Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển thiết bị điện thông qua trợ lý ảo Google Assistant

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Sự bùng nổ về cuộc cách mạng 4.0 đã khiến cụm từ Interner Of Things hay vạn
vật kết nối internet trở nên không còn quá xa lạ với nhiều ngƣời. Rất nhiều ngƣời
nói rằng nó có thể sẽ trở thành kẻ thay đổi toàn bộ cục diện của thị trƣờng, bằng
cách khiến cho mọi vật đều đƣợc kết nối với nhau. Ngày nay chúng ta thấy có rất
nhiều thành quả từ chính IoT mang lại. Rất nhiều công ty hiện nay đã và đang dốc
hết sức lực để phát triển thật mạnh IoT. Chính vì tâm quan trọng đó nên nhóm
chúng em quyết định chọn đề tài liên quan tới IoT, để từ đồ án này mà nhóm có
thêm kinh nghiệm cho công việc trong tƣơng lai. Cụ thể hơn nhóm nhận thấy đƣợc
tầm quan trọng của việc điều khiển các thiết bị điện trong gia đình, cùng với sự tiện
lợi mà Google Assistant (trợ lý ảo do Google phát triển) mang lại, nên nhóm quyết
định chọn đề tài “ Điều khiển thiết bị điện thông qua trợ lý ảo Google Assistant”.
Nhóm sẽ sử dụng trợ lý ảo Google Assistant làm phƣơng tiện để điều khiển các
thiết bị điện bằng giọng nói. Đồng thời sẽ thiết kế một phần mềm chạy trên điện
thoại thông minh sử dụng hệ điều hành Android, giúp ngƣời sử dụng có thể thao tác
điều khiển và quản lý trạng thái của các thiết bị một cách dễ dàng ở bất cứ nơi đâu
có phủ sóng 3G hoặc WIFI. Kèm theo đó là các tính năng nhƣ: điều chỉnh độ sáng
của từng đèn, giúp ngƣời sử dụng có thể chỉnh độ sáng phù hợp theo nhu cầu sử
dụng, hẹn giờ để bật tắt các thiết bị, giám sát nhiệt độ, độ ẩm và cảnh báo khi có
ngƣời lạ đột nhập vào nhà.
Đề tài mà nhóm sinh viên trƣớc đó đã làm có tên “ Thiết kế và thi công hệ
thống điều khiển và giám sát thiết bị nhà có hỗ trợ Google Assistant”, đây là đề
tài tốt nghiệp của nhóm sinh viên trƣờng đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ
Chí Minh. Nhóm đề tài này đã thực hiện đƣợc việc thiết kế phần cứng mạch điện
trên thiết bị có sẵn, thiết kế website và phần mềm điều khiển chạy trên hệ điều hành
Android để điều khiển và giám sát trạng thái của các thiết bị. Nhóm chúng em sẽ cải
tiến và phát triển đề tài này thông qua việc điều khiển độ sáng của các đèn bằng
giọng nói, hẹn giờ bật tắt các thiết bị. Ngoài ra hệ thống còn có chức năng cảnh báo
có ngƣời đột nhập vào nhà và hiển thị nhiệt độ, độ ẩm trên App Android. Dễ dàng

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

1


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
cài đặt thông tin của wifi kết nối ( tên mạng và mật khẩu) cho các đèn sử dụng wifi
khi di chuyển tới một nơi khác.
1.2 MỤC TIÊU
Đối với phần cứng thì nhóm sẽ thi công lại khối công suất của các đèn chiếu
sáng nhằm mục đích phù hợp với yêu cầu điều khiển, thiết bị đèn có thể điều khiển
bằng điện thoại qua Wifi. Bên cạnh đó thiết kế mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm, và
chuyển động để ngƣời sử dụng có thể giám sát đƣợc nhiệt độ, độ ẩm và chuyển
động tại vị trí đặt thông qua app điện thoại.
Về phần mềm nhóm sẽ sự dụng Google Assistant (trợ lý ảo do Google phát
triển) để làm phƣơng tiện điều khiển các thiết bị đèn và bật tắt led và cảm biến
chuyển động trên thiết bị giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động. Bên cạnh đó
nhóm sẽ thiết kế một phần mềm chạy trên điện thoại thông minh sử dụng hệ điều
hành android. Phần mềm có thể nhận đƣợc phản hồi và hiển thị trạng thái của các
thiết bị đèn một cách trực quan, nhanh chóng lên ứng dụng, chỉ cần điện thoại và
các thiết bị đèn trong nhà đƣợc kết nối wifi hoặc 3G, nó giúp ngƣời sử dụng có thể
dễ dàng giám sát đƣợc tình trạng của các thiết bị khi không có ở nhà, đồng thời
phần mềm cũng có thể điều khiển đƣợc việc bật/tắt, hẹn giờ cũng nhƣ độ sáng của
các đèn. Giao diện phần mềm dễ dàng thao tác cho ngƣời sử dụng. Ứng dụng dễ
dàng cập nhật mà không ảnh hƣởng đến các dữ liệu đã cài đặt trƣớc đó.
1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
-

NỘI DUNG 1: Khảo sát lựa chọn các bóng đèn led trụ tròn (Led bulb)

chiếu sáng trên thị trƣờng, cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm và cảm biến phát
hiện chuyển động.

