Tài liệu ứng dụng iot trong điều khiển và quản lý thiết bị điện gia dụng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LƯƠNG MINH GIANG ỨNG DỤNG IoT TRONG ĐIỀU KHIỂN VÀ QUẢN LÝ THIẾT BỊ ĐIỆN GIA DỤNG C C R L T. U D LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Đà Nẵng – Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LƯƠNG MINH GIANG ỨNG DỤNG IoT TRONG ĐIỀU KHIỂN VÀ QUẢN LÝ THIẾT BỊ ĐIỆN GIA DỤNG C C R L T. U D Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 8520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Người hướng dẫn khoa học: TS. NGÔ MINH TRÍ Đà Nẵng – Năm 2019 1 LỜI CAM ĐOAN C C DU R L T. 2 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................... 1 MỤC LỤC .................................................................................................... 2 DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................ 4 MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ IOT VÀ ỨNG DỤNG ........................ 9 1.1 Mô hình IoT ....................................................................................................................................... 9 1.1.1 Giới thiệu về IoT......................................................................................................................... 9 1.1.2 Chuẩn hoá các tầng giao thức của IoT ................................................................................... 10 1.2 Nền tảng MBaaS ưu việt của Google ............................................................................................. 11 C C 1.2.1 MBaaS là gì? ............................................................................................................................. 11 1.2.2 Các hệ thống MBaaS phổ biến hiện nay................................................................................. 12 R L T. 1.3 Sơ đồ khối......................................................................................................................................... 12 1.3.1 Chức năng sơ lược của từng khối ........................................................................................... 13 DU 1.3.2 Nguyên lý hoạt động................................................................................................................. 13 1.4 Kết luận chương .............................................................................................................................. 14 CHƯƠNG 2. LINH KIỆN PHẦN CỨNG ............................................. 15 2.1 Giới thiệu chương ............................................................................................................................ 15 2.2 ESP32 Aduino .................................................................................................................................. 15 2.2.1 Thông số của ESP32 arduino .................................................................................................. 16 2.2.2 Cổng kết nối với ESP32 Arduino ............................................................................................ 16 2.2.3 Lập trình cho ESP32 Arduino................................................................................................. 16 2.3 Node MCU ESP 8266 ...................................................................................................................... 17 2.3.1 Tổng quan về node MCU ESP 8266........................................................................................ 