Bài tập lớn môn Iot và ứng dụng đề tài "Cửa nhà để xe thông minh" | Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

lOMoARcPSD| 37054152
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN 1 ---------o0o---------
BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN IOT VÀ ỨNG DỤNG
TÊN ĐỀ TÀI: CỬA NHÀ ĐỂ XE THÔNG MINH lOMoARcPSD| 37054152 Mục lục PHẦN MỞ ĐẦU 1
1. Lí do ch n đềề tài:ọ 1
2. M c đích, đốối tụ ượng nghiền c u:ứ 2 3. Ph m vi nghiền c u:ạ ứ 2
4. Phương pháp nghiền c u:ứ 2 PHẦN NỘI DUNG 4
1. Yều cầều c a h thốốngủ ệ4 1.1 Breadboard 4 1.2 Led 6 1.3
ESP 8266 NodeMCU CH340 7 1.4 Điện trở 8 1.5
Dây nối 9 1.6 Cảm biến siêu âm HC-SR04 (Cảm biến khoảng cách) 9 1.7 Lập
trình sử dụng Arduino IDE 11
2. N i dung và kềốt qu th c hi nộ ả ự ệ 12
2.1 Yêu cầu của hệ thống 12 2.2 . Xây dựng hệ thống 12 2.2.1
Sơ đồ khối chức năng 12 2.2.2 Sơ đồ chi tiết 13 2.2.3
Lưu đồ thuật toán 14 2.2.4 Code 15 2.3
Kết quả thử nghiệm 18 2.3.1
Kết quả của hệ thống thực (Sử dụng với module loại gì kết nối tới Cloud) 18 2.4 Nhận xét
18 2.5 Đề xuất giải pháp và khuyến nghị 19 PHẦN KẾT LUẬN 20 lOMoARcPSD| 37054152 PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài:
Ngày nay, trên phạm vi toàn cầu đang chứng kiến sự bùng nổ của khoa học công
nghệ, sự phát triển không ngừng của kinh tế dẫn đến mức sống của người dân ngày càng
cao. Nó đã làm cho nhu cầu của con người ngày càng lớn. Điển hình là hiện nay mọi
người đang có xu hướng muốn sở hữu các thiết bị thông minh hay có những đồ dùng
thông minh trong chính ngôi nhà của mình. Từ đó Smart Home được coi là một giải
pháp thực tế nhắm vào nhu cầu đó của mỗi người.
Một hệ thống Smart Home bao gồm rất nhiều thiết bị và hệ thống nhỏ trong một
ngôi nhà. Và hệ thống cửa nhà xe thông minh cũng không phải là ngoại lệ. Một số lí do
mà chúng ta nên chọn cửa nhà xe thông minh đó là:
+ Điều khiển cửa bằng thiết bị thông minh.
+ Cửa tự động đóng, mở.
+ Khi gặp vật cản thì cửa sẽ tự động dừng lại nhằm tránh bị kẹt xe hay cửa va vào vật
cản ví dụ như: người, xe cộ,…
+ Cửa tự động nên người sử dụng không cần phải xuống xe để mở cửa,..
+ Giúp cho ngôi nhà trở nên tiện nghi hơn và sang trọng hơn khi có các thiết bị thông minh.
Ngoài ra, em có thể áp dụng được nhiều kiến thức đã được học vào đề tài như
kiến thức lập trình vi điều khiển, kiến thức về các cảm biến hoặc kiến thức về giao tiếp
giữa 2 vi điều khiển trong khi tìm hiểu quá trình xây dựng đề tài. Đây cũng là cơ hội để
em tìm hiểu thêm kiến thức mới, rèn luyện tính tự chủ và tinh thần trách nhiệm trong công việc.
Cuối cùng, với mục đích tạo ra được một bộ điều khiển với những tính năng cơ
bản, áp dụng được cho chính ngôi nhà của mình đã tạo thêm động lực thúc đẩy cho em
thực hiện đề tài này.