-

NỘI DUNG 2: Các giải pháp thiết kế phần mềm và phần cứng.

-

NỘI DUNG 3: Thiết kế khối công suất, khối điều khiển của đèn và mạch
giám sát nhiệt độ, độ ẩm và phát hiển chuyển động.

-

NỘI DUNG 4: Thiết kế phần mềm điều khiển và hiển thị.

-

NỘI DUNG 5: Thi công mô hình.

-

NỘI DUNG 6: Đánh giá kết quả thực hiện.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

2


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN

1.4 GIỚI HẠN
-

Đèn chiếu sáng có công suất 30W.

-

Mỗi đèn chiếu sáng là một thiết bị độc lập có thể cài đặt kết nối.

-

Sử dụng cảm biến DHT11 để đo nhiệt độ, độ ẩm và cảm biến PIR để phát
hiện chuyển động.

-

Phần mềm điều khiển hỗ trợ điều khiển mô phỏng 2 bóng đèn.

-

Khoảng cách điều khiển đèn và giám sát trạng thái của các thiết bị không
giới hạn, chỉ cần nơi đó có sóng 3G hoặc wifi.

-

Kiểm soát đƣợc hoạt động của các thiết bị trên phần mềm điều khiển, biết
đƣợc đèn đang bật hay tắt, nhiệt độ, độ ẩm hiện tại là bao nhiêu, nhà có ai
đột nhập vào không. Tất cả đƣợc hiển thị lên phần mềm.

1.5 BỐ CỤC

Chƣơng 1: Tổng quan
Chƣơng 2: Cơ sở lý thyết
Chƣơng 3: Thiết kế và tính toán
Chƣơng 4: Thi công hệ thống
Chƣơng 5: Két quả, đánh giá và nhận xét
Chƣơng 6: Kết luận và hƣớng phát triển
- Chƣơng 1: Tổng quan
Chƣơng này đặt vấn đề, lý do chọn đề tài, mục tiêu nội dung nghiên cứu, các
giới hạn thông số và bố cục đồ án.
- Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết
Chƣơng này trình bày các lý thuyết nền tảng để dựa trên lý thuyết này thực
hiện đồ án.
- Chƣơng 3: Thiết kế và tính toán
Chƣơng này trình bày tính toán thiết kế phần cứng mạch điện và phần mềm
chạy trên điện thoại thông minh sử dụng hệ điều hành Android.
- Chƣơng 4: Thi công hệ thống
Chƣơng này trình bày về thi công hệ thống: thi công mô hình, lập trình hệ
thống, lập trình mô phỏng và viết tài liệu hƣớng dẫn lập trình thao tác.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

3


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
- Chƣơng 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá
Chƣơng này trình bày về những kết quả đồ án mà nhóm làm đƣợc, nhận xét và
đánh giá các kết quả làm đƣợc.
- Chƣơng 6: Kết luận và hƣớng phát triển
Chƣơng này trình bày những kết quả mà nhóm làm đƣợc so với mục tiêu đề ra

và hƣớng phát triển của đề tài.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

4


CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 GIỚI THIỆU
Theo mong muốn đề tài là điều khiển thiết bị điện thông qua trƣ lý ảo Google
Assistant thì nhóm cần tìm hiểu các nội dung sau:
- Giới thiệu về trợ lý ảo Google Assistant.
- Khái niệm về cơ sở dữ liệu Firebase.
- Tổng quan vè hệ điều hành Android.
- Tổng quan về Wifi.
2.2 GIỚI THIỆU VỀ TRỢ LÝ ẢO GOOGLE ASSISTANT.
2.2.1 Khái niệm
Google Assistant là một trợ lý ảo thông minh tƣơng tự nhƣ Siri của Apple,
Bixby của Samsung hay Cortana của Microsoft trên Windows. Google Assistant hỗ
trợ nhiều tính năng thông minh nhƣ tìm kiếm thông tin hay thực hiện yêu cầu mà
ngƣời dùng đƣa ra nhƣ mở danh bạ, gọi điện cho ngƣời có tên trong danh bạ, đọc tin
nhắn, mở nhạc…
2.2.2 Lịch sử phát triển
Google Assistant là một trợ lý cá nhân ảo đƣợc phát triển bởi Google và đƣợc
giới thiệu tại hội nghị nhà phát triển của hãng vào tháng 5 năm 2016. Google
Assistant ban đầu đƣợc đƣa vào ứng dụng nhắn tin Google Allo, và loa thông
minh Google Home. Sau một thời gian chỉ có mặt trên hai chiếc điện thoại thông
minh Pixel và Pixel XL của hãng, Google bắt đầu triển khai Assistant trên các thiết
bị Android khác vào tháng 2 năm 2017, bao gồm cả các điện thoại thông minh bên

thứ ba và các thiết bị Android Wear, và đƣợc phát hành dƣới dạng ứng dụng riêng
biệt trên iOS vào tháng 5. Cùng với sự ra mắt một bộ phát triển phần mềm vào tháng
4 năm 2017, Assistant đã và đang đƣợc tiếp tục mở rộng hỗ trợ cho một lƣợng lớn
thiết bị, bao gồm cả xe hơi và các thiết bị nhà thông minh. Các chức năng của
Assistant cũng có thể đƣợc bổ sung bởi các nhà phát triển bên thứ ba.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

5


CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.2.3 Ƣu điểm và nhƣợc điểm
a. Ưu điểm
-

Khả năng nhận dạng Tiếng Việt trên Google Assistant rất tốt.

