Thiết kế mạch kiểm soát và điều khiển thiết bị điện dân dụng qua internet sử dụng arduino

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
----------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài:

THIẾT KẾ MẠCH KIỂM SOÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN
DÂN DỤNG QUA INTERNET SỬ DỤNG ARDUINO.

Giảng viên hƣớng dẫn: Th.S Nguyễn Thanh Tuấn
Sinh viên thực hiện:

Đặng Triều Thần

Mã số sinh viên:

56130727

Lớp: 56DDT

Nha Trang, Ngày 18 tháng 7 năm 2018



TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
----------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
THIẾT KẾ MẠCH KIỂM SOÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ
ĐIỆN DÂN DỤNG QUA INTERNET SỬ DỤNG ARDUINO.

Giảng viên hƣớng dẫn: Th.S Nguyễn Thanh Tuấn
Sinh viên thực hiện:

Đặng Triều Thần

Mã số sinh viên:

56130727

Nha Trang, Ngày 18 tháng 7 năm 2018

i

Lớp: 56DDT


TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

Khoa : Điện – Điện Tử
PHIẾU THEO DÕI TIẾN ĐỘ VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
(Dùng cho CBHD và nộp cùng báo cáo ĐA/KLTN của sinh viên)
Tên đề tài: Thiết kế mạch kiểm soát và điều khiển thiết bị điện dân dụng qua internet

sử dụng arduino.
Giảng viên hƣớng dẫn : Nguyễn Thanh Tuấn
Sinh viên thực hiện : Đặng Triều Thần

Ngành : Công nghệ kĩ thuật Điện – Điện tử

Khóa : 56
Lần KT
1
2
3
4
5

MSSV : 56130727

Ngày

Ngày Kiểm tra :

Nội dung

Nhận xét của GVHD

Kiểm tra giữa tiến độ của trƣởng BM
Đánh giá công việc hoàn thành:……%
Đƣợc tiếp tục
Không tiếp tục

Ký tên
……………….

6

7
8
9
Nhận xét chung (sau khi sinh viên hoàn thành ĐA/KL):
…………………………………………………………………………………………….………
…………………………………………………………………………………….………………

Điểm h nh th c:……/10 Điểm nội dung:......./10 Điểm tổng kết:………/10
Đồng ý cho sinh viên: Đƣợc bảo vệ: Không đƣợc bảo vệ: 
Khánh Hòa,ngày…. Tháng…. Năm…..
Cán bộ hƣớng dẫn
(Ký và ghi rõ họ tên)

ii


TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
Khoa/Viện: Điện – Điện tử
PHIẾU CHẤM ĐIỂM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho cán bộ chấm phản biện)
1. Họ tên ngƣời chấm:…………………………………………………….
2. Sinh viên thực hiện ĐA:Đặng Triều Thần MSSV: 56130727
3. Tên đề t i: Thiết kế mạch kiểm soát và điều khiển thiết bị điện dân dụng qua
internet sử dụng arduino.
4. Nhận xét
- H nh th c:
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
- Nội dung:

................................................................................................................................
.......………………………………………………………………………………
…………….……………………………………………………………………
…………………….……………………………………………………………
…………………………………………….……………………………………
…………………………………………………….……………………………
…………………………………………………………………………….……
……………………………………………………………………………………
Điểm h nh th c:……../10 Điểm nội dung:........../10 Điểm tổng kết:………/10
Đồng ý cho sinh viên: Đƣợc bảo vệ: Không đƣợc bảo vệ: 
Khánh Hòa, ngày…….tháng………năm………..
Cán bộ chấm phản biện
(Ký và ghi rõ họ tên)

iii


TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
Khoa/Viện: Điện – Điện tử
PHIẾU CHẤM CỦA HỘI ĐỒNG BẢO VỆ ĐA/KLTN
(Dùng cho thành viên Hội đồng bảo vệ ĐA/KLTN)
1. Họ tên thành viên HĐ: ..................................................................................
Chủ tịch: 

Thƣ ký: 

Ủy viên: 

2. Tên đề tài : Thiết kế mạch kiểm soát và điều khiển thiết bị điện dân dụng qua
internet sử dụng arduino.

3. Họ tên sinh viên thực hiện: Đặng Triều Thần MSSV: 56130727
4. Phần đánh giá và cho điểm của thành viên hội đồng (theo thang điểm 10)
a) H nh th c, ố cục bài báo cáo (sạch, đẹp, cân đối giữa các phần)

:..........

b) Nội dung bản báo cáo (thể hiện mục tiêu, kết quả,…)

:………

c) Tr nh ày (đầy đủ, ngắn gọn, lƣu loát, không quá thời gian…)

:………

d) Trả lời các câu hỏi của ngƣời chấm (đúng/sai)

:………

đ) Trả lời các câu hỏi của thành viên hội đồng (đúng/sai)

:………

e) Thái độ, cách ng xử, m c độ tự tin

:………

g) Nắm vững nội dung đề tài

:………

h) Nắm vững những vấn đề liên quan đề tài

:………

i) Tính sáng tạo khoa học của sinh viên

:………
Tổng :………....