17 2.3.2 Các đặc điểm của node MCU ESP 8266 ................................................................................. 18 2.3.3 Bắt đầu sử dụng NODE MCU ................................................................................................. 18 2.3.4 Thông số kỹ thuật của node MCU ESP 8266 ......................................................................... 23 2.4 Module Relay 5v .............................................................................................................................. 24 2.4.1 Các thông số của module relay 5v........................................................................................... 25 2.4.2 Chức năng và cách sử dụng ..................................................................................................... 25 2.5 Kết luận chương .............................................................................................................................. 26 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ PHẦN MỀM ................................................. 27 3.1 Giới thiệu chương ............................................................................................................................ 27 3.2 Giao thức HTTP .............................................................................................................................. 27 3 3.2.1 Khái niệm cơ bản...................................................................................................................... 27 3.2.2 Các thành phần cơ bản trong giao thức HTTP ..................................................................... 27 3.3 Nguyên lý.......................................................................................................................................... 33 3.4 Lưu đồ thuật toán ESP32 Arduino ................................................................................................ 33 3.5 Giới thiệu về HTML, CSS, JavaScript, PHP ................................................................................ 34 3.5.1 HTML........................................................................................................................................ 34 3.5.2 CSS ............................................................................................................................................ 35 3.5.3 JavaScript ................................................................................................................................. 35 3.5.4 PHP ............................................................................................................................................ 35 3.6 Khái niệm Firebase ......................................................................................................................... 35 3.7 Tạo cơ sở dữ liệu trên Firebase ...................................................................................................... 36 3.8 Xây dựng website ............................................................................................................................ 41 3.9 Kết luận chương .............................................................................................................................. 42 CHƯƠNG 4. THI CÔNG VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG.................... 43 C C 4.1 Giới thiệu chương ............................................................................................................................ 