-

Ngƣời dùng thao tác mà không cần chạm vào điện thoại nhƣ yêu

cầu gọi điện hoặc nhắn tin cho một ai đó, hẹn giờ, đặt nhắc nhở, lên
lịch hẹn…
-

Trợ lý của Google có thể làm tính, chuyển đổi đại lƣợng, tính tỷ

giá... trả lời các câu hỏi liên quan đến thể thao, du lịch, tìm nhà hàng,
trạm xăng...

-

Google Assistant cho phép ngƣời dùng điều khiển các thiết bị

thông minh trong nhà bằng Tiếng Việt.
b. Nhược điểm
-

Nhiều câu hỏi trợ lý ảo không đƣa ra câu trả lời trực tiếp mà chỉ

gợi ý các kết quả từ Google Seach.
-

Mặc dù đã hỗ trợ Tiếng Việt, nhƣng với các câu hỏi cho nhà thông

minh, Assistant lại trả lời bằng Tiếng Anh.
2.3 GIỚI THIỆU VỀ CƠ SỞ DỮ LIỆU FIREBASE
2.3.1 Khái niệm
Firebase là một dịch vụ API (giao diện lập trình ứng dụng) để lƣu trữ và đồng
bộ dữ liệu giữa hai hay nhiều thiết bị với nhau. Firebase hoạt động dựa trên nền
tảng đám mây đƣợc cung cấp bởi Google nhằm giúp đỡ các lập trình viên phát triển
nhanh ứng dụng bằng cách đơn giản hóa các thao tác ứng dụng với cơ sở dữ liệu

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

6


CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.1. Trao đổi dữ liệu giữa FIREBASE với các thiết bị
2.3.2 Lịch sử phát triển
Firebase đƣợc thành lập bởi Tamplin và Lee . Hai nhà sáng lập này đã dựa vào
một dịch vụ API chat trực tuyến vào trang web đƣợc cung cấp bởi Envolve, các nhà
phát triển sử dụng Envolve để đồng bộ hóa dữ liệu các trạng thái trò chơi trong thời
gian thực lên trang web. Dựa vào yếu tố này Tamplin và Lee đã quyết định tách
riêng hệ thống chat và kiến trúc thời gian thực để thành lập một cơ sở dữ liệu
firebasse riêng biệt vào tháng 4 năm 2012. Vào ngày 21 tháng 10 năm 2014 Google
đã mua lại Firebase.
2.3.3 Các chức năng chính của Firebase [2]
-

Realtime Database – Cơ sở dữ liệu thời gian thực
Fire ase lƣu trữ dữ liệu data ase dƣới dạng JSON và thực hiện đồng bộ

database tới tất cả các client theo thời gian thực. Chúng ta có thể xây dựng đƣợc
client đa nền tảng (cross-platform client) và tất cả các client này sẽ cùng sử dụng
chung 1 database đến từ Firebase và có thể tự động cập nhật mỗi khi dữ liệu trong
data ase đƣợc thêm mới hoặc sửa đổi.
-

Firebase Authentication – Hệ thống xác thực của Firebase
Với Firebase chúng ta có thể dễ dàng tích hợp các công nghệ xác thực của

Google, Facebook, Twitter, … hoặc một hệ thống xác thực mà chúng ta mình tạo ra
từ trong ứng dụng ở bất kì nền tảng nào nhƣ Android, iOS hoặc Web.
-

Firebase Hosting
Chúng ta có thể triển khai một ứng dụng nền web chỉ với vài giây với hệ thống

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

7


CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Firebase, và các dữ liệu sẽ đƣợc lƣu trữ đám mây đồng thời đƣợc bảo mật thông qua
giao thức truy cập SSL.
2.3.4 Ƣu nhƣợc điểm của Firebase
a. Ưu điểm
-

Triển khai ứng dụng cực nhanh.

-

Tính bảo mật cao.

-

Linh hoạt và mở rộng ứng dụng dễ dàng.

-

Tình ổn định cao, ít khi gặp trƣờng hợp sập server.

