Đồ án: Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị bằng Internet - SV CĐKT Cao Thắng

Đồ án IoT điều khiển thiết bị qua Internet sử dụng ESP32. Tìm hiểu thiết kế hệ thống, lập trình Web Server và ứng dụng di động để giám sát từ xa.

• Tác giả: Lê Quang Long
• Người hướng dẫn: ThS. Phạm Thành Nhân
• Trường học: Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng
• Chuyên ngành: Điện - Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Thiết Bị Bằng Internet
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Internet of Things IoT và Ứng dụng Điều khiển Thiết bị Từ xa

Internet of Things (IoT) là một hệ thống bao gồm các thiết bị được kết nối với nhau thông qua Internet, cho phép tương tác và trao đổi dữ liệu một cách tự động. Trong thời đại công nghệ số hiện nay, điều khiển thiết bị từ xa qua Internet đã trở thành một xu hướng phát triển mạnh mẽ, áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như nhà thông minh, y tế, giáo dục và công nghiệp. Công nghệ này giúp tối ưu hóa sự tương tác giữa con người và thiết bị, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả cao. Đồ án IoT điều khiển thiết bị từ xa không chỉ giảm bớt công sức con người mà còn nâng cao chất lượng cuộc sống, cho phép người dùng giám sát và điều khiển các thiết bị từ bất kỳ nơi đâu.

1.1. Lịch sử phát triển và ứng dụng của IoT

IoT đã khởi đầu từ những năm 1990 với các cảm biến đơn giản, và phát triển vượt bậc trong hai thập kỷ gần đây. Công nghệ truyền nhận dữ liệu không dây như WiFi, Bluetooth, và NFC đã thay thế các hệ thống dây dẫn phức tạp. Ứng dụng của IoT trong điều khiển thiết bị từ xa bao gồm: quản lý năng lượng, nhà thông minh, hệ thống an ninh, giám sát y tế, và các ứng dụng công nghiệp hiện đại.

1.2. Nhu cầu và xu hướng hiện tại

Với sự phát triển không ngừng của xã hội, nhu cầu về hệ thống điều khiển thông minh ngày càng tăng cao. Con người muốn có khả năng điều khiển thiết bị từ xa một cách dễ dàng và an toàn. Xu hướng này đã tạo ra cơ hội lớn cho các nhà phát triển công nghệ tập trung vào đồ án IoT, mang lại những giải pháp thực tế cho cuộc sống hàng ngày.

II. Công nghệ WiFi và Chip ESP32 trong Hệ thống Điều khiển

Công nghệ WiFi là nền tảng chính cho việc xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị qua Internet. Với khả năng truyền tải dữ liệu nhanh chóng và phạm vi hoạt động rộng, WiFi trở thành lựa chọn tối ưu cho các đồ án IoT. Chip ESP32 là một vi điều khiển mạnh mẽ được tích hợp sẵn module WiFi, cho phép kết nối Internet dễ dàng. ESP32-DevKitC cung cấp nhiều chân GPIO, cảm biến tích hợp, và khả năng lập trình linh hoạt, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng điều khiển thiết bị từ xa. Sự kết hợp giữa công nghệ WiFi và chip ESP32 tạo nên một nền tảng vững chắc cho việc phát triển các hệ thống IoT hiệu quả.

2.1. Đặc điểm và ưu nhược điểm của WiFi

WiFi có những ưu điểm nổi bật như tốc độ truyền dữ liệu cao, phạm vi hoạt động tốt trong khoảng 50-100 mét, và hỗ trợ nhiều thiết bị kết nối đồng thời. Tuy nhiên, nó tiêu thụ điện năng cao và dễ bị can thiệp từ các tần số không dây khác. Những nhược điểm của WiFi yêu cầu tối ưu hóa trong các ứng dụng IoT tiết kiệm năng lượng.

