Đồ án Tốt nghiệp: Giàn phơi đồ tự động - SVTH: Võ Khánh Duy & Nguyễn Duy Quang

Tải trọn bộ đồ án giàn phơi đồ tự động thông minh. Báo cáo đầy đủ, sơ đồ nguyên lý, code Arduino, App điều khiển và hướng dẫn chi tiết.

• Tác giả: Võ Khánh Duy
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Văn Hiệp
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử, Truyền Thông
• Đề tài: Giàn Phơi Đồ Tự Động
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đồ Án Giàn Phơi Đồ Tự Động

Đồ án giàn phơi đồ tự động là một dự án tốt nghiệp được thực hiện bởi sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử, Truyền thông tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Đây là một giải pháp hiện đại và thông minh để tự động hóa quá trình phơi và sấy quần áo dựa trên điều kiện thời tiết. Dự án này kết hợp các công nghệ cảm biến thông minh, điều khiển từ xa qua WiFi, và ứng dụng di động để tạo ra một hệ thống hoàn chỉnh. Mục tiêu chính là giảm công sức thủ công, tiết kiệm thời gian, và nâng cao chất lượng cuộc sống hàng ngày. Với sự phát triển của công nghệ IoT (Internet of Things), giàn phơi tự động không chỉ là một sản phẩm thông minh mà còn là xu hướng tương lai trong các ứng dụng gia dụng hiện đại.

1.1. Mục Tiêu Và Ý Nghĩa Của Dự Án

Mục tiêu của dự án giàn phơi tự động là tạo ra một thiết bị có khả năng tự động điều khiển việc phơi quần áo dựa trên dự báo thời tiết và cảm biến mưa. Ý nghĩa của dự án bao gồm: giảm bớt lao động thủ công, bảo vệ quần áo khỏi thời tiết xấu, tiết kiệm năng lượng, và cung cấp giao diện điều khiển thông minh qua ứng dụng di động.

1.2. Phạm Vi Và Yêu Cầu Kỹ Thuật

Dự án bao gồm các thành phần chính như vi điều khiển Arduino Mega 2560, module WiFi ESP8266, cảm biến mưa, cảm biến vị trí, và các động cơ điều khiển cơ cấu phơi. Yêu cầu kỹ thuật bao gồm khả năng truyền nhận dữ liệu qua WiFi, kết nối Firebase để lưu trữ dữ liệu, tích hợp API dự báo thời tiết OpenWeatherMap, và phát triển ứng dụng Android để điều khiển từ xa.

II. Cơ Sở Lý Thuyết Và Các Thành Phần Chính

Hệ thống giàn phơi đồ tự động được xây dựng trên nền tảng các kiến thức lý thuyết vững chắc về điện tử, lập trình vi điều khiển, và truyền thông không dây. Các thành phần chính bao gồm khối xử lý trung tâm (Arduino Mega 2560) để điều khiển toàn bộ hệ thống, khối truyền nhận dữ liệu (ESP8266) để kết nối WiFi, khối cảm biến để phát hiện mưa và vị trí thanh phơi, và khối cơ cấu cơ học để điều khiển chuyển động. Ngoài ra, dự án còn tích hợp dịch vụ lưu trữ dữ liệu Firebase và API dự báo thời tiết OpenWeatherMap để cung cấp thông tin thời tiết chính xác và lưu trữ dữ liệu hoạt động của hệ thống.

2.1. Các Loại Giàn Phơi Đồ Hiện Nay

Trên thị trường hiện nay, có nhiều loại giàn phơi đồ khác nhau từ những loại thông thường không có tính năng tự động đến những loại hiện đại hơn. Các loại giàn phơi truyền thống thường là giàn đơn giản, tủ phơi cơ học, và giàn phơi di động. Tuy nhiên, những loại này đều phụ thuộc vào sự can thiệp của con người và không có khả năng phản ứng tự động với thay đổi thời tiết, dẫn đến nguy cơ quần áo bị ướt hoặc bị hư hỏng.