-

Ngƣời đăng ký đƣợc sử dụng miễn phí 1GB dung lƣợng lƣu trữ.

b. Nhược điểm
Đăng ký tài khoản miễn phí thì chỉ đƣợc tối đa 100 thiết bị hoặc
ngƣời truy cập trong khi có tính phí thì không giới hạn thiết bị hoặc ngƣời
truy cập.
2.4 GIỚI THIỆU VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID
2.4.1 Khái niệm về Android.
Android là một hệ điều hành có mã nguồn mở dựa trên nền tảng Linux đƣợc
thiết kết dành cho các thiết bị di động và máy tính bảng.
2.4.2 Lịch sử phát triển
Tổng công ty Android (Android, Inc.) đƣợc thành lập tại Palo Alto, California
vào tháng 10 năm 2003 bởi Andy Rubin. Vào năm 2005 Google mua lại công ty
này sau đó tới năm 2007 chính thức ra mắt hệ điều hành Android.
Từ năm 2008, hệ điều hành Android đã trải qua nhiều lần cập nhật để dần dần
cải tiến hệ điều hành, bổ sung các tính năng mới và sửa các lỗi trong những lần phát
hành trƣớc. Mỗi bản nâng cấp đƣợc đặt tên lần lƣợt theo thứ tự bảng chữ cái, theo
tên của một món ăn tráng miệng.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

8


CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.2. Các phiên bản hệ điều hành Android qua các lần nâng cấp
2.4.3 Ƣu nhƣợc điểm của hệ điều hành Android [1]
a. Ưu điểm
-

Thân thiện dễ sử dụng với ngƣời dùng.

-

Khả năng đa nhiệm chạy cùng lúc nhiều ứng dụng.

-

Đa dạng nhiều sản phẩm phù hợp hầu hết các thiết bị điện thoại và
máy tính bảng.

-

Kho ứng dụng Google Play có rất nhiều ứng dụng hay mà ngƣời
dùng có thể lựa chọn tải về sử dụng.

-

Là hệ điều hành có khả năng tùy biến cao ngƣời dùng có thể chỉnh
sữa mà không có sự cấm cản từ nhà sản xuất.

b. Nhược điểm
-

Không tự động cập nhật hệ điều hành với tất cả thiết bị, khi một hệ
điều hành mới ra mắt ngƣời dùng có thể không cập nhật đƣợc mà
phải mua một thiết bị khác có hệ điều hành đó.

-

Khó kiểm soát chất lƣợng ứng dụng khi quá nhiều ứng dụng đƣợc
tải lên.

-

Dễ nhiễm mã độc gây hại thiết bị do tính chất nguồn mở nên không
có sự kiểm soát.

-

Sự phân cấp chất lƣợng sản phẩm lớn khi nhiều sản phẩm nổi tiếng
chất lƣợng nhƣ: Galaxy S10, Galaxy Note 9…, vẫn còn rất nhiều
sản phẩm giá rẻ bình thƣờng khác.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

9


CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.5 GIỚI THIỆU VỀ CÁC CHUẨN GIAO TIẾP WIFI
2.5.1 Khái niệm về wifi
Wi-Fi viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11( bắt nguồn từ viện IEEE
(Institute of Electrical and Electronics Engineers) của Hoa kỳ) là hệ thống mạng
không dây sử dụng sóng vô tuyến, giống nhƣ điện thoại di động, truyền hình và
radio. Sóng wifi truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz hoặc 5 GHz. Tần số này
cao hơn so với các tần số sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay và
truyền hình. Tần số cao hơn cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn.
2.5.2 Các chuẩn của wifi [3]
-

Wifi hay mạng 802.11 có 6 chuẩn thông dụng nhất đó là 802.11a, 802.11 ,
802.11g, 802.11n, 802.11ac, 802.11ad.

-

Chuẩn 802.11 : Đây là phiên bản đầu tiên trên thị trƣờng. Chuẩn này có tốc
độ truyền chậm và ít phổ biến hơn so với các chuẩn khác. Chuẩn 802.11
phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz, nó có thể xử lý đến 11 Mbit/s và sử dụng mã
CCK (complimentary code keying).

-

Chuẩn 802.11g: Cũng phát ở tần số 2.4 GHz, nhƣng nhanh hơn so với chuẩn
802.11 , tốc độ xử lý đạt 54 Mbit/s. Chuẩn 802.11g nhanh hơn vì nó sử
dụng mã OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing), một công
nghệ mã hóa hiệu quả hơn.

-

Chuẩn 802.11a: Phát ở tần số 5 GHz và có thể đạt đến 54 Mbit/s. Nó cũng sử
dụng mã OFDM.

-

Chuẩn 802.11n: Phát ở tần số 2.4 GHz, nhƣng nhanh hơn so với chuẩn
802.11a, tốc độ xử lý đạt 300 Mbit/s.

-

Chuẩn 802.11ac: phát ở tần số 5 GHz

-

Chuẩn 802.11ad: phát ở tần số 60 GHz.
WiFi có thể hoạt động trên cả ba tần số và có thể nhảy qua lại giữa các tần số

khác nhau một cách nhanh chóng. Việc nhảy qua lại giữa các tần số giúp giảm thiểu
sự nhiễu sóng và cho phép nhiều thiết bị kết nối không dây cùng một lúc.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

10


CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
3.1 TỔNG QUAN CỦA ĐỀ TÀI
Trong đề tài này, nhóm chúng em thiết kế các bóng đèn có thể điều chỉnh đƣợc độ
sáng bằng giọng nói thông qua Google assistant hoặc thao tác trên app Android.
Ngoài ra còn thiết kế mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động để ngƣời dùng
có thể biết đƣợc nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động tại vị trí đặt hiện tại thông qua app
trên điện thoại. Cụ thể nhƣ:
-

Phần cứng
Phần cứng của đề tài đƣợc xây dựng gồm 2 phần: Phần cứng của mạch

giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động và phần cứng mạch điều khiển độ
sáng đèn.

