Thiết kế hệ thống quản lý thiết bị trong nhà

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUẢN LÝ THIẾT BỊ TRONG NHÀ S K C 0 9 MÃ SỐ: SV2021 - 87 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: NGUYỄN CHÍNH NGHIỆP S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 6/2021 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUẢN LÝ THIẾT BỊ TRONG NHÀ MÃ SỐ: 087 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ Thuật Máy tính – Viễn Thơng SV thực hiện: Nguyễn Chính Nghiệp Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 17119CL2 – Khoa Đào tạo Chất lượng cao Năm thứ: Số năm đào tạo: Ngành học: Cơng nghệ kỹ thuật máy tính Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Văn Hiệp TP Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2021 LỜI CẢM ƠN Trước tiên với tình cảm sâu sắc chân thành, cho phép em bày tỏ lòng biết ơn đến tất thành viên lớp thầy cô trường tạo điều kiện hỗ trợ, giúp đỡ em suốt trình học tập nghiên cứu đề tài nghiên cứu khoa học Trong suốt thời gian từ bắt đầu học tập trường đến nay, em nhận nhiều quan tâm, giúp đỡ quý thầy cô bạn bè Và đặc biệt nhóm xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến ThS Nguyễn Văn Hiệp, người tận tình hướng dẫn, bảo nhóm suốt q trình làm đồ án Một lần nhóm xin cảm ơn thầy cô giáo trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh nói chung, thầy Bộ mơn Kỹ Thuật Máy Tính-Viễn Thơng nói riêng dạy dỗ cho chúng em kiến thức môn đại cương môn chuyên ngành, giúp chúng em có sở lý thuyết vững vàng tạo điều kiện giúp đỡ chúng em suốt trình học tập Trong trình nghiên cứu, tìm hiểu thực đề tài khơng tránh khỏi sai sót Nhóm thực mong nhận góp ý từ Thầy để đề tài hồn thiện ứng dụng thực tế Nhóm thực xin chân thành cảm ơn! i MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .v DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ vi CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề .1 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4 Bố cục trình bày đề tài CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Thiết kế phần cứng 2.1.1 Arduino Mega 2560 2.1.2 Kit thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU .4 2.1.3 Kit thu phát WiFi ESP32 Camera ESP32-CAM .5 2.1.4 Module SIM800L 2.1.5 Module hạ áp 2.1.6 Linh kiện hiển thị 2.1.7 Module relay 11 2.1.8 Module cảm biến chất lượng khơng khí MQ-135 12 2.1.9 Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 13 2.1.10 Cảm biến dòng điện ACS712 14 2.1.11 Bàn phím ma trận 15 2.2 Chuẩn giao tiếp 16 2.2.1 Chuẩn giao tiếp I2C 16 2.2.2 Chuẩn giao tiếp UART .18 2.3 Phần mềm hỗ trợ lập trình - thiết kế .21 2.3.1 Phần mềm lập trình Arduino IDE 21 2.3.2 Phần mềm thiết kế app .22 CHƯƠNG 24 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG 24 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 24 3.1.1 Yêu cầu hệ thống 24 3.1.2 Sơ đồ khối chức khối 24 ii 3.2 Thiết kế, tính tốn hệ thống 26 3.2.1 Khối xử lý trung tâm 27 3.2.2 Khối thông báo điện thoại 28 3.2.3 Khối giao tiếp mạng WiFi 28 