2. Mục đích, đối tượng nghiên cứu: 1 lOMoAR cPSD| 37054152
Chúng em nghiên cứu xây dựng một hệ thống điều khiển cửa nhà để xe tự động
để sử dụng trong các Smart Home hoặc tương lai có thể phát triển để sử dụng trong các
hệ thống nhà để xe để áp dụng việc đóng mở cửa nhà xe tự động.
Hệ thống này có thể điều khiển được bằng phần mềm qua điện thoại, có thể tự
động đóng mở cửa. Hệ thống sử dụng cửa tự đóng mở và sẽ dừng lại việc đóng mở khi gặp vật cản.
3. Phạm vi nghiên cứu:
Việc xây dựng cửa nhà để xe thông minh thì có phạm vi khá lớn, với nhiều chức
năng từ các nghiên cứu trước đó. Các chức năng có nhiều như: Đóng mở từ xa, dừng
khi gặp vật cản, nhận diện, …
Tóm lại, việc dựng được một hệ thống cửa nhà để xe thông minh thì có rất nhiều
ý tưởng có thể đưa ra để thực hiện nhưng chúng em giới hạn lại trong phạm vi sử dụng
một vài thiết bị cơ bản, phần mềm cơ bản cũng như chức năng như sau:
● Nghiên cứu sử dụng cảm biến sóng âm (Cảm biến khoảng cách) làm chức năng dừng đóng cửa
● Nghiên cứu các thiết bị như ESP8266 NodeMCU CH340
● Dùng tín hiệu đèn LED thay cho hoạt động đóng mở cửa nhà để xe
● Lập trình trên Arduino IDE
4. Phương pháp nghiên cứu:
Đề tài nghiên cứu xây dựng cửa nhà để xe thông minh được thực hiện dựa trên
các phương pháp tìm hiểu về cơ sở lý thuyết và nghiên cứu trên cơ sở thực nghiệm. Về
lý thuyết, chúng em tham khảo, tổng hợp các tài liệu, các công trình nghiên cứu về mô
hình cửa nhà để xe thông minh. Còn về thực nghiệm, chúng em thực hiện xây dựng mô
hình chức năng được giới hạn như đã nói ở phần phạm vi: Bằng việc mô phỏng hệ thống
qua phần mềm, tiến hành quan sát, thực hiện lắp ráp và thử nghiệm trên các thiết bị để đưa ra nhận xét. 2 lOMoARcPSD| 37054152
Chúng em nghiên cứu dựa trên việc tìm hiểu lý thuyết, xây dựng và mô phỏng hệ
thống sau đó áp dụng vào hệ thống thực tế. Cụ thể tóm tắt lại như sau:
● Thu thập thông tin liên quan đến đề tài
● Tìm hiểu các đề tài liên quan
● Tìm hiểu các thiết bị cần thiết cho đề tài
● Thực hiện mô phỏng mạch
● Lập trình trên Arduino IDE
● Kết nối, thiết lập điều khiển và giám sát qua Blynk Cloud 3 lOMoARcPSD| 37054152 PHẦN NỘI DUNG
1. Yêu cầu của hệ thống 1.1Breadboard
Breadboard (hay còn gọi là test board) là công cụ được sử dụng rất nhiều
để thiết kế và thử nghiệm mạch. Với breadboard, bạn không cần phải hàn dây và
các linh kiện để tạo mạch. Nó giúp gắn các linh kiện cũng như tái sử dụng rất dễ.
Bởi vì không hàn các linh kiện điện tử nên bạn có thể thay đổi thiết kế mạch tại
bất kỳ điểm nào rất tiện lợi. Cấu tạo của breadboard:
o Khu vực trung tâm chính của breadboard là một khối gồm hai cột. o
Mỗi cột được tạo thành từ nhiều hàng. o Mỗi hàng được nối điện theo từng hàng.
o Dọc hai bên là hai bus dọc để cấp điện vào cột bên trong. 4 lOMoARcPSD| 37054152
Cách sử dụng, đặt linh kiện trên breadboard:
o Chạy dọc theo các cạnh bên trái và bên phải của breadboard có các
bus dọc được nối điện theo chiều dọc. Các bus này thường được sử
dụng cho các cực dương hoặc nối đất của nguồn.
