BÁO CÁO Hệ thống nhúng Đề tài : THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
🙚🙚🙚

BÁO CÁO MÔN HỌC
Đề tài :

THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH
NHÀ THƠNG MINH

Giảng viên hướng Ts. Nguyễn Ngọc Minh
dẫn:
Nhóm sinh viên: Phạm Đức Sơn – B17DCDT161
Nguyễn Thành Chung – B17DCDT025
Trần Xuân Đỉnh – B17DCDT037
Nguyễn Hải Cường – B17DCDT028
Nhóm: 9
Nhóm mơn học: 01


Hà Nội, tháng 5 năm 2021

LỜI MỞ ĐẦU
Vài năm trở lại đây, khi thế giới đang dần tiến vào kỷ nguyên Internet of Things (IoTs),
nhà thông minh trở thành một xu hướng công nghệ tất yếu và là tiêu chuẩn của nhà ở hiện
đại. Mặc dù đều dựa trên nền tảng IOT, tuy nhiên có rất nhiều các tiếp cận khác nhau
trong việc thiết kế các mơ hình nhà thơng minh. Một số cách có thể kể đến là sử dụng các
máy tính nhúng như Raspberry PI3, Orange Pi One, PIC hoặc Arduino. Trong đề tài này,
nhóm em nghiên cứu: “Thiết kế chế tạo mơ hình nhà thơng minh”.

1

erry Pi, ESP8266. Bạn có thể xây dựng ứng dụng điều khiển bằng


MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

1

CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

4

1.1 Giới thiệu về IoT

4

1.1.1

Một số khái niệm về IoT

4

1.1.2

Cơ sở kỹ thuật của IoT

4

1.1.3

Xu hướng phát triển của thế giới với IoT

5

1.1.4

Ứng dụng của IoT

6

1.1.5

Thách thức trong việc nghiên cứu và triển khai IoT

7

1.2 Tổng quan về nhà thông minh

9

1.2.1

Giới thiệu mơ hình nhà thơng minh

9

1.2.2

Ngun tắc hoạt động của nhà thông minh

9

1.2.3

Xu hướng phát triển nhà thông minh

1.3 Kết luận chương
CHƯƠNG 2: CÁC MODULE BỘ ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH
2.1 Module wifi ESP8266

10
10
11
11

2.1.1 Giới thiệu ESP8266

11

2.1.2 Thông số kỹ thuật

11

2.1.3 Các chân của ESP8266

12

2.1.4 Ứng dụng ESP8266

12

2.2 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11

12

2.3 Cảm biến lửa

13

2.4 Cảm biến khí gas MQ2

14

2.5 Màn hình LCD

15

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH NHÀ THƠNG MINH

16

3.1 u cầu thiết kế

16

3.2 Ứng dụng Blynk

17

3.3 Chế tạo

26
2

erry Pi, ESP8266. Bạn có thể xây dựng ứng dụng điều khiển bằng


3.4 Kết luận chương

27

KẾT LUẬN

28

TÀI LIỆU THAM KHẢO

29

3
erry Pi, ESP8266. Bạn có thể xây dựng ứng dụng điều khiển bằng


CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương 1 trình bày về xu hướng phát triển của Internet vạn vật (IoT) và các ứng dụng
phổ biến hiện nay dựa trên nền tảng IoT. Ngồi ra, nhà thơng minh là một trong những
ứng dụng rất được quan tâm hiện nay dựa trên nền tảng IoT cũng sẽ được trình bày trong
chương này.
1.1 Giới thiệu về IoT

1.1.1 Một số khái niệm về IoT
Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là mạng lưới thiết bị kết nối internet viết
tắt là IoT là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một
định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thơng tin, dữ liệu qua
một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay
người với máy tính. IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi
cơ điện tử và Internet. Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với
nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một cơng việc nào đó.
Hay hiểu một cách đơn giản IOT là tất cả các thiết bị có thể kết nối với nhau .
Việc kết nối thì có thể thực hiện qua Wifi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G),
Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại… Các thiết bị có thể là điện thoại thông minh, máy pha
cafe, máy giặt, tai nghe, bóng đèn, và nhiều thiết bị khác. Cisco, nhà cung cấp giải pháp
và thiết bị mạng hàng đầu hiện nay dự báo: Đến năm 2020, sẽ có khoảng 50 tỷ đồ vật kết
nối vào Internet, thậm chí con số này còn gia tăng nhiều hơn nữa. IoT sẽ là mạng khổng
lồ kết nối tất cả mọi thứ, bao gồm cả con người và sẽ tồn tại các mối quan hệ giữa người
và người, người và thiết bị, thiết bị và thiết bị. Một mạng lưới IoT có thể chứa đến 50
đến 100 nghìn tỉ đối tượng được kết nối và mạng lưới này có thể theo dõi sự di chuyển
của từng đối tượng. Một con người sống trong thành thị có thể bị bao bọc xung quanh
bởi 1000 đến 5000 đối tượng có khả năng theo dõi.
1.1.2 Cơ sở kỹ thuật của IoT
Điểm quan trọng của IoT đó là các đối tượng phải có thể được nhận biết và định
dạng (identifiable). Nếu mọi đối tượng, kể cả con người, được "đánh dấu" để phân biệt
bản thân đối tượng đó với những thứ xung quanh thì chúng ta có thể hồn tồn quản lý
được nó thơng qua máy tính. Việc đánh dấu (tagging) có thể được thực hiện thơng qua

4
erry Pi, ESP8266. Bạn có thể xây dựng ứng dụng điều khiển bằng


nhiều công nghệ, chẳng hạn như RFID, NFC, mã vạch, mã QR, watermark kĩ thuật số...

