Đồ án thiết kế hệ thống nhúng (7)

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - - BÁO CÁO ĐỒ ÁN HỆ THỐNH NHÚNG “BỂ CÁ THÔNG MINH SỬ DỤNG HỆ ĐIỀU HÀNH FREERTOS” Giáo Viên môn: NGUYỄN NGỌC MINH Nhóm sinh viên thực hiện: NHĨM 14 Sinh viên thực hiện: NGUYỄN DUY LONG NHẬT – B18DCDT180 NGUYỄN VĂN QUANG – B18DCDT193 PHẠM VĂN CHƯƠNG – B18DCDT026 Hệ: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY HÀ NỘI, NĂM 2022 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 MỤC TIÊU 1.3 NỘI DUNG THỰC HIỆN CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 KỸ THUẬT NUÔI CÁ VÀ GIẢI PHÁP ĐỀ RA 2.1.1 Thức ăn cho cá .5 2.1.2 Nhiệt độ nước .5 2.1.3 Độ pH 2.2 SƠ LƯỢC VỀ WEBSITE 2.2.1 Ngôn ngữ HTML 2.2.2 Ngôn ngữ CSS 2.2.3 Ngôn ngữ JavaScipt 2.3 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG .6 2.2.1 Cảm biến nhiệt độ 2.2.2 Cảm biến độ pH 2.2.3 ESP32 2.2.4 Servo SG90 2.3 SƠ QUA VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH FREERTOS 10 CHƯƠNG 3: THI CÔNG HỆ THỐNG .11 3.1 THI CÔNG 11 3.1.2 Thiết kế mơ hình bể cá .12 3.2 MÔ TẢ HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG 12 3.3 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 13 3.3.1 Lưu đồ giải thuật 13 3.3.2 Lập trình cho ESP32 13 3.3.2.1 Lập trình khối cảm biến .14 3.3.2.2 Servo SG90 16 3.3.2.3 Thiết lập wifi .17 3.3.3 Tạo Website, thiết kế giao diện 18 3.3.4 Hiển thị thông tin lên Web 19 3.3.5 Xử lý thao tác Web 20 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ .21 4.1 KẾT QUẢ 21 4.2 NHẬN XÉT 21 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Nuôi cá cảnh từ lâu ưa chuộng mang lại cảm giác thoải mái, thư thái, bên cạnh người ta cịn dùng bể cá để trang trí ngơi nhà Bên cạnh sống ngày hối chúng ta, thời gian thứ mà ln thiếu, việc dành thời gian để chăm sóc bể cá khơng có nhiều bể cá thú vui tiêu tốn nhiều cơng sức thời gian Đây vấn đề mà nhóm bọn em quan tâm đến Để giải vấn đề trên, với phát triển vi điều khiển vi mạch số, nhóm em bắt tay vào tìm hiểu triển khai mơ hình “Bể cá thơng minh” Thiết bị giảm sát số quan trọng nhiệt độ, độ pH,… gửi liệu theo dõi lên website để tiện theo dõi thực thao tác cho cá ăn, lọc nước website Mơ hình giúp chủ sở hữu tiết kiệm nhiều thời gian việc nuôi cá cảnh 1.2 MỤC TIÊU - Hiểu nguyên lý, cách thức kết nối cảu module ESP32 - Hiểu sử dụng hệ điều hành FreeRTOS - Hiểu thực phương thức truyền nhận liệu lên xuống website sử dụng module ESP32 - Thiết kế mạch ngoại vi kết nối module ESP32  Mạch đo nhiệt độ sử dụng ds18b20  Mạch cho cá ăn tự động  Mạch đo pH sử dụng pH Sensor - Thiết kế website gồm:  Hiển thị thông tin bể cá  Điều khiển cho cá ăn tự động thủ công - Thiết kế mơ hình thực tế  Mơ hình bể cá  Kết nối thiết bị ngoại vi vào mơ hình 1.3 NỘI DUNG THỰC HIỆN  Nội dung 1: Tìm hiểu hệ điều hành FreeRTOS     Nội dung 2: Thiết kế mạch điều khiển sử dụng ESP32 thiết bị ngoại vi Nội dung 3: Viết chương trình cho mạch điều