ổ cắm Chương 2. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 2.1. Đặc điểm cấu tạo của thiết bị Thiết bị được xây dự ng theo mô hình được thể hiện trong sơ dồ khối dưới đây. KHỐI NGUỒN CẤP 220VAC KHỐI CHỈNH KHỐI ĐÓNG CẮT LƯU KHỐI CÁC Bài tập lớn PHÍn CHỨC NĂNG 10 KHỐI NGUỒN CẤP Thiết kế ổ cắm điện thông minh KHỐI WIFI Hình 2. 1 Sơ đồ khối thiết bị 1) Khối nguồn cấp: Cấp điện áp xoay chiều 220VAC từ lưới, từ đây điện áp được đưa về khối tiếp theo là khối chỉnh lưu. Sau chỉnh lưu điện áp là 5VDC đưa đến IC Ln1117 sau uuá trình này điện áp đưa về 3,3 VDC cấp cho khối wifi 2) Khối chỉnh lưu: biến đni điện áp xoay chiều 220VAC thành điện áp một chiều 5VDC cấp cho các khối. 3) Khối wifi: Sử dụng nodul wifi esp8266 để nhận tín hiệu thu về từ vi xử lý, gửi dữ liệu nhận được lên web sever để ta có thể theo dõi online uua wifi internet. 4) Khối các phím chức năng: gồm các phím reset và phím hỗ trợ khi nạp code 5) Khối đóng cắt: Sử dụng relay 5V-10A để đóng cắt mạch điện khi nhận được tín hiệu điều khiển từ người sử dụng 2.2. Thiết kế chi tiết các khối 2.2.1. Thiết kế khối nguồn Thiết bị sử dụng các cấp điện áp 220VAC, 5VDC, 3.3VDC a) Khối chinh lưu và nguồn 5VDC Ta sử dụng nodule nguồn AC-DC Hi-Link HLK-Pn01 với:  Input: 100~240VAC 50-60Hz Bài tập lớn 11 Thiết kế ổ cắm điện thông minh  Output: 5VDC/3W để đưa điện áp từ 220VAC về 5VDC sau đó khối nguồn sẽ đưa về các cấp điện áp phù hợp tiếp theo. Hình 2. 2 Modul Hi-link b) Khối nguồn 3.3VDC Ta sử dụng IC Ln1117-3,3V đưa nguồn điện áp +5VDC về điện áp 3,3VDC cấp cho ESP8266. Sử dụng diode zenner 3,3V để đề phòng sự cố xoy ra thì điện áp vẫn giữ ơ mức 3,3V để k làm hỏng modul. c) Sơ đồ nguyên lý Hình 2. 3 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 2.2.2. Khối các phím chức năng Bài tập lớn 12 Thiết kế ổ cắm điện thông minh Phím này là phím button hỗ trợ khi nạp code và reset. Thường dùng iutton dán loại nhỏ hàn trên mạch. Hình 2. 4 Sơ đồ khối các phím chức năng 2.2.3. Khối điều khiển esp8266-12E a) Giới thiệu tnng uuan về dòng esp8266 Chip ESP8266 được phát triển bởi Espressif để cung cấp gioi pháp giao tiếp Wifi cho các thiết bị IoT. Điểm đặc biệt củca dòng ESP8266 là nó được tích hợp các mạch RF như balun, antenna switches, TX power amplifier và RX filter ngay bên trong chip với kích thước rất nhỏ chỉ 5x5mm nên các board sử dụng ESP8266 không cần kích thước board lớn cũng như không cần nhiều linh kiện xung uuanh. Ngoài ra, giá thành củca ESP8266 cũng rất thấp đủc để hấp dẫn các nhà phát triển son phẩm IoT. Cấu trcc phần cứng củca dòng chip ESP8266 có thể tóm tắt như sau:  Sử dụng 32-bit nCU core có tên là Tensilica  Tốc độ system clock có thể set ở 80nHz hoặc 160nHz  Không tích hợp bộ nhớ Flash để lưu chương trình Bài tập lớn 13 Thiết kế ổ cắm điện thông minh  Tích hợp 50Ki RAn để lưu dữ liệu ứng dụng khi chạy  Có đầy đủc các ngoại vi chuẩn đê giao tiếp như 17 GPIO, 1 Slave SDIO, 3 SPI, 1 I2C, 1 I2S, 2 UART, 2 PWn  Tích hợp các mạch RF để truyền nhận dữ liệu ở tần số 2.4GHz  Hỗ trợ các hoạt động truyền nhận các IP packages ở mức