o Như vậy nếu nối nguồn 5v ở một lỗ bất kì trên cột thì tất cả các lỗ
khác trên cùng cột đó đều có hiệu điện thế 5v.
o Có thể nối dây giữa các hàng để nối các linh kiện điện tử với nhau.
o Nối dây từ bus dọc với hàng để cấp điện. Tất nhiên là trên bus dọc
bạn phải nối với nguồn trước. 5 lOMoARcPSD| 37054152 1.2 Led
Ở trong hệ thống này, do có khó khăn trong việc chuẩn bị router để thay thế cho
hệ thống cửa. Chúng em sẽ sử dụng đèn led để thay cho việc nhận tín hiệu mở cửa và đóng cửa.
Gồm có phần bóng đèn và 2 chân tiếp xúc, trong đó bao gồm 1 chân dương
(anode) chung và 1 chân âm (cathode)
Thông số: Dòng điện hoạt động 20 (mA), điện áp hoạt động 2-2.5 (V), Công suất 0.06 (W)
Khi lắp đèn báo nguồn cho các nguồn phải nối tiếp led báo với điện trở để hạn chế cháy led
1.3ESP 8266 NodeMCU CH340
Kít ESP8266 là kít phát triển dựa trên nền chíp Wifi SoC ESP8266 với thiết kế
dễ dàng sử dụng vì tích hợp sẵn mạch nạp sử dụng chips CP2102 trên broad. Bên trong
ESP8266 có sẵn một lõi vi xử lý vì thế có thể trực tiếp lập trình cho ESP8266 mà không
cần thêm bất kì con vi xử lý nào nữa. Hiện tại có hai ngôn ngữ có thể lập trình cho 6 lOMoARcPSD| 37054152
ESP8266, sử dụng trực tiếp phần mềm IDE của Arduino để lập trình với bộ thư viện
riêng hoặc sử dụng phần mềm node MCU.
● Bộ vi điều khiển: CPU RISC 32-bit Tensilica Xtensa LX106
● Điện áp hoạt động: 3.3V
● Điện áp đầu vào: 7-12V
● Chân I / O kỹ thuật số (DIO): 16
● Chân đầu vào tương tự (ADC): 1 ● UARTs: 1 ● SPI: 1 ● I2Cs: 1
● Bộ nhớ Flash: 4 MB ● SRAM: 64 KB
● Tốc độ đồng hồ: 80 MHz
● USB-TTL dựa trên CP2102 được bao gồm trên bo mạch, cho phép Plug n Play ● Ăng-ten PCB 7 lOMoARcPSD| 37054152
● IC chính: ESP8266 Wifi SoC
● Tích hợp LED báo trạng thái, nút Reset, Flash
● Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino
● Kích thước: 25 x 50 mm
1.4Điện trở
Điện trở (Resistor) là một linh kiện điện tử thụ động với hai điểm kết nối.
Chức năng của nó là điều chỉnh mức độ tín hiệu, hạn chế cường độ, dòng điện
chảy trong mạch. Dùng để chia điện áp, kích hoạt các linh kiện điện tử chủ động như
transistor, tiếp điểm cuối trong đường truyền điện đồng thời có trong nhiều ứng dụng khác. 1.5Dây nối
Dây nối với lõi dây đồng độ dẫn điện cao, mối tiếp xúc chắc chắn, dây cắm với
các đầu kim cứng, tiếp xúc tốt, kết nối siêu nhanh giúp dễ dàng thao tác, tiết kiệm thời
gian so với các dây dẫn tự chế.
Có các loại đầu đực - đực, đực - cái, ứng dụng để cắm test board. 8 lOMoARcPSD| 37054152
1.6Cảm biến siêu âm HC-SR04 (Cảm biến khoảng cách)
Cảm biến khoảng cách siêu âm HC-SR04 được sử dụng rất phổ biến để xác định
khoảng cách vì RẺ và CHÍNH XÁC. Cảm biến sử dụng sóng siêu âm và có thể đo
khoảng cách trong khoảng từ 2 -> 300 cm, với độ chính xác gần như chỉ phụ thuộc vào cách lập trình.
