Thiết kế phần cứng thực nghiệm nhà thông minh sử dụng điện toán đám mây IoT

Hệ thống sử dụng chip SoC tích hợp WiFi ESP32 32-bit của hãng Expressif làm vi điều khiển trung tâm giao tiếp với các ngoại vi khác và kết nối với nền tảng điện toán đám mây IoT. Để giám sát các thông số môi trường trong nhà, hệ thống sử dụng cảm biến DHT11 để đo giá trị nhiệt độ, độ ẩm; cảm biến MQ2 để đo giá trị  nồng độ khí ga và cảm biến hồng ngoại HC-SR501 để chống trộm. Đối với tính năng giám sát và điều khiển trạng thái các thiết bị điện, hệ thống sử dụng module cảm ứng điện dung TTP223 kết hợp relay cách ly. Ngoài ra hệ thống tích hợp còi báo động và màn hình HMI 3.2” hiển thị các thông số hệ thống để người dùng giám sát tại chỗ. 

Hình 1: Sơ đồ khối tổng quát kết nối phần cứng hệ thống

Hình 2: Bản thiết kế nguyên lý mạch phần cứng

Chi tiết  phần cứng sử dụng

Board ESP32 DevKit V1: sử dụng chip SoC ESP32 32-bit tích hợp chip WiFi 2.4GHz và Bluetooth. ESP32 được sử dụng để giao tiếp với các thiết bị cảm biến, ngoại vi và kết nối Internet để giao tiếp truyền nhận dữ liệu với các nền tảng điện toán đám mây IoT


Hình 3: ESP32 DevKit V1.0 Doit

Cảm biến DHT11: là cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm có độ chính xác cao lấy dữ liệu thông qua giao tiếp một dây. Cảm biến được tích hợp bộ tiền xử lý tín hiệu giúp dữ liệu nhận về được chính xác mà không cần phải qua bất kỳ tính toán nào.

Hình 4: Cảm biến DHT11

Cảm biến MQ2: là cảm biến khí ga cấu tạo từ chất bán dẫn SnO2 được thiết kế với độ nhạy cao, thời gian đáp ứng nhanh. Giá trị đọc được từ cảm biến sẽ được đọc về từ chân Analog của vi điều khiển.


Hình 5: Cảm biến MQ2

Màn hình cảm ứng NX4024T032: là màn hình cảm ứng được sản xuất bởi hãng Nextion với mục đích giúp người sử dụng có thể thiết kế các giao diện điều khiển và hiển thị (GUI) trên màn cảm ứng 1 cách dễ dàng và trực quan nhất. Màn hình sẽ giao tiếp với vi điều khiển qua giao tiếp UART

Hình 6: Màn hình cảm ứng NX4024T032

Lưu đồ thuật toán thiết bị

Lưu đồ thuật toán chương trình chính của thiết bị gồm ba luồng chính, được mô tả ở Hình7, 8 và 9:

Hình 7: Lưu đồ thuật toán luồng xử lý chính

Hình 8: Lưu đồ thuật toán luồng xử lý nhấn nút tại bảng điều khiển cảm ứng


Hình 9: Lưu đồ thuật toán luồng xử lý nhận dữ liệu điều khiển và cấu hình từ ứng dụng

Để thực hiện đánh giá hai nền tảng điện toán đám mây IoT theo bộ tiêu chí đã đề xuất, nhóm đã thiết kế hệ thống nhà thông minh với các ngữ cảnh phù hợp với ứng dụng thực tế. Tại phần 2 này cũng đã đề xuất mô hình kiến trúc dữ liệu hệ thống IoT bao gồm khung phân loại gói tin chung (4 loại gói tin cơ sở), xác định và phân loại gói tin hệ thống IoT và thực hiện thiết kế chi tiết luồng dữ liệu của một số loại gói tin chính trong hệ thống IoT; cuối cùng là thiết kế nguyên lý phần cứng hệ thống nhà thông minh và lưu đồ thuật toán phía thiết bị. Các quy trình được thiết kế trong Phần 2 sẽ được sử dụng làm cơ sở để ứng dụng cụ thể vào hai nền tảng AWS (Phần 3) và Google (Phần 4).

Tìm hiểu thêm:
Fanpage Cộng đồng Kỹ thuật TAPIT: TAPIT – Learning, Research and Sharing Community

Chuỗi bài viết được thực hiện và chia sẻ bởi LCV.Khải và Các nhóm nghiên cứu tại Cộng đồng Kỹ thuật TAPIT
Chúc các bạn thành công!