2.2. Truyền Nhận Dữ Liệu Trong Hệ Thống

Truyền nhận dữ liệu là yếu tố quan trọng trong hệ thống giàn phơi tự động. Dự án sử dụng giao thức UART để truyền nhận giữa Arduino Mega 2560 và ESP8266, và giao thức WiFi để kết nối với ứng dụng Android. Ngoài ra, hệ thống còn sử dụng Firebase để lưu trữ và đồng bộ hóa dữ liệu, cho phép người dùng theo dõi tình trạng hoạt động của giàn phơi từ bất kỳ nơi đâu thông qua ứng dụng di động.

III. Thiết Kế Và Tính Toán Hệ Thống

Thiết kế hệ thống giàn phơi tự động được thực hiện dựa trên sơ đồ khối hệ thống chi tiết, với mỗi khối được tính toán và thiết kế riêng biệt. Khối xử lý trung tâm sử dụng vi điều khiển Arduino Mega 2560 với năng lực xử lý mạnh mẽ, khối truyền nhận dữ liệu sử dụng module WiFi ESP8266 NodeMCU để kết nối mạng. Khối cảm biến mưa và cảm biến vị trí được thiết kế để phát hiện điều kiện thời tiết và vị trí của thanh phơi một cách chính xác. Khối cơ cấu và động cơ được tính toán để đảm bảo lực kéo đủ mạnh và độ bền cao. Khối nguồn dự phòng được thiết kế để đảm bảo hệ thống hoạt động liên tục ngay cả khi mất điện. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch được vẽ chi tiết và tối ưu hóa để đảm bảo tính ổn định và hiệu suất của hệ thống.

3.1. Sơ Đồ Khối Và Cấu Trúc Hệ Thống

Sơ đồ khối hệ thống cho thấy mối quan hệ giữa các thành phần chính. Khối xử lý trung tâm là trung tâm điều khiển, kết nối với khối cảm biến, khối truyền nhận dữ liệu, khối cơ cấu, khối nguồn, và khối nút nhấn. Cấu trúc này đảm bảo sự điều phối hoàn hảo giữa các thành phần, cho phép hệ thống hoạt động hiệu quả và đáng tin cậy.

3.2. Tính Toán Và Thiết Kế Chi Tiết

Mỗi khối được tính toán kỹ lưỡng: khối cảm biến được chọn với độ nhạy phù hợp, khối động cơ được tính toán dựa trên tải trọng của quần áo, khối nguồn được thiết kế để cung cấp điện áp ổn định và đủ công suất. Các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió được tính đến để đảm bảo hệ thống hoạt động tối ưu trong mọi điều kiện.

IV. Lập Trình Và Ứng Dụng Thực Tiễn

Phần mềm và lập trình là nên tảng cho hoạt động của hệ thống giàn phơi tự động. Dự án sử dụng Arduino IDE để lập trình cho Arduino Mega 2560 và ESP8266 NodeMCU, với các yêu cầu chính bao gồm: nhận diện tín hiệu từ cảm biến, xử lý dữ liệu thời tiết từ API, điều khiển động cơ, và truyền nhận dữ liệu qua WiFi. Ứng dụng Android được phát triển bằng Android Studio để cung cấp giao diện người dùng thân thiện, cho phép điều khiển giàn phơi từ xa và theo dõi trạng thái hệ thống theo thời gian thực. Lưu đồ chương trình được thiết kế chi tiết cho mỗi vi điều khiển và ứng dụng, đảm bảo luồng xử lý logic đúng đắn. Các kiểm thử và nhận xét cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đã đặt ra.

4.1. Lập Trình Vi Điều Khiển Và Module WiFi

Chương trình cho Arduino Mega 2560 xử lý logic chính của hệ thống, bao gồm đọc cảm biến, điều khiển động cơ, và gửi lệnh cho ESP8266. Chương trình cho ESP8266 NodeMCU chịu trách nhiệm kết nối WiFi, gửi/nhận dữ liệu từ Firebase, và tích hợp API thời tiết. Cả hai chương trình được viết với cú pháp C++ trong Arduino IDE, sử dụng các thư viện hỗ trợ để tối ưu hóa quá trình phát triển.