43 R L T. 4.2 Thi công phần cứng các thiết bị trong hệ thống ........................................................................... 43 4.3 Đánh giá hệ thống............................................................................................................................ 48 DU 4.4 Kết luận chương .............................................................................................................................. 48 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................... 49 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................. 50 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN ........................................... 52 PHỤ LỤC.................................................................................................... 53 4 ỨNG DỤNG IOT TRONG ĐIỀU KHIỂN VÀ QUẢN LÝ THIẾT BỊ ĐIỆN GIA DỤNG Học viên: Lương Minh Giang Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 8520203 Khóa: K36 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt – Luận văn nghiên cứu hệ thống điều khiển và quản lý tự động các thiết bị điện gia dụng. Việc điều khiển các thiết bị điện trực tiếp và từ xa là yêu cầu cơ bản của một ngôi nhà thông minh. Luận văn tập trung vào việc điều khiển từ xa thiết bị điện trong nhà qua internet; dựa trên sự kết hợp giữa nền tảng cloud với hệ thống máy chủ. Luận văn xây dựng một hệ thống điều khiển đồng bộ bao gồm phần mềm xử lý các yêu cầu điều khiển, và phần cứng thực thi các lệnh điều khiển đó. Phần cứng được xây dựng dựa trên nền tảng là Kit ESP32 Arduino tích hợp MCU ESP8266. Đối tượng điều khiển là các thiết bị điện gia dụng với mục tiêu tạo thuận tiện cho người dùng trong việc bật tắt nguồn và giám sát thiết bị từ đó góp phần giảm thời gian tiêu hao năng lượng, thực hiện tiết kiệm điện. C C R L T. Từ khóa – IoT; ESP32 Arduino Kit; điều khiển tự động; nhà thông minh. APPLICATION OF IOT IN CONTROL AND MANAGEMENT OF HOUSEHOLD ELECTRICAL DEVICES DU Abstract – The thesis studies the automatic control and management system of household electrical devices. Direct and remote control of electrical devices is a basic requirement of a smart home. This thesis focuses on studying the remote control of electrical devices via the Internet based on technology combining the cloud platform with a server system. This thesis develops a synchronous control system including software processing control requests, and hardware executing those control commands. Hardware is built on the ESP32 Arduino Kit integrated MCU ESP8266. Controlled objects are household electrical devices with the aim of creating convenience for users to control and supervise them; therefore, reducing the energy consumption. Keywords - IoT; ESP32 Arduino Kit; automatic control; smarthome. DANH MỤC CÁC HÌNH 5 Hình 1. Các thiết bị kết nối Internet và sự phát triển trong tương lai Hình 2. Mô hình tổng quan về hệ thống Internet of Things Hình 3. Các giao thức IoT được chuẩn hóa Hình 4. Cấu trúc MBaaS Hình 5. Sơ đồ khối của hệ thống Hình 6. Ảnh tổng quan ESP32 arduino Hình 7. Thông số của ESP32 arduino Hình 8. Cài đặt loại board và cổng kết nối Hình 9. Tổng quan về node mcu esp 8266 Hình 10. Sơ đồ mạch bên trong của node MCU C C Hình 11. Module relay mức thấp R L T. Hình 12. Module relay mức cao Hình 13. Mô hình client-server DU Hình 14. Request (Get method) Hình15. Request Post Hình 16. Lưu đồ thuật toán cho ESP32 Arduino Hình 17. Cấu trúc cơ bản của 