2.2. Tính năng chính của chip ESP32

ESP32 được trang bị bộ xử lý kép Xtensa 32-bit, 520 KB RAM, hỗ trợ WiFi 802.11 b/g/n, và Bluetooth/BLE. Module này có 34 chân GPIO, ADC, DAC, UART, SPI, I2C được tích hợp sẵn. Những tính năng của ESP32 cho phép lập trình các hệ thống điều khiển phức tạp với khả năng xử lý dữ liệu nhanh và kết nối Internet ổn định.

III. Thiết kế Sơ đồ Khối và Các Thành phần Phần cứng

Một hệ thống điều khiển thiết bị bằng Internet hoàn chỉnh bao gồm nhiều thành phần quan trọng: khối xử lý trung tâm (ESP32), khối module relay để điều khiển các thiết bị điện, khối công tắc cảm ứng để nhận tín hiệu từ môi trường, và khối hiển thị LCD để theo dõi trạng thái. Sơ đồ khối hệ thống cho phép ta hình dung rõ ràng cách các thành phần tương tác với nhau. Module relay hoạt động như một công tắc điện tử, cho phép ESP32 điều khiển các thiết bị công suất cao. Khối hiển thị LCD cung cấp giao diện người dùng địa phương, hiển thị thông tin trạng thái thiết bị. Việc thiết kế sơ đồ nguyên lý chi tiết đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và an toàn.

3.1. Khối xử lý trung tâm và module relay

ESP32 đóng vai trò là bộ não của hệ thống, xử lý các lệnh từ Internet và điều khiển relay. Module relay được trang bị cuộn dây và tiếp điểm, cho phép đóng/mở các mạch điện công suất cao. Sự kết hợp giữa ESP32 và relay tạo nên một cơ chế điều khiển thiết bị an toàn và hiệu quả cho các ứng dụng IoT.

3.2. Cảm biến công tắc và hiển thị LCD

Các cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng) cung cấp dữ liệu thời gian thực về môi trường, giúp hệ thống ra quyết định thông minh. Công tắc cảm ứng cho phép kiểm soát bằng chạm, nâng cao trải nghiệm người dùng. Màn hình LCD 16x2 hiển thị thông tin điều khiển và trạng thái thiết bị, giúp người dùng theo dõi hoạt động đồ án IoT một cách trực quan.

IV. Lập trình Web Server và Giao diện Điều khiển Từ xa

Phần mềm lập trình cho hệ thống điều khiển thiết bị được phát triển bằng Arduino IDE, một môi trường lập trình mã nguồn mở và thân thiện. Web Server được xây dựng trên ESP32 cho phép người dùng truy cập và điều khiển thiết bị từ trình duyệt web hoặc ứng dụng mobile. Ứng dụng Blynk cung cấp giao diện thân thiện, cho phép điều khiển thiết bị từ xa thông qua smartphone. Lưu trữ dữ liệu trạng thái của các thiết bị được lưu trong bộ nhớ, giúp theo dõi lịch sử hoạt động. Giao tiếp IoT giữa client và server sử dụng giao thức HTTP/HTTPS, đảm bảo an toàn dữ liệu. Việc tích hợp Web Server và ứng dụng mobile tạo nên một hệ thống IoT hoàn thiện, cho phép người dùng quản lý thiết bị mọi lúc, mọi nơi.

4.1. Arduino IDE và lập trình vi điều khiển

Arduino IDE là công cụ lập trình chính dành cho ESP32, cung cấp thư viện phong phú và hỗ trợ kết nối WiFi tích hợp. Chương trình điều khiển được viết bằng ngôn ngữ C++, cho phép xử lý các lệnh từ Internet và điều khiển relay một cách hiệu quả. Lưu đồ giải thuật giúp xác định rõ logic hoạt động của hệ thống điều khiển trước khi lập trình.