Việc kết nối thì có thể thực hiện qua Wi-Fi, mạng viễn thông băng rộng
(3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại...
Ngồi những kĩ 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 khơng nhầm lẫn. Sự xuất hiện của IPv6 với khơng gian địa chỉ cực kì rộng lớn
sẽ giúp mọi thứ có thể dễ dàng kết nối vào Internet cũng như kết nối với nhau.
1.1.3 Xu hướng phát triển của thế giới với IoT
Mặc dù đã manh nha từ lâu nhưng kỷ nguyên Internet of Things chỉ thực sự được
sự được chú ý và bùng nổ trong những năm gần đây, sau sự phát triển của smartphone,
tablet và những kết nối không dây… Và ngay sau khi nhận được sự chú ý của cộng đồng,
IoT đã cho thấy tiềm năng của mình với những số liệu đáng kinh ngạc.
Là “một trong những phát kiến quan trọng và quyền lực nhất của loài người”, Cisco
IBSG, nhà cung cấp giải pháp và thiết bị mạng hàng đầu hiện nay dự báo: Đến năm
2020, sẽ có khoảng 50 tỷ đồ vật kết nối vào Internet, bao gồm hàng tỷ thiết bị di động,
tivi, máy giặt, … Để thấy được sự phát triển của lĩnh vực này, họ cũng đưa ra số liệu vào
năm 1984, khi mà Cisco mới thành lập mới chỉ có khoảng 1.000 thiết bị được kết nối
mạng toàn cầu, đến năm 2010, con số này đã lên mức 10 tỷ.
Intel, đơn vị mới tham gia vào thị trường sản xuất chip cho các thiết bị thông minh phục
vụ IoT cũng đã thu về hơn 2 tỷ USD trong năm 2014 từ lĩnh vực này, tăng trưởng 19% so
với năm 2013.
Những con số khẳng định IOT là xu hướng của tương lai
Internet of Things đến năm 2020 dự kiến sẽ đạt đến:
+ 4 tỷ người kết nối với nhau
+ 4 ngàn tỷ USD doanh thu
+ Hơn 25 triệu ứng dụng
+ Hơn 25 tỷ hệ thống nhúng thông minh
+ 50 ngàn tỷ Gigabytes dữ liệu
Tác động của IoT rất đa dạng, trên các lĩnh vực: quản lý hạ tầng, y tế, xây dựng và tự
động hóa, giao thơng….
Cụ thể với lĩnh vực sản xuất - chế tạo, hiện theo thống kê của PwC, đã có 35% nhà sản

xuất sử dụng cảm biến thông minh, 10% dự kiến sẽ sử dụng và 8% có kế hoạch sử dụng
các thiết bị thông minh này trong 3 năm tới.
Trong lĩnh vực dầu khí, khai thác mỏ, dự kiến sẽ có 5,4 triệu thiết bị IoT được triển khai
tại các cơ sở khai thác tới năm 2020. Chủ yếu sẽ là các bộ cảm biến kết nối Internet giúp
cung cấp thông tin về mơi trường. Dầu khí là một trong những ngành công nghiệp chủ
chốt ứng dụng IoT trên diện rộng tới năm 2020.
Trong khi đó, xe hơi kết nối đang là xu hướng nổi bật của thiết bị IoT hiện nay. Dự tính
tới năm 2020, sẽ có hơn 220 triệu xe kết nối lưu thông trên đường.
Về bảo hiểm, 74% lãnh đạo trong ngành bảo hiểm tin rằng IoT sẽ thay đổi cơ bản chính
sách bảo hiểm trong 5 năm tới, 74% có kế hoạch đầu tư phát triển và thực hiện các chiến
lược về IoT - theo một nghiên cứu của SMA Research.

5
erry Pi, ESP8266. Bạn có thể xây dựng ứng dụng điều khiển bằng


Còn với quốc phòng, chi tiêu cho các thiết bị bay không người lái dự kiến sẽ đạt 8,7 tỉ
USD vào năm 2020. Ngoài ra, theo dự báo của Frost & Sullivan, sẽ có khoảng 126.000
robot quân sự sẽ được triển khai vào năm 2020.
Về nhà kết nối, tới năm 2030, phần lớn các thiết bị trong gia đình sẽ được kết nối
Internet. Các nhà sản xuất cũng sẽ trang bị tính năng kết nối cho bất cứ vật dụng nào mà
họ sản xuất ra.
Lĩnh vực nông nghiệp cũng không nằm ngồi vịng xốy IoT. Dự kiến sẽ có 75 triệu thiết
bị IoT được triển khai trong lĩnh vực này vào năm 2020, với tỉ lệ tăng hàng năm đạt 20%.
Chủ yếu đó sẽ là những bộ cảm biến đặt trong lòng đất để theo dõi độ axit, nhiệt độ và
các thông số giúp canh tác vụ mùa hiệu quả hơn.
Trong lĩnh vực dịch vụ ăn uống, sẽ có 310 triệu thiết bị IoT được các công ty cung cấp
dịch vụ ăn uống sử dụng vào năm 2020. Phần lớn các thiết bị này sẽ kết nối thông tin tới
quầy bán thực phẩm và các công ty sản xuất đồ ăn nhanh.
Vì thế, Internet of Thing đang là chìa khóa của thành cơng trong tương lai.

Sự tăng trưởng nhanh chóng của IoT có thể được đẩy mạnh nhờ một loạt diễn tiến trong
ngành cơng nghiệp như: Chi phí cho các hệ thống tích hợp, thiết bị cảm biến và ứng
dụng giảm mạnh – giá thành của các hệ thống, thiết bị cảm biến và tích hợp ngày càng
giảm do tác động của sự mở rộng về quy mô nền kinh tế và thị trường tồn cầu hóa. Ví
dụ như chi phí của một thẻ nhận dạng RFID đã giảm tới 40% xuống mức 10 cents
(khoảng 2.200 đồng) trong năm ngoái.
Bên cạnh đó, cơng nghệ khơng dây đáp ứng đa tiêu chuẩn đang giúp giảm giá thành các
mặt hàng thiết bị kết nối không dây; và những giao thức Internet mới đã giúp hiện thực
hóa việc kết nối hàng tỷ thiết bị vào mạng lưới Internet.
Hiện trên thị trường đang có ngày càng nhiều thiết bị di động giá rẻ, sự cải thiện về điều
kiện kinh tế của nhóm khách hàng Châu Á đã dẫn đến sự gia tăng theo cấp số nhân về sử
dụng thiết bị di động ở khu vực này.
1.1.4 Ứng dụng của IoT
IoT có ứng dụng rộng vơ cùng, có thể kể ra một số thư như sau:
• Quản lý chất thải
• Quản lý và lập kế hoạch quản lý đơ thị
• Quản lý mơi trường
• Phản hồi trong các tình huống khẩn cấp
• Mua sắm thơng minh
• Quản lý các thiết bị cá nhân
• Đồng hồ đo thơng minh
• Tự động hóa ngơi nhà…