Đối với phần cứng của mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động thì
phải đo đƣợc nhiệt độ, độ ẩm và giám sát chuyển động khi đƣợc ngƣời dùng
kích hoạt. Báo động khi nhiệt độ vƣợt ngƣỡng cho phép hoặc phát hiện chuyển
động. Mạch có kích thƣớc nhỏ gọn.
Đối với phần cứng của mạch điều khiển độ sáng đèn thì có thể điều khiển
đƣợc độ sáng. Mạch điều khiển có kích thƣớc nhỏ gọn phù hợp với không gian
đèn.
-

Phần mềm
Phần mềm đƣợc xây dựng chạy trên nền tảng Android phiên bản 5.1 trở lên,

kích thƣớc màn hình 5.1 inch, độ phân giải 1440 x 2560 pixel hoặc lớn hơn.
Phần mềm xây dựng gồm 3 Activity gồm: Giao diện điều khiển và hiển thị
trạng thái các thiết bị đèn, giao diện hiển thị giá trị nhiệt độ, độ ẩm, cảnh báo
trộm, giao diện điều khiển hẹn giờ bật, tắt các thiết bị.
-

Cơ sở dữ liệu

Lƣu trữ dữ liệu mà các thiết bị thu thập và đƣa lên, từ đó các thiết bị có thể đọc
về hoặc điện thoại có thể lấy về để hiển thị lên app ngƣời dùng.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

11


CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3.2.1 Sơ đồ khối hoạt động của hệ thống
a. Sơ đồ khối

Hình 3.1 Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống
b. Nguyên lý hoạt động
Để hệ thống hoạt động đƣợc trƣớc tiên các thiết bị phải kết nối đƣợc với sóng
sóng Wifi. Riêng Google assistant, phần mềm điện thoại là các ứng dụng trên điện
thoại nên yêu cầu điện thoại kết nối Wifi hoặc 3G.
Sau khi các thiết bị đã kết nối thành công với Wifi, việc điều khiển thiết bị sẽ
thông qua điện thoại bằng 2 cách.
-

Cách 1: Ta sẽ sử dụng trợ lý ảo Google (Google Assistant) để ra lệnh điều khiển

thiết bị bằng giọng nói. Dữ liệu đó sẽ đƣợc các thiết bị đèn nhận xử lý để điều khiển
độ sáng đèn sau đó đƣa dữ liệu đó lên Firebase, riêng mạch giám sát nhiệt độ, độ
ẩm và chuyển động ta chỉ điều khiển bật tắt cảm biến chuyển động và đèn led ngủ.
-

Cách 2: Ta sẽ sử dụng đã App Android để điều khiển bằng cách gửi dữ liệu

thông qua Firebase, bộ phận xử lý của đèn sẽ nhận dữ liệu đó và điều khiển đèn.
Ngoài tính năng điều khiển thì phần mềm còn có chức năng hiển thị các trạng
thái của đèn, giá trị nhiệt độ, độ ẩm, cánh báo cháy trộm thông qua việc đọc dữ liệu
trên Firebase do bộ phận xử lý của đèn và bộ phận xử lý nhiệt độ, độ ẩm gửi lên.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

12

CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
3.2.2 Thiết kế sơ đồ khối phần cứng bóng đèn
a. Yêu cầu
- Đóng mở qua App Android hoặc Google Assistant thông qua Wifi hoặc 3G.
-

Điều chình đƣợc độ sáng dùng App Android hoặc Google Assistant thông
qua Wifi hoặc 3G.

-

Hẹn giờ đóng mở đèn bằng App Android thông qua Wifi hoặc 3G.

-

Lắp đặt dựa vào cách đi dây hiện tại của ngôi nhà.

b. Phƣơng án thiết kế
-

Chọn các bóng đèn led trụ tròn( đèn bulb ) 30W thông dụng trên thị trƣờng
để đảm bảo tính thẩm mỹ.

-

Dùng ESP8266 ESP-12E làm vi điều khiển trung tâm để tạo xung PWM, và
kết nối Wifi để nhận lệnh điều khiển từ điện thoại.

-

Dùng Mosfet để điều chỉnh điện áp từ nguồn công suất cấp cho tấm led của
đèn.

c. Sơ đồ khối mạch điều khiển độ sáng đèn bulb.
-

Khối nguồn công suất

-

Khối nguồn điều khiển

-

Khối xử lý trung tâm

-

Khối cống suất

-

Khối cơ sở dữ liệu

-

Khối thực thi điều khiển và hiển thị

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

13


CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển đèn bulb chiếu sáng
d. Chức năng từng khối
- Khối nguồn công suất
Đây là nguồn có sẵn của đèn nguồn này cung cấp điện áp cho khối công
suất và cho đèn hoạt động.
- Khối nguồn điều khiển
Đây là nguồn xung nhỏ gọn điện áp ngõ ra 5VDC dòng khoảng 700mA
cung cấp nguồn cho mạch xử lý trung tâm (ESP8266 ESP-12E NodeMCU)
-

Khối xử lý trung tâm (ESP8266 ESP-12E NodeMCU)

Khối này cập nhật dữ liệu từ cơ sở dữ liệu sau đó xử lý điều khiển khối
công suất.
-

Khối cơ sở dữ liệu

Đây là nơi lƣu trữ dữ liệu giữa khối xử lý trung tâm và khối thực thi điều
khiển.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

14

CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
-

Khối công suất
Nhiệm vụ khối này là điều khiển độ sáng của đèn hoặc tắt mở đèn thông
qua lệnh điều khiển của khối xử lý trung tâm.