1 file html Hình 18. Giao diện của website Hình 19. Sơ đồ phần cứng hệ thống Hình 20. Mô hình sản phẩm Hình 21. Thiết bị trung tâm của hệ thống Hình 22. Hệ thống hoạt động MỞ ĐẦU 6 1. Tính cấp thiết của đề tài Mạng Internet kết nối vạn vật IoT là một liên mạng kết nối các thiết bị vật lý, phương tiện giao thông, toà nhà (gọi là thiết bị được kết nối hay thiết bị thông minh) được nhúng với thiết bị điện tử, cảm biến, bộ truyền động, phần mềm đồng thời kết nối mạng cho phép những đối tượng này thu thập và trao đổi dữ liệu. C C R L T. DU Hình 1. Các thiết bị kết nối Internet và sự phát triển trong tương lai Theo dự đoán, IoT sẽ là cơ sở hạ tầng cần thiết mới kết nối 50 tỷ thiết bị thông minh trong năm 2020 khi dân số thế giới sẽ đạt mức 7.6 tỷ người. Được đề xuất bởi liên minh viễn thông quốc tế ITU, thì cơ sở hạ tầng này sẽ được xây dựng dựa trên kiến trúc đa tầng nơi các thiết bị thông minh được sử dụng để cung cấp các dịch vụ khác nhau. Dễ dàng nhận thấy, Internet nhúng không dây (Wireless Embedded Internet) là một trong bốn thành phần quan trọng của một hệ thống IoT. Internet nhúng không dây bao gồm các thiết bị nhúng giới hạn về tài nguyên, thường được cung cấp điện năng bằng pin, và kết nối bởi các mạng không dây băng thông thấp, công suất thấp tới Internet. Tuy nhiên, hiện nay có rất nhiều công nghệ vô tuyến độc quyền riêng được sử dụng trong mạng IoT như: 802.15.4, Zigbee, Wi-fi, Bluetooth 4.0 Low Energy, NFC, 3GPP... dẫn đến trở ngại trong việc tích hợp với các mạng lớn hơn và với các dịch vụ trên nền Internet. Ngoài những kỹ thuật nói trên, nếu nhìn từ thế giới web, chúng ta có thể sử dụng các địa chỉ độc nhất để xác định từng vật, chẳng hạn như địa chỉ IP. Mỗi thiết bị sẽ có một IP riêng biệt không nhầm lẫn. Ứng dụng IoT trong điều khiển và quản lý thiết bị điện gia dụng xuất phát từ nhu cầu thực tế của người dùng mong muốn có thể quản lý, điều khiển tự động các thiết bị một cách dễ dàng. Luận văn này dựa theo những hệ thống IoT đã được áp dụng nhiều vào thực tế, 7 việc thiết kế và lựa chọn linh kiện đơn giản phù hợp với mức giá thị trường góp phần tạo ra sản phẩm dễ sử dụng. Luận văn này nghiên cứu phát triển ứng dụng IoT trong điều khiển và quản lý thiết bị điện gia dụng. Khi hoàn thành, hệ thống có thể điều khiển các thiết bị điện trong gia đình thông qua giao diện trên website hoặc smartphone, hoặc có thể điều khiển trực tiếp bằng các công tắc trên bảng điện; và phát triển hơn nữa khi trời tối thì bật đèn hành lang, nhiệt độ cao hơn 30 độ thì tự động bật quạt, cao hơn 34 độ thì bật điều hòa, … mỗi khu vực đều có kết nối những khối cảm biến riêng, hệ thống sẽ thu thập dữ liệu để tiến hành phân tích sau này. 2. Mục đích nghiên cứu Trong hệ thống này, ngoài việc thừa hưởng các hướng nghiên cứu, thư viện và nền tảng đã được xây dựng sẵn, tác giả thực hiện xây dựng hệ thống điều khiển và quản lý thiết bị để có thể ứng dụng được ngoài thực tế. Mục tiêu của luận văn phải đạt được là: C C ✓ Một hệ thống điều khiển động bật/tắt đèn và thiết bị điện gia dụng trong phòng làm việc. R L T. ✓ Hoạt động ổn định. DU ✓ Có độ nhạy và độ chính xác cao. ✓ Kết nối mọi lúc, mọi nơi. ✓ Thân thiện với người dùng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Trong đề tài này, đối tượng nghiên cứu của luận văn là điều khiển từ xa các thiết bị điện trong nhà qua internet. Trong đó bảng công tắc gắn tường sẽ được thiết kế, chế tạo và lập trình để người sử dụng có thể dễ dàng lắp đặt và thay đổi cấu hình theo ý muốn. Luận