4.2. Web Server và ứng dụng Blynk

Web Server chạy trên ESP32 cung cấp giao diện HTML cho phép người dùng điều khiển thiết bị qua trình duyệt. Ứng dụng Blynk là nền tảng IoT cloud tích hợp sẵn, hỗ trợ điều khiển từ xa và giám sát dữ liệu trong thời gian thực. Kết nối cloud cho phép truy cập hệ thống từ bất kỳ địa điểm nào, nâng cao tính linh hoạt của đồ án IoT.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng Quan Trình bày tổng quan về 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 lý thuyết liên quan, các linh kiện, thiết bị sử dụng và cách thức giao tiếp với nhau. • Chương 3: Thiết Kế Và Tính Toán Thiết kế hệ thống, sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý chức năng từng khối và thực hiện tính toán. • Chương 4: Thi Công Hệ Thống Thi công board mạch, thiết kế lưu đồ, giải thuật, chương trình.

Thi công mô hình hoàn chỉnh. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2. TỔNG QUAN VỀ INTERNET OF THINGS 2.1 Giới thiệu Ngày nay, nhu cầu phát triển các ứng dụng liên quan đến Internet ngày càng cao. Và IoT (Internet of things) là một công nghệ quan trọng bởi chúng ta có thể tạo ra nhiều ứng dụng đa dạng phục vụ đa số mọi lĩnh vực trong đời sống từ nó.

Về cơ bản, IoT là một hệ thống mạng lưới mà trong đó tất cả các thiết bị, đối tượng được kết nối Internet thông qua thiết bị mạng (network devices) hoặc các bộ định tuyến (routers). IoT cho phép các đối tượng được điều khiển từ xa dựa trên hệ thống mạng hiện tại. Công nghệ tiên tiến này giúp giảm công sức vận hành của con người bằng cách tự động hóa việc điều khiển các thiết bị. Internet of things Các thành phần chính trong một hệ thống IoT: • Thiết bị Mỗi thiết bị sẽ bao gồm một hoặc nhiều cảm biến để phát hiện các thông số của ứng dụng và gửi chúng đến Platform.

• IoT – Platform Nền tảng này là một phần mềm được lưu trữ trực tuyến còn được gọi là điện toán đám mây, các thiết bị được kết nối với nhau thông qua nó. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Nền tảng này thu thập dữ liệu từ thiết bị, toàn bộ dữ liệu được phân tích, xử lý, phát hiện nếu có lỗi phát sinh trong quá trình hệ thống vận hành. • Kết nối Internet Để giao tiếp được trong IoT, kết nối Internet của các thiết bị là một điều bắt buộc. Wifi là một trong những phương thức kết nối Internet phổ biến.

• Ứng dụng Ứng dụng là giao diện để người dùng điều khiển.2 Lịch sử hình thành Khái niệm về một mạng lưới thiết bị được kết nối với nhau đã được thảo luận vào đầu năm 1982, với một máy bán hàng tự động Coke được thực hiện ở Đại học Carnegie Mellon trở thành thiết bị kết nối Internet đầu tiên trên thế giới. Thuật ngữ “Internet of things” được sử dụng lần đầu tiên bởi Kevin Ashton vào năm 1999. Sau đó IoT trải qua nhiều giai đoạn và có bước phát triển nhảy vọt cho đến ngày nay.3 Ứng dụng của IoT Hình 2. Ứng dụng của IoT • Nhà thông minh (Smart Home) Đây là một trong những ứng dụng được quan tâm nhiều nhất trong những năm gần đây.

Một ngôi nhà thông minh hoàn toàn có thể được giám sát và điều khiển tự 5 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT động. Bạn có thể bật tắt đèn bằng một ứng dụng trên điện thoại, nếu lỡ quên tắt tivi khi ra khỏi nhà bạn hoàn toàn có thể tắt nó ở một nơi có kết nối Internet, hoặc điều hòa sẽ tự động điều chỉnh tăng hay giảm khi nhiệt độ bên ngoài thay đổi. Và còn vô số ứng dụng khác nhằm mang lại sự tiện lợi nhất cho người dùng.