6
erry Pi, ESP8266. Bạn có thể xây dựng ứng dụng điều khiển bằng


Tác động của IoT rất đa dạng, trên các lĩnh vực: quản lý hạ tầng, y tế, xây dựng và tự
động hóa, giao thơng…. Cụ thể trong lĩnh vực y tế, Thiết bị IoT có thể được sử dụng để
cho phép theo dõi sức khỏe từ xa và hệ thống thông báo khẩn cấp. Các thiết bị theo dõi

sức khỏe có thể dao động từ huyết áp và nhịp tim màn với các thiết bị tiên tiến có khả
năng giám sát cấy ghép đặc biệt, chẳng hạn như máy điều hịa nhịp hoặc trợ thính tiên
tiến. cảm biến đặc biệt cũng có thể được trang bị trong khơng gian sống để theo dõi sức
khỏe và thịnh vượng chung là người già, trong khi cũng bảo đảm xử lý thích hợp đang
được quản trị và hỗ trợ người dân lấy lại mất tính di động thơng qua điều trị là tốt. thiết
bị tiêu dùng khác để khuyến khích lối sống lành mạnh, chẳng hạn như, quy mô kết nối
hoặc máy theo dõi tim mặc.
1.1.5 Thách thức trong việc nghiên cứu và triển khai IoT
Hiện tại các doanh nghiệp tại Việt Nam thường áp dụng cơng nghệ thơng tin trong
quản lí và sản xuất. Việc áp dụng IoT còn rất hạn chế, tuy nhiên trong tương lai đây sẽ là
xu hướng tất yếu khi mà thế giới đang bước vào cuộc “cách mạng công nghiệp lần thứ 4”
thời đại của các liên kết thế giới thực và ảo. Việt Nam hiện nay đang cố gắng bắt kịp các
xu hướng tiến bộ của thế giới, tuy vậy để áp dụng được công nghiệp IoT thì Việt Nam sẽ
phải đương đầu với bộn bề khó khăn và thách thức.
Những lợi ích của IoT sẽ có mặt tại khắp mọi nơi trong tất cả các lĩnh vực – đó là điều
khơng thể phủ định. Tuy vậy với một nền kinh tế đứng thứ 6 Đông Nam Á như Việt Nam
hiện nay ta cũng sẽ thấy được một số những thách thức như: giá thành thiết bị, vùng phủ
kết nối, sự linh hoạt, tính bảo mật,... Hôm nay BKAII sẽ cùng các bạn thảo luận về những
khó khăn của IoT tại Việt Nam nhé!
Chi phí đầu tư lớn dẫn tới các doanh nghiệp chưa sẵn sàng áp dụng.
Trên thực tế để tạo ra một sản phẩm khơng khó nhưng chi phí để tiếp thị, thuyết phục
cộng đồng sử dụng lại là một vấn đề khó khăn. Hơn nữa, chi phí để quảng bá sản phẩm
khơng lớn nhưng chi phí để tạo ra sản phẩm mẫu lại rất cao. Từ khi lên ý tưởng đến đi vào
sản xuất cũng mất khá nhiều thời gian, mà hệ thống phần cứng, thiết bị phụ trợ tại Việt
Nam nhiều khi chưa đủ để đáp ứng.
Vấn đề chính ở đây là do giá thành thiết bị khiến cho các doanh nghiệp cịn rụt rè khi áp
dụng IoT vào q trình sản xuất và quản lí của mình.
Tiêu chuẩn chung
Việc thiếu các tiêu chuẩn trong khi lại có rất nhiều giao thức kết nối đang được sử dụng
như hiện nay là một cản trở cho IoT phát triển. Các giao thức với mức tiêu thụ năng lượng

7
erry Pi, ESP8266. Bạn có thể xây dựng ứng dụng điều khiển bằng


thấp: LTE, Sigfox, onramp,…được sử dụng rộng rãi mà chưa có chuẩn giao thức rõ ràng.
Hiện tại liên minh AllSeen đã được thành lập để xóa bỏ cản trở của việc phát triển
Internet of Thing, tuy vậy để Việt Nam có thể xóa bỏ được những khó khăn khi tiếp cận
IoT lại là cả một quá trình cần nhiều thời gian và sự nỗ lực bởi lẽ hiện tại Việt Nam cũng
chưa có các quy chuẩn rõ ràng cho các thiết bị truyền thông trong IoT.
Nhu cầu của người dùng.
Việt Nam là một nước xã hội chủ nghĩa, đời sống người dân cịn nghèo đói, và trình độ
hiểu biết khoa học công nghệ chưa thực sự đồng đều. Bởi thế thuyết phục người dân sử
dụng những ứng dụng công nghệ đòi hỏi tư duy và sáng tạo là một điều vơ cùng khó
khăn. Với tư duy truyền thống và tâm lí ngại thay đổi, sợ tiếp cận cái mới thì việc xu
hướng IoT có thể thâm nhập vào từng ngơi nhà Việt là một bài tốn khơng hề dễ
dàng. IoT sẽ là tốt hơn cho nhà sản xuất khi họ có thể dễ dàng có được dữ liệu về người
dùng thông qua một loạt các ứng dụng, tuy nhiên người dùng phải thấy được những lợi
ích từ cơng nghệ này có thể đáp ứng trong thời gian dài, nếu khơng họ sẽ bỏ qua.
Vùng phủ kết nối.
Ngày nay những thiết bị thông minh như smart phone, ipad, macbook,…được sử dụng vơ
cùng phổ biến. Người dùng các thiết bị có thể kết nối Internet này luôn hi vọng về vùng
phủ hay dung lượng và họ sẽ hài lòng khi các ứng dụng được hoạt động tốt ở bất cứ đâu.
Đó là với các kết nối đơn giản mà ta có thể hiểu được, đối với kết nối IoT thì mọi vấn đề
trở nên phức tạp hơn, đa dạng hơn với công suất và cường độ lớn hơn. Như vậy một vấn
đề cấp thiết đặt ra là các nhà cung cấp mạng phải có phương án nâng cao nỗ lực quản lí và
vận hành.
Tính linh hoạt và sự đa dạng.
Tính linh hoạt là rất cần thiết bởi khi có nhiều thiết bị IoT kết nối thì tốc độ kết nối diễn ra
nhanh hơn tốc độ kết nối của băng rộng di động hiện tại. Mật độ kết nối thiết