-

Khối thực thi điều khiển và hiển thị
Đây là ứng dụng đƣợc viết trên điện thoại hệ điều hành android dùng để

gửi dữ liệu lên cơ sở dữ liệu và lấy dữ liệu về để hiển thị.
3.2.3. Thiết kế sơ đồ khối mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động
a. Yêu cầu
-

Đo chính xác nhiệt độ, độ ẩm với sai số nhỏ.

-

Bật tắt đƣợc cảm biến chuyển động .

-

Báo động khi nhiệt độ vƣợt ngƣỡng cho phép hoặc khi phát hiện chuyển
động.

-

Đƣa các dữ liệu thu thập lên cơ sở dữ liệu.

-

Board mạch nhỏ gọn.

b . Phƣơng án thiết kế
-

Chọn ESP8266 ESP-12E làm vi điều khiển trung tâm để giao tiếp với các
cảm biến và xử lí tín hiệu. Kết nối Wifi để đƣa dữ liệu lên cơ sỏ dữ liệu.

-

Dùng cảm biến DHT11 để đo nhiệt độ, độ ẩm và cảm biến PIR AM312 để
phát hiện chuyển động.

-

Dùng Buzzer để báo động.

c. Sơ đồ khối mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động.
-

Khối nguồn điều khiển

-

Khối xử lý trung tâm

-

Khối cảm biến

-

Khối cơ sở dữ liệu

-

Khối thực thi điều khiển và hiển thị

-

Khối báo động

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

15


CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Hình 3.3 Sơ đồ khối mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động
d. Chức năng từng khối
-

Khối nguồn điều khiển
Đây là nguồn xung nhỏ gọn điện áp ngõ ra 5VDC dòng khoảng 700mA cung

cấp nguồn cho toàn mạch.
-

Khối xử lý trung tâm (ESP8266 ESP-12E NodeMCU)
Khối này đọc giá trị từ khối cảm biến, xử lý để đƣa ra khối báo động và cập
nhật dữ liệu lên cơ sở dữ liệu.

-

Khối cơ sở dữ liệu
Đây là nơi lƣu trữ dữ liệu giữa khối xử lý trung tâm và khối thực thi điều
khiển và hiển thị.

-

Khối cảm biến
Dùng cảm biến DHT11 đo nhiệt độ, độ ẩm và cảm biến PIR AM312 giám sát

chuyển động, sau đó gửi dữ liệu đến khối xử lí trung tâm.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

16


CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
-

Khối báo động

Dùng buzzer báo động khi phát hiện chuyển động hoặc nhiệt độ tăng cao vƣợt

ngƣỡng cho phép.
-

Khối thực thi điều khiển và hiển thị
Đây là ứng dụng đƣợc viết trên điện thoại hệ điều hành android dùng để gửi

dữ liệu lên cơ sở dữ liệu và lấy dữ liệu về để hiển thị.
3.2.4 Tính toán và thiết kế mạch
a. Thiết kế khối xử lý trung tâm
Do khối xử lí trung tâm của 2 mạch : mạch điều khiển độ sáng đèn và mạch
giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động tƣơng tự nhau nên các linh kiện lựa
chọn sẽ giống nhau. Nên chúng em tính toán và thiết kế nhƣ sau:
Bảng 3.1. Bảng tiêu thụ dòng ở các chế độ khác nhau của ESP8266 NodeMCU

Dựa vào bảng tiêu thụ dòng của ESP8266 ở các chế độ khác nhau, để
ESP8266 hoạt động tốt trong những chế độ đó thì dòng tiêu thụ phải lớn hơn
170mA cho nên nhóm chúng em chọn dòng tiêu thụ ESP8266 là 300mA để đảm
bảo ESP8266 hoạt động tốt ở mọi chế độ tránh trƣờng hợp thiếu dòng hay sụt áp sẽ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

17


CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
làm ESP8266 khởi động lại chƣơng trình.
Nguồn cung cấp cho ESP8266 hoạt động là từ 3~3.6VDC xét về mức dòng và
áp thì IC ổn áp tuyển tính AMS1117 phù hợp với ESP8266. Vì AMS1117 tạo ra
điện áp 3.3VDC và dòng có thể tạo ra gần 800mA.