văn tập trung nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển và quản lý các thiết bị gia dụng trong phạm vi khu vực phòng làm việc gia đình. 4. Phương pháp nghiên cứu Quá trình thực hiện luận văn trãi qua nhiều giai đoạn khác nhau, ứng với mỗi giai đoạn cần đưa ra một phương pháp nghiên cứu phù hợp để công việc được giải quyết nhanh và hiệu quả. Kết hợp nghiên cứu lý thuyết và thực hiện triển khai thành mô hình hệ thống thực tế để đưa ra đánh giá, tổng hợp kết quả và đưa ra ưu nhược điểm nhằm trợ giúp cho việc phát triển đề tài. Trong giai đoạn đầu của luận văn, tôi tìm hiểu đưa ra những ý tưởng ban đầu, từ đó đánh giá mức độ khả quan của đề tài, lựa chọn đề tài phù hợp cho luận văn. 8 Trong giai đoạn tiếp theo, tôi tiến hành tìm hiểu những nội dung lý thuyết liên quan. Việc tìm hiểu các đề tài liên quan đến nội dung luận văn là khá quan trọng vì nó giúp tôi bước đầu xây dựng được mô hình tổng quát và lựa chọn được giải pháp thiết kế phù hợp với đề tài, qua tìm hiểu, tôi cũng nhận ra được những mặt còn hạn chế của các đề tài trước đó, từ đó có những hướng phát triển mới hơn. Sau khi xây dựng thành công sơ đồ khối tổng quát, tôi lần lượt đi vào thiết kế từng khối trong sơ đồ. Việc thiết kế và kiểm tra từng khối đã ổn định thì kết nối lại với nhau. Lúc này để đánh giá hoạt động của hệ thống, tôi đưa ra các tình huống mà hệ thống sẽ gặp phải trong quá trình vận hành và tiến hành kiểm tra. Từ kết quả thực nghiệm nhận được, tôi tiến hành hiệu chỉnh lại hệ thống, sau đó tiến hành lại các bước thử nghiệm như ban đầu. Quá trình tiếp tục cho đến khi hệ thống vận hành theo đúng yêu cầu đã đặt ra. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài C C - Trên cơ sở ứng dụng IoT thành công trong điều khiển và quản lý thiết bị điện gia dụng, luận văn sẽ có thể được ứng dụng trong thực tế ở nhiều lĩnh vực khác nhau. R L T. - Có thể liên kết tất cả các máy móc thành một mạng lưới. Thu thập dữ liệu kết quả qua internet, … DU - Thuận tiện cho quản lý, điều khiển và giám sát từ xa 6. Cấu trúc của luận văn Bố cục báo cáo luận văn gồm phần mở đầu và 4 chương: o Mở đầu: Giới thiệu Ứng dụng IoT trong điều khiển và quản lý thiết bị điện gia dụng, đặt vấn đề, trình bày mục tiêu đề tài. o Chương 1: Giới thiệu chung về đề tài: chức năng sơ lược của từng khối, nguyên lý hoạt động của hệ thống. o Chương 2: Các linh kiện sử dụng: ESP32 Arduino, Node MCU ESP 8266, cảm biến ánh sáng CDS, cảm biến hồng ngoại, cảm biến nhiệt độ, rờ le, … o Chương 3: Thiết kế phần mềm: giao thức HTTP, nguyên lý, lưu đồ thuật toán, các ngôn ngữ lập trình website, xây dựng website. o Chương 4: Thi công và đánh giá sản phẩm 9 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ IOT VÀ ỨNG DỤNG 1.1 Mô hình IoT Chương này sẽ giới thiệu về công nghệ IoT, tổng quan về hệ thống, sơ đồ khối hệ thống, mô tả nguyên lý làm việc của hệ thống và những thiết bị phần cứng, phần mềm, dịch vụ đám mây sẽ sử dụng trong hệ thống. 1.1.1 Giới thiệu về IoT Định nghĩa đầu tiên cần được nhắc đến khi nghiên cứu đề tài này chính là: IoT là gì? Các thành phần trong công thức đơn giản dưới đây chính là một câu trả lời về IoT. C C R L T. DU Hình 2. Định nghĩa IoT Mạng Internet kết nối vạn vật IoT là một liên mạng kết nối các thiết bị vật lý, phương tiện giao thông, tòa nhà (gọi là thiết bị được kết nối hay thiết bị thông minh) được nhúng với thiết bị điện tử, cảm biến, bộ truyền động, phần mềm đồng thời kết nối mạng cho phép những đối tượng này thu thập và trao đổi dữ liệu. Năm 