bị IoT không đồng bộ sẽ tạo ra những lưu lượng lớn đột ngột. Sự đa dạng cũng đặc biệt
quan trọng khi công nghệ IoT yêu cầu sự tương thích giữa các thiết bị với nhau.
Năng lượng Pin.
Càng nhiều thiết bị thông minh ra đời sẽ đòi hỏi lượng tiêu thụ năng lượng lớn. Các nhà
sản xuất hiện nay đã quan tâm đến việc tiêu thụ năng lượng của các thiết bị để góp phần
giảm thiểu sự tiêu hao. Tuy nhiên không phải bất cứ quốc gia nào cũng có thể đáp ứng
yêu cầu về việc cung cấp năng lượng.
An ninh và bảo mật.
Với một thế giới kết nối như hiện nay thì việc chỉ ra các điểm yếu của thiết bị là điều vô
cùng dễ dàng. Đối với các thiết bị cá nhân có khả năng kết nối internet thì vẫn đề về an
ninh, bảo mật thông tin lại là mối quan tâm hàng đầu. Khả năng giao tiếp tự động của các
thiết bị IoT làm cho việc đảm bảo sự riêng tư khó khăn hơn rất nhiều. Đây cũng là vấn đề
khiến người dùng e ngại khi tiếp cận các phương pháp mới ứng dụng IoT. Đơn giản như

8
erry Pi, ESP8266. Bạn có thể xây dựng ứng dụng điều khiển bằng


chỉ với chiếc đồng hồ thông minh trong smarthome mà tất cả các hoạt động trong nhà bạn
đều có thể bị ghi lại và kiểm soát.
1.2 Tổng quan về nhà thơng minh
1.2.1 Giới thiệu mơ hình nhà thơng minh
Nhà thơng minh (tiếng Anh: home automation, domotics, smart
home hoặc Intellihome) là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có thể được
điều khiển hoặc tự động hố hoặc bán tự động. Thay thế con người trong thực hiện một
hoặc một số thao tác quản lý, điều khiển. Hệ thống điện tử này giao tiếp với người dùng
thông qua bảng điện tử đặt trong nhà, ứng dụng trên điện thoại di động, máy tính
bảng hoặc một giao diện web.
Trong căn nhà thơng minh, đồ dùng trong nhà từ phịng ngủ, phòng khách đến toilet đều
gắn các bộ điều khiển điện tử có thể kết nối với Internet và điện thoại di động, cho phép

chủ nhân điều khiển vật dụng từ xa hoặc lập trình cho thiết bị ở nhà hoạt động theo lịch.
Thêm vào đó, các đồ gia dụng có thể hiểu được ngơn ngữ của nhau và có khả năng tương
tác với nhau…”
Nhìn ở góc độ cơng nghệ, nhà thông minh không chỉ là một kiến trúc đơn thuần nữa, mà
là một cỗ máy được lập trình hồn hảo, để đưa đến những tiện ích cho con người trong
cuộc sống.
Có thể so sánh nơm na, nếu ở các ngôi nhà thông thường, mọi thao tác đều phải tiến hành
thủ cơng cơ học theo ngun tắc mở/tắt thì Smart-home đã giúp cho gia chủ xử lý các
thiết bị một cách “thơng minh”, tiện dụng, an tồn và đẳng cấp hơn rất nhiều, và không
hạn chế khoảng cách.
1.2.2 Nguyên tắc hoạt động của nhà thông minh
Một hệ thống nhà thông minh cơ bản sẽ được thiết kế gồm: Một trung tâm điều
khiển là bộ não của nhà thơng minh, có nhiệm vụ kết nối các thiết bị lại với nhau và điều
khiển toàn bộ hệ thống. Các thiết bị điện đầu cuối là những vật dụng điện tử trong nhà
như các hệ thống cửa nhà, cổng, điều hòa, rèm mành, các hệ thống ánh sáng, quạt thơng
gió, tivi, bếp gas, hệ thống camera giám sát, bảo vệ an ninh…
Bạn sẽ cài đặt các thiết bị sau đó bắt đầu cho trung tâm điều khiển học lệnh tất cả các thiết
bị đó. Việc tạo lập một hệ thống nhà thơng minh thế này khơng q phức tạp, thậm chí
cho những người chưa thông thạo các thiết bị công nghệ lắm cũng có thể tự kết nối và học
lệnh bằng tài liệu hướng dẫn mà không cần đến nhân viên kỹ thuật chuyên môn.
Sau khi cài đặt và kết nối tất cả, bạn sẽ bắt đầu tạo các ngữ cảnh thông minh riêng phù
hợp với sở thích và hồn cảnh gia đình bạn. Chỉ như vậy thôi là hệ thống nhà thông minh
đã hoàn tất và bạn sẽ tận hưởng cuộc sống với những ngữ cảnh do chính bạn tạo ra cũng
như điều khiển tất cả các thiết bị đã được kết nối.
1.2.3 Xu hướng phát triển nhà thông minh

9
erry Pi, ESP8266. Bạn có thể xây dựng ứng dụng điều khiển bằng

Với những tiềm năng phát triển đó, có nhiều nhà phát triển và xâm nhập thị trường nhà
thông minh Việt Nam như Lumi, Bkav,… hay tới các nhà đầu tư nước ngoài khác.
Tuy chỉ mới phát triển từ 3 -5 năm nay, nhưng nhiều đơn vị trong nước đã nắm được thị
phần phân phối nhà thông minh tại Việt Nam khá lớn như Lumi, Bkav.
Các doanh nghiệp ở Việt Nam phần lớn cung cấp các giải pháp nhà thông minh thiên về
giải pháp an ninh, an toàn, điều khiển thiết bị thông qua smartphone, điều khiển qua loa
thông minh
Đối với các ơng lớn về cơng nghệ thì cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 và công nghệ IoT
được xem là cơ hội tỉ USD trên thị trường đầy tiềm năng này.
Theo một thống kê của công ty nghiên cứu thị trường Statista thì vào năm 2020 giá trị thị
trường của Smarthome -nhà thông minh dự bảo đạt tới 43 tỷ USD. Con số này tăng gấp 3
lần so với năm 2014. Xu hướng nhà thông minh được dự báo như một trong những ứng
dụng cơng nghệ một cách tồn diện nhất vào cuộc sống, là cả một căn nhà chứ không chỉ
là một thiết bị thông minh.
1.3 Kết luận chương
Chương 1 trình bày một cách tổng quát về IoT và nhà thông minh là một ứng dụng
được quan tâm hiện nay dựa trên nền tảng IoT. Qua đó, có thể thấy rằng việc thiết kế
hệ thống nhà thông minh mặc dù cùng dựa trên nền tảng IoT nhưng có thể có nhiều
cách tiếp cận khác nhau tùy theo mục đích

CHƯƠNG 2: CÁC MODULE BỘ ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH

10
erry Pi, ESP8266. Bạn có thể xây dựng ứng dụng điều khiển bằng


Trong chương 2 của đồ án sẽ trình bày về các thành phần phần cứng của hệ thống nhà
thông minh, từ đó phân tích và lựa chọn giải pháp thiết kế mơ hình nhà thơng minh phục
vụ các nhu cầu với giá thành thấp.
2.1 Module wifi ESP8266

2.1.1 Giới thiệu ESP8266

Sơ đồ nguyên lý của ESP8266
Kit thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 là kit phát triển dựa trên nền chip
Wifi SoC ESP8266 với thiết kế dễ sử dụng và đặc biệt là có thể sử dụng trực tiếp trình
biên dịch của Arduino để lập trình và nạp code, điều này khiến việc sử dụng và lập trình
các ứng dụng trên ESP8266 trở nên rất đơn giản.
Kit thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 được dùng cho các ứng dụng cần kết
nối, thu thập dữ liệu và điều khiển qua sóng Wifi, đặc biệt là các ứng dụng liên quan đến
IoT.

2.1.2 Thông số kỹ thuật
-

Wifi 802.11 b/g/n
Wifi 2.4 GHz, hỗ trợ WPA/WPA2
Chuẩn điện áp hoạt động 3.3v
Chuẩn giao tiếp nối tiếp UART với tốc độ Baud lên đến 115200

11
erry Pi, ESP8266. Bạn có thể xây dựng ứng dụng điều khiển bằng


-

Có 3 chế độ hoạt động: Client, Access Point, Both Client and Access Point
Hỗ trợ các chuẩn bảo mật như: OPEN, WEP, WPA_PSK, WPA2_PSK,
WPA_WPA2_PSK
Hỗ trợ cả 2 giao tiếp TCP và UDP
Tích hợp cơng suất thấp 32-bit CPU có thể được sử dụng như là bộ vi xử lý ứng

dụng
SDIO 1.1 / 2.0, SPI, UART
Làm việc như các máy chủ có thể kết nối với 5 máy trạm.

2.1.3 Các chân của ESP8266
-

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 của module, kéo xuống mass để reset
GPIO 2: thường được dùng như một cổng TX trong giao tiếp UART để debug lỗi
CH_PD: kích hoạt chip, sử dụng cho Flash Boot 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

2.1.4 Ứng dụng ESP8266
Với các tính năng kết nối vượt trội ESP8266 được sử dụng rất nhiều trong cuộc sống.
Thông qua kết nối wifi chúng ta có thể điều khiển thiết bị từ xa như bật tắt bóng đèn, bật
quạt…Đặc biệt, hiện nay được sử dụng rất nhiều trong các mơ hình nhà thơng minh. Qua
đó chúng ta có thể dễ dàng quản lý và điều khiển tất cả các thiết bị trong nhà.
2.2 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11
DHT11 Là cảm biến rất thông dụng hiện nay vì chi phí rẻ và rất dễ lấy dữ liệu thông qua
giao tiếp 1-wire (giao tiếp digital 1-wire truyền dữ liệu duy nhất). Cảm biến được tích hợp
bộ tiền xử lý tín hiệu giúp dữ liệu nhận về được chính xác mà khơng cần phải qua bất kỳ
tính tốn nào.

12
erry Pi, ESP8266. Bạn có thể xây dựng ứng dụng điều khiển bằng

Thông số kỹ thuật
- Điện áp hoạt động: 3 --> 5V
- Dải nhiệt độ đo: 0 -> 50°C với độ chính xác là ±2°C
- Dải độ ẩm đo: 20 -> 80% với độ chính xác là 5%
- Kích thước: 15.5mm x 12mm x 5.5mm
- Tần số lấy mẫu: 1Hz , nghĩa là 1 giây DHT11 lấy mẫu một lần.
- 4 chân: VCC( cực (+) nguồn ), DATA(chân tín hiệu), NC, GND(cực (-) nguồn)

2.3 Cảm biến lửa
Cảm biến phát hiện lửa (flame sensor) thường được sử dụng cho các ứng dụng phát hiện
lửa như: xe robot chữa cháy, cảm biến lửa,... Tầm phát hiện của cảm biến trong khoảng
80cm, góc quét là 60 độ, có thể phát hiện lửa tốt nhất là loại có bước sóng từ 760nm 1100nm.
Cảm biến phát hiện lửa (flame sensor) có hai ngõ ra tín hiệu là Digital và Analog rất dễ sử
dụng.