Để ngõ ra nguồn 3.3 VDC ổn định và phẳng hơn nhóm em sử dụng tụ phân
cực 100uF lọc nguồn bởi vì để ESP8266 hoạt động theo chế độ pwm khi không
truyền nhận dữ liệu nhƣng vẫn duy trì kết nối để tiết kiệm năng lƣợng thì ESP8266
sẽ chạy ở chế độ Modem-sleep với dòng tiêu thụ 15mA. Ta có thông số sau:
Độ gợn sóng nguồn vào r%=6%=0.06

(3.1)

Tần số f=2x f0=2 x 50 =100

(3.2)

=

= 220Ω

=

(3.3)

Công thức tính điện dung của tụ sau:
C=

√

=

= 109 uF , vậy ta chọn 100uF

√

(3.4)

Tụ không phân cực 104 để lọc cao tần.
Do các đƣờng truyền dữ liệu ở mạch nạp CP2102 có ngõ ra điện áp 5 VDC vì
vậy để an toàn cho ESP8266 phải chắn diode zener 3.3VDC. Để hạn chế dòng cao
chạy thẳng vào ESP8266 ở các đƣờng truyền dữ liệu phải đƣợc nối tiếp với trở
1.8K.
Sử dụng trở 1.8k bởi vì theo datasheet ở chế Standby dòng tiêu thụ khoảng
0.9mA để đảm bảo an toàn và tiết kiệm năng lƣợng trong quá trình nạp chƣơng
trình.

= 1.88k, chọn 1k8 Ω

=

Ta có : R =

(3.5)

Theo datasheet mức điện áp để ESP8266 hiểu là mức cao là từ
0.75VCCVCC+0.3. để tiết kiệm năng lƣợng và ESP8266 hoạt động an toàn dòng
bé hơn 0.9mA và điện áp mức cao là 2V vậy ta có:
R=

=

= 4.333k, chọn R = 4k7Ω

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

(3.6)
18


CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
 Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý trung tâm điều khiển đèn bulb chiếu sáng
(ESP8266 ESP-12E NodeMCU)

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch xử lí trung tâm điều khiển đèn bulb
chiếu sáng

Trong đó, chân xuất PWM của ESP để điều khiển là chân D1 (GPIO5).
Tƣơng tự, ta có sơ đồ nguyên lý mạch xử lí trung tâm của mạch giám
sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

19


CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
 Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý trung tâm giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển
động (ESP8266 ESP-12E NodeMCU)

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý mạch xử lí trung tâm giám sát nhiệt độ, độ
ẩm và chuyển động

Trong đó, chân D5 (GPIO14) kết nối đến chân 1 của opto trong khối
báo động, chân D7 ( GPIO13) kết nối đến chân 1 của opto trong mạch kết

nối cảm biến PIR AM312, chân D1 (GPIO5) kết nối đến jump kết nối led
ngủ, chân D2 ( GPIO4) kết nối với chân data trong mạch kết nối cảm biến
PIR, chân D4 (GPIO2) kết nối chân data của cảm biến DHT11.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

20


CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
b. Thiết kế khối công suất
Do khối xử lí trung tâm xuất xung với tần số 1khz nên ta có chu kì xung T =
1ms, với chu kì này thì opto PC817 vẫn đáp ứng đƣợc.
Để có điện áp mở cổng Mosfet IRF830 với Vgs ≤ 20VDC và nguồn cấp
vào opto PC817 phải nhỏ hơn hoặc bằng 35VDC nên ta sử dụng điện áp 5V từ
module nguồn điều khiển để kích vào chân G của Mosfet IRF830.
Chúng em chọn opto PC817 vì để đảm bảo cách ly về điện giữa khối công suất
và khối xử lý trung tâm và opto vẫn hoạt động tốt với áp và dòng điện trong
mạch. Ta có: dòng lớn nhất mà ESP xuất ra là Imax = 12mA,điện áp mức cao do
ESP xuất ra là 0.8xVdd = 0.8x3.3= 2.64V, điện áp cho phép đặt vào diode
quang của opto VF từ 1.2-1.4V. Do đó ta chọn điện trở:
R=

=

= 103,33 Ω , chọn R=100Ω

(3.7)

Chúng em chọn Mosfet IRF830 vì nó có điện áp đánh thủng là 500V, dòng tải

tối đa là 5.9A, công suất 125W. Trong khi đó điện áp đặt vào đèn tối đa là
109,7 VDC, dòng tiêu thụ tối đa của đèn là 266,6 mA, công suất 30W. Do đó
Mosfet này đáp ứng đƣợc, không bị nóng.

Hình 3.6 Sơ đồ khối công suất mạch đèn.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

21


CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
c. Khối nguồn công suất
Đây là nguồn sẵn có của bóng đèn. Sau khi đo điện áp ngõ ra khi không có
tải là 210VDC, với điện áp ngõ vào là 220VAC.

