Tài liệu Luận văn điều khiển thiết bị điện thông qua trợ lý ảo google assistant

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Sự bùng nổ về cuộc cách mạng 4.0 đã khiến cụm từ Interner Of Things hay vạn vật kết nối internet trở nên không còn quá xa lạ với nhiều ngƣời. Rất nhiều ngƣời nói rằng nó có thể sẽ trở thành kẻ thay đổi toàn bộ cục diện của thị trƣờng, bằng cách khiến cho mọi vật đều đƣợc kết nối với nhau. Ngày nay chúng ta thấy có rất nhiều thành quả từ chính IoT mang lại. Rất nhiều công ty hiện nay đã và đang dốc hết sức lực để phát triển thật mạnh IoT. Chính vì tâm quan trọng đó nên nhóm chúng em quyết định chọn đề tài liên quan tới IoT, để từ đồ án này mà nhóm có thêm kinh nghiệm cho công việc trong tƣơng lai. Cụ thể hơn nhóm nhận thấy đƣợc tầm quan trọng của việc điều khiển các thiết bị điện trong gia đình, cùng với sự tiện lợi mà Google Assistant (trợ lý ảo do Google phát triển) mang lại, nên nhóm quyết định chọn đề tài “ Điều khiển thiết bị điện thông qua trợ lý ảo Google Assistant”. Nhóm sẽ sử dụng trợ lý ảo Google Assistant làm phƣơng tiện để điều khiển các thiết bị điện bằng giọng nói. Đồng thời sẽ thiết kế một phần mềm chạy trên điện thoại thông minh sử dụng hệ điều hành Android, giúp ngƣời sử dụng có thể thao tác điều khiển và quản lý trạng thái của các thiết bị một cách dễ dàng ở bất cứ nơi đâu có phủ sóng 3G hoặc WIFI. Kèm theo đó là các tính năng nhƣ: điều chỉnh độ sáng của từng đèn, giúp ngƣời sử dụng có thể chỉnh độ sáng phù hợp theo nhu cầu sử dụng, hẹn giờ để bật tắt các thiết bị, giám sát nhiệt độ, độ ẩm và cảnh báo khi có ngƣời lạ đột nhập vào nhà. Đề tài mà nhóm sinh viên trƣớc đó đã làm có tên “ Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị nhà có hỗ trợ Google Assistant”, đây là đề tài tốt nghiệp của nhóm sinh viên trƣờng đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh. Nhóm đề tài này đã thực hiện đƣợc việc thiết kế phần cứng mạch điện trên thiết bị có sẵn, thiết kế website và phần mềm điều khiển chạy trên hệ điều hành Android để điều khiển và giám sát trạng thái của các thiết bị. Nhóm chúng em sẽ cải tiến và phát triển đề tài này thông qua việc điều khiển độ sáng của các đèn bằng giọng nói, hẹn giờ bật tắt các thiết bị. Ngoài ra hệ thống còn có chức năng cảnh báo có ngƣời đột nhập vào nhà và hiển thị nhiệt độ, độ ẩm trên App Android. Dễ dàng BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN cài đặt thông tin của wifi kết nối ( tên mạng và mật khẩu) cho các đèn sử dụng wifi khi di chuyển tới một nơi khác. 1.2 MỤC TIÊU Đối với phần cứng thì nhóm sẽ thi công lại khối công suất của các đèn chiếu sáng nhằm mục đích phù hợp với yêu cầu điều khiển, thiết bị đèn có thể điều khiển bằng điện thoại qua Wifi. Bên cạnh đó thiết kế mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm, và chuyển động để ngƣời sử dụng có thể giám sát đƣợc nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động tại vị trí đặt thông qua app điện thoại. Về phần mềm nhóm sẽ sự dụng Google Assistant (trợ lý ảo do Google phát triển) để làm phƣơng tiện điều khiển các thiết bị đèn và bật tắt led và cảm biến chuyển động trên thiết bị giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động. Bên cạnh đó