khiển Nội dung 4: Thiết kế website hiển thị thông tin điều khiển cho bể cá Nội dung 5: Thiết kế, thi cơng mơ hình bể cá CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 KỸ THUẬT NUÔI CÁ VÀ GIẢI PHÁP ĐỀ RA 2.1.1 Thức ăn cho cá Việc cho cá ăn có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng nước, cần phải cho ăn theo khoảng thời gian phù hợp đinh Tuy nhiên thời gian phù hợp cịn tùy vào dung tích nước, số lượng cá,… bọn em tạo hệ thống cho ăn thủ công tự động Với chế độ tự động thay đổi thời gian tùy ý để phù hợp với việc cho ăn 2.1.2 Nhiệt độ nước Về nhiệt độ nước, ni cá cảnh nên việc nhiệt cao ảnh hưởng đến cá thường không cao Ở cá tỉnh miền nam miền trung người ta không trọng đến nhiệt độ nước khí hậu khu vực thường khơng trở lạnh đột ngột Đói với miền bắc khác, vào mùa thu đông nhiệt độ nước giảm nhanh vào ban đêm nên yêu cầu phải có thiết bị làm ấm nước Từ việc theo dõi nhiệt đọ nước bật thiết bị làm ấm tự động thực tiện lợi Tuy nhiên chúng em dùng bước theo dõi nhiệt độ nước 2.1.3 Độ pH Việc chênh lệch pH đột ngột khiến cá bị sốc, theo dõi độ pH cho ta thơng tin cần thiết để biét thời điểm thay nước xác 2.2 SƠ LƯỢC VỀ WEBSITE 2.2.1 Ngơn ngữ HTML Trong mơ hình này, cần dùng ngôn ngữ HTML để tạo sườn hiển thị thông tin cho website 2.2.2 Ngôn ngữ CSS Sau có sườn hiển thị website, để website trở nên đẹp mắt cần dùng đến ngơn ngữ CSS 2.2.3 Ngôn ngữ JavaScipt Cuối để thị thông tin thao tác trang web cần sử dụng thêm ngơn ngữ JavaScipt 2.3 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 2.2.1 Cảm biến nhiệt độ Thông thường nhắc đến cảm biến nhiệt độ DHT11 giải pháp phổ biến, nhiên với mơ hình cần đo nhiệt độ nước nên việc sử dụng DHT11 không tối ưu thời gian dài giải pháp thay cảm biến nhiệt độ DS18B20 chuyên dùng nước DS18B20 nhiệt kế số có độ phân giải 9-12 bit Nếu sử dụng mặc định cảm biến mà khơng cấu hình chuỷen đổi mặc định cấu hình 12 bit, có nghĩa thang đo với 12 bit có thay đổi xác đến 0.0625 độ C DS18B20 hoạt động với điện áp từ – 5,5V DS10B20 IC cảm biến gồm chân Giao tiếp thông qua giao thức dây dẫn với vi xử lý Hình 2.1 Sơ đồ chân DS18B20 Đặc điểm chính:  Cung cấp nhiệt độ với độ phân giải 12 bit (0,0625 độ C)  Ngưỡng nhiệt độ: -10 độ C – 125 độ C  Sai số cho phép: 0,5 độ C 2.2.2 Cảm biến độ pH Có hai loại cảm biến pH cảm biến độ pH Analog pH Sensor Digital pH Sensor Với mơ hình này, bọn em sử dụng cảm biến độ pH Analog pH Sensỏ để thuận tiện sử dụng tích hợp với module ESP32 Hình 2.2 Cảm biến độ pH DFRobot Gravity: Analog pH Sensor Một số thông tin thông số kỹ thuật:      Nguồn cấp: 5VDC Tầm đo: – 14PH Nhiệt độ đo: 0-60 độ C Độ xác: 0.1pH Có thể diều chỉnh biên độ Thuận lợi việc cảm biển cần nối chân data vào module ESP32 đọc giá trị ADC tính tốn chuyển sang độ pH 2.2.3 ESP32 Trước nói phần cứng ESP32 số lý nhóm chọn module có tích hợp kết nối Wifi, Bluetooth sẵn, bên cạnh RAM khủng (520 Kbyte SRAM) so với IC