Hình 3.7 Mạch nguồn công suất
d. Khối nguồn điều khiển
Đối với mạch điều khiển độ sáng đèn bulb thì dòng tiêu thụ tối đa của mạch
xử lý trung tâm (ESP8266 ESP-12E NodeMCU) là: ESP8266 ESP-12E
NodeMCU là 170mA + led báo là 10mA + opto PC817 là 50mA và thêm một số
linh kiện điện tử khác (điện trở, tụ điện). Vậy dòng tổng của khối xử lý trung tâm
này khoảng 300mA.
Đối với mạch giám sát nhiệt độ, độ ẩm và chuyển động thì dòng tiêu thụ tối đa
của mạch xử lý trung tâm (ESP8266 ESP-12E NodeMCU) là: ESP8266 ESP-12E
NodeMCU là 170mA + led báo là 10mA + opto PC817 là 50mA + DHT11 là
2.5mA + PIR AM312 là 0.1mA và thêm một số linh kiện điện tử khác (điện trở, tụ
điện). Vậy dòng tổng của khối xử lý trung tâm này khoảng 300mA.
Dựa vào các thông số dòng tiêu thụ của hai mạch xử lý trung tâm trên thì ta cần
phải có nguồn với điện áp ngõ ra +5VDC và dòng phải lớn hơn 300mA. Xét các
yếu tố kết hợp với yêu cầu mạch nguồn phải nhỏ gọn mà dòng thì lớn hơn 300mA

thì nhóm chúng em thấy trên thị trƣờng có bán một mạch nguồn đáp ứng đƣợc các
yêu cầu trên giá thành lại hợp lý nên nhóm chúng em chọn mua mạch nguồn loại
này.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

22


CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Hình 3.8 Module nguồn điều khiển
 Thông số kỹ thuật
- Mạch rất thích hợp cho các hệ thống tiêu thụ điện năng thấp ,nhỏ gọn, an
toàn.
- Điện áp ngõ vào : 90VAC – 230VAC
- Dòng ngõ vào : 14mA ( 220VAC)
- Điện áp ngõ ra : 5VDC
- Dòng ngõ ra : 0 – 700mA, maximum lên đến 750mA.
- Hiệu suất : 80%.
- Độ gợn sóng ( răng cƣa) : 6%
e. Khối cảm biến
 Cảm biến DHT11
Dùng cảm biến DHT11 để đo nhiệt độ, độ ẩm môi trƣờng xung quanh , 2 chân
nguồn kết nối với 5V và GND của mạch, chân DATA kết nối với chân GPIO 2 của
ESP8266 ESP-12E NodeMCU.

Hình 3.9 Sơ đồ kết nối DHT11

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

23


CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
 Thiết kế mạch kết nối cảm biến PIR AM312
Mạch thiết kế để điều khiển nguồn vào cho cảm biến PIR, bật tắt nguồn khi
ngƣời dùng yêu cầu. Điện áp ra 1 chân GPIO của ESP8266 ESP-12E NodeMCU là
3.3V nên ta phải dùng thêm opto PC817 để cấp nguồn 5V cho PIR . Chân DATA
kết nối với GPIO 4 của ESP8266 ESP-12E NodeMCU.
Trên mạch có led báo nguồn khi bật với điện trở hạn dòng
= 200, chọn R=220Ω.

R=

(3.8)

Chúng em chọn opto PC817 vì để đảm bảo cách ly về điện giữa khối công suất
và khối xử lý trung tâm và opto vẫn hoạt động tốt với áp và dòng điện trong mạch.
Ta có: dòng lớn nhất mà ESP xuất ra là Imax = 12mA,điện áp mức cao do ESP xuất
ra là 0.8xVdd = 0.8x3.3= 2.64V, điện áp cho phép đặt vào diode quang của opto
VF từ 1.2-1.4V. Do đó ta chọn điện trở:
R=

=

= 103,33 Ω , chọn R=100Ω

(3.9)

Hình 3.10 Sơ đồ kết nối cảm biến PIR

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

24


CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
f. Thiết kế mạch báo động
Điện áp hoạt động của Buzzer là 5V, trong khi điện áp ra của ESP8266 ESP-12E
NodeMCU chỉ đƣợc 3.3V, do đó ta cần dùng thêm opto PC817 để cấp nguồn 5V
cho Buzzer. Chân xuất tín hiệu ra là GPIO14.
Chúng em chọn opto PC817 vì để đảm bảo cách ly về điện giữa khối công suất
và khối xử lý trung tâm và opto vẫn hoạt động tốt với áp và dòng điện trong mạch.
Ta có: dòng lớn nhất mà ESP xuất ra là Imax = 12mA,điện áp mức cao do ESP xuất
ra là 0.8xVdd = 0.8x3.3= 2.64V, điện áp cho phép đặt vào diode quang của opto
VF từ 1.2-1.4V. Do đó ta chọn điện trở:
R=

=

= 103,33 Ω , chọn R=100Ω

(3.10)

Hinh 3.11 Sơ đồ kết nối mạch báo động
3.2.5 Sơ đồ nguyên lí toàn mạch
Đối với mạch điều khiển độ sáng đèn bulb sơ đồ nguyên lý toàn mạch bao gồm
hai khối chính: Khối xử lý trung tâm (ESP ESP8266 ESP-12E NodeMCU),
khối công suất.
Nhƣ sơ đồ bên dƣới IC AMS1117 tạo nguồn 3.3VDC cấp cho ESP8266

hoạt động. Mạch xử lý trung tâm ESP8266 cấp xung cho khối công suất để cấp mức
điện áp phù hợp vào chân G của Mosfet IRF830 cho phép mở cổng điều chỉnh độ
sáng đèn hoặc tắt mở đèn.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

25