Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và thi công hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị trong nhà kết hợp Wifi và Lora

Chia sẻ: Xylitol Extra | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:102

Thêm vào BST

Báo xấu

351
lượt xem 64
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu đặt ra cho đề tài là: Thiết kế và thi công mạch điều khiển bao gồm: mạch điều khiển trung tâm và mạch điều khiển con. Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển trên webserver. Thiết kế và thi công được mô hình ngôi nhà. Tìm hiểu và tham khảo các tài liệu, giáo trình, nghiên cứu các chủ đề, các nội dung liên quan đến đề tài. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và thi công hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị trong nhà kết hợp Wifi và Lora

TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ----o0o---- Tp. HCM, ngày 4 tháng 6 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Đức Dũy MSSV: 14141050 Chuyên ngành:CNKT Điện Tử Công nghiệp-Y Sinh Mã ngành: 01 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2014 I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TRONG NHÀ KẾT HỢP WIFI VÀ LORA II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu:  Module NodeMCU Esp32S.  Module Lora easy Sx1276.  Arduino mega 2560.  Module Sim900a. 2. Nội dung thực hiện:  Thiết kế giao diện website để điều khiển và giám sát.  Viết chương trình giao tiếp giữa các module để điều khiển các thiết bị điện.  Thi công mô hình.  Viết báo cáo. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04/2018 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/2018 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Trương Ngọc Anh CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang I
TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ----o0o---- Tp. HCM, ngày 4 tháng 6 năm 2018 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên : Nguyễn Đức Dũy MSSV: 14141050 Lớp: 14141DT2C Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TRONG NHÀ KẾT HỢP WIFI VÀ LORA Xác nhận Tuần/ngày Nội dung GVHD Tuần 1 Gặp giảng viên hướng dẫn và trao đổi về đề tài 19/3-24/3 đồ án tốt nghiệp. Tuần 2 Viết đề cương và lịch trình thực hiện đồ án tốt 26/3-31/3 nghiệp. Tuần 3 Tìm hiểu đề tài và lựa chọn thiết bị. 2/4-7/4 Tuần 4 Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của đề tài. 9/4-13/4 Tuần 5 Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý. 16/4-21/4 Tuần 6 Viết chương trình, kiểm tra các chức năng 23/4-28/4 module Sim900a. Tuần 7 Viết chương trình, kiểm tra các chức năng 30/4-5/5 module NodeMCU Esp32s. Tuần 8 Viết chương trình, kiểm tra các chức năng 7/5-12/5 module Lora easy Sx1276. Tuần 9 Viết chương trình, kiểm tra các chức năng điều BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang II
14/5-19/5 chỉnh trang web. Tuần 10 Viết chương trình, kiểm tra các chức năng điều 21/5-26/5 chỉnh trang web. Tuần 11 Thi công phần cứng, lắp ráp mô hình. 28/5-2/6 Tuần 12 Thi công phần cứng, lắp ráp mô hình. 4/6-9/6 Tuần 13 Viết báo cáo, chỉnh sửa mô hình. 11/6-16/6 Tuần 14 Viết báo cáo, hoàn thiện mô hình. 18/6-23/6 Tuần 15 Viết báo cáo,chạy thử nghiệm và chỉnh sửa. 25/6-30/6 Tuần 16 Viết báo cáo, chỉnh sửa và hoàn chỉnh mô hình. 2/7 – 7/7 Tuần 17 Hoàn chỉnh báo cáo và mô hình. 9/7 – 14/7 GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang III
LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. Người thực hiện đề tài Nguyễn Đức Dũy BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang IV
LỜI CẢM ƠN Nhóm xin chân thành cảm ơn sự sự hướng dẫn chân thành của thầy Trương Ngọc Anh, khoa Điện – Điện tử, trường Đại học Sư phạm Kĩ thuật Tp.HCM. Trong suốt thời gian thực hiện đề tài này, cùng với sự hướng dẫn và những lời góp ý của thầy về nội dung và phương pháp nghiên cứu, những lời nhận xét và chia sẻ kinh nghiệm thực tế đã giúp cho nhóm có điều kiện thuận lợi để hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này. Bên cạnh đó nhóm xin cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện – Điện tử đã giảng dạy, truyền đạt cho chúng em những kiến thức cần thiết để chúng em có tiền đề để thực hiện đồ án tốt nghiệp. Nhóm cũng xin cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Điện Tử Công Nghiệp – Y Sinh đã góp ý cho chúng em trong quá trình thực hiện đồ án, các thầy cô luôn làm việc tích cực trong công tác quản lý và thông tin đến sinh viên để việc bảo vệ đồ án luôn đảm bảo đúng tiến độ và hiệu quả. Chúng em cũng xin gởi lời đồng cảm ơn đến các bạn trong lớp 141411,141412 đã chia sẽ trao đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài. Nhóm cũng xin gửi thật nhiều lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã khích lệ tinh thần, tạo động lực mạnh mẽ để giúp nhóm hoàn thành tốt đề tài. Trân trọng cảm ơn! Người thực hiện đề tài Nguyễn Đức Dũy BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang V
MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ........................................................................... I LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ................................................ II LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... IV LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ V MỤC LỤC ................................................................................................................ VI DANH MỤC HÌNH ................................................................................................... X DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... XII DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................... XIII TÓM TẮT ............................................................................................................... XV CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .......................................................................................1 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ..................................................................................................1 1.2. MỤC TIÊU .......................................................................................................1 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ............................................................................1 1.4. GIỚI HẠN ........................................................................................................2 1.5. BỐ CỤC ...........................................................................................................2 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...........................................................................4 2.1. Tìm hiểu về module NodeMCU ESP 32S. ......................................................4 2.1.1. Tìm hiểu về wifi và cách hoạt động của wifi. ...........................................4 2.1.1.1. Wifi là gì? ...........................................................................................4 2.1.1.2. Nguyên tắc hoạt động của wifi. .........................................................4 2.1.1.3. Một số chuẩn kết nồi phổ biến. ..........................................................5 2.1.1.4. Wifi hoạt động như thế nào. ...............................................................5 2.1.2. Tổng quan về Module NodeMCU Esp32S. ..............................................8 2.1.3. Thông số kĩ thuật. .....................................................................................9 2.1.3.1. Wifi. ...................................................................................................9 2.1.3.2. Bluetooth. .........................................................................................11 2.1.3.3. CPU và bộ nhớ. ................................................................................11 2.1.3.4. The clock and the timer. ...................................................................12 2.1.3.5. Thông số kỹ thuật nâng cao .............................................................12 2.1.3.6. Cảm biến nhiệt độ. ...........................................................................12 2.1.3.7. Hệ thống bảo mật. ............................................................................12 2.1.3.8. Encrypted hardware accelerator. ......................................................13 2.1.3.9. Board. ...............................................................................................13 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang VI