STM32 hay ESP8266 Ngồi cịn hỗ trợ thêm nhiều chức năng, chân I/O nhiều(34 cổng GPIO) giá thành phù hợp Hình 2.3 Module ESP32 Các đặc điểm cấu hình: CPU:      CPU: Xtensa Dual-Core LX6 microprocessor Chạy hệ 32 bit Tốc độ xử lý 160MHz đến 240MHz Tốc độ đọc xung nhịp flash 40mhz  80mhz (tùy chỉnh theo code) RAM: 520 Kbyte SRAM Hỗ trợ giao tiếp không dây:  Wifi: 802.11 b/g/n/e/i  Bluetooth: v4.2 BR/EDR and BLE Cảm biến tích hợp ESP32  cảm biến từ trường  cảm biến đô nhiệt độ  Cảm biến chạm với 10 đầu vào khác Hỗ trợ tất loại giao tiếp:          8-bit DACs( digital to analog) cổng Analog(ADC) 12-bit 16 cổng I²C – cổng, I²S – cổng, SPI – cổng, UART – cổng SD card /SDIO/MMC host Slave (SDIO/SPI) CAN bus 2.0 Băm xung PWM (tất chân ) IR (TX/RX) Ultra low power analog pre-amplifier Nguồn điện hoạt động:  Nhiệt độ hoạt động: -40  85 độ C  Điện áp hoạt động: 2.2-3.6V  Số cổng GPIOs: 34 2.2.4 Servo SG90 Hình 2.4 Servo SG90 Servo dạng động diện điện đặc biệt, không giống động bình thường cắm vào quay liên tục, servo quay điều khiển(bằng xung PPM) với góc quay từ 0-180 độ (tùy chỉnh theo code) Cấu tạo chân đơn giản gồm chân, chân data cắm vào module ESP32 dây cấp nguồn nối đất Đơn giản tiện ích Hình 2.5 Mơ hình chân Servo SG90 Với mơ hình này, chúng em sử dụng servo để thiết kế thiết bị cho cá ăn tự động 2.3 SƠ QUA VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH FREERTOS Việc thao tác web module ESP32 không đảm bảo cầu thời gian thực Có số giải pháp thường thấy hệ thống bể cá thơng minh tích hợp module thời gian thực DS1037, nhiên có giải pháp tối ưu sử dụng hệ điều hành FreeRTOS cho hệ thống để đảm báo đáp ứng thời gian thực cho mơ hình RTOS thường khơng có tính nâng cao thường thấy hệ điều hành Linux Microsoft Windows, chẳng hạn trình điều khiển thiết bị, quản lý nhớ nâng cao, tài khoản người dùng Điểm nhấn tính nhỏ gọn tốc độ thực thi FreeRTOS coi thư viện luồng hệ điều hành, có sẵn giao diện dịng lệnh tính trừu tượng nhập/xuất (I/O) giống POSIX FreeRTOS triển khai nhiều đa luồng cách yêu cầu chương trình chủ gọi phương thức đánh dấu luồng vào khoảng thời gian ngắn đặn TPhương thức đánh dấu luồng chuyển đổi tác vụ tùy thuộc vào mức độ ưu tiên sơ đồ lập lịch vịng lặp Khoảng thời gian thơng thường đến 10 mili giây (1⁄1000 đến 1⁄100 giây) thông qua ngắt từ hẹn phần cứng, khoảng thời gian thường thay đổi để phù hợp với ứng dụng định CHƯƠNG 3: THI CÔNG HỆ THỐNG 3.1 THI CÔNG 3.1.1 Thiết kế mạch thơ, máy cho cá ăn Hình 3.1 Mạch điều khiển sau gắn linh kiện Hình 3.2 Ý tưởng thiết bị cho cá ăn 3.1.2 Thiết kế mơ hình bể cá Sử dụng thùng xốp, trang trí gắn thêm thiết bị (đang q trình hồn thiện, xin phép demo lúc báo cáo) 3.2 MÔ TẢ HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG Hình 3.3 Sơ đồ mơ tả hoạt động hệ thống Hình ảnh mơ tả cách thức hoạt động hệ thống:  Khối cảm biển: khối nhận liệu thiết bị ngoại vị sau gửi ESP32 gửi lên website để theo