Điểm trung bình của các cột điểm trên:……./10 (làm tròn đến 1 số lẻ)
Cán bộ chấm điểm
(Ký và ghi rõ họ tên)

iv


LỜI CẢM ƠN
Đồ án môn học tốt nghiệp nhằm củng cố và bổ sung lại những kiến thức về chuyên
ngành điện – điện tử và các môn học khác có liên quan mà em đã được học trong
khoảng thời gian ngồi trên giảng đường đại học. Đồ án tốt nghiệp này đã giúp cho em
biết vận dụng, khai thác sâu hơn vào lý thuyết. Qua đó giúp cho em biết được khả
năng xử lý tình huống trong thiết kế, đã củng cố vững hơn về kiến thức chuyên ngành
và kỹ năng làm việc nhóm sao cho đạt hiệu quả cao, là một kỹ năng rất cần thiết cho
một kỹ sư sau khi ra trường.
Để hoàn thành đồ án này, em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, hỗ trợ từ thầy cô,
gia đình và bạn bè.
Mặc dù em cũng đã cố gắng hết sức mình, nhưng trong một khoảng thời gian cho
phép, cũng như hạn chế về mặt kiến thức của bản thân, nên đồ án không thể tránh khỏi
nhiều thiếu sót. Chính vì vậy, em rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy, cô cũng
như của bạn bè để có thể củng cố kiến thức của mình trước khi ra trường.

Trước tiên chúng em xin chân thành gửi đến toàn thể quý thầy cô trong khoa lời
cảm ơn chân thành nhất. Những năm tháng trên giảng đường Đại học Thầy, Cô đã
truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm quý báu, đó là hành trang vô giá mà chúng
em luôn mang bên mình trên con đường lập nghiệp.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy Nguyễn Thanh Tuấn, người đã hướng
dẫn, chỉ bảo tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành tốt đồ án.
Em xin cảm ơn gia đình, bạn bè những người luôn ủng hộ, động viên, tạo điều
kiện thuận lợi, giúp đỡ cho em trong học tập cũng như trong cuộc sống.
Trường ĐH Nha Trang, thang 05/2018

i h vi

v

th c hi

ề t i ĐẶNG TRIỀU THẦN


LỜI CAM KẾT
-

Tên đề tài : Thiết kế mạch kiểm soát và điều khiển thiết bị điện dân dụng qua
internet sử dụng arduino.

-

GVHD :

Th.S Nguyễn Thanh Tuấn

-

Họ tên sinh viên :

Đặng Triều Thần

-

Mã số sinh viên :

56130727

-

Lớp :

56DDT

-

Địa chỉ sinh viên :

KTX K5/413 – Đại Học Nha Trang – Khánh Hòa.

-

Số điện thoại liên lạc:

01655220686

-

Email :



-

Ngày nộp khóa luận tốt nghiệp :

-

Lời cam kết :”Tôi xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp này là công trình do chính
tôi nghiên c u và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kì một bài viết nào đã
đƣợc công bố mà không trích dẫn nguồn gốc, nếu có bất kì một sự vi phạm nào
tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”.
Nha Trang, Ngày ……Tháng ……Năm 2018
Ký tên

vi


TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đề tài:
THIẾT KẾ MẠCH KIỂM SOÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN DÂN
DỤNG QUA INTERNET SỬ DỤNG ARDUINO
Trong cuộc sống công nghiệp hóa hiện đại hóa, việc điều khiển các thiết bị điện
dân dụng trong gia đ nh một cách tối ƣu nhất, điều khiển bằng điện thoại, laptop hoặc