2.2. Tìm hiểu về module Lora easy sx-1276. ........................................................15 2.2.1. Giới thiệt về công nghệ truyền dữ liệu Lora. ..........................................15 2.2.2. Chế độ Lora cài đặt sẵn trong LoraEasy .................................................22 2.2.3. Chức năng filter khi nhận dữ liệu ...........................................................23 2.2.4. Giao tiếp AT command ...........................................................................24 2.2.4.1. Cấu hình COM/UART khi giao tiếp AT command .........................24 2.2.4.2. Cấu trúc lệnh AT command .............................................................24 2.2.4.3. Dữ liệu Response từ board LoraEasy...............................................26 2.2.4.4. Tập lệnh AT command ....................................................................26 2.2.4.4.1. System AT command: ...............................................................27 2.2.4.4.2. Lora AT command: ...................................................................28 2.2.5. Thông số kĩ thuật của module Lora easy sx-1276. .................................28 2.3. Tìm hiểu về Arduino Mega 2560. ..................................................................31 2.3.1. Tổng quan................................................................................................31 2.3.2. Tóm lược. ................................................................................................31 2.3.3. Power.......................................................................................................32 2.3.4. Memory. ..................................................................................................33 2.3.5. Input và output. .......................................................................................33 2.3.6. Giao tiếp. .................................................................................................34 2.3.7. Lập trình. .................................................................................................34 2.3.8. Automatic (Software) Reset. ...................................................................35 2.4. Tìm hiểu về module Sim900a. .......................................................................36 2.4.1. Tổng quan................................................................................................36 2.4.2. Lịch sử mạng GSM .................................................................................36 2.4.3. Khái quát về GPRS .................................................................................37 2.4.4. Tổng quan về Module Sim900a. .............................................................38 2.5. Cảm biến dòng. ..............................................................................................40 2.5.1. Giới thiệu.................................................................................................40 2.5.2. Nguyên lý hoạt động. ..............................................................................42 2.6. Tìm hiểu về web server. .................................................................................42 2.6.1. Tổng quan về web server. .......................................................................42 2.6.2. Web server là gì? .....................................................................................43 2.6.3. Những điều cần lưu ý khi sử dụng web server........................................44 2.6.4. Quy trình hoạt động của web server. ......................................................45 2.7. Tìm hiểu về ngôn ngữ php. ............................................................................46 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang VII
2.7.1. Ngôn ngữ php là gì? ................................................................................46 2.7.2. Điểm mạnh của ngôn ngữ php. ...............................................................47 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ .............................................................48 3.1. GIỚI THIỆU ..................................................................................................48 3.2. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ...................................................48 3.2.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ...................................................................48 3.2.2. Tính toán và thiết kế mạch. .....................................................................49 3.2.2.1. Web server .......................................................................................49 3.2.2.2. Thiết kế khối xử lý trung tâm. ..........................................................52 3.2.2.3. Thiết kế khối điều khiển và khối công suất. ....................................52 3.2.2.4. Thiết kế khối nguồn. ........................................................................54 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG ....................................................................56 4.1. GIỚI THIỆU ..................................................................................................56 4.2. THI CÔNG HỆ THỐNG ...............................................................................56 4.2.1. Thi công bo mạch ....................................................................................56 4.2.2. Lắp ráp và kiểm tra .................................................................................59 4.3. ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH .......................................................61 4.3.1. Đóng gói bộ điều khiển ...........................................................................61 4.3.2. Thi công mô hình ....................................................................................62 4.4. Phần mềm lập trình cho vi điều khiển ............................................................63 4.4.1. Phần mềm lập trình web. .........................................................................69 4.5. LƯU ĐỒ HỆ THỐNG ...................................................................................76 4.5.1. Lưu đồ điều khiển từ web server và tin nhắn điện thoại. ........................76 4.5.2. Lưu đồ điều khiển từ các board con. .......................................................77 4.6. VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC ..........................78 4.6.1. Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng ..............................................................78 4.6.2. Quy trình thao tác ....................................................................................78 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ...............................................80 5.1. GIỚI THIỆU ..................................................................................................80 5.2. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC.................................................................................80 5.2.1. Biết được cách viết một trang web server. ..............................................80 5.2.2. Biết được cách lập trình với module NodeMCU-32s. ............................80 5.2.3. Biết được cách truyền-nhận dữ liệu giữa nhiều board Lora. ..................80 5.2.4. Biết được cách lập trình với Module Sim900a. ......................................80 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang VIII
5.2.5. Biết được cách kết nối và lập trình giữa module wifi NodeMCU Esp-32s với Module Sim900a và Module Lora easy. .....................................................81 5.3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ................................................................................81 5.4. NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG. .....................................................83 5.4.1. Nhận xét. .................................................................................................83 5.4.2. Đánh giá. .................................................................................................84 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..........................................85 6.1. KẾT LUẬN. ...................................................................................................85 6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN. ................................................................................85 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................86 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang IX
DANH MỤC HÌNH Hình 2-1 Module NodeMCU Esp-32S........................................................................8 Hình 2-2 Các tính năng của module NodeMCU-32S .................................................9 Hình 2-3 Kích thước board .......................................................................................13 Hình 2-4 Radio packet của Lora ...............................................................................17 Hình 2-5 Biểu đồ về số lượng thiết bị IOT sử dụng kết nối và trao đổi dữ liệu .......18 Hình 2-6 Các sản phẩm cho Lora ..............................................................................18 Hình 2-7 Cấu trúc software .......................................................................................19 Hình 2-8 Sơ đồ các thiết bị LoraWan kết nối ...........................................................19 Hình 2-9 Bảng dữ liệu gia tăng .................................................................................21 Hình 2-10 Bảng thông số cơ bản của Chipset Lora ..................................................22 Hình 2-11 Kích thước module lora easy Sx1276 ......................................................30 