Cảm biến HC-SR04 có 4 chân là: Vcc, Trig, Echo, GND. 9 lOMoARcPSD| 37054152
Mô phỏng hoạt động của cảm biến: Để đo khoảng cách, ta sẽ phát 1 xung rất ngắn
từ chân Trig. Sau đó, cảm biến sẽ tạo ra 1 xung HIGH ở chân Echo cho đến khi nhận
lại được sóng phản xạ ở pin này. Chiều rộng của xung sẽ bằng với thời gian sóng siêu
âm được phát từ cảm biển và quay trở lại. Thông số: ● Điện áp: 5V DC 10 lOMoARcPSD| 37054152
● Dòng hoạt động: < 2mA ● Mức cao: 5V ● Mức thấp: 0V ● Góc tối đa: 15 độ
● Khoảng cách: 2cm – 450cm (4.5m) ● Độ chính xác: 3mm
1.7Lập trình sử dụng Arduino IDE
Arduino IDE là một phần mềm với một mã nguồn mở, được sử dụng chủ yếu để
viết và biên dịch mã vào module Arduino. Nó bao gồm phần cứng và phần mềm. Phần
cứng chứa đến 300,000 board mạch được thiết kế sẵn với các cảm biến, linh kiện. Phần
mềm giúp bạn có thể sử dụng các cảm biến, linh kiện ấy của Arduino một cách linh hoạt
phù hợp với mục đích sử dụng.
Arduino IDE sử dụng ngôn ngữ lập trình C/C++ rất phổ biến trong giới lập trình.
Bất kỳ đoạn code nào của C/C++ thì Arduino IDE đều có thể nhận dạng, giúp các lập
trình viên thuận tiện trong việc thiết kế chương trình lập cho các bo mạch Arduino. 11 lOMoARcPSD| 37054152
Arduino IDE tích hợp với hơn 700 thư viện, được viết và chia sẻ bởi nhà - phát
hành Arduino Software và thành viên trong cộng đồng Arduino. Mọi người có thể tận
dụng chúng cho dự án của riêng mình mà không cần phải bỏ ra bất kỳ chi phí nào.
2. Nội dung và kết quả thực hiện
2.1 Yêu cầu của hệ thống
Trước tiên, chúng em tìm hiểu và xác định phạm vi của đề tài. Từ nhũng nghiên
cứu, tìm hiểu trước đó chọn ra các thiết bị sẽ sử dụng.
Gồm các linh kiện: BreadBoard, đèn LED, ESP8266 NodeMCU CH340, điện trở, Dây
nối và Cảm biến vật cản HC-SR04 (Cảm biến khoảng cách).
Lập trình, kết nối tối Cloud sử dụng Arduino IDE và Blynk.