3.2.4 Khối cảm biến 29 3.2.5 Khối hiển thị 29 3.2.6 Khối nút nhấn 30 3.2.7 Khối chấp hành 30 3.2.8 Khối nguồn 31 3.3 Lập trình phần cứng 32 3.3.1 Chức phần cứng .32 3.3.2 Lưu đồ phần cứng .32 3.4 Thiết kế ứng dụng điện thoại 34 3.4.1 Chức ứng dụng 34 3.4.2 Lưu đồ lập trình app 35 3.4.3 Bố cục giao diện app 37 3.5 Kết nối hệ thống 41 3.5.1 Kết nối phần cứng giao tiếp sở liệu .41 3.5.2 Kết nối app điện thoại giao tiếp sở liệu 42 3.5.3 Kết nối hệ thống giao tiếp hoàn chỉnh 42 CHƯƠNG 43 KẾT QUẢ THỰC HIỆN, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ .43 4.1 Thi công mạch 43 4.2 Thiết kế giao diện app Android Studio 45 4.3 Kết nối hệ thống hoàn chỉnh .47 CHƯƠNG 49 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .49 5.1 Kết luận 49 5.2 Hướng phát triển .49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT SMS Short Message Service I2C Inter Integrated Circuit UART RISC SRAM Universal Asynchronous Receiver Transmitter Reduced Instruction Set Computer Static Random Access Memory ADC Analog to Digital Converter PWM Pulse Width Modulation USB Universal Serial Bus CAN Controller Area Network SPI Serial Peripheral Interface SOC System On A Chip IOT Internet Of Things LCD IDE CSDL Liquid Crystal Display Integrated Development Environment Cơ Sở Dữ Liệu iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng Sơ đồ chân LCD .9 Bảng Bảng tính dịng điện tiêu thụ .31 v DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ Hình Bo mạch Arduino Mega 2560 .3 Hình 2 Kit thu phát WiFi ESP8266 NodeMCU Hình Kit thu phát WiFi ESP32 Camera ESP32-CAM .5 Hình Module SIM800L Hình Module hạ áp AMS1117 .7 Hình Module hạ áp XL4015 Hình Màn hình LCD 20x4 Hình Module chuyển đổi I2C cho LCD .10 Hình Module relay có opto cách ly 11 Hình 10 Module cảm biến chất lượng khơng khí MQ-135 12 Hình 11 Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 13 Hình 12 Cảm biến dịng điện ACS712 14 Hình 13 Bàn phím ma trận mềm 4x4 15 Hình 14 Tổng quan bus I2C 16 Hình 15 Sơ đồ khối UART 19 Hình 16 Truyền thơng UART .19 Hình 17 Giao diện phần mềm Arduino IDE 21 Hình 18 Giao diện phần mềm Android Studio .22 Hình Sơ đồ khối hệ thống 24 Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống 26 Hình 3 Khối xử lý trung tâm kết nối ngõ vào 27 Hình Khối thơng báo điện thoại 28 Hình Khối giao tiếp mạng WiFi 28 Hình Khối cảm biến 29 Hình Khối hiển thị 29 Hình Khối nút nhấn 30 vi Hình Khối chấp hành 30 Hình 10 Lưu đồ lập trình Arduino Mega 2560 .33 Hình 11 Lưu đồ lập trình ESP8266 .34 Hình 12 Lưu đồ giao diện app 35 Hình 13 Lưu đồ giao diện điều khiển app 36 Hình 14 Lưu đồ giao diện giám sát app 36 Hình 15 Lưu đồ giao diện thống kê app 37 Hình 16 Màn hình .38 Hình 17 Màn hình điều khiển thiết bị 39 Hình 18 Màn hình thống kê 40 Hình 19 Màn hình giám sát 41 Hình 20 Sơ đồ khối phần cứng giao tiếp sở liệu Google Firebase .42 Hình 21 Sơ đồ khối app điện thoại giao tiếp sở liệu Google Firebase .42 Hình Vẽ mạch in phần mềm Proteus 43 Hình Mơ 3D phần mềm Proteus 43 Hình Mạch in 44 Hình 