Hiện nay các chủ đầu tư xây dựng chung cư cũng đã tiếp cận với công nghệ này do nhu cầu sở hữu căn hộ thông minh của người dùng ngày càng cao. Smart Home • Giao thông vận tải An toàn là điều đầu tiên khi nghĩ đến tác động của IoT đối với giao thông vận tải. Ý tưởng đưa ra là các phương tiện có khả năng liên lạc với nhau bằng cách sử dụng dữ liệu đã được phân tích để có thể giảm đáng kể các sự cố tai nạn xảy ra khi tham gia giao thông. Sử dụng cảm biến, các phương tiện như ô tô, xe buýt được cảnh báo nguy cơ tiềm ẩn trên đường, hoặc thậm chí là tình trạng ùn tắt giao thông ở một số tuyến đường.

Dịch vụ vận chuyển hàng hóa cũng được ứng dụng từ công nghệ này. Công nghệ quản lý lịch trình vận chuyển, tối ưu hóa các tuyến giao hàng, mức tiêu thụ nhiên liệu của phương tiện, giám sát tốc độ của tài xế giao hàng tuân thủ quy định an toàn nhằm mang lại những lợi ích về kinh tế và sự hài lòng của khách hàng. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. IoT trong giao thông vận tải • Chăm sóc sức khỏe Một thiết bị có thể cảnh báo tình trạng và theo dõi sức khỏe là một trong những ứng dụng trong lĩnh vực y tế.

Miếng dãn theo dõi sức khỏe cho bệnh nhân: bạn không cần đến bác sĩ, những thông số về nhịp tim, huyết áp, đều được thu thập từ xa được phân tích sau đó chuẩn đoán để đưa ra tình trạng sức khỏe hiện tại của bệnh nhân và có thể dự đoán nguy cơ mắc bệnh nhằm có biện pháp phòng ngừa kịp thời. IoT trong y tế 7 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT • Nông nghiệp (Smart Farming) Mô hình nhà kín là một trong những ứng dụng điển hình của công nghệ IoT được áp dụng trong lĩnh vực nông nghiệp. Và ở nước ta đã được áp dụng rộng rãi.

Bên trong hệ thống này cây trồng hoàn toàn cách ly với điều kiện thời tiết bên ngoài, việc điều khiển nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng đều tự động hóa. Đồng thời theo dõi được tình trạng phát triển của cây trồng, xác định thời gian thu hoạch, giảm thiểu tối đa công suất người lao động. IoT trong nông nghiệp • Thành phố thông minh (Smart City) Có thể xem đây là tập hợp của tất cả ứng dụng của IoT vào một hệ thống lớn. Một giải pháp đã và đang được nhiều quốc gia trên thế giới áp dụng ở các thành phố lớn nhằm giải quyết những vấn đề cấp bách như tình trạng kẹt xe, gia tăng dân số, ô nhiễm môi trường, ngập lụt, … Mọi thứ trong thành phố thông minh này được kết nối, dữ liệu sẽ được giám sát bởi một loạt các máy tính mà không cần bất kỳ sự tương tác nào của con người.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. CÔNG NGHỆ WIFI 2. Giới thiệu Wifi là một mạng thay thế cho mạng có dây thông thường, thường được sử dụng để kết nối các thiết bị ở chế độ không dây bằng việc sử dụng công nghệ sóng vô tuyến. Dữ liệu được truyền qua sóng vô tuyến cho phép các thiết bị truyền nhận dữ liệu ở tốc độ cao trong phạm vi của mạng Wifi.

Kết nối các máy tính với nhau, với Internet và với mạng có dây. Wifi (Wireless Fidelity) là thuật ngữ dùng chung để chỉ tiêu chuẩn IEEE802.11 cho mạng cục bộ không dây (Wireless Local Networks) hoặc WLANs. Việc sử dụng rộng rãi và tính sẵn có của nó ở nhà và nơi công cộng như công viên, quán café, sân bay, … đã khiến Wifi trở thành một trong những công nghệ truyền nhận dữ liệu phổ biến nhất hiện nay. Biểu tượng Wifi 9 CHƯƠNG 2.

