SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 109
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔNG TẮC THÔNG MINH SỬ DỤNG TRONG HỘ GIA ĐÌNH
DESIGNING A SMART SWITCH SYSTEM USED IN HOUSEHOLD FAMILY Nguyễn Xuân Đoan1,*, Nguyễn Thị Phương Dung2, Trần quang Việt3 TÓM TẮT Công tắc thông minh, hay còn được gọi là công tắc điều khiển từ xa đã trở
thành
một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại. Với sự phát triển của công nghệ
,
công tắc thông minh đã mang lại sự tiện lợi, an toàn và tiết kiệm năng lượ
ng cho ngôi
nhà và văn phòng của chúng ta. Công tắc thông minh cho phép điều khiể
n ánh sáng,
thiết bị điện và các hệ thống khác chỉ bằng một cú chạm, thậm chí từ xa qua điện thoạ
i
thông minh. Khả năng này không chỉ giúp chúng ta tiết kiệm thời gian và công sứ
c mà
còn mang lại sự linh hoạt và tiện ích không thể tưởng tượng được trước đây. Nghiên cứ
u
này tập trung vào việc thiết kế và phát triển một hệ thống công tắc thông minh sử dụ
ng
Module ESP8266 12F, kết hợp với Firebase và cảm biến chạm, nhằm tạo ra một sả
phẩm có khả năng điều khiển từ xa các thiết bị điện trong gia đình. Sản phẩ
m này cho
phép người dùng sử dụng ứng dụng di động hoặc trang web để điều khiển các thiết bị
,
đồng thời sử dụng Firebase để lưu trữ và đồng bộ trạng thái của các thiết bị
. Ngoài ra,
bộ công tắc thông minh cũng được trang bị cảm biến chạm, cho phép người dùng điề
khiển trực tiếp khi không có kết nối mạng. Sản phẩm này mang lại tiện lợi, tiết kiệ
m
năng lượng và tăng cường an ninh cho người dùng. Từ khóa: Công tắc thông minh, điều khiển từ xa mọi lúc mọi nơi, công tắ
c không
dây, Module ESP8266. ABSTRACT
Smart switches, also known as remote control switches, have become an
indispensable part of modern life. With the development of technology, smart
switches have brought convenience, safety and energy saving to our homes and
offices. Smart switches allow us
to control lighting, electrical appliances and other
systems with a single touch, even remotely via a smartphone. This ability not only
saves us time and effort, but also offers flexibility and convenience that were
unimaginable before. This study focuses
on the design and development of a
smart switch system using the ESP8266 12F Module, combined with Firebase and
touch sensors, to create a product capable of remote control of the switches.
household electrical equipment. This product allows users to use
a mobile app or
a website to control devices, and uses Firebase to store and sync the state of the
devices. In addition, the smart switch is also equipped with a touch sensor,
allowing users to control it directly when there is no network connection. This
product brings convenience, energy saving and enhanced security to users. Keywords: Smart switch, remote control anytime, anywhere, wireless switch,ESP8266 Module. 1Lớp Điện tử Truyền thông 02 - K14, Khoa Điện tử, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội 2Lớp Điện tử Truyền thông 7 - K14, Khoa Điện tử, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội 3Khoa Điện tử, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: xuandoan2k1@gmail.com 1. GIỚI THIỆU Hệ thống công tắc thông minh điều khiển từ xa qua Web là một giải pháp hiện đại và tiện ích cho ngôi nhà thông minh của bạn. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ và Internet of Things (IoT), việc điều khiển các thiết bị điện trong ngôi nhà trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết. Hệ thống này cho phép người dùng từ xa kiểm soát và quản lý các thiết bị điện trong nhà thông qua kết nối Internet. Người dùng có thể điều khiển các thiết bị điện trong ngôi nhà của mình từ bất kỳ đâu, bất kỳ khi nào chỉ cần có kết nối Internet. Người dùng có thể bật/tắt đèn, điều chỉnh cường độ ánh sáng, điều khiển quạt trần và thậm chí điều chỉnh nhiệt độ trong phòng. Tất cả chỉ cần vài lần nhấn nút trên ứng dụng điện thoại thông minh hoặc giao diện web tiện lợi. Một ưu điểm quan trọng của hệ thống công tắc thông minh là nó có thể kết hợp với hệ thống quản lý năng lượng để theo dõi và tối ưu hóa việc sử dụng điện, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm hóa đơn tiền điện. Người dùng cũng có thể tích hợp với hệ thống an ninh để kiểm soát và giám sát các thiết bị trong nhà, mang lại sự an toàn và bảo mật cho gia đình. Với sản phẩm này người dùng cũng có thể tận hưởng lợi ích của việc tự động hóa. Người dùng có thể lập trình các hành động tự động cho hệ thống, chẳng hạn như khi bạn rời nhà, hệ thống tự động tắt đèn và các thiết bị không cần thiết để tiết kiệm năng lượng. Điều này không chỉ mang lại tiện ích mà còn giúp đảm bảo rằng không có thiết bị nào bị để quên bật hoặc tiêu thụ điện không cần thiết. Ngoài ra với khả năng cập nhật firmware từ xa sẽ thuận tiện hơn cho người dùng trong việc cần nâng cấp hay bảo trì hệ thống mà không cần phải sử dụng cổng serial để nạp chương trình cho hệ thống. 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1. Yêu cầu hệ thống - Sơ đồ khối của hệ thống Giải thích sơ đồ khối của mạch: Khối nguồn: Module nguồn 5V - 2A nhận điện áp 220VAC và hạ áp còn 5VDC cấp nguồn cho toàn mạch.
CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
110
KHOA H
ỌC
Khối đầu vào: Các cảm biến chạm TTP223 nhận sự thay đổi về điện dung từ tay người và truyền tín hiệu điện (mức logic 0/1) về cho khối xử lí. Khối xử lý: Module ESP8266 - 12F nhận sự thay đổi về điện áp từ khối đầu vào và đồng thời cũng tiếp nhận yêu cầu từ Web server đẩy xuống để đưa ra tín hiệu điện (mức logic 0/1) cho khối đầu ra. Khối đầu ra: Các bộ đóng cắt điều khiển rơ le đóng mở các thiết bị 220VAC. Màn hình Oled cũng nhận tín hiệu từ khối xử lí để hiển thị trạng thái ON/OFF của thiết bị. Web server: Tiếp nhận yêu cầu của người sử dụng và gửi yêu cầu xuống cho khối xử lí thực hiện đồng thời cũng nhận trạng thái ON/OFF của thiết bị để hiển thị lên giao diện Web. Firebase: Nhiệm vụ của Firebase là tiếp nhận dữ liệu từ Web server và khối xử lý, và sau đó điều khiển tín hiệu đầu ra để đóng/mở các thiết bị 220VAC. Firebase đóng vai trò như một nền tảng đám mây để lưu trữ và quản lý dữ liệu của ứng dụng IoT này, cho phép người dùng từ xa điều khiển các thiết bị thông qua giao diện Web. Firebase cũng có thể cung cấp các tính năng bảo mật và xác thực để đảm bảo an toàn cho hệ thống. Hình 1. Sơ đồ khối của hệ thống. - Phần mềm của hệ thống Xây dựng lưu đồ thuật toán như hình 2. Giải thích lưu đồ thuật toán: Đầu tiên khai báo các thư viện và khởi tạo các biến để lưu kiểm tra và lưu trữ trạng thái cho các thiết bị. Tiếp theo kiểm tra xem ESP8266 có kết nối mạng hay không. Trường hợp nếu có kết nối mạng thì người dùng tương tác với giao diện Web để thực hiện các thao tác như bật/tắt thiết bị. Firebase nhận yêu cầu điều khiển từ người dùng và lưu trữ thông tin thiết bị và trạng thái của chúng gửi yêu cầu xuống cho khối xử lý thông qua đường truyền Internet. Khối xử lý nhận yêu cầu điều khiển từ Firebase và điều khiển thiết bị đích tương ứng theo yêu cầu. Sau đó, khối xử lý sẽ gửi trạng thái hiện tại của thiết bị lên Firebase để cập nhật. Firebase cập nhật trạng thái của thiết bị và gửi trạng thái mới nhất xuống Web. Giao diện Web hiển thị trạng thái mới nhất của thiết bị. Trường hợp nếu không có kết nối mạng thì người dùng vẫn có thể bật tắt bằng cảm biến chạm trên mạch. Hình 2. Lưu đồ thuật toán 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1. Kết quả thực hiện phần cứng. Thiết kế mạch in, mạch nguyên lý bằng phần mềm: Sử dụng phần mềm Altium Designer 21 xây dựng mạch nguyên lý và PCB. Tính toán và đặt luật các dây theo các chức năng riêng. Sử dụng mạch cách ly nguồn và cách ly quang: Sử dụng cách ly nguồn B0505s nhằm mục đích chống nhiễu và bảo vệ cho vi điều khiển ESP8266 12F. Cách ly quang bằng cách sử dụng Opto quang PC817 để ngăn cách giữa Relay và vi điều khiển nhằm bảo vệ mạch khi có sự cố về điện xảy ra ở các bóng đèn 220V AC. Hình 3. Mạch in PCB
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 111
Hình 4. Mạch sau khi hoàn thiện 3.2. Kết quả thực hiện phần mềm Lập trình Web server: Sử dụng ngôn ngữ JavaScript, HTML, CSS để lập trình tạo giao diện điều khiển, hiển thị trạng thái của các thiết bị điện tử. Giao diện có các nút nhấn và có các dòng báo trạng thái của đèn nhằm giúp người dùng dễ dàng điều khiển, giám sát. Ngoài ra địa chỉ ip của từng module ESP8266 cũng được xử lý và hiển thị lên Web để thuận tiện cho việc update firmware từ xa. Lập trình cho vi điều khiển ESP8266: Lập trình các chức năng nhận và gửi dữ liệu từ Web server. Lập trình các chức năng xử lý dữ liệu để điều khiển các chân vào ra. Lập trình hiển thị trạng thái ON/OFF của các thiết