Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển và giám sát đèn chiếu sáng trong khuôn viên trường học sử dụng vi điều khiển ARM

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC Chương TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu .1 1.3 Nội dung nghiên cứu 1.4 Giới hạn .2 1.5 Bố cục Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Quy trình thực hệ thống .4 2.2 Giới thiệu cảm biến dòng điện, nguyên lý đo dòng điện 2.2.1 Giới thiệu cảm biến dòng điện 2.2.2 Cảm biến dòng điện Hall 2.3 Giới thiệu LoRa 2.3.1 Khái niệm LoRa 2.3.2 Nguyên lý hoạt động LoRa 2.4 Giới thiệu Wifi nguyên tắc hoạt động Wifi .7 2.4.1 Giới thiệu Wifi 2.4.2 Nguyên tắc hoạt động Wifi 2.5 Các chuẩn giao tiếp cho vi điều khiển .8 2.5.1 Chuẩn giao tiếp UART 2.5.2 Chuẩn giao tiếp SPI 11 Chương THIẾT KẾ VÀ TÍNH TỐN .14 3.1 Yêu cầu hệ thống .14 3.2 Sơ đồ khối chức khối 14 3.3 Tính tốn thiết kế mạch 16 iv BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3.3.1 Khối công suất ngõ 16 3.3.2 Khối cảm biến dòng điện 18 3.3.3 Khối xử lý điều khiển phụ 19 3.3.4 Khối thu phát LoRa .19 3.3.5 Khối điều khiển hiển thị LCD TFT 20 3.3.6 Khối thu phát Wifi ESP 8266 .20 3.3.7 Khối nút nhấn Joystick 21 3.3.8 Khối xử lý điều khiển trung tâm 21 3.3.9 Khối nguồn 22 3.4 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 23 3.5 Giới thiệu phần cứng 25 3.5.1 Cảm biến dòng điện Hall ACS712 20A 26 3.5.2 Kit vi điều khiển STM32F407VG DISCOVERY 27 3.5.3 Kit vi điều khiển STM32F103C8T6 BluePill .29 3.5.4 Module NodeMCU ESP8266 .31 3.5.5 Mạch thu phát RF UART LORA AS32-TTL-100 32 3.5.6 Màn Hình LCD TFT ILI9341 .33 3.5.7 Module Joystick 34 Chương THI CÔNG HỆ THỐNG 35 4.1.1 Thi công bo mạch 35 4.1.2 Thi công mơ Hình 38 4.2 Lập trình hệ thống .40 4.2.1 Lưu đồ hệ thống 40 4.2.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển 42 4.2.3 Phần mềm lập trình cho điện thoại Android 43 v BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4.3 Viết tài liệu thao tác hướng dẫn sử dụng 44 4.3.1 Hướng dẫn sử dụng App điện thoại .44 4.3.2 Hướng dẫn sử dụng bo mạch 48 Chương KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ 51 5.1 Kết đạt 51 5.2 Kết thực .52 5.2.1 Kết hiển thị hình TFT LCD App điện thoại 53 5.2.2 Thời gian bật đèn chiếu sáng Joystick: 54 5.2.3 Thời gian tắt đèn chiếu sáng Joystick 54 5.2.4 Thời gian bật đèn chiếu sáng App điện thoại 54 5.2.5 Thời gian tắt đèn chiếu sáng App điện thoại 55 5.3 Nhận xét – đánh giá 55 5.3.1 Nhận xét 55 5.3.2 Đánh giá 56 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 57 6.1 Kết luận .57 6.2 Hướng phát triển 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 PHỤ LỤC 59 vi BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP DANH MỤC HÌNH CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.1 Hiệu ứng Hall Hình 2.2 Các dạng cảm biến Hall .6 Hình 2.3 LoRa Chirp Hình 2.4 Cấu trúc hệ thống LoRa .7 Hình 2.5 Mơ Hình Router (bộ thu phát) chuyển tín hiệu khơng dây Hình 2.6 Kết nối chuẩn giao tiếp UART Hình 2.7 Truyền liệu giao tiếp UART Hình 2.8 Khung liệu gửi giao tiếp UART Hình 2.9 UART hận liệu song song từ bus liệu .10 Hình 2.10 Thêm bit đầu, bit chẵn lẻ bit dừng vào khung truyền 10 Hình 2.11 UART gửi gói tin dạng nối tiếp chân RX 10 Hình 2.12 UART loại bỏ bit để lấy liệu cần thiết 10 Hình 2.13 UART chuyển liệu nối tiếp thành song song sang bus liệu 11 Hình 2.14 Đầu tín hiệu giao tiếp SPI 12 Hình 2.15 Chuyển trạng thái điện áp thấp giao tiếp SPI .12 Hình 2.16 Gửi liệu bit giao tiếp SPI 13 Hình 2.17 Trả lại Bit nhận giao tiếp SPI 13 Hình 2.18 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý điều khiển trung tâm 22 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 14 Hình 3.2 Relay 5V10A .16 Hình 3.3 Mạch nguyên lý khối ngõ .18 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến dòng điện 19 Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý khổi điều khiển phụ Kit STM32103C8T6 Blue Pill .19 vii BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý khối LoRa 20 Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị LCD TFT 20 Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý Module Wifi ESP 8266 21 Hình 3.9 Khối nút nhấn Joystick bo 21 Hình 3.10 Mạch nguyên lý khối nguồn 22 Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý bo mạch 24 Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý bo mạch phụ 25 Hình 13 Cảm biến dòng điện Hall ACS712 20A 26 Hình 14 Giá trị điện áp ngõ cảm biến thay đổi theo nguồn cung cấp 27 Hình 15 Kit vi điều khiển STM32F407VG DISCOVERY 28 Hình 16 Kit STM32F103C8T6 BluePill 30 Hình 17 Module MCU ESP8266 V3 31 Hình 18 Mạch thu phát RF UART LORA AS32-TTL-100 32 Hình 19 Màn Hình LCD TFT ILI9341 34 Hình 20 Module Joystick đơn 34 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.1 Sơ đồ mạch in bo mạch 35 Hình 4.2 Bo mạch sau lắp ráp 36 Hình 4.3 Sơ đồ mạch in bo mạch phụ 36 Hình 4.4 Thiết kế hộp cho bo mạch phụ 37 Hình 4.5 Bo mạch phụ sau lắp ráp .38 Hình 4.6 Mơ Hình trường học vật liệu Foam 38 Hình 4.7 Mơ hình mặt trước sau lắp ráp hồn chỉnh .39 Hình 4.8 Mơ hình mặt bên sau lắp ráp hồn chỉnh 39 Hình 4.9 Lưu đồ chương trình khối điều khiển trung tâm .40 Hình 4.10 Lưu đồ hoạt động khối vi điều khiển phụ .41 Hình 4.11 Lưu đồ chương trình đọc dịng điện từ cảm biến .41 viii BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 4.12 Lưu đồ chương trình khối thu phát Wifi 42 Hình 4.13 Biểu tượng phần mềm Arduino IDE .43 Hình 4.14 Giao diện lập trình Arduino IDE 43 Hình 4.15 Giao diện bắt đầu Thunkanle 44 Hình 4.16 Code cho giao diện đăng nhập vào app điện thoại 44 Hình 4.17 Tên mạng Wifi module ESP8266 .45 Hình 4.18 Thiết lập cấu hình cho Wifi .45 Hình 4.19 Chọn tên Wifi để ESP kết nối 45 Hình 4.20 Sau ESP kết nối Wifi thành cơng 46 Hình 4.21 Giao diện đăng nhập App điện thoại 46 Hình 4.22 Giao diện điều khiển App điện thoại .47 Hình 4.23 Giao điện điều khiển tầng App điện thoại 47 Hình 4.24 Bo mạch sau cấp điện 48 Hình 4.25 Bo mạch phụ sau cấp nguồn 49 Hình 4.26 Bo mạch sau cấp nguồn kết nối wifi cho ESP 49 Hình 4.27 Giá trị dịng điện đo hiển thị TFT LCD App điện thoại 50 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ Hình 5.1 Kết hiển thị dòng điện tiêu thụ đèn chiếu sáng tầng 53 Hình 5.2 Kết hiển thị dòng điện tiêu thụ đèn chiếu sáng tầng 53 ix BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP DANH MỤC BẢNG CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TỐN Bảng Tính tốn dịng điện tiêu thụ bo mạch .23 Bảng Tính tốn dịng điện tiêu thụ bo mạch phụ 23 Bảng 3 Thông số kỹ thuật chip STM32F407VGT6 29 Bảng Thông số kỹ thuật Module MCU ESP8266 31 Bảng Thông số RF UART LORA AS32-TTL-100 33 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG Bảng Danh sách linh kiện bo mạch 35 Bảng Danh sách linh kiện bo mạch phụ .36 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ Bảng Thời gian bật đèn chiếu sáng tầng Joystick 54 Bảng Thời gian tắt đèn chiếu sáng tầng Joystick 54 Bảng Thời gian bật đèn chiếu sáng App điện thoại 54 Bảng Thời gian bật đèn chiếu sáng App điện thoại 55 x BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CÁC TỪ VIẾT TẮT AC Alterating Current ADC Analog-to-Digital Converter APP Application ASCII CPU CS DAC American Standard Code for Information Interchange Central Processing Unit Chip select pin Digital-to-analog converter DC Direct Current DSP Digital Signal Processing EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory GPIO General - purpose input/output GSM Global System for Mobile Communications HTML HyperText Markup Language HTTP HyperText Transfer Protocol I/O Input/Output I2C Inter-Integrated Communication IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IoT Internet of Things IP Internet Protocol LAN Local area network LCD Liquid crystal display LoRa Long Range xi BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LPWAN Low-Power Wide Area Network LSB Least Significant Bit MCU Multipoint Control Unit MISO Serial output signal MNO Mobile Network Operator MOSI Serial input signal MSB Most Significant Bit PCB Printed Circuit bo RF Radio Frequency RISC Reduced Instructions Set Computer RX Read SoC System on Chip SPI Serial Peripheral Interface SRAM Static random-access memory STM STMicroelectronic TFT Thin-film-transistor TX Transmit UART USART Universal Asynchronous Receiver-Transmitter Universal Synchronous & Asynchronous serial Reveiver and Transmitter USB Universal Serial Bus WIFI Wireless Fidelity xii BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Chương TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Hiện nay, việc điều khiển giám sát đèn chiếu sáng nơi công cộng thường thực phương pháp thủ công, lặp lặp lại Công việc thực thông qua ca trực, kíp trực, điều dẫn đến việc tốn thời gian cơng sức cho người vận hành phải di chuyển đến nơi tự thực bật/tắt đèn Điều trở nên khó khăn quy mơ quản lý lớn khoảng cách lại lớn phải phân công nhiệm vụ cho nhiều người khác Việc kiểm tra không liên tục, điều dẫn đến nguy sai sót nguy cháy thiết bị vơ tình hỏng mà khơng kiểm tra kịp thời Vì cần có công cụ hiệu để giúp công việc thuận tiện, tránh nguy hư hỏng cho thiết bị Trước có nhiều đề tài nhằm giúp giải nhu cầu như: Huỳnh Nguyễn Nhân Hậu, Thái Ngọc Hậu “Điều khiển thiết bị phòng học” [1], Phạm Văn Huy, “Thiết kế thi công hệ thống điều khiển thiết bị nhà” [2], Trần Minh Luân, Lâm Thành Đạt, “Thiết kế thi công thiết bị điều khiển nhà thông minh” [3] Nhưng với quy mô điều khiển nhỏ chưa thực kiểm tra tình trạng thiết bị điều khiển Để giải vấn đề trên, nhóm mong muốn nắm bắt xu hướng cơng nghệ điều khiển thơng minh qua áp dụng vào để để điều khiển thiết bị khoảng cách xa hơn, biết tình trạng hoạt động thiết bị nào, nhằm mục đích sử dụng hiệu thiết bị điện mang lại tiện lợi, an toàn cho người dung Từ yêu cầu thực tế đó, nhóm tiến nghiên cứu phát triển đề tài “Thiết kế thi công hệ thống điều khiển giám sát hệ thống đèn chiếu sáng khuôn viên trường học dùng vi điều khiển ARM” để giải nhu cầu 1.2 Mục tiêu Thiết kế thi công hệ thống điều khiển, giám sát kiểm tra tình trạng hoạt động đèn chiếu sáng từ xa Việc điều khiển thực qua App điện thoại Trạng thái hoạt động đèn chiếu sáng hiển thị hình BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ Kết đo với tải 300W 1363mA→1.36A lệch 0.04A so với Ampe kìm→ sai số 3% 5.2.2 Thời gian bật đèn chiếu sáng Joystick: Bảng 5.1 Thời gian bật đèn chiếu sáng tầng Joystick Bo mạch phụ tầng Bo mạch phụ tầng SỐ LẦN THỜI GIAN (giây) SỐ LẦN THỜI GIAN (giây) 1.5 1.5 1.6 1.5 1.6 1.4 1.5 1.4 1.4 1.4 Trung bình 1.5 giây Trung bình 1.5 giây Kết luận: Trung bình khoảng 1.5 giây để đèn chiếu sáng tầng bật sau ấn nút điều khiển Joystick từ bo mạch 5.2.3 Thời gian tắt đèn chiếu sáng Joystick Bảng 5.2 Thời gian tắt đèn chiếu sáng tầng Joystick Bo mạch phụ tầng Bo mạch phụ tầng SỐ LẦN THỜI GIAN (giây) SỐ LẦN THỜI GIAN (giây) 1.8 1.8 1.8 1.7 1.7 1.8 1.8 1.8 1.8 1.7 Trung bình 1.8 giây Trung bình 1.8 giây Kết luận: Trung bình khoảng 1.8 giây để đèn chiếu sáng tầng tắt sau ấn nút điều khiển Joystick từ bo mạch 5.2.4 Thời gian bật đèn chiếu sáng App điện thoại Bảng 5.3 Thời gian bật đèn chiếu sáng App điện thoại BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 54 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ Bo mạch phụ tầng Bo mạch phụ tầng SỐ LẦN THỜI GIAN (giây) SỐ LẦN THỜI GIAN (giây) 3.6 3.4 3.6 3.4 3.8 3.3 3.7 3.4 3.7 3.5 Trung bình 3.7 giây Trung bình 3.4 giây Kết luận: Trung bình khoảng 3.7 giây cho tầng 3.4 giây cho tầng để đèn chiếu sáng bật sau ấn điều khiển App điện thoại 5.2.5 Thời gian tắt đèn chiếu sáng App điện thoại Bảng 5.4 Thời gian bật đèn chiếu sáng App điện thoại Bo mạch phụ tầng Bo mạch phụ tầng SỐ LẦN THỜI GIAN (giây) SỐ LẦN THỜI GIAN (giây) 4.3 4.3 4.4 4.3 4.3 4.2 4.4 4.3 4.3 4.3 Trung bình 4.4 giây Trung bình 4.3 giây Kết luận: Trung bình khoảng 4.4 giây cho tầng 4.3 giây cho tầng để đèn chiếu sáng tắt sau ấn điều khiển App điện thoại 5.3 Nhận xét – đánh giá 5.3.1 Nhận xét Sau thời gian 15 tuần nghiên cứu thực đề tài, mạch đáp ứng yêu cầu thiết kế ban đầu Dưới số nhận xét: Ưu điểm: − Thao tác giám sát điều khiển đơn giản dễ sử dụng BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 55 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ − Có thể điều khiển giám sát đèn chiếu sáng từ bo mạch mà khơng cần sử dụng internet − Hiển thị thống số dịng, giá trị dịng điện bo mạch app điện thoại giúp dễ dàng phát lỗi khắc phục lỗi dễ dàng − Khoảng cách truyền LoRa xa, 500m mơi trường có vật cản km môi trường không vật cản − Ứng dụng giám sát điện thoại rõ ràng, dễ thao tác Khuyết điểm: Để giám sát thiết bị điện từ xa App điện thoại cần phải có mạng Internet, tốc độ đáp ứng hệ thống chưa cao phải phụ thuộc nhiều vào mạng Internet 5.3.2 Đánh giá Sau trình vận hành thử hệ thống, nhóm có đánh giá sau đây: Hệ thống hoạt động mục tiêu đề ban đầu ổn định Mơ Hình có tính thẩm mỹ, an toàn dễ sử dụng Thời gian đáp ứng chưa nhanh, khoảng 1.5 giây để bật, 1.8 giây để tắt đèn chiếu sáng Joystick Mất khoảng 3.7 giây để bật 4.4 giây để tắt đèn chiếu sáng App điện thoại Giá trị dịng điện đo có chênh lệch so với thiết bị đo, cụ thể 2.2% với tải 200W 3% với tải 300W, so với Ampe kìm BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH 56 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Chương trình bày kết luận nhóm đạt thơng qua đề tài với hướng phát triển để đề tài trở nên hoàn thiện 6.1 Kết luận Sau khoảng thời 15 tuần nghiên cứu tìm hiểu, nhóm hồn thành đồ án thi cơng mơ hình theo u cầu đặt ban đầu Trong q trình thực hiện, nhóm thu kết định Sản phẩm đạt yêu cầu giám sát dòng điện đo được, điều khiển trạng thái đèn chiếu sáng từ app điện thoại nút nhấn Hiển thị giá trị dòng điện đèn chiếu sáng trạng thái hoạt động app điện thoại hình LCD bo Sản phẩm đạt yêu cầu giám sát bao gồm: − Giám sát điều khiển qua app Android: dòng điện trạng thái hoạt động tất tầng − Điều khiển nút nhấn Joystick hiển thị LCD TFT bo − Điều khiển nút nhấn bo phụ − Tính tốn dòng điện hoạt động tầng gửi cho vi điều khiển để hiển thị LCD TFT gửi lên Firebase để hiển thị App 6.2 Hướng phát triển − Thêm chức xem lại thời gian chuyển đổi trạng thái tầng − Thêm camera giám sát tầng thông qua web Android − Xây dựng hệ thống cảnh báo có thiết bị bật/tắt hay bật lâu − Xây dựng tính hẹn giờ, thêm/xóa thiết bị App − Thêm chức tính tốn cơng suất, giá tiền điện tiêu thụ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Huỳnh Nguyễn Nhân Hậu, Thái Ngọc Hậu “Điều khiển thiết bị phòng học”, luận văn tốt nghiệp, ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM, 2018 [2] Phạm Văn Huy, “Thiết kế thi công hệ thống điều khiển thiết bị nhà”, luận văn tốt nghiệp, ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM, 2018 [3] Trần Minh Luân, Lâm Thành Đạt, “Thiết kế thi công thiết bị điều khiển nhà thông minh”, luận văn tốt nghiệp, ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM, 2018 [4] Nguyễn Đình Phú, “Giáo trình vi xử lý”, NXB Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM, 2016 [5] Trần Thu Hà, “Giáo trình điện tử bản”, NXB ĐH Quốc Gia Tp.HCM, 2013 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 58 PHỤ LỤC PHỤ LỤC Code cho bo mạch STM32F407VG DISCOVERY #include #include #include #include #include #include "SPI.h" "Adafruit_GFX.h" "Adafruit_ILI9341.h" "Arduino.h" "HardwareSerial.h" "TFT.h" #define #define #define #define #define #define #define #define #define debounce_time FloorXtft 57 FloorYtft 199 CmdXtft 210 CmdYtft 199 StateXtft 187 StateYtft 73 CurrentXtft 180 CurrentYtft 130 #define #define #define #define Midjoy Offset Leftjoy Rightjoy #define btn #define VRX 2011 200 Midjoy-Offset Midjoy+Offset PA1 PB0 #define fixed_part #define HAL_UART_MODULE_ENABLED #define HAL_ADC_MODULE_ENABLED #define TFT_CS #define TFT_DC #define TFT_RST PC5 PC4 PA4 Adafruit_ILI9341 tft = Adafruit_ILI9341(TFT_CS, TFT_DC, TFT_RST); HardwareSerial Serial3(USART3); const int dv_num = 2; const int pr_num = 3; //const int infor_num = 2; const char char1 = ','; const char char2 = '\n'; const char char3 = '