bất kì một thiết bị thông minh có thể kết nối vào internet. Chính vì nhu cầu này tác giả
đã lựa chọn đề tài “Thiết kế mạch kiểm soát và điều khiển thiết bị điện dân dụng qua
internet sử dụng arduino”.Qua đề tài tác giả đã tìm hiểu về công nghệ kết nối không
dây Wifi, kit thu phát Wifi ESP8266 nodeMCU, Arduino UNO và thiết kế thành công
mạch điều khiển và kiểm soát trạng thái của các thiết bị thông qua công nghệ kết nối
không dây wifi điều khiển bằng phần mềm Android đƣợc tác giả lập trình và thiết kế
trên app inventor, giao diện thân thiện với ngƣời dùng, dễ dàng tiếp cận và sử dụng.
Ngoài việc điều khiển trên phần mềm Android tác giả có thể điều khiển trực tiếp bằng
cách truy cập vào cơ sở dữ liệu trung gian kết nối giữa thiết bị Android và sản phẩm
một cách dễ dàng. Sản phẩm điều khiển đƣợc 8 kênh hoạt động riêng biệt với nhau,
thiết bị điện 1 pha điều khiển bằng cách nối trực tiếp vào mạch điều khiển, có thể điều
khiển thiết bị điện 3pha bằng cách điều khiển thông qua công tắc tơ. Ch c năng hẹn
giờ điều khiển thiết bị hoạt động dựa trên thời gian thực đƣợc cập nhật tự động, cài đặt
thời gian một lần phù hợp để thể hẹn giờ cho các thiết bị có tính tuần hoàn ngày qua
ngày nhƣ ơm nƣớc tƣới cây vào mỗi buổi chiều.
Tác giả đã thiết kế và xây dựng mô h nh điều khiển, qua nhiều lần kiểm tra
mạch hoạt động ổn định áp dụng phù hợp cho hộ gia đ nh vừa và nhỏ.

vii


MỤC LỤC
PHIẾU THEO DÕI TIẾN ĐỘ VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP ................. ii
PHIẾU CHẤM ĐIỂM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ........................................................ iii
PHIẾU CHẤM CỦA HỘI ĐỒNG BẢO VỆ ĐA/KLTN ........................................ iv
LỜI CẢM ƠN ..............................................................................................................v
LỜI CAM KẾT .......................................................................................................... vi
TÓM TẮT ĐỒ ÁN.................................................................................................... vii
MỤC LỤC ................................................................................................................ viii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ...........................................................................................x

LỜI NÓI ĐẦU .............................................................................................................. xii
1.1.

Lý do chọn đề tài................................................................................................1

1.2.

Mục đích của đề tài ............................................................................................1

1.3.

Đối tƣợng nghiên c u ........................................................................................1

1.4.

Phƣơng pháp nghiên c u ...................................................................................2

Chƣơng 2: TÌM HIỂU THIẾT BỊ GIAO TIẾP NGOẠI VI ............................................3
2.1.

Tìm hiểu về công nghệ không dây wifi .............................................................3

2.1.1.

Khái niệm ....................................................................................................3

2.1.2.

Lịch sử phát triển và một số chuẩn kết nối wifi phổ biến ...........................3

2.1.3.

Đặc điểm của công nghệ . ...........................................................................5

2.1.4.

Nguyên lý hoạt động ...................................................................................6

2.1.5.

Các vấn đề bảo mật trong công nghệ wifi. ..................................................7

2.2.

Tìm hiểu về kit RF thu phát wifi ESP8266 nodeMCU ......................................7

2.2.1.

Giới thiệu .....................................................................................................7

2.2.2.

Đặc điểm kĩ thuật ........................................................................................8

2.2.3.

Sơ đồ chân và ch c năng.............................................................................9

2.3.

Giới thiệu về KIT mạch Arduino .......................................................................9

2.3.1.

Giới thiệu về Arduino .................................................................................9

2.3.2.

Giới thiệu về phần mềm lập trình Arduino IDE .......................................14

2.3.3.

Cập nhật thƣ viện để lập trình cho NodeMCU ESP8266 trên Arduino. ...16

Chƣơng 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ..............................................................................19
3.1.

Sơ đồ khối hệ thống. ........................................................................................19

3.2.

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống. .........................................................................19
viii


3.3.

Giải thuật trên Arduino. ...................................................................................22

3.4.

Giải thuật trên ESP8266...................................................................................23

3.5.

Tạo cơ sở dữ liệu Firebase. ..............................................................................24

3.5.1.

Giới thiệu về Firebase. ..............................................................................24

3.5.2.

Tạo cơ sở dữ liệu Firebase. .......................................................................25

3.6.

Thiết kế giao diện phần mềm Android. ...........................................................27

3.6.1.

Giới thiều về App Inventor(AI2). .............................................................27

3.6.2.

Tạo project mới trên App Inventor. ..........................................................27

3.6.3.

Tạo giao diện cho phần mềm Android. .....................................................29

3.6.4.

Chƣơng tr nh phần mềm Android. ............................................................31

3.6.5.

Xuất chƣơng tr nh ra file apk cài đặt vào điện thoại. ................................38

3.7.

Tổng quan về linh kiện sử dụng trong mạch....................................................40

3.7.1.

Module giảm áp LM2596..........................................................................40

3.7.2.

Điện trở......................................................................................................41

3.7.3.

Led. ............................................................................................................42

3.7.4.

Relay..........................................................................................................42

3.7.5.

IC ULN2803 ..............................................................................................43

3.7.6.

Nút nhấn ....................................................................................................43

3.8.