Hình 2-12 Module Lora easy Sx1276 .......................................................................30 Hình 2-13 Module Arduino mega 2560. ...................................................................31 Hình 2-14 Cấu trúc mạng GMS ................................................................................37 Hình 2-15 Module Sim900a ......................................................................................38 Hình 2-16 Sơ đồ chân module sim900a ....................................................................39 Hình 2-17 Cảm biến dòng ACS712 20A ..................................................................40 Hình 2-18 Sơ đồ chân ACS712 .................................................................................41 Hình 2-19 Kích thước ACS712 .................................................................................42 Hình 2-20 Hệ thống web server ................................................................................43 Hình 2-21 Những lưu ý khi sủ dụng web server .......................................................44 Hình 2-22 Ngôn ngữ php ..........................................................................................46 Hình 3-1 Sơ đồ khối của hệ thống.............................................................................48 Hình 3-2 Cửa sổ sơ lược về đề tài .............................................................................49 Hình 3-3 Cửa sổ điều khiển ......................................................................................50 Hình 3-4 Cửa sổ quản lý dữ liệu ...............................................................................50 Hình 3-5 Cửa sổ trạng thái hoạt động .......................................................................51 Hình 3-6 Cửa sổ thông tin sinh viên. ........................................................................51 Hình 3-7 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm. ......................................................52 Hình 3-8 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển ..............................................................53 Hình 3-9 Sơ nguyên lý khối công suất ......................................................................53 Hình 3-10 Adapter 12v-1A .......................................................................................54 Hình 3-11 module giảm áp 12v/5v ...........................................................................55 Hình 4-1 Sơ đồ bố trí linh kiện board xử lý trung tâm .............................................56 Hình 4-2 Sơ đồ bố trí linh kiện board điều khiển .....................................................57 Hình 4-3 Mạch in board xử lý trung tâm ..................................................................57 Hình 4-4 Mạch in board điều khiển ..........................................................................58 Hình 4-5 Board mạch điêu khiển 1 ...........................................................................59 Hình 4-6 board mạch điều khiển 2 ............................................................................60 Hình 4-7 board mạch xử lý trung tâm .......................................................................60 Hình 4-8 Các board mạch sau khi xếp vào mô hình .................................................61 Hình 4-9 Mô hình sau khi thi công ...........................................................................62 Hình 4-10 Mô hình sau khi trang trí .........................................................................63 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang X
Hình 4-11 Biểu tượng phần mềm lập trình ...............................................................63 Hình 4-12 Nhấp vào Windows ZIPfile for non admin install ...................................64 Hình 4-13 Nhấp vào Start Download để tải xuống ...................................................65 Hình 4-14 Nhấp vào JUST DOWNLOAD ...............................................................65 Hình 4-15 Nhấp vào Extract Here để giải nén ..........................................................66 Hình 4-16 Giao diện Arduino IDE ............................................................................66 Hình 4-17 Chạy file exe sau đó nhấn Next ...............................................................67 Hình 4-18 Nhấn Install khi có yêu cầu xác nhận ......................................................68 Hình 4-19 Đang trong quá trình cái đặt ....................................................................68 Hình 4-20 Nhấn finish để kết thúc ............................................................................69 Hình 4-21 Biểu tưởng phần mềm lập trình ...............................................................69 Hình 4-22 Chọn Run as administrator ......................................................................70 Hình 4-23 Quá trình cài đặt .......................................................................................70 Hình 4-24 Nhấn ACCEPT ........................................................................................71 Hình 4-25 Nhấn NEXT để tiếp tục ...........................................................................71 Hình 4-26 Đang trong quá trình cài đặt ....................................................................72 Hình 4-27 Nhấn INSTAL để cài đặt .........................................................................72 Hình 4-28 Nhấn DONE để kết thúc quá trình cài đặt ...............................................73 Hình 4-29 Giao diện khi mở DW ..............................................................................73 Hình 4-30 Nhấn chọn Create New ............................................................................74 Hình 4-31 Nhấp chọn New để tạo file mới ...............................................................74 Hình 4-32 Cửa sổ sau khi tạo xong một file mới ......................................................75 Hình 4-33 Lưu đồ điều khiển từ web server và Sim 900 ..........................................76 Hình 4-34 Lưu đồ điều khiển của các board con ......................................................77 Hình 4-35 Quy trình thao tác ....................................................................................78 Hình 5-1 Trang đăng nhập vào web site ...................................................................81 Hình 5-2 Trang giao diện sau khi đăng nhập ............................................................81 Hình 5-3 Trang giao diện để điều khiển ...................................................................82 Hình 5-4 Trạng thái hoạt động sau khi điều khiển ....................................................82 Hình 5-5 Trang Quản lý dữ liệu sau khi điều khiển..................................................83 Hình 5-6 Mô hình sau khi điều khiển các thiết bị ON ..............................................83 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang XI
DANH MỤC BẢNG Bảng 2-1 Chức năng từng chân của NodeMCU Esp32s ..........................................15 Bảng 2-2 Các chế độ định sẵn cho Lora ..................................................................23 Bảng 2-3 Các dữ liệu Response từ Board Lora easy ...............................................26 Bảng 2-4 Các lệnh AT command cho System .........................................................28 Bảng 2-5 Các lệnh AT cho Lora ..............................................................................28 Bảng 4-1 Thống kê linh kiện ....................................................................................59 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang XII
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT PCB: Printed Circuit Board. IEEE: Institute of Electrical and Electronic Engineers. FM: Frequency Modulation. WPA: Wifi Protected Access. AES: Advanced Encryption Standard. UART: Universal Asynchronous serial Reveiver and Transmitter. USB: Universal Serial Bus. SPI: Serial Peripheral Interface bus. I2C: Inter-Intergrated Circuit. HTML: HyperText Markup Language. CSS: Cascading Style Sheets. PHP: Personal Home Page. UAPSD: Unscheduled Automatic Power Save Delivery. WMM-PS: Wifi MultiMedia Power Save. A- MSDU: Aggregate MAC Service Data Unit . A- MPDU: Aggregate MAC Protocol Data Unit. WPS: Wifi Protected Setup. SSID: Service Set Identifier. AFH: Adaptive Frequency Hopping. HID: Human Interface Device. ATT: An Attributes. GATT: The Generic Attributes. SDP: Service Discovery Protocol. GAP: Generic Access Profile. SMP: Security Manager Protocol. A2DP: Advanced Audio Distribution Profile. AVRCP: Audio / Video Remote Control Profile. SPP: Serial Port Profile. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang XIII
HSP: Handset Profile. HFP: Hands Free Profile. RFCOMM: Radio frequency communication. RTC: Read time clock. AES: Advanced Encryption Standard. ECC: Elliptic Curve Cryptography. GPRS: General Packet Radio Service. CEPT: European Conference of Postal and Telecommunications Administrations. GPRS: General Packet Radio Service. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang XIV
TÓM TẮT Ngày nay với sự phát triển của khoa học và kỹ thuật, công nghệ kỹ thuật điện tử mà trong đó là kỹ thuật điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học, quản lý, công nghiệp, thông tin...Vấn đề điều khiển thiết bị từ xa hiện nay ngày càng được quan tâm và phát triển rộng rãi nhằm đáp ứng nhu cầu của con người, giúp tiết kiệm thời gian và quản lý được mọi lúc mọi nơi. Bắt nguồn từ những nhu cầu cần thiết đó và lấy cảm hứng từ các dự án như “Thiết Kế Hệ Thống Giám Sát Và Điều Khiển Thiết Bị Từ Xa [1]”, “Sử Dụng Arduino Cập Nhật Thông Số Điều Khiển Ngôi Nhà Thông Minh [2]” điều khiển các thiết bị trong nhà thông qua webserver hoặc tin nhắn sms. Tuy nhiên chỉ điều khiển được một vài thiết bị, nếu muốn điều khiển nhiều thiết bị phải sử dụng dây dẫn nhiều, rất dễ gây nhiễu tín hiệu. Vì thế nhóm em quyết định chọn đề tài “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TRONG NHÀ KẾT HỢP WIFI VÀ LORA” để cải thiện thêm chức năng điều khiển được nhiều thiết bị thông qua chuẩn truyền không dây như mạng wifi hay sóng lora. Nội dung chính của đề tài: - Sử dụng module NodeMCU Esp-32s làm board trung tâm. - Điều khiển các thiết bị bằng webserver và tin nhắn điện thoại kết hợp với wifi và sóng Lora. - Giám sát trạng thái hoạt động của thiết bị qua webserver. - Có lưu trữ trạng thái điều khiển và trạng thái hoạt động. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang XV
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay với sự phát triển của khoa học và kỹ thuật, công nghệ kỹ thuật điện tử mà trong đó là kỹ thuật điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học, quản lý, công nghiệp, thông tin...Vấn đề điều khiển thiết bị từ xa hiện nay ngày càng được quan tâm và phát triển rộng rãi nhằm đáp ứng nhu cầu của con người, giúp tiết kiệm thời gian và quản lý được mọi lúc mọi nơi. Bắt nguồn từ những nhu cầu cần thiết đó và lấy cảm hứng từ các dự án như “Thiết Kế Hệ Thống Giám Sát Và Điều Khiển Thiết Bị Từ Xa [1]”, “Sử Dụng Arduino Cập Nhật Thông Số Điều Khiển Ngôi Nhà Thông Minh [2]” điều khiển các thiết bị trong nhà thông qua webserver hoặc tin nhắn sms. Tuy nhiên chỉ điều khiển được một vài thiết bị, nếu muốn điều khiển nhiều thiết bị phải sử dụng dây dẫn nhiều, rất dễ gây nhiễu tín hiệu. Vì thế nhóm em quyết định chọn đề tài “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TRONG NHÀ KẾT HỢP WIFI VÀ LORA ” để cải thiện thêm chức năng điều khiển được nhiều thiết bị thông qua chuẩn truyền không dây như mạng wifi hay sóng Lora. 1.2. MỤC TIÊU Mục tiêu mà nhóm đã đề ra như sau: - Thiết kế và thi công mạch điều khiển bao gồm: mạch điều khiển trung tâm và mạch điều khiển con. - Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển trên webserver - Thiết kế và thi công được mô hình ngôi nhà. 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU  NỘI DUNG 1: Tìm hiểu và tham khảo các tài liệu, giáo trình, nghiên cứu các chủ đề, các nội dung liên quan đến đề tài.  NỘI DUNG 2: Thiết kế sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý cho hệ thống.  NỘI DUNG 3: Tìm hiểu về các Module NodeMCU Esp32s, Module Sim900a, module Lora easy. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN  NỘI DUNG 4: Tìm hiểu các lập trình giao tiếp giữa 3 Module NodeMCU Esp32s, Lora easy và Sim900a.  NỘI DUNG 5: Tìm hiểu các lập trình giao tiếp giữa 2 Module NodeMCU Esp32s, Lora easy.  NỘI DUNG 6: Thiết kế giao diện web giám sát và điều khiển các thiết bị.  NỘI DUNG 7: Viết được các chương trình để giao tiếp giữa web hosting, Module wifi, Arduino mega và Lora easy.  NỘI DUNG 8: Thiết kế và thi công mô hình hoàn thiện.  NỘI DUNG 9: Chạy thử nghiệm và cân chỉnh hệ thống.  NỘI DUNG 10: Viết quyển báo cáo đồ án tốt nghiệp.  NỘI DUNG 11: Báo cáo đồ án tốt nghiệp. 1.4. GIỚI HẠN  Sử dụng mudule Arduino mega, module Sim900a, NodeMCU Esp32, Lora easy.  Điều khiển các thiết bị qua Internet( tại nơi có mạng wifi hoặc 3G) và bằng điện thoại di động ( tại nơi có sóng mạng di động).  Số lượng cảm biến: sử dụng 3 con cảm biến đo dòng ACS712 20A. - Điện áp hoạt động: 5V. - Độ nhạy điện áp: 100mV/A. - Khoảng đo: -20A -> 20A.  Mô hình thi công - Có kích thước 40x40 cm. - Gồm có 3 phòng. - Được xây dựng với vật liệu formex.  Có thể giám sát và điều khiển thông qua internet.  Chỉ điều khiển bật tắt các thiết bị.  Chỉ thi công mô hình. 1.5. BỐ CỤC  Chương 1: Tổng Quan BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.  Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Chương này trình bày về các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài sẽ dùng để thực hiện thiết kế, thi công cho đề tài.  Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán. Chương này giới thiệu tổng quan về các yêu cầu của đề tài mà mình thiết kế và các tính toán, thiết kế gồm những phần nào. Chương 4: Thi công hệ thống. Phần này có thể gồm có 2 phần là kết quả thi công phần cứng và những kết quả hình ảnh trên màn hình hay mô phỏng tín hiệu, kết quả thống kê. Cụ thể, phần này nêu quá trình thi công PCB, lắp ráp và test mạch, hình vẽ được chụp từ mô hình thực của hệ thống bên ngoài, hình chụp các kết quả chạy và được sắp xếp có hệ thống để người đọc dễ dàng hiểu và hình dung hệ thống mình thi công.  Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá Phần này sinh viên trình bày kết quả của cả quá trình nghiên cứu làm đề tài trong thời gian bao nhiêu tuần, nghiên cứu được cái gì  Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển Trình bày ngắn gọn những kết quả đã thu được dựa vào những phương pháp, thuật toán đã kiến nghị ban đầu (dựa vào mục tiêu và nội dung nghiên cứu). Hơn nữa ghi ra những gì đã làm được như thế nào? Trình bày hướng phát triển của đề tài mà mình đã làm để tăng khả năng, tăng thêm chức năng, mở rộng khả năng điều khiển, tính linh hoạt.  Chương 7: Tài Liệu Tham Khảo. Phần này trích dẫn ra các tài liệu đã tham khảo, các trang web mà sinh viên đã tham khảo để làm nên đề tài. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 3
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Tìm hiểu về module NodeMCU ESP 32S. 2.1.1. Tìm hiểu về wifi và cách hoạt động của wifi. 2.1.1.1. Wifi là gì? Hiểu theo cách nôm na thì 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, các bạn cứ thử tưởng tượng mỗi 1 tầng nhà lấy trung bình là 4 mét thì theo lý thuyết sóng wifi phát ở tầng 1 vẫn sẽ bắt được nếu bạn đang ở tầng 7 – đó là theo lý thuyết). Còn trong thực tế thì trong mỗi ngôi nhà thường có rất nhiều vật cản sóng, nên bạn chỉ cần đứng trên tầng 4 hoặc 5 là tín hiệu đã yếu lắm rồi. 2.1.1.2. Nguyên tắc hoạt động của wifi. Vâng, cũng rất đơn giản, để có được sóng Wifi thì chúng ta cần phải có bộ phát Wifi – chính là các thiết bị như modem, router. Đầu vào, tín hiệu Internet nguồn (được cung cấp bởi các đơn vị ISP như FPT, Viettel, VNPT, CMC… hiện nay). Thiết bị modem, router sẽ lấy tín hiệu Internet qua kết nối hữu tuyến rồi chuyển thành tín hiệu vô tuyến, và gửi đến các thiết bị sử dụng như điện thoại smartphone, máy tính bảng, laptop… Đây là quá trình nhận tín hiệu không dây (hay còn gọi là adapter) – chính là card wifi trên laptop, điện thoại… và chuyển hóa thành tín hiệu Internet. Và quá trình này hoàn toàn có thể thực hiện ngược lại, nghĩa là router, modem nhận tín hiệu vô tuyến từ adapter và giải mã chúng, gửi qua Internet. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 4
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1.1.3. Một số chuẩn kết nồi phổ biến. Về bản chất kỹ thuật, tín hiệu Wifi hoạt động gửi và nhận dữ liệu ở tần số 2.5GHz đến 5GHz, cao hơn khá nhiều so với tần số của điện thoại di động, radio… do vậy tín hiệu Wifi có thể chứa nhiều dữ liệu nhưng lại bị hạn chế ở phạm vi truyền – khoảng cách. Còn các loại sóng khác tuy tần số thấp nhưng lại có thể truyền đi ở khoảng cách rất xa??? Sóng Wifi sử dụng chuẩn kết nối 802.11 trong thư viện IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), chuẩn này bao gồm 4 chuẩn nhỏ hơn là a/b/g/n. (các bạn thường thấy trên modem, router có các ký hiệu này) Chuẩn 802.11b là phiên bản yếu nhất, hoạt động ở mức 2.4GHz và có thể xử lý đến 11 megabit/giây. Chuẩn 802.11g nhỉnh hơn đôi chút so với chuẩn b, tuy nó cũng hoạt động ở tần số 2.4GHz nhưng nó có thể xử lý 54 megabit/giây. Chuẩn 802.11a phát ở tần số cao hơn là 5GHz và tốc độ xử lý đạt 54 megabit/giây. Cuối cùng là chuẩn 802.11n, nó hoạt động ở tần số 2.4GHz nhưng tốc độ xử lý lên đến 300 megabit/giây. Và một số chuẩn mới khác nữa …. 2.1.1.4. Wifi hoạt động như thế nào. Cũng giống như điện thoại di động, Wifi sử dụng sóng radio (sóng vô tuyến) để truyền thông tin qua hệ thống mạng. Máy tính của bạn bao gồm một card mạng không dây sẽ truyền dữ liệu gửi vào tín hiệu radio. Tương tự tín hiệu này sẽ được truyền đi thông qua một ăng-ten, một bộ giải mã gọi là router. Sau khi giải mã xong, dữ liệu sẽ được gửi đến Internet thông qua một kết nối Ethernet có dây. Wifi hoạt động như thế nào Khi mạng không dây hoạt động như đường 2 chiều, các dữ liệu nhận được từ internet cũng sẽ đi qua router và được mã hoá thành tín hiệu radio để card mạng không dây trên máy tính nhận. Wifi hoạt động như thế nào? BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 5