nhóm sẽ thiết kế một phần mềm chạy trên điện thoại thông minh sử dụng hệ điều hành android. Phần mềm có thể nhận đƣợc phản hồi và hiển thị trạng thái của các thiết bị đèn một cách trực quan, nhanh chóng lên ứng dụng, chỉ cần điện thoại và các thiết bị đèn trong nhà đƣợc kết nối wifi hoặc 3G, nó giúp ngƣời sử dụng có thể dễ dàng giám sát đƣợc tình trạng của các thiết bị khi không có ở nhà, đồng thời phần mềm cũng có thể điều khiển đƣợc việc bật/tắt, hẹn giờ cũng nhƣ độ sáng của các đèn. Giao diện phần mềm dễ dàng thao tác cho ngƣời sử dụng. Ứng dụng dễ dàng cập nhật mà không ảnh hƣởng đến các dữ liệu đã cài đặt trƣớc đó. 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - NỘI DUNG 1: Khảo sát lựa chọn các bóng đèn led trụ tròn (Led bulb) chiếu sáng trên thị trƣờng, cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm và cảm biến phát hiện chuyển động. - NỘI DUNG 2: Các giải pháp thiết kế phần mềm và phần cứng. - NỘI DUNG 3: Thiết kế khối công suất, khối điều khiển của đèn và mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và phát hiển chuyển động. - NỘI DUNG 4: Thiết kế phần mềm điều khiển và hiển thị. - NỘI DUNG 5: Thi công mô hình. - NỘI DUNG 6: Đánh giá kết quả thực hiện. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 2 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.4 GIỚI HẠN - Đèn chiếu sáng có công suất 30W. - Mỗi đèn chiếu sáng là một thiết bị độc lập có thể cài đặt kết nối. - Sử dụng cảm biến DHT11 để đo nhiệt độ, độ ẩm và cảm biến PIR để phát hiện chuyển động. - Phần mềm điều khiển hỗ trợ điều khiển mô phỏng 2 bóng đèn. - Khoảng cách điều khiển đèn và giám sát trạng thái của các thiết bị không giới hạn, chỉ cần nơi đó có sóng 3G hoặc wifi. - Kiểm soát đƣợc hoạt động của các thiết bị trên phần mềm điều khiển, biết đƣợc đèn đang bật hay tắt, nhiệt độ, độ ẩm hiện tại là bao nhiêu, nhà có ai đột nhập vào không. Tất cả đƣợc hiển thị lên phần mềm. 1.5 BỐ CỤC Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Cơ sở lý thyết Chƣơng 3: Thiết kế và tính toán Chƣơng 4: Thi công hệ thống Chƣơng 5: Két quả, đánh giá và nhận xét Chƣơng 6: Kết luận và hƣớng phát triển - Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng này đặt vấn đề, lý do chọn đề tài, mục tiêu nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. - Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết Chƣơng này trình bày các lý thuyết nền tảng để dựa trên lý thuyết này thực hiện đồ án. - Chƣơng 3: Thiết kế và tính toán Chƣơng này trình bày tính toán thiết kế phần cứng mạch điện và phần mềm chạy trên điện thoại thông minh sử dụng hệ điều hành Android. - Chƣơng 4: Thi công hệ thống Chƣơng này trình bày về thi công hệ thống: thi công mô hình, lập trình hệ thống, lập trình mô phỏng và viết tài liệu hƣớng dẫn lập trình thao tác. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN - Chƣơng 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá Chƣơng này trình bày về những kết quả đồ án mà nhóm làm đƣợc, nhận xét và đánh giá các kết quả làm đƣợc. - Chƣơng 6: Kết luận và hƣớng phát triển Chƣơng này trình bày những kết quả mà nhóm làm đƣợc so với mục tiêu đề ra và hƣớng phát triển của đề tài. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 4 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 GIỚI THIỆU Theo mong muốn đề tài là điều khiển thiết bị điện thông qua trƣ lý ảo Google Assistant thì nhóm cần tìm hiểu các nội dung sau: - Giới thiệu về trợ lý ảo Google Assistant. - Khái niệm về cơ sở dữ liệu Firebase. - Tổng quan vè hệ điều hành Android. - Tổng quan về Wifi. 2.2 GIỚI THIỆU VỀ TRỢ LÝ ẢO GOOGLE ASSISTANT. 2.2.1 Khái niệm Google Assistant là một trợ lý ảo thông minh tƣơng tự nhƣ Siri của Apple, Bixby của Samsung hay Cortana của Microsoft trên Windows. Google Assistant hỗ trợ nhiều tính năng thông minh nhƣ tìm kiếm thông tin hay thực hiện yêu cầu mà ngƣời dùng đƣa ra nhƣ mở danh bạ, gọi điện cho ngƣời có tên trong danh bạ, đọc tin nhắn, mở nhạc… 2.2.2 Lịch sử phát triển Google Assistant là một trợ lý cá nhân ảo đƣợc phát triển bởi Google và đƣợc giới thiệu tại hội nghị nhà phát triển của hãng vào tháng 5 năm 2016. Google Assistant ban đầu đƣợc đƣa vào ứng dụng nhắn tin Google Allo, và loa thông minh Google Home. Sau một thời gian chỉ có mặt trên hai chiếc điện thoại thông minh Pixel và Pixel XL của hãng, Google bắt đầu triển khai Assistant trên các thiết bị Android khác vào tháng 2 năm 2017, bao gồm cả các điện thoại thông minh bên thứ ba và các thiết bị Android Wear, và đƣợc phát hành dƣới dạng ứng dụng riêng biệt trên iOS vào tháng 5. Cùng với sự ra mắt một bộ phát triển phần mềm vào tháng 4 năm 2017, Assistant đã và đang đƣợc tiếp tục mở rộng hỗ trợ cho một lƣợng lớn thiết bị, bao gồm cả xe hơi và các thiết bị nhà thông minh. Các chức năng của Assistant cũng có thể đƣợc bổ sung bởi các nhà phát triển bên thứ ba. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 5 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.2.3 Ƣu điểm và nhƣợc điểm a. Ưu điểm - Khả năng nhận dạng Tiếng Việt trên Google Assistant rất tốt. - Ngƣời dùng thao tác mà không cần chạm vào điện thoại nhƣ yêu cầu gọi điện hoặc nhắn tin cho một ai đó, hẹn giờ, đặt nhắc nhở, lên lịch hẹn… - Trợ lý của Google có thể làm tính, chuyển đổi đại lƣợng, tính tỷ giá... trả lời các câu hỏi liên quan đến thể thao, du lịch, tìm nhà hàng, trạm xăng... - Google Assistant cho phép ngƣời dùng điều khiển các thiết bị thông minh trong nhà bằng Tiếng Việt. b. Nhược điểm - Nhiều câu hỏi trợ lý ảo không đƣa ra câu trả lời trực tiếp mà chỉ gợi ý các kết quả từ Google Seach. - Mặc dù đã hỗ trợ Tiếng Việt, nhƣng với các câu hỏi cho nhà thông minh, Assistant lại trả lời bằng Tiếng Anh. 2.3 GIỚI THIỆU VỀ CƠ SỞ DỮ LIỆU FIREBASE 2.3.1 Khái niệm Firebase là một dịch vụ API (giao diện lập trình ứng dụng) để lƣu trữ và đồng bộ dữ liệu giữa hai hay nhiều thiết bị với nhau. Firebase hoạt động dựa trên nền tảng đám mây đƣợc cung cấp bởi Google nhằm giúp đỡ các lập trình viên phát triển nhanh ứng dụng bằng cách đơn giản hóa các thao tác ứng dụng với cơ sở dữ liệu BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 6 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.1. Trao đổi dữ liệu giữa FIREBASE với các thiết bị 2.3.2 Lịch sử phát triển Firebase đƣợc thành lập bởi Tamplin và Lee . Hai nhà sáng lập này đã dựa vào một dịch vụ API chat trực tuyến vào trang web đƣợc cung cấp bởi Envolve, các nhà phát triển sử dụng Envolve để đồng bộ hóa dữ liệu các trạng thái trò chơi trong thời gian thực lên trang web. Dựa vào yếu tố này Tamplin và Lee đã quyết định tách riêng hệ thống chat và kiến trúc thời gian thực để thành lập một cơ sở dữ liệu firebasse riêng biệt vào tháng 4 năm 2012. Vào ngày 21 tháng 10 năm 2014 Google đã mua lại Firebase. 2.3.3 Các chức năng chính của Firebase [2] - Realtime Database – Cơ sở dữ liệu thời gian thực Fire ase lƣu trữ dữ liệu data ase dƣới dạng JSON và thực hiện đồng bộ database tới tất cả các client theo thời gian thực. Chúng ta có thể xây dựng đƣợc client đa nền tảng (cross-platform client) và tất cả các client này sẽ cùng sử dụng chung 1 database đến từ Firebase và có thể tự động cập nhật mỗi khi dữ liệu trong data ase đƣợc thêm mới hoặc sửa đổi. - Firebase Authentication – Hệ thống xác thực của Firebase Với Firebase chúng ta có thể dễ dàng tích hợp các công nghệ xác thực của Google, Facebook, Twitter, … hoặc một hệ thống xác thực mà chúng ta mình tạo ra từ trong ứng dụng ở bất kì nền tảng nào nhƣ Android, iOS hoặc Web. - Firebase Hosting Chúng ta có thể triển khai một ứng dụng nền web chỉ với vài giây với hệ thống BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 7 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Firebase, và các dữ liệu sẽ đƣợc lƣu trữ đám mây đồng thời đƣợc bảo mật thông qua giao thức truy cập SSL. 2.3.4 Ƣu nhƣợc điểm của Firebase a. Ưu điểm - Triển khai ứng dụng cực nhanh. - Tính bảo mật cao. - Linh hoạt và mở rộng ứng dụng dễ dàng. - Tình ổn định cao, ít khi gặp trƣờng hợp sập server. - Ngƣời đăng ký đƣợc sử dụng miễn phí 1GB dung lƣợng lƣu trữ. b. Nhược điểm Đăng ký tài khoản miễn phí thì chỉ đƣợc tối đa 100 thiết bị hoặc ngƣời truy cập trong khi có tính phí thì không giới hạn thiết bị hoặc ngƣời truy cập. 2.4 GIỚI THIỆU VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID 2.4.1 Khái niệm về Android. Android là một hệ điều hành có mã nguồn mở dựa trên nền tảng Linux đƣợc thiết kết dành cho các thiết bị di động và máy tính bảng. 2.4.2 Lịch sử phát triển Tổng công ty Android (Android, Inc.) đƣợc thành lập tại Palo Alto, California vào tháng 10 năm 2003 bởi Andy Rubin. Vào năm 2005 Google mua lại công ty này sau đó tới năm 2007 chính thức ra mắt hệ điều hành Android. Từ năm 2008, hệ điều hành Android đã trải qua nhiều lần cập nhật để dần dần cải tiến hệ điều hành, bổ sung các tính năng mới và sửa các lỗi trong những lần phát hành trƣớc. Mỗi bản nâng cấp đƣợc đặt tên lần lƣợt theo thứ tự bảng chữ cái, theo tên của một món ăn tráng miệng. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 8 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.2. Các phiên bản hệ điều hành Android qua các lần nâng cấp 2.4.3 Ƣu nhƣợc điểm của hệ điều hành Android [1] a. Ưu điểm - Thân thiện dễ sử dụng với ngƣời dùng. - Khả năng đa nhiệm chạy cùng lúc nhiều ứng dụng. - Đa dạng nhiều sản phẩm phù hợp hầu hết các thiết bị điện thoại và máy tính bảng. - Kho ứng dụng Google Play có rất nhiều ứng dụng hay mà ngƣời dùng có thể lựa chọn tải về sử dụng. - Là hệ điều hành có khả năng tùy biến cao ngƣời dùng có thể chỉnh sữa mà không có sự cấm cản từ nhà sản xuất. b. Nhược điểm - Không tự động cập nhật hệ điều hành với tất cả thiết bị, khi một hệ điều hành mới ra mắt ngƣời dùng có thể không cập nhật đƣợc mà phải mua một thiết bị khác có hệ điều hành đó. - Khó kiểm soát chất lƣợng ứng dụng khi quá nhiều ứng dụng đƣợc tải lên. - Dễ nhiễm mã độc gây hại thiết bị do tính chất nguồn mở nên không có sự kiểm soát. - Sự phân cấp chất lƣợng sản phẩm lớn khi nhiều sản phẩm nổi tiếng chất lƣợng nhƣ: Galaxy S10, Galaxy Note 9…, vẫn còn rất nhiều sản phẩm giá rẻ bình thƣờng khác. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 9 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.5 GIỚI THIỆU VỀ CÁC CHUẨN GIAO TIẾP WIFI 2.5.1 Khái niệm về wifi Wi-Fi viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11( bắt nguồn từ viện IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) của Hoa kỳ) là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến, giống nhƣ điện thoại di động, truyền hình và radio. Sóng wifi truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz hoặc 5 GHz. Tần số này cao hơn so với các tần số sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay và truyền hình. Tần số cao hơn cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn. 2.5.2 Các chuẩn của wifi [3] - Wifi hay mạng 802.11 có 6 chuẩn thông dụng nhất đó là 802.11a, 802.11 , 802.11g, 802.11n, 802.11ac, 802.11ad. - Chuẩn 802.11 : Đây là phiên bản đầu tiên trên thị trƣờng. Chuẩn này có tốc độ truyền chậm và ít phổ biến hơn so với các chuẩn khác. Chuẩn 802.11 phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz, nó có thể xử lý đến 11 Mbit/s và sử dụng mã CCK (complimentary code keying). - Chuẩn 802.11g: Cũng phát ở tần số 2.4 GHz, nhƣng nhanh hơn so với chuẩn 802.11 , tốc độ xử lý đạt 54 Mbit/s. Chuẩn 802.11g nhanh hơn vì nó sử dụng mã OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing), một công nghệ mã hóa hiệu quả hơn. - Chuẩn 802.11a: Phát ở tần số 5 GHz và có thể đạt đến 54 Mbit/s. Nó cũng sử dụng mã OFDM. - Chuẩn 802.11n: Phát ở tần số 2.4 GHz, nhƣng nhanh hơn so với chuẩn 802.11a, tốc độ xử lý đạt 300 Mbit/s. - Chuẩn 802.11ac: phát ở tần số 5 GHz - Chuẩn 802.11ad: phát ở tần số 60 GHz. WiFi có thể hoạt động trên cả ba tần số và có thể nhảy qua lại giữa các tần số khác nhau một cách nhanh chóng. Việc nhảy qua lại giữa các tần số giúp giảm thiểu sự nhiễu sóng và cho phép nhiều thiết bị kết nối không dây cùng một lúc. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 10 CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 3.1 TỔNG QUAN CỦA ĐỀ TÀI Trong đề tài này, nhóm chúng em thiết kế các bóng đèn có thể điều chỉnh đƣợc độ sáng bằng giọng nói thông qua Google assistant hoặc thao tác trên app Android. Ngoài ra còn thiết kế mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động để ngƣời dùng có thể biết đƣợc nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động tại vị trí đặt hiện tại thông qua app trên điện thoại. Cụ thể nhƣ: - Phần cứng Phần cứng của đề tài đƣợc xây dựng gồm 2 phần: Phần cứng của mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động và phần cứng mạch điều khiển độ sáng đèn. Đối với phần cứng của mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động thì phải đo đƣợc nhiệt độ, độ ẩm và giám sát chuyển