Thông số kỹ thuật:
- Nguồn cấp: 3.3V - 5VDC
- Dịng tiêu thụ: 15mA
- Tín hiệu ra: Digital 3.3 - 5VDC tùy nguồn cấp hoặc Analog.
- Khoảng cách : 80 cm
- Góc quét : 60 độ
- Kích thước : 3.2 x 1.4 cm
Nguyên lí hoạt động:

13
erry Pi, ESP8266. Bạn có thể xây dựng ứng dụng điều khiển bằng

Khi module hoạt động các chân tín hiệu sẽ báo tín hiệu về thiết bị điều khiển. Lúc đó tín
hiệu chân Dout:
+ Tín hiệu mức cao là khơng có lửa.
+ Tín hiệu thấp là có lửa.
Aout cho ra tín hiệu tương tự.
2.4 Cảm biến khí gas MQ2
MQ2 là cảm biến khí gas. Nó được cấu tạo từ chất bán dẫn SnO2. Chất này có độ nhạy
cảm thấp với khơng khí sạch. Nhưng khi trong mơi trường có chất ngây cháy, độ dẫn của
nó thay đổi ngay. Chính nhờ đặc điểm này người ta thêm vào mạch đơn gian để biến đổi
từ độ nhạy này sang điện áp.
Khi môi trường sạch điện áp đầu ra của cảm biến thấp, giá trị điện áp đầu ra càng tăng
khi nồng độ khí gây cháy xung quang MQ2 càng cao.
MQ2 hoạt động rất tốt trong mơi trường khí hóa lỏng LPG, H2, và các chất khí gây cháy
khác. Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng do mạch đơn giản và chi
phí thấp.

Thơng số kỹ thuật:
- Điện áp hoạt động: 5V
- Phạm vi phát hiện: 300 10000ppmm
- Độ nhạy sáng: R in air/Rin typical gas≥5
- Cảm kháng: 1KΩ to 20KΩ / 50ppm
- Thời gian đáp ứng: ≤10s
- Thời gian phục hồi: ≤ 30s
- Trở kháng khi nóng: 31Ω ± 3Ω
- Dịng tiêu thụ khi nóng: ≤ 180mA
- Năng lượng khi nóng : ≤ 900Mw

14
erry Pi, ESP8266. Bạn có thể xây dựng ứng dụng điều khiển bằng

2.5 Màn hình LCD
Ngày nay, thiết bị hiển thị LCD 1602 (Liquid Crystal Display) được sử dụng trong rất
nhiều các ứng dụng của VĐK. LCD 1602 có rất nhiều ưu điểm so với các dạng hiển thị
khác như: khả năng hiển thị kí tự đa dạng (chữ, số, kí tự đồ họa); dễ dàng đưa vào mạch
ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tiêu tốn rất ít tài nguyên hệ thống, giá
thành rẻ,…
Thông số kỹ thuật của sản phẩm LCD 1602:
- Điện áp max : 7V
- Điện áp min : - 0,3V
- Hoạt động ổn định : 2.7-5.5V
- Điện áp ra mức cao : > 2.4
- Điện áp ra mức thấp : <0.4V
- Dòng điện cấp nguồn : 350uA - 600uA
- Nhiệt độ hoạt động : - 30 - 75 độ C

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH NHÀ THƠNG MINH

15
erry Pi, ESP8266. Bạn có thể xây dựng ứng dụng điều khiển bằng


3.1 Yêu cầu thiết kế
Chúng ta đang sống trong một thời đại với rất nhiều công nghệ hiện đại khiến cho
cuộc sống của chúng ta trở nên dễ dàng hơn. Trong vài năm trở lại đây, các bước tiến lớn
về công nghệ đã khiến cho ngôi nhà của chúng ta ngập tràn các thiết bị cơng nghệ cao.
Nói một cách đơn giản thì các giải pháp cơng nghệ này cho phép có thể điều hành căn nhà
của mình thơng qua các thiết bị điều khiển từ xa, thường là điện thoại thơng minh hoặc là
máy tính bảng. Có thể kiểm soát các thiết bị điện chiếu sáng đến các thiết bị đảm bảo an
ninh…

Giới thiệu về bộ điều khiển: Cấu trúc đơn giản, dễ điều khiển.
Mơ hình nhà thơng minh được thiết kế với các chức năng như sau:
Điều khiển các thiết bị từ xa và biết được trạng thái của các thiết bị.
Đo nhiệt độ, độ ẩm trong nhà hiển thị lên LCD và điện thoại …
Tự động phát cảnh báo điện thoại khi có sự cố.
Tự động bơm nước khi phát hiện lửa
Tự động quạt thổi khí ga khi bị rò rỉ.
Với các chức năng thiết kế nêu trên, sơ đồ khối của hệ thống được thiết kế như
hình:

Sơ đồ khối hệ thống

Chức năng và nhiệm vụ các khối trong sơ đồ hình 1 như sau:

16
erry Pi, ESP8266. Bạn có thể xây dựng ứng dụng điều khiển bằng


* Khối nguồn: Sử dụng nguồn 12v, qua module hạ áp LM2596 hạ xuống 5v để dùng cho
vi điều khiển và các cảm biến. Tại sao không dùng thẳng nguồn 5v? Vì cần 12v để điều
khiển quạt và máy bơm.
* Khối vi xử lý: ESP8266 là bộ xử lý trung tâm của mạch, sử dụng nguồn 5v.
* Khối cảnh báo: Sử dụng cịi cảnh báo khi có tín hiệu nguy hiểm (khí ga rị rỉ, lửa, nhiệt
độ cao).
* Khối hiển thị: LCD 16x2 và I2C, hiển thị kết quả lên màn hình.
* Khối cảm biến:
Nhiệt độ: DHT 11 đo và hiển thị nhiệt độ độ ẩm.
Khí ga: Theo dõi và phát hiện khi khí ga rị rỉ.
Lửa: Phát hiện khi có lửa
* Khối ngoại vi:

-

Máy bơm sử dụng nguyên lý của module relay để kích hoạt máy bơm, dùng nguồn
5v để kích, máy bơm 12v hoạt động khi có cháy

-

Quạt gió: Sử dụng ngun lý của module Relay để kích hoạt quạt gió, dùng nguồn
5v để kích, quạt gió 12v hoạt động khi có khí ga.

Với sơ đồ khối hệ thống ở trên, bài toán đặt ra là nghiên cứu chế tạo ngôi nhà thông
minh thực hiện được các chức năng như điều khiển các thiết bị từ xa qua mạng wifi, đo
nhiệt độ độ ẩm từ đó đưa ra các giải pháp điều chỉnh thích hợp cho ngơi nhà, hiện thị
nhiệt độ , độ ẩm, cảnh báo lên màn hình LCD và màn hình điện thoại sau đó nhắn tin cảnh
báo khi nhiệt độ nhà tang cao, tự động bơm nước vào để dập lửa, tự động bật quạt thơng
gió để khí ga đi ra ngồi.
3.2 Ứng dụng Blynk
Blynk là một nền tảng có ứng dụng iOS, Android cho phép điều khiển Arduino ,
Raspbcách kéo, thả các Widget. Blynk được thiết kế cho IoT, nó có thể điều khiển phần
cứng từ xa, hiển thị dữ liệu cảm biến, lưu trữ dữ liệu và có thể làm một vài điều khác khá
thú vị.
a) Cách cài đặt Blynk
Bắt đầu với ứng dụng và thư viện Blynk

17
erry Pi, ESP8266. Bạn có thể xây dựng ứng dụng điều khiển bằng


Phần thiết bị phải phù hợp đáp ứng với Blynk. Nếu phần cứng khơng có module kết
nối, có thể sử dụng các module hỗ trợ như Ethernet, Wifi, GPRS và nhiều thiết bị hỗ trợ

khác. Blynk cũng làm việc với Bluetooth và USB.
Tải ứng dụng Blynk trên android hoặc trên ios.
-

Với android truy cập vào: />
-

Với ios truy cập vào: />
-

Lấy mã Auth Token

-

Auth Token là loại mã dùng để xác thực kết nối giữa chương trình và phần cứng

-

Tạo tài khoản trên ứng dụng Blynk của máy chủ Việt Nam. Phần Custom điền (IP:
cloud.blynk.vn và Port:8443)

-

Tạo một dự án mới. Sau đó, chọn bảng kết nối sẽ sử dụng.

-

Khi tạo dự án mới thành công, sao chép hoặc gửi mã xác thực AuthToken qua tài
khoản gmail.

-

Kiểm tra gmail trong hộp thư đến và tìm mã xác thực Auth Token cài đặt thư viện
Blynk

-

Tải thư viện Blynk.zip

-

Giải nén thư viện Blynk.zip

-

Sao chép thư mục Blynk vào thư viện libraries trên ESP8266
Dán mã xác thực Auth Token

-

Sửa mã xác thực YourAuthToken, mã xác thực nằm trong gmail khi tạo dự án trong
ứng dụng Blynk.

Ví dụ: char auth[] = “53e4da8793764b6197fc44a673ce4e21”;
-

Upload code cho phần cứng.

-

Mở seri monitor trên ArduinoIDE

18
erry Pi, ESP8266. Bạn có thể xây dựng ứng dụng điều khiển bằng


b) Cách hoạt động của Blynk
Blynk có thể điều khiển các I/O analog hoặc digital trên hardware trực tiếp giữa
Blynk App và hardware có thể trao đổi dữ liệu qua Virtual Pin. Nhưng như vậy chưa
đủ. Blynk còn thiết kế them Virtual pin(chân I/O ảo). Virtual Pin được sử dụng để gửi
dữ liệu từ bộ vi điều khiển đến Blynk App và ngươc lại. Điều này mang lại lợi ích là
tất cả những thứ kết nối đến vi điều khiển có thể làm việc với Blynk. Bạn có thể gửi
dữ liệu từ Blynk App đến Virtual Pin, ở vi điều khiển nhận dữ liệu Virtual Pin xử lý
dữ liệu và phản hồi ở Smarthome.
Cần phân biệt giữa Virtual Pin và GPIO của vi điều khiển. Vi điều khiển có thể gửi
dữ liệu App bằng cách sử dụng Blynk.virtualWrite(pin, value) và nhận dữ liệu từ App
bằng cách sử dụng BLYNK_WRITE(vPIN).
- Gửi dữ liệu từ App đến hardware
Bạn có thể gửi dữ liệu từ Widget trên App đến hardware qua Virtual Pin. Ví dụ,
Button Widget trên App gửi tín hiệu 0 hoặc 1 đến Hardware bằng cách gửi qua
Virtual V1.
Trên hardware để nhận dữ liệu từ Widget có thể thực hiện:
BLYNK-WRITE(V1)
{
Int pinData=param.asInt()
}
-

Gửi mảng dữ liệu
Một số Widget nhiều hơn một output. Các output từ Widget có thể được gửi đến

Hardware ở dạng mảng. Hardware có thể lấy dữ liệu như sau:
BLYNK_WRITE(V1)

19
erry Pi, ESP8266. Bạn có thể xây dựng ứng dụng điều khiển bằng


{
Int x=param[0].asInt();
Int y=param[1].asInt(); Int
Z= param[N].asInt()
}
-

Lấy dữ liệu từ Hardware
Có hai cách App lấy dữ liệu từ Hardware qua virtual pin
Widget yêu cầu hardware:
Trên Hardware sử dụng BLYNK_READ() để gửi dữ liệu đến Widget khi widget
yêu cầu:
BLYNK_READ(V0)
{
Blynk.virtualWrite(5,millis()/1000);
}
Hardware gửi đến dữ liệu đến Widget:
Hardware có thể gửi dữ liệu đến Widget. Dữ liệu từ hardware gửi lên Blynk Server
sẽ được lưu trữ trên server. Lưu ý, nên gửi dữ liệu theo thời gian định trước và
tránh hiện tưởng Flood Error(Hardware gửi quá nhiều lần, làm cho hardware bị
mất kết nối), nên sử dụng BlynkTimer.