Thi công mạch..................................................................................................44

CHƢƠNG 4: MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ HƢỚNG
PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ..................................................................................................46
4.1.

Mô hình thực nghiệm và đánh giá hệ thống. ...................................................46

4.2.

Kết luận. ...........................................................................................................47

4.3.

Đề xuất hƣớng phát triển. ................................................................................48

TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................49
PHỤ LỤC CODE ..........................................................................................................50
Chƣơng tr nh Arduino. ........................................................................................50
Chƣơng tr nh ESP8266........................................................................................52

ix


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 : Thiết bị điện tử kết nối với nhau thông qua wifi ............................................3
Hình2.2 : Lịch sử phát triển của công nghệ wifi .............................................................5
H nh2.3 : Sơ đồ nguyên lý hoạt động của wifi ................................................................6
H nh2.4 : Các phƣơng pháp ảo mật ...............................................................................7
Hình2.5 : NodeMCU ESP8266 .......................................................................................8
Hình2.6 : Sơ đồ chân NodeMCU esp8266 ......................................................................9
Hình 2.8 : Thông số kĩ thuật của Arduino .....................................................................10
Hình 2.9: ATMEGA4328-PU .......................................................................................11
Hình 2.10: Các chân năng lƣợng ...................................................................................11
Hình 2.11: Các cổng vào/ ra ..........................................................................................12
Hình 2.12: Jack nguồn ...................................................................................................13
Hình 2.13: Cổng USB ....................................................................................................14
Hình 2.14:Giao diện chính Arduino IDE ......................................................................14
Hình 2.15: Arduino Toolbar ..........................................................................................14
Hình 2.16: IDE Menu ....................................................................................................14
Hình 2.17: Ch c năng IDE Menu ..................................................................................15
Hình 2.18: Cổng kết nối khi gắn board .........................................................................16
Hình 2.19: Cập nhật thƣ viện cho esp8266 ...................................................................16
Hình 2.20 :Chọn Boards để cài thƣ viện .......................................................................17
Hình 2.21 : Tiến hành cài đặt thƣ viện ..........................................................................17
Hình 2.22 : Chọn oard để lập trình cho ESP8266 .......................................................18
H nh 3.1 : Sơ đồ khối hệ thống ......................................................................................19
H nh 3.2 : Sơ đồ nguyên lý hệ thống .............................................................................21
Hình 3.3 : Giải thuật trên Arduino.................................................................................22
Hình 3.4 : Giải thuật trên ESP8266 ...............................................................................23
H nh 3.5 : Đăng nhập để tạo cơ sở dữ liệu Firebase .....................................................25

Hình 3.6 : Bảng điều khiển. ...........................................................................................25
Hình 3.7 : Tạo project mới để lƣu trữ dữ liệu. ..............................................................26
Hinh 3.8 : Chọn hệ điều hành ........................................................................................26
Hình 3.9 : Liên kết để truy cập cơ sở dữ liệu Firebase ..................................................27
x


Hình 3.10 : Biểu tƣợng phần mềm App Inventor (AI2 ) ...............................................27
H nh 3.11 : Đăng nhập để tạo App ................................................................................28
Hình 3.12 : Liên kết AI2 với tài khoảng Gmail. ...........................................................28
H nh 3.13 : Danh sách các project đã tạo ......................................................................28
H nh 3.14 : Lƣu tên cho project. ....................................................................................29
Hình 3.15 : Lấy biểu tƣợng để kết nối với Fire ase đã tạo. ..........................................29
Hình 3.16: Cửa sổ thuộc tính của Firebase....................................................................30
Hình 3.17 : Xuất file apk cài đặt trên điện thoại ...........................................................38
H nh 3.18 : Mã code cài đặt...........................................................................................39
Hình 3.19 : Giao diện phần mềm MIT AI2 ...................................................................39
Hình 3.20 : Giao diện chính của phần mềm ..................................................................40
Hình 3.21 : Module giảm áp LM2596 ...........................................................................41
H nh 3.22 : Đầu vào/ ra của module LM2596 ...............................................................41
H nh 3.23: Điện trở và kí hiệu .......................................................................................41
Hình 3.24: LED .............................................................................................................42
H nh 3.25: Rơle .............................................................................................................42
Hình 3.26 : IC ULN2803 ...............................................................................................43
Hình 3.27 : Nút nhấn .....................................................................................................44
Hình 3.28 : Mạch in .......................................................................................................44
Hình 3.29 : Mạch thực tế ...............................................................................................45
Hình 4.1: Mô hình hoạt động ........................................................................................46
Hình 4.2:Giao diện hoạt động trên Android ..................................................................46