Công nghệ truyền nhận dữ liệu • IEEE 802. Sóng vô tuyến với tần số 2. Phổ biến nhất, ít có khả năng mở rộng. Ảnh hưởng của các thiết bị Bluetooth và điện thoại di động có thể làm giảm tốc độ truyền.

Sóng vô tuyến với tần số 5. Có khả năng mở rộng. Không tương thích với chuẩn 802. Sóng vô tuyến với tần số 2.

Kết hợp tính năng của hai tiêu chuẩn a và b. Tương thích với chuẩn 802. Thành phần của mạng Wifi • Access Point (AP) AP là bộ thu phát không dây LAN (Local – Area Network), hoặc là trạm cơ sở có thể kết nối đồng thời một hoặc nhiều thiết bị không dây với Internet. • Wifi Card Cho phép chấp nhận tín hiệu không dây và thông tin chuyển tiếp.

• Safeguards 10 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Khả năng bảo vệ: tường lửa và phần mềm chống virus giúp giữ an toàn thông tin cho người dùng. Cấu trúc liên kết • Peer to peer Là cấu trúc liên kết ngang hàng, không bắt buộc AP, các thiết bị bên trong có thể giao tiếp trực tiếp với nhau. Phù hợp để thiết lập mạng không dây một cách nhanh chóng và dễ dàng.

Cấu trúc liên kết ngang hàng • Infrastructure Mode Là cấu trúc liên kết dựa trên AP, liên lạc với nhau qua địa điểm truy cập (Access Point). Bất kỳ thông tin truy cập nào đều phải thông qua AP. Nếu một trạm di động như máy tính hoặc điện thoại muốn giao tiếp với một trạm di động khác đầu tiên cần phải gửi thông tin đến AP, sau đó AP sẽ gửi ngược lại trạm di động đó. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.

Cấu trúc liên kết dựa trên AP 2. Hotspot Hotspot là một khu vực dễ dàng truy cập mạng không dây. Hotspot được trang bị kết nối Internet với băng thông rộng và có một hoặc nhiều AP cho phép người dùng truy cập Internet không dây. Cách thức hoạt động Một Wifi Hotspot được tạo ra bằng cách cài đặt điểm truy cập vào kết nối Internet.

Một điểm truy cập hoạt động như một trạm cơ sở. Khi thiết bị hổ trợ Wifi bắt gặp điểm phát sóng, thiết bị có thể kết nối không dây với mạng đó. Một điểm truy cập duy nhất có thể hổ trợ tối đa đến 30 người dùng, nhiều điểm truy cập có thể được kết nối với nhau thông qua cáp Ethernet để tạo ra một mạng lớn. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.

Cách thức hoạt động của mạng Wifi 2. Giao tiếp trong Wifi Trao đổi dữ liệu trong Wifi được chia làm 3 giai đoạn: • Giai đoạn 1 Dữ liệu được chuẩn bị để truyền, nó được mã hóa thay đổi thành tín hiệu số. Tại đây tần số truyền dữ liệu cũng được lựa chọn tùy thuộc vào kỹ thuật sử dụng để gửi tín hiệu không dây. • Giai đoạn 2 Dữ liệu được truyền thông qua sóng vô tuyến.

• Giai đoạn 3 Dữ liệu được nhận sau đó tiến hành giải mã tín hiệu số, xác nhận và cuối cùng là sử dụng. Cách thức giao tiếp trong mạng Wifi 13 CHƯƠNG 2. Ưu nhược điểm • Ưu điểm Dễ dàng cài đặt. Tính linh hoạt cao.

Chi phí phù hợp. Khả năng bảo mật. • Nhược điểm Tiêu thụ điện năng cao. Phạm vi hoạt động giới hạn.

Bảo mật Từ khi ra đời, Wifi được cho là không đảm bảo an toàn về quyền riêng tư, dữ liệu truyền qua Wifi có thể dễ dàng bị đánh cắp. Từ đó, các biện pháp bảo mật cho Wifi đã được sử dụng, có hai tiêu chuẩn bảo mật phổ biến: Wireless Equivalent Privacy (WEP) và Wifi Protected Access (WPA).