2013, tổ chức sáng kiến tiêu chuẩn toàn cầu về IoT (IoT-GSI) đã định nghĩa IoT như một hạ tầng toàn cầu cho một xã hội thông tin[1], mang lại các dịch vụ tiên tiến bằng cách kết nối mọi vật dựa trên các công nghệ thông tin và truyền thông tương thích hiện có 10 và đang phát triển. Cho mục đích này, vật thể được hiểu như một đối tượng trong thế giới vật lý hoặc thế giới thông tin mà có thể được xác định và tích hợp vào trong các mạng truyền thông. IoT cho phép các vật thể có thể được cảm nhận và điều khiển từ xa thông qua một hạ tầng mạng sẵn có, tạo cơ hội để tích hợp trực tiếp thế giới vật lý vào trong các hệ thống dựa trên máy tính, mang lại những lợi ích về kinh tế, tính chính xác, nâng cao hiệu quả và giảm thiểu được sự can thiệp từ con người. Khi IoT được gia tăng hơn nữa với các cảm biến và bộ truyền động, sẽ mang đến các phân lớp công nghệ cụ thể hơn như là: • Công nghệ tính toán lưới thông minh (Smart Grids) • Nhà máy điện ảo (Virtual Power Plants) • Nhà thông minh (Smart Home) • Giao thông thông minh (Intelligent Transportation) • Thành phố thông minh (Smart Cities) C C Mỗi vật thể vừa có thể được định danh duy nhất qua hệ thống máy tính nhúng của nó nhưng cũng có thể tương tác trong hạ tầng mạng Internet hiện có. R L T. 1.1.2 Chuẩn hoá các tầng giao thức của IoT DU Gốc rễ của vấn đề chuẩn hóa giao thức của IoT chính là môi trường bị ràng buộc của IoT với các đặc tính như: dung lượng bộ nhớ thấp, công suất thấp, yêu cầu băng thông thấp và xác suất mất gói tin cao cùng kết hợp lại. Những đặc tính này không cho phép giao thức TCP/IP và các công nghệ Web hiện có được dễ dàng sử dụng cho IoT. Mặc dù vậy, để giải quyết được thách thức này đã có hàng trăm các giao thức độc quyền được đưa ra trong không gian IoT, tự động hóa tòa nhà và M2M như là Zig Bee và Z-Wave. Tuy những giao thức này được hỗ trợ bởi một liên minh những nhà sản xuất sản phẩm, chúng không phải là các giao thức được chuẩn hoá giống như TCP, IP, HTTP hay SMTP. Do đó, một tập các giao thức mở, được chuẩn hóa đang bắt đầu nổi lên là giải pháp cho việc chuẩn hoá giao thức của IoT. Các cơ quan IETF, IEEE và W3C đã và đang chuẩn hóa các giao thức như là 6LoWPAN[2], MQTT hay CoAP. Những giao thức này hứa hẹn sẽ trở thành các giao thức chuẩn giống như các chuẩn về Web đang được sử dụng ngày nay. Hình vẽ minh họa dưới đây là thể hiện các giao thức IoT đã được chuẩn hoá tương ứng với các tầng của mô hình TCP/IP 11 Hình 3. Các giao thức IoT được chuẩn hóa C C 1.2 Nền tảng MBaaS ưu việt của Google R L T. Nếu như trước đây, các nhà sản xuất và phát triển ứng dụng di động phải phụ thuộc nhiều vào backend server, không những mất nhiều thời gian mà còn làm gia tăng chi phí. Thì ngày nay, cùng với sự phát của nhiều công nghệ mới, MBaaS giúp các nhà sản xuất và phát triển ứng dụng di động có thể tiết kiệm thời gian và chi phí vận hành[3]. 1.2.1 MBaaS là gì? DU Là viết tắt của “Backend as a service (Baas)”, là một mô hình điện toán đám mây. Vai trò như tầng trung gian cho phép các nhà lập trình Android/Web liên kết với các dịch vụ cloud thông qua API hoặc SDK. Các tính năng của BaaS gồm Cơ sở dữ liệu Realtime, push, code server, quản lý user và file, tích hợp mạng xã hội, dịch vụ địa điểm cũng như rất nhiều dịch vụ backend khác. Mặc dù mới phát triển vài năm trở lại đây nhưng với những tính năng ưu việt mà MBaaS mang lại thì rõ ràng MBaaS sẽ mang lại nhiều hứa hẹn trong tương lai[3]. 