xi


LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, thông qua những ng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới
của chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn rất nhiều. Sự
phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt thiết bị ngày càng thông minh, tiện
dụng, hiệu quả và thân thiện với môi trƣờng ngƣời d ng.
Là một nƣớc đang phát triển, vấn đề ng dụng khoa học công nghệ trong thời k
công nghiệp hóa, hiện đại hóa nhƣ hiện nay lại trở thành một yêu cầu cấp ách và cần
thiết hơn ao giờ hết. Chính v vậy, trong những năm qua, nƣớc ta đã chú trọng đầu tƣ
rất nhiều đến các ngành công nghệ cao, đặc biệt là trong lĩnh vực điện tử, tự động hóa.
Và thực tế hơn, một trong những ng dụng đó chính là việc tạo ra đƣợc những
mạch điện tử thông minh, có tính ng dụng cao, đồng thời kết hợp với việc điều khiển
trực tiếp trên board mạch c ng nhƣ gián tiếp thông qua giao diện đƣợc lập trình và cài
đặt trên smartphone. Điều này không chỉ mang lại nhiều lợi ích thiết thực hiện thời, mà
còn góp phần không nhỏ cho việc hiện thực hóa những ý tƣởng lớn hơn. V vậy mà em
đã quyết định chọn đề tài “Thiết kế mạch kiểm soát và điều khiển thiết bị điện dân
dụng qua internet sử dụng arduino”.
Tuy đã cố gắng thực hiện đồ án trong sự nghiêm túc và trách nhiệm nhất, nhƣng
do điều kiện về kiến th c c ng nhƣ khả năng nghiên c u còn hạn chế nên không thể
tránh khỏi những sai phạm và thiếu sót. Rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp
tích cực từ Thầy Cô và các ạn.

xii


Chƣơng 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1.

Lý do chọn đề tài

Hiện nay, xã hội phát triển mạnh mẽ, kỹ thuật ngày càng hiện đại nên nhu cầu
về trao đổi thông tin giải trí, nhu cầu về điều khiển các thiết bị từ xa,…ngày càng cao.
Và những hệ thống dây cáp ph c tạp lại không thể đáp ng nhu cầu này, nhất là ở
những khu vực chật hẹp, những nơi xa xôi, trên các phƣơng tiện vận chuyển,… V vậy
công nghệ không dây đã ra đời và phát triển mạnh mẽ, tạo rất nhiều thuận lợi cho con
ngƣời trong đời sống hằng ngày.
Trong những năm gần đây công nghệ truyền nhận dữ liệu không dây đang có
những ƣớc phát triển mạnh mẽ, góp công lớn trong việc phát triển các hệ thống điều
khiển, giám sát từ xa, đặc biệt là các hệ thống thông minh. Hiện nay, có nhiều công
nghệ truyền nhận dữ liệu không dây nhƣ RF, Wifi, Bluetooth, NFC,…Trong đó, wifi
là một trong những công nghệ đƣợc phát triển từ lâu và luôn đƣợc cải tiến để nâng cao
tốc độ c ng nhƣ khả năng ảo mật.
Trên thị trƣờng Việt Nam hiện nay chƣa có nhiều sản phẩm điều khiển thiết bị
không dây, đa số những sản phẩm hiện có đều là nhập khẩu từ nƣớc ngoài với giá
thành cao. Việc nghiên c u và thiết kế một bộ sản phẩm điều khiển thiết bị không dây
có một ý nghĩa lớn, giúp tăng thêm sự lựa chọn cho ngƣời sử dụng, sản phẩm đƣợc sản
xuất trong nƣớc nên giá thành rẻ và góp phần phát triển các hệ thống điều khiển thông
minh.
Do đó, em quyết định thực hiện đề tài: “Thiết kế mạch kiểm soát và điều khiển
thiết bị điện dân qua internet sử dụng arduino”. Đề tài này ng dụng công nghệ kết
nối không dây wifi phổ biến trên nhiều thiết bị.
1.2.

Mục đích của đề tài

Thiết kế chế tạo thành công mạch điều khiển và kiểm soát các thiết bị điện trong

nhà sử dụng kết nối wifi.
1.3.

Đối tƣợng nghiên cứu

Sau khi tìm hiểu thông tin về đề tài, cùng với những hiểu biết sẵn có và tìm
kiếm thông tin liên quan, chúng em xác định các đối tƣợng cần nghiên c u là:
1


Vi điều khiển sử dụng là ATMEGA328P-PU.
NodeMCU esp8266 : các thông số kỹ thuật, nguyên lý hoạt động của module,
kết nối với vi điều khiển là Arduino và đƣợc điều khiển qua app để điều khiển các thiết
bị điện dân dụng hằng ngày.
1.4.

Phƣơng pháp nghiên cứu

-

Nghiên c u lý thuyết liên quan.

-

Tham khảo tài liệu: các đề tài liên quan, tìm kiếm thông tin trên Internet.