4 Mạch điện hệ thống 44 Hình Giao diện app 45 Hình Giao diện điều khiển thiết bị .45 Hình Giao diện giám sát chưa bật camera IP (trái) bật camera IP (phải).46 Hình Giao diện thống kê 46 Hình Mơ hình tổng thể hệ thống 47 Hình 10 Màn hình LCD hiển thị thơng số 47 Hình 11 Đèn phịng bật 48 vii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUẢN LÝ THIẾT BỊ TRONG NHÀ - SV thực hiện: Nguyễn Chính Nghiệp Mã số SV: 17119035 Đoàn Tạ Minh Triết 17119050 Nguyễn Đình Hoan 17119022 Nguyễn Trọng Bằng 17119005 Trần Đức Anh 17119003 - Lớp: 17119CL2 Khoa: Đào tạo Chất lượng cao Năm thứ: Số năm đào tạo: - Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Văn Hiệp Mục tiêu đề tài: - Bật tắt thiết bị qua app điện thoại - Báo cháy - Hiển thị ngày giờ, nhiệt độ, độ ẩm - Giám sát qua camera Tính sáng tạo: - Điều khiển thiết bị dễ dàng smartphone - Ứng dụng điều khiển không bị giới hạn khoảng cách, địa lý - Thống kê nhiệt độ, độ ẩm theo thời gian - Đo công suất tiêu thụ - Giám sát từ xa qua camera IP Kết nghiên cứu: - Thiết kế mạch in điện tử - Thiết kế, thi cơng mơ hình - Thiết kế ứng dụng Android Đóng góp mặt giáo dục đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng khả áp dụng đề tài: - Hệ thống mơ hình phù hợp cho học tập công nghệ IoT, thiết kế Hệ thống nhúng Lập trình ứng dụng di động Công bố khoa học SV từ kết nghiên cứu đề tài (ghi rõ tên tạp chí có) nhận xét, đánh giá sở áp dụng kết nghiên cứu (nếu có): Ngày tháng năm SV chịu trách nhiệm thực đề tài (kí, họ tên) viii Hình 15 Lưu đồ giao diện thống kê app 3.4.3 Bố cục giao diện app 37 3.4.3.1 Màn hình - Từ hình chính, app hiển thị thơng số ngày giờ, nhiệt độ, độ ẩm, thống kê thiết bị điện bật, hiển thị công suất tiêu thụ hệ thống - Có thể chuyển đổi qua lại chế độ xem chi tiết, điều khiển thiết bị điện cách nhấp vào thông số qua popup menu Hình 16 Màn hình - Phía hình hiển thị thời gian, nút menu - Từ giao diện ta chuyển sang giao diện khác hình điều khiển, hình thống kê, hình giám sát, … 3.4.3.2 Màn hình điều khiển 38 Hình 17 Màn hình điều khiển thiết bị - Điều khiển bật/tắt thiết bị switch - Điều khiển độ sáng đèn trượt 3.4.3.3 Màn hình thống kê 39 Hình 18 Màn hình thống kê - Người dùng chọn ngày, tháng, năm, app vẽ biểu đồ thông số nhiệt độ, độ ẩm theo ngày chọn 3.4.3.4 Màn hình giám sát 40 Hình 19 Màn hình giám sát - Theo dõi hình ảnh quay từ camera IP - Điều khiển bật/tắt hồng ngoại camera, thích hợp để giám sát vào ban đêm - Khởi động lại camera từ xa gặp cố - Hỗ trợ lấy IP động từ router mạng 3.5 Kết nối hệ thống 3.5.1 Kết nối phần cứng giao tiếp sở liệu 41 Hình 20 Sơ đồ khối phần cứng giao tiếp sở liệu Google Firebase - Khối giao tiếp mạng WiFi kết nối với sở liệu Google Firebase thông qua mã xác thực - Khối xử lý trung tâm đọc giá trị từ Khối cảm biến, gửi qua Khối giao tiếp mạng WiFi - Khối giao tiếp mạng WiFi nhận, xử lý gửi lên Google Firebase 3.5.2 Kết nối app điện thoại giao tiếp sở liệu Hình 21 Sơ đồ khối app điện thoại giao tiếp sở liệu Google Firebase - App điện thoại