12 C C R L T. Hình 4. Cấu trúc MBaaS 1.2.2 Các hệ thống MBaaS phổ biến hiện nay DU ▪ Firebase: Là sản phẩm được Google mua lại vào tháng 10 năm 2014, kể từ đó FireBase phát triển thần tốc và hứa hẹn sẽ có nhiều bước phát triển mạnh mẽ trong tương lai. Hiện nay Firebase cung cấp ba mảng dịch vụ lớn đó là: Cơ sở dữ liệu thời gian thực (Real time Database), Chứng thực (Authentication) và Lưu trữ (Hosting). Người dùng firebase có thể lựa chọn sử dụng các gói dịch vụ dưới hình thức miễn phí hoặc trả phí. Hiện nay Firebase đã được hơn 400.000 các nhà phát triển tin tưởng sử dụng[3]. ▪ Appcelerator: Cung cấp dịch vụ cho phép biên dịch code JavaScrip sang Native Android. Năm 2014 Appcelerator cung cấp thêm dịch vụ MBaaS với khoản 25 APIs hỗ trợ Node js và phân tích dữ liệu trực tuyến[3]. ▪ AnyPresence: Không chỉ giúp các doanh nghiệp xây dựng hệ thống backend riêng, AnyPresence còn cho phép sinh các đoạn mã backend. Các đoạn mã này có thể được chỉnh sửa và chạy trên các nền tảng tương thích[3]. 1.3 Sơ đồ khối 13 C C R L T. DU Hình 5. Sơ đồ khối của hệ thống 1.3.1 Chức năng sơ lược của từng khối - Khối công tắc: công tắc đèn, công tắc quạt, công tắc điều hòa. - Khối xử lý trung tâm – ESP32 arduino : thu thập dữ liệu (từ các công tắc) để xử lý và điều khiển các thiết bị điện gia dụng(đèn, quạt, điều hòa), đồng thời tổng hợp và thống kê sau này. - Khối kết nối wifi – ESP 8266: truyền dữ liệu từ khối điều khiển trung tâm lên server. tâm. Khối các thiết bị điện gia dụng: bật/ tắt thiết bị theo yêu cầu của khối xử lý trung 1.3.2 Nguyên lý hoạt động - Khối điều khiển trung tâm nhận dữ liệu từ các công tắc, nếu xác định công tắc nào trạng thái chuyển lên 1 thì bật thiết bị điện gia dụng tương ứng đã được cài đặt, ngược lại thì thiết bị sẽ không được bật lên. Hệ thống công tắc ứng với mỗi thiết bị vẫn hoạt động, để nhận dữ liệu trạng thái, gửi lên server tổng hợp nhờ khối kết nối wifi – esp 8266. - Khi khối điều khiển trung tâm, nhận dữ liệu từ các công tắc hoặc từ backend server, thấy chuyển trạng thái, thì hệ thống thiết bị điện gia dụng ứng với mỗi công tắc sẽ được 14 bật lên, khi đó hệ thống công tắc vẫn hoạt động, được xác định bằng tác động vật lý làm thay đổi trạng thái bật hay tắt các thiệt bị điện gia dụng. 1.4 Kết luận chương Chương này giới thiệu tổng quan hoạt động của hệ thống, đồng thời giới thiệu tổng quan các thiết bị dùng trong hệ thống. Chương tiếp theo sẽ giới thiệu chi tiết các thành phần, linh kiện sử dụng trong hệ thống. C C DU R L T. 15 CHƯƠNG 2. LINH KIỆN PHẦN CỨNG 2.1 Giới thiệu chương Nội dung tìm hiểu của chương bao gồm các linh kiện chính là: ✓ ESP32 Arduino ✓ Node MCU ESP 8266 ✓ Module Relay 5V Nội dung chương này chủ yếu dựa vào thông tin sản phẩm và datasheet được cung cấp bởi nhà sản xuất. 2.2 ESP32 Aduino - ESP32 Arduino được lựa chọn là mạch trung tâm điều khiển chính, vì nó có kích thước nhỏ gọn, số chân đủ lớn, tiện ích trong việc sử dụng và lập trình, nên tôi quyết định dùng arduino để làm mạch điều khiển trung tâm. C C R L T. DU Hình 6. Ảnh tổng quan ESP32 arduino 16 2.2.1 Thông số của ESP32 arduino -Module trung tâm: Wifi BLE Soc ESP32. -Nguồn sử dụng: 5VDC từ cổng Micro USB. -Điện áp cấp: 2.3 – 3.6V -Chuẩn Wifi: 802.11 b / g / n / e / i -Bluetooth: BR / EDR + BLE -RAM: 520Kbytes -ROM: 448KBytes -16 KByte SRAM in RTC -Hỗ trợ giao tiếp USB-UART sử dụng chip Silabs CP2102 -Tích hợp Led Status, nút BOOT và ENABLE. -Kích thước: 28.33×51.45mm C C Hình 7. Thông số của ESP32 arduino R L T. 2.2.2 Cổng kết nối với ESP32 Arduino ESP32 Arduino sử dụng cổng micro USB. Vì sử