-

Tự tiến hành thiết kế ,thi hành mô phỏng trên máy tính.

-

Viết chƣơng tr nh điều khiển và thực hiện nạp thực nghiệm trên phần
c ng.

-

Xây dựng mô hình thực nghiệm kiểm ch ng.

2


Chƣơng 2: TÌM HIỂU THIẾT BỊ GIAO TIẾP NGOẠI VI
2.1.

Tìm hiểu về công nghệ không dây wifi

2.1.1. Khái niệm
WiFi là viết tắt của Wireless Fidelity là phƣơng th c kết nối không dây sử
dụng sóng vô tuyến . WiFi đƣợc triển khai trên hầu hết các thiết bị điện tử thông minh
hiện nay để có thể kết nối với nhau và kết nối Internet. WiFi đƣợc triển khai với mục
đích truyền dữ liệu không dây tốc độ cao, không cần đấu nối dây hay cáp mạng, triển
khai hạ tầng mạng một cách nhanh chóng.

Hình 2.1: Thiết bị i n tử kết nối với nhau thông qua wifi

Kết nối WiFi đƣợc sử dụng trong việc kết nối Internet và chia sẻ kết nối đến các
thiết bị không dây nhanh nhất. WiFi hiện tại đang sử dụng chuẩn kết nối IEEE 802.11
chủ yếu hoạt động trên ăng tầng 54Mbps và có tín hiệu mạnh nhất trong khoảng 100
feed gần 31m , đƣợc cài đặt hầu hết trên các thiết bị điện tử thông minh với ngày càng

nhiều các ng dụng đƣợc phát triển dựa trên chuẩn kết nối này.
2.1.2. Lịch sử phát triển và một số chuẩn kết nối wifi phổ biến
Một số chuẩn kết nối wifi phổ biến:
Chuẩn 802.11:
-

IEEE 802.11 là một tập các thuần của tổ ch c IEEE (Institute of
Electrical and Electronics Engineers) bao gồm các đặc điểm kĩ thuật liên
quan đến hệ thống mạng không dây.Chuẩn IEEE 802.11 mô tả một giao
tiếp tuyền qua không khí sử dụng sóng vô tuyến để truyền nhận tín hiệu

3


giữa một thiết bị không dây với tổng đài hoặc điểm truy cập hoặc giữa 2
hay nhiều thiết bị với nhau.
-

Năm 1997 IEEE giới thiệu chuẩn mạng không dây đầu tiên và đặt tên nó
là 802.11 với tốc độ tối đa 2M ps và ăng tần 2.4 Ghz.

Chuẩn 802.11b : Tần số 2.4 GHz, tốc độ xử lý 11 Mbps.
-

Ƣu điểm: Giá thành thấp và phạm vi tín hiệu tốt.

-

Nhƣợc điểm: Tốc độ thấp nhất.

Chuẩn 802.11a : Tần số 5 GHz, tốc độ xử lý 54 Mbps.
-

Đƣợc phát triển song song cùng với chuẩn 802.11b do sử dụng ăng tần
5 Ghz nên tránh bị nhiễu từ các thiết bị khác.Tuy nhiên phạm vi sẽ hẹp
hơn (40m-100m) và khó xuyên qua các vật cản nhƣ tƣờng.Chuẩn này
đƣợc sử dụng nhiều trong doanh nghiệp vì giá thành khá cao.

Chuẩn 802.11g : Tần số 2.4 GHz, tốc độ xử lý 54 Mbps.
-

Ƣu điểm: Tốc độ cao, phạm vi tín hiệu tốt (80-200m) và ít bị che khuất.

-

Nhƣợc điểm: Đắt hơn 802.11 và có thể bị nhiễu từ các thiết bị cùng
ăng tần.

Chuẩn 802.11n : Tần số 2.4 GHz, tốc độ xử lý 300 Mbps(phạm vi 100m –
250m)
-

Ƣu điểm: Là chuẩn đƣợc sử dụng phổ biến, giá thành ngày càng phù hợp
với ngƣời tiêu dùng.Tốc độ nhanh phạm vi tín hiệu tốt, khả năng chịu
đựng tốt hơn từ việc xuyên nhiễu các thiết bị bên ngoài.

-

Nhƣợc điểm: Vẫn chƣa đƣợc ban bố, giá thành cao hơn 802.11b, và có
thể bị nhiễu bởi 802.11g ở gần.

Wifi Hotspot: Đây là tính năng mà thiết bị của bạn có thể phát Wifi cho các
thiết bị điện thoạt, laptop, máy tính bảng khác.Nói cách khác tính năng này iến
thiết bị của bạn thành một Modem Wifi.
Sự khác nhau giữa 2.4 MHz và 5 GHz:
Về cơ ản, tần số thấp hơn sẽ truyền đi xa hơn, do đó chuẩn Wifi tần số 2.4GHz
sẽ đƣợc truyền đến các thiết bị có khoảng cách xa hơn, tuy nhiên về tốc độ
truyền tải sẽ không bằng tần số 5GHz. Ngƣời dùng sẽ tùy theo nhu cầu sử dụng
để lựa chọn cho mình chuẩn kết nối phù hợp.