4.2. Phát Triển Ứng Dụng Android

Ứng dụng Android được phát triển trong Android Studio với các tính năng chính: hiển thị trạng thái thời tiết, điều khiển giàn phơi, xem lịch sử hoạt động. Giao diện được thiết kế trực quan và dễ sử dụng, cho phép người dùng điều khiển hệ thống một cách dễ dàng. Ứng dụng kết nối với Firebase Realtime Database để đồng bộ hóa dữ liệu và hiển thị thông tin thực tế, chính xác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn và bố cục đồ án. Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết: Giới thiệu các loại giàn phơi đồ hiện nay, chuẩn truyền dữ liệu,. Chương 3: Thiết Kế Và Tính Toán: Trong chương này, nhóm thực hiện thiết kế sơ đồ khối của hệ thống, lựa chọn thiết bị, module phù hợp, đưa ra sơ đồ nguyên lí của các khối trong hệ thống và thực hiện tính toán, thiết kế các khối. Chương 4: Thi Công Hệ Thống: Chương này trình bày về thi công mạch, vẽ lưu đồ giải thuật và viết chương trình.

Thi công mô hình hệ thống hoàn chỉnh. Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét, Đánh Giá: Đưa ra kết quả đạt được sau thời gian nghiên cứu, hình ảnh của hệ thống, nhận xét, đánh giá toàn bộ hệ thống. Chương 6: Kết Luận: Kết luận về hệ thống những phần đã làm và chưa làm, đồng thời nêu ra hướng phát triển cho hệ thống trong tương lai. Chương 7: Tài liệu tham khảo.

2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 GIỚI THIỆU CÁC LOẠI GIÀN PHƠI ĐỒ HIỆN NAY 2.1 Các loại giàn phơi đồ thông dụng hiện có: Giàn phơi tự động có thể được chia làm các loại sau đây: - Giàn phơi tự động gắn tường: Đây là loại giàn phơi gắn vào tường nhà, còn có tên gọi là giàn phơi kéo ngang. Đây là loại giàn phơi thông minh phổ biến nhất hiện thời, ưu điểm của nó treo được nhiều quần áo, linh hoạt khi cần kéo ra kéo vào. Giàn phơi thông minh gắn tường thường được làm bằng inox hoặc hợp kim nhôm cường lực, là giải pháp cho căn nhà hoặc chung cư có quá ít diện tích để làm giàn phơi. - Giàn phơi thông minh gắn trần: Tương tự như loại gắn tường, giàn phơi gắn trần làm bằng inox hoặc hợp kim nhôm cường lực.

Giàn phơi gắn trần giúp quần áo nhanh khô, phơi được nhiều quần áo, là giải pháp cho nhà mặt phố, biệt thự, hoặc chung cư có ban công diện tích đủ rộng. - Giàn phơi thông minh điều khiển từ xa: Còn có tên gọi là giàn phơi thông minh tự động, đây là loại giàn phơi tốt nhất và cũng đắt nhất. Nó cho phép bạn điều khiển giàn phơi bằng trang bị điều khiển từ xa. Trong khi, loại giàn phơi này có thể được tích hợp tia cực tím kháng khuẩn, quạt sấy khô quần áo.

Giàn phơi thông minh điều khiển từ xa là giải pháp phù hợp cho căn hộ có phòng phơi đồ khép kín. - Yêu cầu của giàn phơi tự động: Giàn phơi cần có khả năng chịu lực, chống được gỉ sét, mưa nắng. Thiết kế của giàn phơi phải phù hợp với nơi đặt giàn phơi, thuận tiện cho việc sử dụng. Giàn phơi cần có khả năng điều khiển từ xa qua điện thoại thông minh hoặc bộ điều khiển từ xa.

Giàn phơi tự động hoạt động dựa vào các cảm biến nhận biết điều kiện thời tiết hiện tại và dự báo thời tiết. - Kết luận: Nhóm em quyết định sử dụng giàn phơi đồ tự động gắn trần và có các chức năng kể trên để làm mô hình cho đề tài. Do đó, đề tài sẽ gồm có các thành phần: mạch xử lý trung tâm, các cơ cấu chấp hành, việc truyền nhận dữ liệu, các module cảm biến, mạch điều khiển động cơ.2 TRUYỀN NHẬN DỮ LIỆU 2.1 Truyền nhận dữ liệu giữa các board - I2C I2C là tên viết tắt của cụm từ tiếng anh “Inter-Integrated Circuit”. Nó là một giao thức giao tiếp được phát triển bởi Philips Semiconductors để truyền dữ liệu giữa một bộ xử lý trung tâm với nhiều IC trên cùng một board mạch chỉ sử dụng hai đường truyền tín hiệu.