2.2. Xây dựng hệ thống 2.2.1
Sơ đồ khối chức năng
Từ những nội dung trên và những nội dung đã được học, chúng em vẽ sơ đồ khối
qua phần mềm Cisco tracer. 12 lOMoARcPSD| 37054152 2.2.2 Sơ đồ chi tiết
Ở phần sơ đồ lắp ráp, chúng em có sử dụng trang web https://www.circuito.io/
dể thử mô phỏng cách lắp ráp của hệ thống. Đây là kết quả:
Dựa trên kết quả này và các tìm hiểu trước đó, chúng em vẽ lại sơ đồ chi tiết của
hệ thống qua phần mềm Proteus: 13 lOMoARcPSD| 37054152 2.2.3
Lưu đồ thuật toán 14 lOMoARcPSD| 37054152 2.2.4 Code ● Khai báo ● Setup ● Loop 15 lOMoARcPSD| 37054152 16 lOMoARcPSD| 37054152
● Hàm button ở app 17 lOMoARcPSD| 37054152
2.3 Kết quả thử nghiệm
2.3.1 Kết quả của hệ thống thực (Sử dụng với module loại gì kết nối tới Cloud)
Sử dụng module ESP8266 kết nối với BlynkCloud và dùng app Blynk IOT để điều khiển
Chúng em mô phỏng cách hoạt động của hệ thống như sau :
Hệ thống sử dụng cửa mở tự động và chúng em tính phần trăm cửa đang mở, ở 100% là
cửa mở hoàn toàn và ở 0% tương ứng cửa đóng hoàn toàn. Tương ứng với cửa đang mở
bao nhiêu phần trăm thì là độ sáng của đèn led. 18 lOMoARcPSD| 37054152 19 lOMoARcPSD| 37054152 20 lOMoARcPSD| 37054152 21 lOMoARcPSD| 37054152 2.4Nhận xét
Với mô hình này ta đã có thể điều khiển từ xa cửa nhà gara, tiện lợi cho con
người. Sau này, chúng ta có thể tái sử dụng những thành phần này khi phát triển hoặc vào bài toán khác.
Khi tìm hiểu sâu vào hệ thống, nhóm rút ra được các hạn chế sau:
● Chưa thể điều khiển hệ thống khi ở xa.
● Mới chỉ có tính năng cơ bản của cửa.
● Chưa thể mở cửa tự động.
Sau một thời gian dài nỗ lực và hăng hái và nghiên cứu, được sự hướng dẫn của
thầy giáo cùng với sự chung sức của các thành viên trong nhóm, chúng em đã hoàn
thành đề tài của nhóm đúng thời hạn và đạt được những kết quả tích cực trên nhiều mặt như:
● Rèn luyện được tinh thần làm việc nhóm.
● Nắm bắt tổng quan kiến thức, cách làm việc, cách hoạt động của mô hình IoT.
● Có thêm định hướng phát triển cho đề tài của nhóm.
● Đưa ra được những giải pháp về kỹ thuật cần thực hiện khi xây dựng hệ thống. ● …
2.5Đề xuất giải pháp và khuyến nghị
Ngoài những kết quả đã đạt được, còn những vấn đề mà chúng chưa giải quyết
được. Điều này được thể hiện rõ nét qua phạm vi bài toán mà đề tài đã đặt ra. Trong thời
gian tới, chúng em sẽ tiếp tục nghiên cứu để: Hướng tới xây dựng mô hình mô phỏng
nhà thông minh được “thật” hơn, thêm các yếu tố như: 22 lOMoARcPSD| 37054152
● Sử dụng hiện diện biển số xe qua cảm biến, camera.
● Sử dụng chuông báo, cảm biến hồng ngoại, phát hiện vật cản tăng sự an toàn khi đóng, mở cửa.
● Cho phép người dùng tương tác với hệ thống từ xa. 23 lOMoAR cPSD| 37054152 PHẦN KẾT LUẬN
…………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………….. 24 lOMoARcPSD| 37054152
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] "ESP8266 NodeMCU with HC-SR04 Ultrasonic Sensor with Arduino IDE,"
2021. [Online]. Available: https://randomnerdtutorials.com/esp8266-nodemcu-hc- sr04ultrasonic-arduino/.
[2] "Arduinokit," 2020. [Online]. Available: https://arduinokit.vn/cai-dat-esp8266- voiblynk/. 25 lOMoARcPSD| 37054152
Bảng phân chia công việc Nguyễn Văn Nghĩa
Viết báo cáo, code, xây dựng mạch Bùi Đăng Quang
Code, xây dựng mạch Nguyễn Anh Tú
Tìm hiểu về thiết bị, xây dựng mạch Trần Minh Tuấn
Chuẩn bị thiết bị, viết báo cáo, xây dựng mạch
Tiêu chí đánh giá (Trọng số) Thang điểm Cấu trúc (10%) Các nội dung thành phần (40%) Nội dung (80%) Lập luận (20%) Kết luận/Kết quả (20%)
Hình thức trình bày (10%) Tổng 26