4


Lịch sử phát triển:

Hình 2.2: Lịch sử phát triển của công ngh wifi

2.1.3. Đặc điểm của công nghệ .
Ƣu điểm
– Đơn giản và nhanh chóng khi cài đặt: việc cài đặt hệ thống mạng không dây
nhanh và dễ dàng hơn nhiều so với mạng có dây.
– Tiết kiệm chi phí: chi phí đầu tƣ an đầu của mạng không dây thƣờng cao hơn
mạng có dây, nhƣng nếu tính tổng chi phí cùng tuổi thọ sử dụng thì sóng không dây
đem lại hiệu quả kinh tế hơn nhiều.
– Tiện lợi: Mạng cho phép ngƣời dùng truy xuất tài nguyên mạng ở bất kỳ địa
điểm nào trong khu vực đƣợc triển khai. Đặc biệt với lƣợng ngƣời sử dụng laptop và
các thiết bị di động ngày càng tăng nhƣ hiện nay th đó rõ ràng là một điểm cộng lớn.
5

– Khả năng mở rộng: Có thể dễ dàng mở rộng gia tăng số ngƣời dùng mà không
phải tăng thêm ộ chia và cáp mất thời gian .
Khuyết điểm
– Có thể bị nhiễu sóng radio do thời tiết,do các thiết bị không dây khác hay các
vật chắn.
– Bảo mật: Môi trƣờng kết nối không dây là không khí nên khả năng ị xâm
nhập và đánh cắp dữ liệu là rất cao.
– Tốc độ: tốc độ của mạng không dây thấp hơn so với mạng sử dụng cáp. Tuy
nhiên, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ h a hẹn tốc độ của hệ thống không
dây sẽ đƣợc cải thiện đáng kể.
2.1.4. Nguyên lý hoạt động
Mạng Internet sẽ đƣợc các ISP (nhà cung cấp dịch vụ Internet - Internet
Services Provider) truyền đến bộ giải mã tín hiệu số (Modem), thông qua bộ định
tuyến (Router) hay chúng ta hay gọi là “ ộ phát wifi” chuyển tín hiệu hữu tuyến thành
kết nối vô tuyến và đƣa đến các thiết bị di động không dây thông qua chuẩn kết nối
WiFi.
Các thiết bị không dây tiếp nhận sóng WiFi thông qua một thiết bị chuyển đổi
tín hiệu gọi là Adapter (card Wifi) đƣợc cài đặt trực tiếp trên các thiết bị. Tín hiệu vô
tuyến sẽ đƣợc giải mã ngay trên thiết bị, từ đây ngƣời dùng có thể trực tiếp truy cập
Internet nhƣ

nh thƣờng.

Hình 2.3

ơ ồ nguyên lý hoạt ộng của wifi

6

2.1.5. Các vấn đề bảo mật trong công nghệ wifi.

Hình 2.4: Các phươ g pháp bảo mật

Ngoài tính năng

ảo mật phổ biến là AES (Advanced Encryption

Standard) là chuẩn mã hóa tín hiệu nâng cao đƣợc quy chuẩn, WiFi còn đƣợc bảo mật
bởi các mật khẩu WPA hoặc WPA2 có nhiệm vụ bảo đảm an ninh truy cập cho các hệ
thống WiFi. WPA2 đƣợc phát triển để thay thế cho hệ thống WEP bị lỗi thời và hay bị
giải mã. Với các tính năng này, tuy không phải thực sự an toàn đối với mọi hình th c
tấn công nhƣng ngƣời d ng c ng đã có thể yên tâm sử dụng do việc giải mã các chuẩn
bảo mật này c ng vô cùng ph c tạp.
WiFi là một chuẩn kết nối phổ biến, việc hiểu rõ hơn về Wifi sẽ giúp các bạn
tiếp cận nhiều hơn đến những ng dụng sử dụng chuẩn kết nối này. Các bạn c ng có
thể tự đổi mật khẩu wifi ở nhà hay cơ quan với những nguyên tắc bảo mật ph c tạp
hơn để đảm bảo an toàn cho hệ thống mạng m nh đang sử dụng nhé, với mỗi một
modem thì có cách đổi mật khẩu wifi khác nhau và bạn cần nắm rõ cách sử dụng để
tránh thiết lập sai đƣờng truyền.
2.2.