Do tính đơn giản của nó nên loại giao thức này được sử dụng rộng rãi cho giao tiếp giữa vi điều khiển và mảng cảm biến, các thiết bị hiển thị, thiết bị IoT, EEPROMs, … Đây là một loại giao thức giao tiếp nối tiếp đồng bộ. Nó có nghĩa là các bit dữ liệu được truyền từng bit một theo các khoảng thời gian đều đặn được thiết lập bởi một tín hiệu đồng hồ tham chiếu. - SPI SPI viết tắt của Serial Peripheral Interface, SPI bus – Giao diện ngoại vi nói tiếp, bus SPI. Chuẩn SPI được phát triển bởi Motorola.

SPI là phương pháp truyền song công (full duplex) nghĩa là tại cùng một thời điểm quá trình truyền và nhận có thể xảy ra đồng thời. SPI còn gọi là chuẩn truyền thông “4 dây” vì nó có 4 đường truyền giao tiếp, đó là SCK, MISO, SS, MOSI. SPI là giao diện đồng bộ, bất cứ quá trình truyền nào cũng được đồng bộ hóa với tín hiệu clock chung và tín hiệu này sinh ra bởi master. - UART UART là từ viết tắt của “Universal Asynchronous Receiver / Transmitter”, và nó là một vi mạch sẵn có trong một vi điều khiển nhưng không giống như một giao thức truyền thông (I2C & SPI).

Chức năng chính của UART là truyền dữ liệu nối tiếp. Trong UART, giao tiếp giữa hai thiết bị có thể được thực hiện theo hai cách là giao tiếp dữ liệu nối tiếp và giao tiếp dữ liệu song song. UART là kiểu truyền thông tin nối tiếp không đồng bộ thường là một mạch tích hợp. Mục đích của UART là để truyền tín hiệu qua lại lẫn nhau (ví dụ truyền tín hiệu từ Laptop vào Modem hay ngược lại) hay truyền từ vi điều khiển tới vi điều khiển, từ laptop tới vi điều khiển.

4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 2.1: Chuẩn giao tiếp UART Như vậy, nhóm lựa chọn chuẩn giao tiếp UART với lý do là: + Chỉ cần hai dây để truyền dữ liệu. + Có bit chẵn lẻ để cho phép kiểm tra lỗi. + Kích thước khung dữ liệu tối đa là 9 bit. Thông số của chuẩn truyền UART: + Baud rate (tốc độ Baud): Khi truyền nhận không đồng bộ để hai module hiểu được nhau thì cần quy định một khoảng thời gian cho 1-bit truyền nhận, nghĩa là trước khi truyền thì tốc độ phải được cài đặt đầu tiên.

Theo định nghĩa thì tốc độ baud là số bit truyền trong một giây. + Frame (khung truyền): Do kiểu truyền thông nối tiếp này rất dễ mất dữ liệu nên ngoài tốc độ, khung truyền cũng được cài đặt từ ban đầu để tránh bớt sự mất mát dữ liệu này. Khung truyền quy định số bit trong mỗi lần truyền, các bit báo như start, stop, các bit kiểm tra như parity và số bit trong một data. + Bit Start: Là bit bắt đầu trong khung truyền bit này nhằm mục đích báo cho thiết bị nhận biết quá trình truyền bắt đầu, trên AVR bit Start có trạng thái là 0.

+ Data: Dữ liệu cần truyền Data không nhất thiết phải 8-bit có thể là 5, 6, 7, 8, 9. Trong UART bit LSB được truyền đi trước, Bit MSB được truyền đi sau. + Parity bit: Là bit kiểm tra dữ liệu đúng không, có 2 loại parity: chẵn (even parity), lẻ (odd parity). Parity chẵn là bit parity thêm vào để số số 1 trong data + parity = chẵn parity lẻ là bit parity thêm vào để số số 1 trong data + parity = lẻ.

Bit Parity là không bắt buộc nên có thể dùng hoặc không. 5 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP + Stop: là bit báo cáo kết thúc khung truyền, thường là mức 5V. Và có thể có 1 hoặc 2 stop.2 Truyền nhận dữ liệu giữa giàn phơi và app android - Bluetooth Công nghệ Bluetooth sử dụng sóng Radio có tần số 2,4 Ghz. Đây là công nghệ giúp trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị điện tử với nhau trong khoảng cách ngắn mà không cần sử dụng cáp sợi truyền thống.

Với công nghệ không dây tiên tiến này, Bluetooth đã đem lại nhiều hữu ích mà mọi người vẫn thường biết tới về nó: + Cho phép các thiết bị kết nối được với nhau để trao đổi thông tin giữa chúng. Ví dụ như điện thoại di động với nhau, máy tính bảng, máy tính xách tay, máy in, các thiết bị dùng định vị GPS, … + Giao tiếp và điều khiển giữa một thiết bị di dộng với tai nghe không dây (tai nghe bluetooth). + Trở thành đường truyền kết nối không dây giữa các thiết bị vào – ra của máy tính như chuột – bàn phím không dây. + Ứng dụng trong các thiết bị điều khiển từ xa như bộ điều khiển đồ chơi, điều khiển tivi, điều hòa, … + Nhược điểm: Khoảng cách kết nối khá gần (khoảng 10m), có thể bị cản trở bởi vật cản.

- RF Tần số vô tuyến (RF) là dải tần số nằm trong khoảng 3 kHz tới 300 GHz, tương ứng với tần số của các sóng vô tuyến và các dòng điện xoay chiều mang tín hiệu vô tuyến. Để nhận được tín hiệu vô tuyến, người ta sử dụng anten. Tuy nhiên, anten sẽ nhận hàng ngàn tín hiệu vô tuyến cùng lúc, cần phải có một bộ dò sóng vô tuyến bắt được tần số muốn tìm (hay dải tần). Việc này thường được thực hiện thông qua một bộ cộng hưởng – trong dạng đơn giản nhất của nó, một mạch với một tụ điện và một cuộn cảm tạo thành một mạch cộng hưởng.

Mạch cộng hưởng khuếch đại dao động trong một dải tần cụ thể, trong khi giảm dao động ở các tần số khác ngoài băng tần. 6 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ưu điểm: Truyền sóng với khoảng cách xa, không phụ thuộc vào vật cản. Nhược điểm: Khó chế tạo các cuộn cảm và lựa chọn giá trị tụ điện làm mạch dao động cộng hưởng cho bộ phát. Hơn nữa để hiệu chỉnh đúng tần số giữa bên phát và bên thu là việc rất khó và mất rất nhiều thời gian.

- Hồng ngoại Tia hồng ngoại là bức xạ điện từ có bước sóng dài hơn ánh sáng nhìn thấy (mắt người có thể cảm nhận được màu sắc) nhưng ngắn hơn tia bức xạ vi ba. Tên "hồng ngoại" có nghĩa là "ngoài mức đỏ", màu đỏ là màu sắc có bước sóng dài nhất trong ánh sáng nhìn thấy. Nhược điểm: Bộ thu phát chỉ ở được khoảng cách gần. Có thể bị cản trở bởi vật cản.

- Wifi Wifi mà mạng kết nối Internet không dây, là từ viết tắt của Wireless Fidelity, sử dụng sóng vô tuyến để truyền tín hiệu. Loại sóng vô tuyến này tương tự như sóng điện thoại, truyền hình và radio. Và trên hầu hết các thiết bị điện tử ngày nay như máy tính, laptop, điện thoại, máy tính bảng. đều có thể kết nối Wifi.

Kết nối Wifi dựa trên các loại chuẩn kết nối IEEE 802.11, và chủ yếu hiện nay Wifi hoạt động trên băng tần 54 Mbps và có tín hiệu mạnh nhất trong khoảng cách 100 feet (gần 31 mét).