dụng cổng này nên kích thước board (về chiều cao) cũng giảm đi khá nhiều, ngoài ra ta có thể lập trình thẳng trực tiếp cho ESP32 từ máy tính. DU 2.2.3 Lập trình cho ESP32 Arduino Cũng tương tự như bên Arduino Uno R3, ESP32 Arduino sử dụng chương trình Arduino IDE để lập trình, và ngôn ngữ lập trình cho Arduino cũng tên là Arduino (được xây dựng trên ngôn ngữ C). Tuy nhiên, nếu muốn lập trình cho ESP32 Arduino, cần phải thực hiện một số thao tác trên máy tính như sau: Đầu tiên, cần cài Driver của ESP32 Arduino và tải về bản Arduino IDE mới nhất cho máy tính. Sau khi cài đặt, sẽ thấy một thông báo dạng "Cổng COMx đã được cài đặt thành công" (chữ "x" này sẽ được thay bằng một số nguyên dương, hãy nhớ lấy số này, vì sau này sẽ dùng cổng COMx này để lập trình cho ESP32 Arduino). Sau đó, cần tìm loại board và cổng Serial mới như hình sau là được. Lưu ý: 17 C C R L T. DU Hình 8. Cài đặt loại board và cổng kết nối - Sau khi hoàn thành quá trình cài đặt, nếu muốn quay lại lập trình cho Arduino Uno, thì chỉ cần chỉnh tên board là Arduino Uno và "Serial Port" thành cổng Serial mà Uno đang kết nối. 2.3 Node MCU ESP 8266 2.3.1 Tổng quan về node MCU ESP 8266 ESP8266 là dạng Vi điều khiển tích hợp Wifi (Wifi SoC) được phát triển bởi Espressif Systems, một nhà sản xuất Trung Quốc có trụ sở tại Thượng Hải. Với vi điều khiển và Wifi 18 tích hợp, ESP8266 cho phép lập trình viên có thể thực hiện vô số các tác vụ TCP/IP đơn giản để thực hiện vô số các ứng dụng khác nhau, đặc biệt là các ứng dụng IoT. Module ESP8266 có giá thành rẻ, phải nói là rẻ nhất trong tất cả các loại Wifi SoC từ trước tới nay(trước ESP8266 có series CC3xxx từ Ti rất mắc nên không phổ biến), chỉ khoảng 2USD cho phiên bản đầu tiên, điều này đã thu hút các IoT-er khám phá cũng như dịch các tài liệu của ESP8266 sang tiếng Anh và phát triển vô số các ứng dụng kèm theo. Sau nhiều năm phát triển, hiện nay đã có hơn 14 phiên bản ESP ra đời, trong đó phổ biến nhất là ESP-12. Module ESP-12 kết hợp với firmware ESP8266 trên Arduino và thiết kế phần cứng giao tiếp tiêu chuẩn đã tạo nên NodeMCU, loại Kit phát triển ESP8266 phổ biến nhất trong thời điểm hiện tại. Với cách sử dụng, kết nối dễ dàng, có thể lập trình, nạp chương trình trực tiếp trên phần mềm Arduino, đồng thời tương thích với các bộ thư viện Arduino sẵn có, NodeMCU là sự lựa chọn hàng đầu về ESP8266 hiện nay. C C 2.3.2 Các đặc điểm của node MCU ESP 8266 R L T. - Nguồn vào và nguồn ra ESP8266 NodeMCU nhận nguồn từ cổng micro USB tích hợp sẵn trên mạch, giúp việc nạp code trở nên dễ dàng hơn. Bên cạnh đó, việc cấp nguồn cho module cũng linh động hơn, có thể sử dụng sạc dự phòng thay cho nguồn từ USB trên máy tính (nguồn cấp tối đa là 5V). DU ESP8266 NodeMCU có thể cung cấp nguồn cho tối đa 4 thiết bị: 3 nguồn ra 3.3V và một nguồn từ chân Vin (điện thế bằng điện thế từ cổng micro USB). Khi sử dụng các chân cấp nguồn này, hãy luôn kiểm tra để chắc chắn không cắm nhầm chân dương (trên mạch in là 3.3V và Vin) và chân âm (GND). Tuy nhiên, 3 chân 3.3V đều được bảo vệ, khi cắm ngược cực, module sẽ chỉ nóng lên và dừng hoạt động. Chân Vin thì không cắm ngược cực ở chân này là module cháy. - Truyền và nhận tín hiệu ESP8266 NodeMCU có tổng cộng 13 chân GPIO (General-purpose input/output) – chân có thể truyền/nhận tín hiệu (trên mạch in từ D0 đến D8 và RX, TX, SD2, SD3). 2.3.3 Bắt đầu sử dụng NODE MCU Hướng dẫn cài đặt firmware cho ESP8266 NodeMCU và cài đặt chương trình đầu tiên. Bước 1: Bản đồ chân Pin trên ESP8266 NodeMCU