hardware như Acknowledgement, Fragmentation và Defragmentation, Aggregation, Frame Encapsulation v.v… (và phần stack TCP/IP sẽ được thự c hiện trên firmware củca ESP8266) Do không hỗ trợ bộ nhớ Flash nên các board sử dụng ESP8266 phoi gắn thêm chip Flash bên ngoài và thường là Flash SPI để ESP8266 có thể đọc chương trình ứng dụng với chuẩn SDIO hoặc SPI. Về mô hình lập trình ứng dụng với ESP8266, chcng ta có thể chia làm 2 loại như sau:  Sử dụng firmware được cung cấp bởi Espressif và giao tiếp thông uua AT commands  Lập trình firmware trự c tiếp vào ESP8266 sử dụng bộ thư viện SDK cung cấp bởi Espressif. b) Các loại modul trên thị trường Ngoại trừ module ESP-WROOn-02 được phát triển bởi chính Espressif cho mục đích nghiên cứu các tính năng củca ESP8266, các module ứng dụng phn biến hiện nay củca ESP8266 đều được phát triển bởi công ty AI-Thinker Hiện tại có khá nhiều module khác nhau cho ESP8266 được son xuất bởi công ty AI-Thinker. Đặc điểm khác nhau giữa các module này bao gồm:  Loại anten sử dụng (PCi anten, chip anten hoặc gắn anten ngoài)  Dung lượng củca chip Flash SPI trên board Bài tập lớn 14 Thiết kế ổ cắm điện thông minh  Kích thước board củca module  Có gắn khung nhôm chống nhiễu hay không  Số lượng pin GPIO đưa ra chân kết nối Ở thị trường VN thì 3 module là ESP-01, ESP-07 và ESP-12F khá phn biến và sẽ được sử dụng để demo trong các bài viết sau nên chcng ta sẽ giới thiệu sơ các module ở đây: ESP-01 Hình 2. 5 Modul esp 8266-01 Sử dụng on-board PCi antenna Có 2 LED trên board để báo nguồn và báo TX Cung cấp 3 chân GPIO (GPIO0, GPIO2 và GPIO6) và 2 chân TXD/RXD cho UART Dung lượng SPI Flash 4nbyte Đưa chân ra jumper luôn nên có thể kết nối trự c tiếp với các board khác 1 cách nhanh chóng ESP-07 Bài tập lớn 15 Thiết kế ổ cắm điện thông minh Hình 2. 6 Modul ESP 8266-07 Sử dụng chip anten on-board và có IPEX connector hỗ trợ gắn thêm anten ngoài để tăng khoong cách truyền Có 2 LED trên board để báo nguồn và báo TX Đưa ra 9 chân GPIO, 2 chân TX/RX cho UART, 1 chân REST để reset chip, 1 chân ADC, 1 chân CH_PD để đưa chip vào chế độ low power Dung lượng SPI Flash trên board là 4nbyte Có thể hàn thêm jumper để kết nối trự c tiếp với board khác hoặc hàn trự c tiếp lên board ứng dụng. ESP-12F Hình 2. 7 Modul ESP 8266 -12F Bài tập lớn 16 Thiết kế ổ cắm điện thông minh Sử dụng PCi anten on-board Đưa ra 11 chân GPIO, 2 chân TX/RX cho UART, các chân cho SPI, chân RST để reset chip, 1 chân ADC Dung lượng SPI Flash là 4nbyte Có thể hàn jumper để căm dây vào các board khác hoặc hàn trự c tiếp lên board ứng dụng Qua 3 module ESP8266 trên chcng ta có thể so sánh nhanh như sau:  ESP-01 đơn gion nhất, số chân GPIO ít nhất và không có shield chống  ESP-07 thì nhiều chân GPIO hơn, có shield chống nhiễu nhưng dùng nhiễu chip antenna nên khoong cách truyền không xa bằng PCi anten. Tuy nhiên có thể tăng khoong cách truyền bằng cách gắn thêm anten ngoài với IPEX connector trên board ESP-12F đưa ra nhiều chân GPIO nhất, có shield chống nhiễu và on-  board PCi anten (lưu ý là mặc dù có các chân SPI nhưng đn được sử dụng để đọc SPI Flash bên trong nên chcng ta không thể sử dụng các chân này) Do đó tùy vào yêu cầu củca ứng dụng, chcng ta có thể lự a chọn module từ đơn gion đến phức tạp. c) Thiết kế Sử dụng modul phn biến nhất đó là esp 8266-12E để thự c hiện giao tiếp UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) với khối vi xử lí thông uua 2 ngõ ra TX và RX. Hình 2.10 dưới đây là pin out củca esp 8266-12E Bài tập lớn 17 Thiết kế ổ cắm điện thông minh Hình 2. 8 Sơ đồ chân ra của esp 8266-12E URXD(RX) :dùng để nhận tín hiệu trong giao tiếp UART với vi điều khiển -VCC :đầu vào 3.3V -GPIO 0 :kéo xuống thấp cho chế độ upload bootloader -RST :chân reset cứng củca module, kéo xuống mass để reset -GPIO 2 :thường được dùng như một cnng TX trong giao tiếp UART để debug lỗi -CH_PD :kích hoạt chip, sử dụng cho Flash ioot và updating lại module, nối với mức cao -GND :nối với mass -UTXD (TX):dùng để truyền tín hiệu trong giao tiếp UART với vi điều khiển Hình 2.11 là sơ đồ nguyên lí củca khối wifi esp8266-12E Bài tập lớn 18 Thiết kế ổ cắm điện thông minh Hình 2. 9 Sơ đồ nguyên lí của khối wifi esp8266-12E Cấp nguồn 3,3VDC cho 2 chân VCC và CH_PD 2.2.4. Khối đóng cắt dùng relay a) Giới thiệu Rơ-le là một loại linh kiện điện tử thụ động rất hay gặp trong các ứng dụng thự c tế. Khi bạn gặp các vấn đề liên uuan đến công suất và cần sự nn định cao, ngoài ra có thể dễ dàng boo trì, thì rơ-le chính là cái bạn cần tìm. Rơ le hay rơ le điện (tiếng Pháp: relais électromagnétique) là một công tắc chạy bằng điện. Nhiều rơ le sử dụng một nam châm điện để vận hành cơ khí công tắc, nhưng nguyên lý vận hành khác cũng được sử dụng, chẳng hạn như rơ le trạng thái rắn. Rơ le được sử dụng khi cần kiểm soát một mạch điện bằng một tín hiệu công suất thấp (với đầy đủc cách điện giữa kiểm soát và mạch điều khiển), hoặc trong trường Bài tập lớn 19 Thiết kế ổ cắm điện thông minh hợp một số mạch phoi được kiểm soát bởi một tín hiệu. Các rơle đầu tiên được sử dụng trong các mạch điện báo đường dài với vai trò bộ khuếch đại: chcng lặp đi lặp lại các tín hiệu đến từ một mạch và truyền lại nó trên mạch khác. Rơ le được dùng rộng rni trong trao đni điện thoại và các máy điện toán thời kỳ đầu với vai trò điều hành mạch lôgic. nột loại rơle có thể xử lý công suất cao cần thiết để trự c tiếp kiểm soát một động cơ điện hoặc mức toi khác được gọi là một contactor. Rơ le trạng thái rắn kiểm soát mạch điện không có bộ phận chuyển động. Hình 2. 10 Một module relay kiểu mẫu b) Các loại rơ-le và cách xác định trạng thái củca nó Trên thị trường chcng ta có 2 loại module rơ-le:  module rơ-le đóng ở mức thấp (nối cự c âm vào chân tín hiệu rơ-le sẽ đóng),  module rơ-le đóng ở mức cao (nối cự c dương vào chân tín hiệu rơ-le sẽ đóng). Nếu sơ sánh giữa 2 module rơ-le có cùng thông số kỹ thuật thì hầu hết mọi kinh kiện củca nó đều giống nhau, chỉ khác nhau ở chỗ cái transitor củca mỗi loại module. Chính vì cái transistor này nên mới sinh ra 2 loại module rơ-le này (có 2 loại transistor là NPN - kích ở mức cao, và PNP - kích ở mức thấp). Bài tập lớn 20