động khi đƣợc ngƣời dùng kích hoạt. Báo động khi nhiệt độ vƣợt ngƣỡng cho phép hoặc phát hiện chuyển động. Mạch có kích thƣớc nhỏ gọn. Đối với phần cứng của mạch điều khiển độ sáng đèn thì có thể điều khiển đƣợc độ sáng. Mạch điều khiển có kích thƣớc nhỏ gọn phù hợp với không gian đèn. - Phần mềm Phần mềm đƣợc xây dựng chạy trên nền tảng Android phiên bản 5.1 trở lên, kích thƣớc màn hình 5.1 inch, độ phân giải 1440 x 2560 pixel hoặc lớn hơn. Phần mềm xây dựng gồm 3 Activity gồm: Giao diện điều khiển và hiển thị trạng thái các thiết bị đèn, giao diện hiển thị giá trị nhiệt độ, độ ẩm, cảnh báo trộm, giao diện điều khiển hẹn giờ bật, tắt các thiết bị. - Cơ sở dữ liệu Lƣu trữ dữ liệu mà các thiết bị thu thập và đƣa lên, từ đó các thiết bị có thể đọc về hoặc điện thoại có thể lấy về để hiển thị lên app ngƣời dùng. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 11 CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.2.1 Sơ đồ khối hoạt động của hệ thống a. Sơ đồ khối Hình 3.1 Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống b. Nguyên lý hoạt động Để hệ thống hoạt động đƣợc trƣớc tiên các thiết bị phải kết nối đƣợc với sóng sóng Wifi. Riêng Google assistant, phần mềm điện thoại là các ứng dụng trên điện thoại nên yêu cầu điện thoại kết nối Wifi hoặc 3G. Sau khi các thiết bị đã kết nối thành công với Wifi, việc điều khiển thiết bị sẽ thông qua điện thoại bằng 2 cách. - Cách 1: Ta sẽ sử dụng trợ lý ảo Google (Google Assistant) để ra lệnh điều khiển thiết bị bằng giọng nói. Dữ liệu đó sẽ đƣợc các thiết bị đèn nhận xử lý để điều khiển độ sáng đèn sau đó đƣa dữ liệu đó lên Firebase, riêng mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động ta chỉ điều khiển bật tắt cảm biến chuyển động và đèn led ngủ. - Cách 2: Ta sẽ sử dụng đã App Android để điều khiển bằng cách gửi dữ liệu thông qua Firebase, bộ phận xử lý của đèn sẽ nhận dữ liệu đó và điều khiển đèn. Ngoài tính năng điều khiển thì phần mềm còn có chức năng hiển thị các trạng thái của đèn, giá trị nhiệt độ, độ ẩm, cánh báo cháy trộm thông qua việc đọc dữ liệu trên Firebase do bộ phận xử lý của đèn và bộ phận xử lý nhiệt độ, độ ẩm gửi lên. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 12 CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 3.2.2 Thiết kế sơ đồ khối phần cứng bóng đèn a. Yêu cầu - Đóng mở qua App Android hoặc Google Assistant thông qua Wifi hoặc 3G. - Điều chình đƣợc độ sáng dùng App Android hoặc Google Assistant thông qua Wifi hoặc 3G. - Hẹn giờ đóng mở đèn bằng App Android thông qua Wifi hoặc 3G. - Lắp đặt dựa vào cách đi dây hiện tại của ngôi nhà. b. Phƣơng án thiết kế - Chọn các bóng đèn led trụ tròn( đèn bulb ) 30W thông dụng trên thị trƣờng để đảm bảo tính thẩm mỹ. - Dùng ESP8266 ESP-12E làm vi điều khiển trung tâm để tạo xung PWM, và kết nối Wifi để nhận lệnh điều khiển từ điện thoại. - Dùng Mosfet để điều chỉnh điện áp từ nguồn công suất cấp cho tấm led của đèn. c. Sơ đồ khối mạch điều khiển độ sáng đèn bulb. - Khối nguồn công suất - Khối nguồn điều khiển - Khối xử lý trung tâm - Khối cống suất - Khối cơ sở dữ liệu - Khối thực thi điều khiển và hiển thị BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 13 CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển đèn bulb chiếu sáng d. Chức năng từng khối - Khối nguồn công suất Đây là nguồn có sẵn của đèn nguồn này cung cấp điện áp cho khối công suất và cho đèn hoạt động. - Khối nguồn điều khiển Đây là nguồn xung nhỏ gọn điện áp ngõ ra 5VDC dòng khoảng 700mA cung cấp nguồn cho mạch xử lý trung tâm (ESP8266 ESP-12E NodeMCU) - Khối xử lý trung tâm (ESP8266 ESP-12E NodeMCU) Khối này cập nhật dữ liệu từ cơ sở dữ liệu sau đó xử lý điều khiển khối công suất. - Khối cơ sở dữ liệu Đây là nơi lƣu trữ dữ liệu giữa khối xử lý trung tâm và khối thực thi điều khiển. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 14 CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ - Khối công suất Nhiệm vụ khối này là điều khiển độ sáng của đèn hoặc tắt mở đèn thông qua lệnh điều khiển của khối xử lý trung tâm. - Khối thực thi điều khiển và hiển thị Đây là ứng dụng đƣợc viết trên điện thoại hệ điều hành android dùng để gửi dữ liệu lên cơ sở dữ liệu và lấy dữ liệu về để hiển thị. 3.2.3. Thiết kế sơ đồ khối mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động a. Yêu cầu - Đo chính xác nhiệt độ, độ ẩm với sai số nhỏ. - Bật tắt đƣợc cảm biến chuyển động . - Báo động khi nhiệt độ vƣợt ngƣỡng cho phép hoặc khi phát hiện chuyển động. - Đƣa các dữ liệu thu thập lên cơ sở dữ liệu. - Board mạch nhỏ gọn. b . Phƣơng án thiết kế - Chọn ESP8266 ESP-12E làm vi điều khiển trung tâm để giao tiếp với các cảm biến và xử lí tín hiệu. Kết nối Wifi để đƣa dữ liệu lên cơ sỏ dữ liệu. - Dùng cảm biến DHT11 để đo nhiệt độ, độ ẩm và cảm biến PIR AM312 để phát hiện chuyển động. - Dùng Buzzer để báo động. c. Sơ đồ khối mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động. - Khối nguồn điều khiển - Khối xử lý trung tâm - Khối cảm biến - Khối cơ sở dữ liệu - Khối thực thi điều khiển và hiển thị - Khối báo động BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 15 CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Hình 3.3 Sơ đồ khối mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động d. Chức năng từng khối - Khối nguồn điều khiển Đây là nguồn xung nhỏ gọn điện áp ngõ ra 5VDC dòng khoảng 700mA cung cấp nguồn cho toàn mạch. - Khối xử lý trung tâm (ESP8266 ESP-12E NodeMCU) Khối này đọc giá trị từ khối cảm biến, xử lý để đƣa ra khối báo động và cập nhật dữ liệu lên cơ sở dữ liệu. - Khối cơ sở dữ liệu Đây là nơi lƣu trữ dữ liệu giữa khối xử lý trung tâm và khối thực thi điều khiển và hiển thị. - Khối cảm biến Dùng cảm biến DHT11 đo nhiệt độ, độ ẩm và cảm biến PIR AM312 giám sát chuyển động, sau đó gửi dữ liệu đến khối xử lí trung tâm. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 16 CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ - Khối báo động Dùng buzzer báo động khi phát hiện chuyển động hoặc nhiệt độ tăng cao vƣợt ngƣỡng cho phép. - Khối thực thi điều khiển và hiển thị Đây là ứng dụng đƣợc viết trên điện thoại hệ điều hành android dùng để gửi dữ liệu lên cơ sở dữ liệu và lấy dữ liệu về để hiển thị. 3.2.4 Tính toán và thiết kế mạch a. Thiết kế khối xử lý trung tâm Do khối xử lí trung tâm của 2 mạch : mạch điều khiển độ sáng đèn và mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động tƣơng tự nhau nên các linh