kết nối với sở liệu Google Firebase thông qua mã xác thực - App điện thoại đọc liệu từ Google Firebase bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, công suất - Hiển thông tin hình điện thoại 3.5.3 Kết nối hệ thống giao tiếp hoàn chỉnh Hệ thống kết nối hoàn chỉnh giao tiếp thành công giai đoạn: - Phần cứng hệ thống với sở liệu - App điện thoại giao tiếp với sở liệu Điều khiển thiết bị cách thay đổi giá trị điều khiển app điện thoại, từ Khối giao tiếp mạng WiFi nhận giá trị điều khiển chức tương ứng 42 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ 4.1 Thi công mạch Từ sơ đồ nguyên lý, nhóm chuyển thành layout mạch thực tế, bố trí linh kiện cho hợp lý thi công mạch in lắp ráp linh kiện Hình Vẽ mạch in phần mềm Proteus Từ mạch nguyên lý, ta bắt đầu bố trí linh kiện cho phù hợp Kết nối, dây cho linh kiện Hình Mô 3D phần mềm Proteus Mô linh kiện bố trí dạng 3D, hỗ trợ dễ dàng cho việc thi công, lắp ráp linh kiện thực tế 43 Hình Mạch in Từ sơ đồ dây, ta có sơ đồ in thi cơng mạch Từ thực rửa mạch, khoan, hàn linh kiện Hình 4 Mạch điện hệ thống Mạch sau thi công, nhận thấy nguồn hạ áp tỏa nhiệt cao Để phòng tránh nhiệt gây hư hại cho linh kiện khác, nhóm trang bị thêm quạt tản nhiệt cho hạ áp 44 4.2 Thiết kế giao diện app Android Studio App điện thoại xử lý công việc sau: hiển thị thời gian, nhiệt độ, độ ẩm, công suất tiêu thụ App thực chức điều khiển thiết bị, thống kê, giám sát Hình Giao diện app App thiết kế Android Studio có giao diện hình trên, từ ta thấy số thơng tin ngày giờ, nhiệt độ, độ ẩm, số thiết bị bật, cơng suất tiêu thụ Hình Giao diện điều khiển thiết bị Từ giao diện này, bật tắt switch app để thay đổi giá trị Từ Khối giao tiếp mạng WiFi tiếp nhận gửi qua Khối xử lý trung tâm để điều khiển thiết bị điện 45 Hình Giao diện giám sát chưa bật camera IP (trái) bật camera IP (phải) Từ giao diện này, ta chọn chế độ IP (tĩnh động) cho việc kết nối tới camera Khi camera hoạt động, ta điều khiển hoạt động camera việc nhấn vào nút bên Hình Giao diện thống kê Trong giao diện này, ta chọn thời gian cần vẽ biểu đồ, app vẽ biểu đồ nhiệt độ, độ ẩm đo ngày Giao diện hỗ trợ xóa tồn liệu đo, cập nhật liệu vào biểu đồ 46 4.3 Kết nối hệ thống hoàn chỉnh Từ mục tiêu đề ra, nhóm hồn thiện mơ hình “Hệ thống điều khiển thiết bị nhà”, với mơ hình ngơi nhà, bên có cảm biến, bàn phím ma trận, đèn led tượng trưng cho thiết bị nhà Hình Mơ hình tổng thể hệ thống Hệ thống lắp ráp hoàn chỉnh, hệ thống mơ hình ngơi nhà với bàn phím ma trận 4x4, cịi báo động Hình 10 Màn hình LCD hiển thị thơng số Khi hệ thống khởi động, ta thấy giao diện hình Hiển thị thơng số thời gian, nhiệt độ, độ ẩm phòng ngủ Bên mơ hình, đèn tượng trưng cho thiết bị nhà, ổ cắm điện điều khiển bật tắt thơng qua relay gắn bên mơ hình 47 Hình 11 Đèn phịng bật Các đèn bật thơng qua app thành cơng Ngồi để thuận tiện cho việc điều khiển, bàn phím ma trận giúp điều khiển bật tắt thiết bị tay không cần thông qua app điện thoại 48 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận Sau thời gian nghiên cứu, tìm hiểu đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị nhà”, nhóm hồn thành đáp ứng tốt yêu cầu đề Các khối chức hoạt động đúng, đảm bảo cập nhật liệu xác Đề tài nghiên cứu khoa học nhóm thực đạt 100% mục tiêu đặt Arduino Mega 2560 kit ESP8266 NodeMCU hạn chế nhiều tác vụ chạy lúc khơng thể đáp ứng tốc độ xử lý nhanh Các cảm biến có giá thành phù hợp, khả kết nối linh hoạt với chất lượng đo đạc phù hợp cho ứng dụng nhỏ Từ ý trên, nhóm rút ưu, nhược điểm hệ thống: Ưu điểm - Hoàn thành mục tiêu đề Bật tắt thiết bị thông qua app điện thoại bàn phím cứng Hệ thống gọi điện phát khói, khí gas Khơng giới hạn khoảng cách điều khiển, miễn hệ thống có kết nối WiFi - 5.2 Nhược điểm - Hệ thống có độ trễ, phụ thuộc nhiều vào tốc độ mạng Bàn phím cứng chưa đồng với app điện thoại Chức hệ thống chưa ổn định, kit ESP8266 NodeMCU Arduino Mega 2560 thường không ổn định, dễ gây lỗi tự động reset Hướng phát triển - Cải thiện tốc độ điều khiển thiết bị qua app - Nghiên cứu, sử dụng nâng cấp Arduino Mega, kit ESP8266 có độ ổn định cao - Phát triển hệ thống tốt hơn, ứng dụng vào thực tế, tảng cho nhà thông minh 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyen Bao Ngoc, "Giao tiếp I2C," 29 11 2018 [Online] Available: https://www.semiconvn.com/home/hoc-thiet-ke-vi-mach/bai-hc-vimch/12458-giao-tip-i2c.html [2] Quynh ADV, "Khái niệm truyền thông UART, sơ đồ khối, ứng dụng," 27 12 2018 [Online] Available: https://advancecad.edu.vn/khai-niemco-ban-ve-truyen-thong-uart-so-do-khoi-ung-dung/ [3] SIMCom, "SIM800H&SIM800L_Hardware Design_V2.02," 2015 [4] Ai-thinker Team, "ESP-01 WiFi Module," 2015 [5] Maxim Integrated Products, "DS1307," 2015 [6] Kexin, "Low Dropout Linear Regulator" [7] XLSEMI, "XL4015" [8] Hitachi, "HD44780U (LCD-II)" [9] Texas Instruments, "PCF8574," 2015 [10] Hanwei Electronics Group Corporation, "MQ-135 GAS SENSOR" [11] Mouser Electronics, "DHT11 Humidity & Temperature Sensor" [12] "Android Studio," 13 01 2021 [Online] Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Android_Studio [13] "Arduino IDE," 03 03 2021 [Online] Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Arduino_IDE [14] "ESP8266EX," Espressif Systems, 2020 [15] "ACS712," Allegro MicroSystems, 2007 [16] "8-bit Atmel Microcontroller," Atmel, 2014 [17] DFRobot, "ESP32-CAM Development Board," 2019 50 S K L 0 ... tài ? ?Thiết kế hệ thống quản lý thiết bị nhà? ?? Đó tảng cho sinh viên thực mơ hình Nhà thơng minh nhỏ riêng 1.2 Mục tiêu đề tài Thiết kế, thi cơng mơ hình ? ?Hệ thống quản lý thiết bị nhà? ??, hệ thống. .. CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 3.1.1 Yêu cầu hệ thống Quản lý thiết bị nhà cách thông minh Điều khiển thiết bị dễ dàng smartphone Hệ thống cho phép điều khiển thiết bị. .. tính toán thiết kế hệ thống, sơ đồ khối, thiết kế sơ đồ nguyên lý, lập trình chức phần cứng, thiết kế app kết nối hệ thống) Chương 4: KẾT QUẢ THỰC HIỆN, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ Chương 5: KẾT LUẬN