-

Đồng bộ với Hardware
Nếu hardware mất kết nối đến internet hoặc reset, hardware có thể lấy tất cả các
giá trị Widget trên App:
BLYNK_CONNECTED(){
Blynk.syncAll();
}
BLYNK_WRITE(V0){
…
}

20
erry Pi, ESP8266. Bạn có thể xây dựng ứng dụng điều khiển bằng


Hardware cũng có thể cập nhật các giá trị Virtual Pin bằng cách sử dụng
Blynk.syncVirtual(V0) hoặc nhiều Virtual Pin hoặc bằng Blynk.syncVirtual(V0,
V1, V2..)
Hardware có thể lưu trữ dữ liệu trên server mà khơng cần có Widget bằng cách gọi
Blynk.virutalWrite(V0,value)
-

Đối với App
Nếu muốn Widget đồng bộ với Hardware ngay cả khi App office sử dụng
Blynk.virutalWrite. Ví dụ như bạn có một Led Widget kết nối đến Virtual Pin V1,
và có 1 nút vật lý kết nối đến Hardware. Khi nhấn nút trên hardware, bạn muốn
cập nhật trạng thái đến LedWidget. Để làm được điều đó có thể gửi
Blynk.virtualWrite(V1,255) khi nút vật lý trên hardware được nhấn.

-

Điều khiển nhiều thiết bị
Blynk App hỗ trợ nhiều thiết bị. Điều đó có nghĩa rằng có thẻ gán bất kỳ Widget
đến một thiết bị với authtoken riêng. Ví dụ button V1 có thể điều khiển thiết bị A.
và một button V1 khác có thể điều khiển thiết bị B. Để sử dụng nhiều hơn một
thiết bị trên project, trong phần Project Setting kích vào Device để chọn thêm thiết
bị.

-

Trạng thái online của thiết bị
Blynk App hỗ trợ trạng thái online của nhiều thiết bị.
Blynk sử dụng HEARBEAT. Cách tiếp cận này được thực hiện bằng cách
hardware định kỳ gửi lệnh ping(mặc định là 10s). Trong trường hợp, Server không
nhận được lệnh ping nào từ hardware trong 10s và thêm 5s, server sẽ cho rằng
hardware mất kết nối đến Server.

-

Hạn chế và khuyến nghị:
Không thực hiện Blynk.virtualWrite và Blynk*trong voidloop()- điều này có thể
gây ra hardware mất kết nối. Sử dụng các hàm có Timer như BlynkTimer. Tránh sử
dụng delay()- nó có thể gây ra mất kết nối. Không gửi quá 100 giá trị/s – dẫn dến
Flood Error. Khi sử dụng ESP8266 lưu ý không gửi quá nhiều lệnh
Blynk.virtualWrite do sự hạn chế của thiết bị này là số lượng request có thể xử lý.

-

Bắt đầu với Blynk App

21
erry Pi, ESP8266. Bạn có thể xây dựng ứng dụng điều khiển bằng


Trên điện thoại sử dụng IOS hoặc Android tải phần mềm Blynk về điện thoại.
Sau khi cài đặt đăng ký một Account Blynk

Giao diện đăng nhập Blynk
Tại đây ta có thể tạo một tài khoản mới hoặc đăng nhập tài khoản có sẵn.
Sau khi đăng nhập màn hình hiện ra

Tạo new project
Kéo màn hình sang trái, giao diện Project:

22
erry Pi, ESP8266. Bạn có thể xây dựng ứng dụng điều khiển bằng


Chọn NewProject, thiết lập tên Project, chọn thiết bị. Trong phần này sử dụng
ESP8266 vì vậy sẽ chọn ESP8266 và kiểu kết nối là wifi. Sau khi tạo Project, Blynk app
sẽ gửi Auth Token đến gmail đăng ký. Auth Token được sử dụng để xác thực các thiết bị.
Sau khi tạo xong project, vào phần Project Setting:

Giao diện phần project settings
Mỗi account khi đăng ký sử dụng dịch vụ đám mây Blynk sẽ được cung cấp một số
Energy. Với mỗi Widget tạo ra trong Project sẽ tốn một tài nguyên Energy, nếu người
dùng muốn sử dụng thêm thì phải bỏ thêm tiền mua Energy. Blynk có mã nguồn mở, tuy
nhiên để duy trì hoạt động và tái phát triển cho Blynk, dịch vụ đám mây Blynk cũng có
thu phí theo nhu cầu của người sử dụng. Khi kích vào Devices có thể thêm bớt các
Device. Mỗi Device sẽ có một Auth Token dùng để xác thực thiết bị đến Blynk Server.

-

ThêmWidget

23
erry Pi, ESP8266. Bạn có thể xây dựng ứng dụng điều khiển bằng


Thêm widget
Ban đầu bảng vẽ là trống, kích vị trí bất kỳ trên bảng vẽ, hộp các Widget sẽ hiển thị
ra. Thêm một Button vào vẽ.
Sau khi thêm Button, có thể kích vào button, giữ và di chuyển button đến vị trí thích
hợp. Kích vào Button để thiết lập, trong phần Output thiết lập là Digital và chọn GP4
tương ứng GPIO4 của ESP8266. Sau khi thiết lập xong, thực hiện Run để bắt đầu hoạt
động của Project. Khi sửa đổi Project thì cần STOP chương trình lại và có thể thêm các
Widget khác.

24
erry Pi, ESP8266. Bạn có thể xây dựng ứng dụng điều khiển bằng