kiện lựa chọn sẽ giống nhau. Nên chúng em tính toán và thiết kế nhƣ sau: Bảng 3.1. Bảng tiêu thụ dòng ở các chế độ khác nhau của ESP8266 NodeMCU Dựa vào bảng tiêu thụ dòng của ESP8266 ở các chế độ khác nhau, để ESP8266 hoạt động tốt trong những chế độ đó thì dòng tiêu thụ phải lớn hơn 170mA cho nên nhóm chúng em chọn dòng tiêu thụ ESP8266 là 300mA để đảm bảo ESP8266 hoạt động tốt ở mọi chế độ tránh trƣờng hợp thiếu dòng hay sụt áp sẽ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 17 CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ làm ESP8266 khởi động lại chƣơng trình. Nguồn cung cấp cho ESP8266 hoạt động là từ 3~3.6VDC xét về mức dòng và áp thì IC ổn áp tuyển tính AMS1117 phù hợp với ESP8266. Vì AMS1117 tạo ra điện áp 3.3VDC và dòng có thể tạo ra gần 800mA. Để ngõ ra nguồn 3.3 VDC ổn định và phẳng hơn nhóm em sử dụng tụ phân cực 100uF lọc nguồn bởi vì để ESP8266 hoạt động theo chế độ pwm khi không truyền nhận dữ liệu nhƣng vẫn duy trì kết nối để tiết kiệm năng lƣợng thì ESP8266 sẽ chạy ở chế độ Modem-sleep với dòng tiêu thụ 15mA. Ta có thông số sau: Độ gợn sóng nguồn vào r%=6%=0.06 (3.1) Tần số f=2x f0=2 x 50 =100 (3.2) = = 220Ω = (3.3) Công thức tính điện dung của tụ sau: C= √ = = 109 uF , vậy ta chọn 100uF √ (3.4) Tụ không phân cực 104 để lọc cao tần. Do các đƣờng truyền dữ liệu ở mạch nạp CP2102 có ngõ ra điện áp 5 VDC vì vậy để an toàn cho ESP8266 phải chắn diode zener 3.3VDC. Để hạn chế dòng cao chạy thẳng vào ESP8266 ở các đƣờng truyền dữ liệu phải đƣợc nối tiếp với trở 1.8K. Sử dụng trở 1.8k bởi vì theo datasheet ở chế Standby dòng tiêu thụ khoảng 0.9mA để đảm bảo an toàn và tiết kiệm năng lƣợng trong quá trình nạp chƣơng trình. = 1.88k, chọn 1k8 Ω = Ta có : R = (3.5) Theo datasheet mức điện áp để ESP8266 hiểu là mức cao là từ 0.75VCCVCC+0.3. để tiết kiệm năng lƣợng và ESP8266 hoạt động an toàn dòng bé hơn 0.9mA và điện áp mức cao là 2V vậy ta có: R= = = 4.333k, chọn R = 4k7Ω BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP (3.6) 18 CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ  Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý trung tâm điều khiển đèn bulb chiếu sáng (ESP8266 ESP-12E NodeMCU) Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch xử lí trung tâm điều khiển đèn bulb chiếu sáng Trong đó, chân xuất PWM của ESP để điều khiển là chân D1 (GPIO5). Tƣơng tự, ta có sơ đồ nguyên lý mạch xử lí trung tâm của mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 19 CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ  Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý trung tâm giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động (ESP8266 ESP-12E NodeMCU) Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý mạch xử lí trung tâm giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động Trong đó, chân D5 (GPIO14) kết nối đến chân 1 của opto trong khối báo động, chân D7 ( GPIO13) kết nối đến chân 1 của opto trong mạch kết nối cảm biến PIR AM312, chân D1 (GPIO5) kết nối đến jump kết nối led ngủ, chân D2 ( GPIO4) kết nối với chân data trong mạch kết nối cảm biến PIR, chân D4 (GPIO2) kết nối chân data của cảm biến DHT11. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 20