Tìm hiểu về kit RF thu phát wifi ESP8266 nodeMCU

2.2.1. Giới thiệu [4].
Kít ESP8266 là kít phát triển dựa trên nền chíp Wifi SoC ESP8266 với thiết kế
dễ dàng sửa dụng vì tích hợp sẵn mạch nạp sử dụng chíp CP2102 trên borad. Bên
trong ESP8266 có sẵn một lõi vi sử lý vì thế bạn có thể trực tiếp lập trình cho
ESP8266 mà không cần thêm bất kì con vi sử lý nào nữa. Hiện tại có hai ngôn ngữ có
thể lập trình cho ESP8266, sử dụng trực tiếp phần mềm IDE của Arduino để lập trình

với bộ thƣ viện riêng hoặc sử dụng phần mềm node MCU.
7


Hình 2.5: NodeMCU ESP8266

2.2.2. Đặc điểm kĩ thuật
-

IC chính: ESP8266 Wifi SoC.

-

Phiên ản firmware: NodeMCU Lua

-

Chip nạp và giao tiếp UART: CP2102.

-

GPIO tƣơng thích hoàn toàn với firmware Node MCU.

-

Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc Vin.

-

GIPO giao tiếp m c 3.3VDC

-

Tích hợp Led áo trạng thái, nút Reset, Flash.

-

Tƣơng thích hoàn toàn với tr nh iên dịch Arduino.

-

Kích thƣớc: 25 x 50 mm

8


2.2.3. Sơ đồ chân và chức năng

Hình 2.6

ơ ồ chân NodeMCU esp8266

Các chân tín hiệu là GPI0X, các chân này vừa có thể làm chân analog vừa có
thể làm chân digital.
2.3.

Giới thiệu về KIT mạch Arduino

2.3.1. Giới thiệu về Arduino

Hình 2.7: Module Arduino

9


Thông số kỹ thuật của Arduino: [2]
Vi điều khiển

ATmega328 họ 8 bit

Điện áp hoạt động

5V DC (chỉ đƣợc cấp qua cổng USB)

Tần số hoạt động

16 MHz

Dòng tiêu thụ

khoảng 30mA

Điện áp vào khuyên dùng

7-12V DC

Điện áp vào giới hạn

6-20V DC

Số chân Digital I/O

14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog

6 (độ phân giải 10 it)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O

30 mA

Dòng ra tối đa (5V)

500 mA

Dòng ra tối đa (3.3V)

50 mm

Bộ nhớ flash

32 KB (ATmega328) với 0.5KB d ng ởi
bootloader

SRAM

2 KB (ATmega328)

EEPROM

KB (ATmega328)
Hình 2.8: Thông số kĩ thuật của Arduino

Ch c năng của từng bộ phận của Arduino [1].

10


Hình 2.9: ATMEGA4328-PU

Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8 bit AVR là ATmega8,
ATmega168, ATmega328. Vi điều khiển này có thể xử lí những tác vụ đơn giản nhƣ
điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo
nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD.
Thiết kế tiêu chuẩn của Arduino UNO sử dụng vi điều khiển cung cấp cho
ngƣời d ng:
32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh lập trình sẽ đƣợc lƣu trữ trong bộ nhớ
Flash của vi điều khiển. Thƣờng thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ đƣợc dùng
cho bootloader
2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến khai báo khi
lập trình sẽ lƣu ở đây. Khai áo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM.
EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): đây
giống nhƣ một chiếc ổ c ng mini – nơi có thể đọc và ghi dữ liệu của mình vào đây mà
không phải lo bị mất khi cúp điện giống nhƣ dữ liệu trên SRAM.
Các chân năng lƣợng:

Hình 2.10 Các châ

11

ă g lượng


GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO. Khi dùng các
thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải đƣợc nối với
nhau.
5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.
3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.
Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, khi nối cực dƣơng
của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể đƣợc đo
ở chân này. Và dĩ nhiên nó luôn là 5V. Mặc dù vậy không đƣợc lấy nguồn 5V từ chân
này để sử dụng bởi ch c năng của nó không phải là cấp nguồn.
RESET: việc nhấn nút Reset trên oard để reset vi điều khiển tƣơng đƣơng với
việc chân RESET đƣợc nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
Các cổng vào/ ra:

Hình 2.11: Các cổng vào/ ra

Arduino UNO có 14 chân digital d ng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng chỉ có 2
m c điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA. Ở mỗi chân
đều có các điện trở pull-up từ đƣợc cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc
định th các điện trở này không đƣợc kết nối).Có các ch c năng đặc, một số chân
digital biệt nhƣ sau:
Chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): d ng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive –
RX) dữ liệu TTL Serial. Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2
chân này. Kết nối luetooth thƣờng thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không dây.
Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết
Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ

phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tƣơng ng với 0V → 5V) ằng hàm analogWrite().

12