dõi  Khối xử lý ESP32: khối xử lý vấn đề đáp ứng thời gian thực cách sử dụng thư viện FreeRTOS để lập trình cho q trình nhận jthơng tin điều khiển động có thơng tin từ web gửi  Giao diện gnười dùng: người dùng theo dõi thông tin sử dụngt hao tác điều khiển, người dùng thao tác điều khiển giao diện web, liệu truyền xuống module ESP32, ESP32 kiểm tra xem loại thao tác để tiến hành gửi tín hiệu điều khiển xuống động servo sau gửi lại liệu điều khiển quay lại lên web 3.3 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 3.3.1 Lưu đồ giải thuật Hình 3.4 Lưu đồ giải thuật hệ thống 3.3.2 Lập trình cho ESP32 Vì mơ hình sử dụng module ESP32 nên khơng thiết phải lập trình Arduino, bọn em lập trình mơi trường Visual Studio Code nạp chương trình qua ứng 10 dụng “ESP-IDF 4.3 PowerShell” Với ứng dụng việc build chương trình sau nạp code cho module ESP32 trở nên dễ dàng thuận tiện Có thể download sử dụng theo đường dẫn bên dưới: https://dl.espressif.com/dl/espidf/?idf=4.2&fbclid=IwAR3tuTvaZ9BotsayzQpaVsVaNW2T_zj5Q2fQNM6UBPPQB8tWLzxCf7ehCc Hình 3.5 Ứng dụng ESP-IDF dùng để build nạp chương trình 3.3.2.1 Lập trình khối cảm biến a Cảm biến nhiệt độ DS18B20 Ta sử dụng thư viện “ds18b20.h” để điều khiển cảm biến Đầu tiên ta thiét lập chân cho cảm biến : void ds18b20_init(int GPIO); lúc sử dụng cần thay đổi sổ GPIO theo chân mong muốn Tiếp đến trước lấy thông tin từ cảm biến, ta cần khai báo trước, tham khảo mã sau: 11 Bây gọi hàm đọc liệu cảm biến cách gọi hàm “ds18b20_get_temp()” lập trình sẵn thư viện ds18b20.h Về số nhiệt độ ta không cần tính tốn lại mà dùng số vừa đo được, tham khảo mã chương trình sau: Tuy nhiên để bảo đảm thời gian thực ta cần cấp quyền ưu tiên cho bên main chương trình: Số mức độ ưu tiên task này, số cao mứac độ ưu tiên cao b Cảm biến độ pH Để thuận tiện cho việc lập trình, cần tạo file “pH.h” cơng việc sau đơn giản hơn, cần lấy giữ liệu tính tốn sang pH từ file pH.h đưa lên website Vậy bên file pH.h có File pH.h gồm hai khâu, khâu thứ đẻ khia báo chân cài đặt chế độ ADC để việc đọc liệu dễ dàng hơn: 12 Khâu thứ đọc giá trị ADC cảm biến pH sau thực tính tốn nhằm chuyển đổi sang đơn vị pH: Cũng giống cảm biến nhiệt độ, ta cần gán task cho việc đọc liệu cảm biến pH để đảm bảo thời gian thực, ta gán mức độ ưu tiên 3, cao cảm biến nhiệt độ: 3.3.2.2 Servo SG90 Với servo ta điều khiển xung PWM Khai báo, cài đặt chân theo mã: 13 Khác với động thông thường, servo cho phép điều chỉnh góc quay tùy chọn, thn tiện cho việc thiết kế mơ hình cho ăn tự động: Trong đó, duty số góc quay bạn muốn thiết lâp Vì việc cho ăn quan mơ hình này, nên void gán mức ưu tiên cao 3.3.2.3 Thiết lập wifi Ở phần thiết lập wifi, ta có nhìn rõ ràng việc lồng hệ điều hành FreeRTOS để đáp ứng thời gian thực Nói cách ngắn gọn, cơng việc thiết lập wifi sau, cần tạo group, bên group chứa kiện kết nối thành công, không kết nối hai kiện đánh trọng số Bên cạnh có hàm đợi, đợi