bị và địa chỉ IP của từng module ESP8266 lên màn hình oled. Hình 5. Giao diện điều khiển và giám sát các thiết bị trên Web 3.3. Thử nghiệm và kiểm chứng Các yếu tố như tính thẩm mỹ, độ an toàn và sự tối ưu hóa về chi phí cũng đã được tích hợp đầy đủ trên mô hình mà nhóm đã triển khai. Điện áp đầu vào của của module ESP8266 ổn định ở mức 3,3V, hay điện áp đầu ra của module hạ áp 220VAC - 5VDC cũng luôn ổn định ở mức 5V. Nhờ có sự giúp đỡ của tụ vàng 104 lọc nguồn nên màn hình Oled 0,96 cũng hoạt động ổn định. Phần thực hiện nạp code của vi điều khiển ban đầu nhóm cũng gặp một số khó khăn do nguồn cũng cấp cho thiết bị nạp (TTL CP2102) chưa được ổn định, sau khi đã xử lí được vấn đề việc nạp code cho vi điều khiển đã trở nên dễ dàng và ổn định hơn. Dựa trên tiêu chuẩn ICP-A-610 để lắp ráp các linh kiện trong quá trình hoàn thiện sản phẩm. Hình 6. Mô hình sản phẩm sau khi đã hoàn thiện Kiểm chứng sản phẩm Sản phẩm chạy ổn định, sai số thấp và đáp ứng đủ các yêu cầu về mặt kỹ thuật đã được đề ra trước khi hoàn thành sản phẩm. Bảng 1. Tiêu chí đánh giá sản phẩm Tiêu chí đánh giá Số liệu phản ánh/ đánh giá Đánh giá Thời gian từ khi cấp nguồn đến lúc mạch hoạt động ổn định <=6s Đạt Đảm bảo điệp áp và dòng điện cho các linh kiện trong mạch Không xảy ra hiện tượng bị sụt áp Đạt Mạch hoạt động ổn định với Wi-Fi chuẩn 2.4GHz và phạm vi điều khiển phù hợp cho người sử dụng Mạch hoạt động ổn định với Wifi dải tần số được phát với tín hiệu 2,4GHz Đạt Thời gian trễ khi cập nhật trạng thái on/off của thiết bị giữa màn hình hiển thị và Web server <=1,5s Đạt Khả năng đồng bộ hóa của trạng thái on/off giữa màn hình với Web server Không có sai số trong đồng bộ hóa trạng thái giữa màn hình và Web server Đạt Số lượng thiết bị truy cập vào trang Web để điều khiển Đã test với số lượng thiết bị kết nối là 5 và mạch vẫn hoạt động bình thường và không có lỗi kết nối trên Web server. Đạt
CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
112
KHOA H
ỌC
4. KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã thành công trong việc phát triển một bộ công tắc thông minh sử dụng Module ESP8266 12F. Sản phẩm này mang lại sự tiện lợi, tiết kiệm năng lượng và tăng cường an ninh cho người dùng. Khả năng điều khiển từ xa thông qua ứng dụng di động hoặc trang web, tích hợp Firebase để đồng bộ trạng thái và lệnh điều khiển. Không chỉ dừng lại ở việc điều khiển từ xa, bộ công tắc thông minh cũng được trang bị cảm biến chạm để cho phép điều khiển trực tiếp khi không có kết nối mạng. Khi người dùng chạm vào cảm biến, ESP8266 sẽ phản hồi ngay lập tức và thực hiện các hành động tương ứng trên thiết bị điện. Điều này đảm bảo rằng người dùng luôn có khả năng kiểm soát các thiết bị ngay cả khi có sự cố với mạng hoặc khi không thể truy cập vào ứng dụng di động hoặc trang web. Bên cạnh các tính năng trên, bộ công tắc thông minh cũng có thể được mở rộng và tùy chỉnh theo nhu cầu của từng người dùng. Với khả năng tương thích và mở rộng của vi mạch ESP8266, người dùng có thể thêm các tính năng bổ sung như lập lịch tự động, cảm biến ánh sáng hoặc chuyển động, và tích hợp trí tuệ nhân tạo để nhận diện giọng nói hoặc điều khiển bằng giọng nói. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. I. Grokhotkov, 2010. ESP8266 Arduino Core Documentation. Oxford University. [2]. I. Grokhotkov, 2020. ESP8266 Arduino Core Documentation. Oxford University. [3]. Xuân Thụ, 2007. Kỹ thuật điện tử. NXB Giáo dục Việt Nam. [4]. L. V. Đại, 2010. Công nghệ Internet of Things. NXB Giáo dục Việt Nam.