đến kiện xảy trước thực ngay, ví dụ kiện khơng kết nối xảy ra, trọng số nhảy lên hàm đợi bắt thông tin đo thực công việc cố gắng kết nối lại Dưới mã chương trình việc tạo group: 14 Mã chương trình hàm chờ bit thực công việc bit nhảy số: 3.3.3 Tạo Website, thiết kế giao diện Việc tạo nên trang web cần thực qua hai khâu Khâu thứ sử dụng ngôn ngữ HTML để vẽ khung hiển thị cho trang web sau dùng ngơn ngữ CSS để “tơ vẽ” cho 15 trang web bắt mắt hơn, khâu thứ hai Việc lập trình web bọn em không kỹ vào mà sâu lên giao diện chưa cắm mạch Ở mơ hình này, trang web bọn em bao gồm khung hiển thị, khung bên trái để thực thao tác cho cá ăn (tự động thủ công), hai king dùng để hiển thị nhiệt độ nước đọ pH đo được: Hình 3.6 Giao diện web chưa cắm mạch 3.3.4 Hiển thị thông tin lên Web Sauk hi nhận giá trị nhiệt dộ độ pH, ta cần đóng gói JSON sau chuyển lên web Về khâu đóng gói JSON, tham khảo mã chương trình sau: Sau đóng gói xong ta đẩy gói lên web mã sau: 16 Tuy nhiên, việc đẩy dữu liệu lên phải có đích đến, nên dùng cú pháp sau vào nơi mà bạn muốn hiển thị liệu truyền lên web: Để ý thấy, id vị trí đích (vị trí hiển thị thơng tin) trùng lặp với id khai báo khâu đóng gói JSON 3.3.5 Xử lý thao tác Web Cuối khâu cho cá ăn, giả thích dễ hiểu sau, thấy hình giao diện web, khung “FEED” có hai nút bấm, nút bên trái cho cá ăn tự động, nút bên phải cho ăn thủ cơng Với khâu cho có ăn tự động bật lên, máy cho cá ăn cài đặt khoảng thời gian tự động cho cá ăn, sau tiếng, tiếng,…cho ăn lần, cịn khâu cho ăn thủ cơng cho cá ăn sau click vào nút “hand” khung Ta thực toán nào, khâu cho ăn tự động đơn giản khâu cho ăn thủ công kèm biến chạy thời gian gửi thông tin cho ăn, ta phân tích hướng giải khâu cho cá ăn tự động 17 Khi nút bấm click vào, giá trị button hàm check box chờ sựu kiện nút bấm thay đổi thay đổi ta thực truyền tín hiệu xuống servo sg90 cá ăn: Khâu truyền liệu xuống servo, hầm thiết lập độ quay viết bên chương trinh button_handler bên dưới: CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ 4.1 KẾT QUẢ (Demo trực tiếp) 4.2 NHẬN XÉT Tuy mơ hình bể cá chưa có nhiều tính thực yêu cầu đặt ra: xây dựng trang web, hiển thị thông tin lên thao tác bên trang web(gửi tín hiệu thực hiên điều khiển thiết bị ngoại vi) 18 19 ... trí gắn thêm thiết bị (đang q trình hồn thiện, xin phép demo lúc báo cáo) 3.2 MÔ TẢ HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG Hình 3.3 Sơ đồ mơ tả hoạt động hệ thống Hình ảnh mơ tả cách thức hoạt động hệ thống:  Khối... CHƯƠNG 3: THI CÔNG HỆ THỐNG 3.1 THI CÔNG 3.1.1 Thiết kế mạch thơ, máy cho cá ăn Hình 3.1 Mạch điều khiển sau gắn linh kiện Hình 3.2 Ý tưởng thiết bị cho cá ăn 3.1.2 Thiết kế mô hình bể cá Sử... 2.3 SƠ QUA VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH FREERTOS 10 CHƯƠNG 3: THI CÔNG HỆ THỐNG .11 3.1 THI CÔNG 11 3.1.2 Thiết kế mơ hình bể cá .12 3.2 MÔ TẢ HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG