BÀI tập lớn môn FPGA và ỨNG DỤNG thiết kế vườn thông minh điều khiển qua FPGA và đồng bộ trên app điện thoại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA BÀI TẬP LỚN MÔN FPGA VÀ ỨNG DỤNG Thiết kế vườn thông minh điều khiển qua FPGA và đồng bộ trên app điện thoại Giảng viên[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA BÀI TẬP LỚN MƠN FPGA VÀ ỨNG DỤNG Thiết kế vườn thơng minh điều khiển qua FPGA đồng app điện thoại Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Đại Dương Danh sách thành viên nhóm 16: Họ tên Trần Trọng Dũng Cầm Minh Đức Lê Việt Hà Ninh La Văn Cảnh Hà Nội, 1/2022 MSSV 20181431 20181400 20181452 20181347 MỤC LỤC CHƯƠNG LỰA CHỌN PHẦN CỨNG .1 1.1 Mục tiêu 1.2 Thông tin phần cứng 1.3 1.2.1 Kit FPGA DE2 1.2.2 Cảm biến LM35 1.2.3 Cảm biến photodiode quang .3 1.2.4 Cảm biến độ ẩm đất 1.2.5 ADC0809 1.2.6 ESP8266 1.2.7 Blynk Sơ đồ nguyên lý .9 1.3.1 Khối ADC 10 1.3.2 Khối LCD .11 1.3.3 Khối truyền nhận UART 11 1.3.4 Khối Led 12 CHƯƠNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 13 CHƯƠNG KẾT LUẬN .14 3.1 Kết luận 14 3.2 Hướng phát triển 14 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1:Kit FPGA DE2 .1 Hình 2: Cảm biến nhiệt độ LM35 .2 Hình 3: Cảm biến photodiode quang Hình 4: Cảm biến độ ẩm đất .3 Hình 5: Module chuyển đổi LM393 Hình 6: ADC0809 Hình 7: ESP8266 Hình 8: Sơ đồ chân esp8266 .8 Hình 9: Sơ đồ nguyên lý 10 Hình 10: Sơ đồ khối .10 Hình 11: Khối ADC .10 Hình 12: Nguyên lý chuyển đổi ADC 11 Hình 13: Khối LCD 11 Hình 14: Khối UART .12 Hình 15: Sơ đồ truyền nhận 12 Hình 16: Khối Led .13 DANH MỤC BẢNG Bảng 1-1 Thông số kỹ thuật cảm biến LM35 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Cách mạng công nghiệp 4.0 mở mang lại nhiều hội tương lai cho nhiều lĩnh vực, không ngoại trừ nơng nghiệp Các mơ nơng trại thông minh, vườn thông minh, … phổ biến nhiều Tuy nhiên gặp nhiều thách thức vấn đề bảo mật, tính đồng khả kiểm sốt thơng số mơi trường Trong báo cáo này, chúng em xây dựng số thiết bị đo lường thông số môi trường ảnh hưởng đến vườn thông minh, độ ẩm, nhiệt độ ánh sáng Việc tìm hiểu cách tổng quát dòng cảm biến sử dụng phổ biến thực hiện, qua loại cảm biến phù hợp lựa chọn đưa vào thiết bị Một thiết bị mẫu xây dựng để chạy thử đánh giá tính khả thi giải pháp Ngồi chúng em tìm cách đồng việc kiểm sốt thơng số ứng dụng điện thoại để dễ theo dõi cảnh báo tính hướng xấu xảy CHƯƠNG LỰA CHỌN PHẦN CỨNG 1.1 Mục tiêu  Làm quen sử dụng KIT FPGA  Đọc xử lý tín hiệu từ đầu cảm biến LM35, LM393 photodiode quang  Hiện thị nhiệt độ độ ẩm lên LCD hiển thị ánh sáng qua Led 1.2 Thông tin phần cứng 1.2.1 Kit FPGA DE2 Kit FPGA DE2 với 33216 Logic Element Hình 1:Kit FPGA DE2 Đặc điểm Kit FPGA DE2: Kit DE2 có nhiều tính cho phép thiết kế thực khối lượng lớn hệ thống , mạch chức từ đơn giản đến phức tạp, có tính cung cấp sẵn kid như: - Altera Cyclone II 2C35 FPGA - Altera Serial Configuration device – EPCS 16 - USB blatster dung để lặp tình hệ thống từ pc, hỗ trợ chế độ JTAG điều khiển trực tiếp sử dụng NIOS II - 512 – Kbyte SRAM - – Mbyte SDRAM - – Mbyte nhớ FLASH - Khe cắm SD card - phím nhấn PushButton KEY [3:0] - 18 Swith - 18 đèn ledr đèn ledg - nguồn clock 50M 27 M - Chip giải mã âm 24 bits với jack cắm line-in, line-out microphone - VGA DAC - TV decoder (NTSC/PAL) với TV-in(Video-in) - Cổng 10/100 ethenet - Bộ điều khiển usb host/slave - Rs-232 với cổng kết nối chân - Cổng ps/2 giao tiếp với choột keyboard - Cổng hồng ngoại - 40 chân đế mở rộng 1.2.2 Cảm biến LM35 Hình 2: Cảm biến nhiệt độ LM35 Cảm biến nhiệt độ LM35 có điện áp Analog đầu tuyến tính theo nhiệt độ thường sử dụng để đo nhiệt độ môi trường theo dõi nhiệt độ thiết bị, , cảm biến có kiểu chân TO-92 với chân dễ giao tiếp sử dụng LM35 cảm biến đo nhiệt độ với điện áp đầu tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ LM35 không yêu cầu hiệu chuẩn bên ngồi để cung cấp độ xác điển hình ± ¼ °C nhiệt độ phịng ± ¾ °C phạm vi nhiệt độ từ -55 °C đến 150 °C Chi phí phù hợp với đề tài Vì thiết bị LM35 lấy 60 μA, nên sai số nhiệt độ dòng thấp phụ hợp ứng dụng điều khiển từ xa lượng thấp Bảng 1-1 Thông số kỹ thuật cảm biến LM35 STT Đối tượng Điện áp hoạt động Công suất tiêu thụ Khoảng đo Điện áp tuyến tính theo nhiệt độ Sai số Kiểu chân Kích thước sản phẩm Thông số 4-20 VDC 60 μA -55 – 150°C 10mV/°C 0.25°C TO92 4.3x4.3mm 1.2.3 Cảm biến photodiode quang Hình 3: Cảm biến photodiode quang Cảm biến ánh sáng Photodiode module nhạy cảm với cường độ ánh sáng môi trường xung quanh, thường sử dụng để phát độ sáng môi trường xung quanh cường độ ánh sáng, định hướng, gây có ánh sáng trực tiếp phía trước cảm biến, tìm kiếm cho hiệu ứng ánh sáng tốt hơn, xác Đặc điểm:  Điều chỉnh độ nhạy (màu xanh điều chỉnh chiết áp kỹ thuật số FIG)  Điện áp: 3.3- 5V  Output hình thức: DO đầu chuyển mạch kỹ thuật số (0 1) đầu analog AO  Kích thước: 3.2cm x 1.4cm 1.2.4 Cảm biến độ ẩm đất Bộ sản phẩm gồm cảm biến độ ẩm đất module chuyển đổi với ngõ Analog - Digital Cảm biến độ ẩm đất hoạt động với chế độ ngõ (Analog & Digital), trạng thái đầu mức thấp (0V), đất thiếu nước đầu mức cao (5V) 1.2.4.1 Cảm biến độ ẩm đất Hình 4: Cảm biến độ ẩm đất Hai đầu đo cảm biến cắm vào đất để phát độ ẩm Dùng dây nối cảm biến module chuyển đổi Thông tin độ ẩm đất đọc gởi tới module chuyển đổi 1.2.4.2 Module chuyển đổi Hình 5: Module chuyển đổi LM393 Module chuyển đổi có cấu tạo gồm IC so sánh LM393, biến trở , điện trở dán 100 ohm tụ dán Biến trở có chức định ngưỡng so sánh với tín hiệu độ ẩm đất đọc từ cảm biến Ngưỡng so sánh tín hiệu cảm biến đầu vào IC so sánh LM393 Khi độ ẩm thấp ngưỡng định trước, ngõ IC mức cao (1), ngược lại mức thấp (0) Đặc điểm  Điện áp hoạt động: 3.3V-5V  Kích thước PCB: 3cm * 1.6cm  Led báo hiệu  Led đỏ báo nguồn  Led xanh báo mức độ ẩm pin DO 1.2.5 ADC0809 Hình 5: ADC0809 ADC0809 là thiết bị CMOS tích hợp với một bộ chuyển đổi từ tương tự sang số bit, chọn kênh logic điều khiển tương thích Bộ chuyển đổi AD 8bit dùng phương pháp chuyển đổi xấp xỉ tiếp Bộ chọn kênh truy xuất kênh ngõ vào tương tự cách độc lập ADC0809 loại trừ khả cần thiết điều chỉnh điểm bên khả điều chỉnh tỉ số làm tròn ADC0809 dễ dàng giao tiếp với vi xử lý Thông số kỹ thuật:          Độ phân giải 8bit          Tổng sai số chưa chỉnh định: 1/2LSB, 1LSB          Nguồn cung cấp: +5V          Điện áp ngõ vào:  0-5V          Tần số xung clock: 10kHz-1280 kHz           Nhiệt độ hoạt động: -40 ~ 85oC 1.2.6 ESP8266 Hình 7: ESP8266 ESP8266 hệ thống chip (SoC), công ty Espressif Trung Quốc sản xuất Nó bao gồm vi điều khiển Tensilica L106 32-bit (MCU) thu phát Wi-Fi Nó có 11 chân GPIO (Chân đầu vào / đầu đa dụng) đầu vào analog, có nghĩa bạn lập trình giống với Arduino vi điều khiển khác Bản thân chip ESP8266 có 17 chân GPIO, số chân (6-11) sử dụng để giao tiếp với chip nhớ flash bo mạch Ngồi có kết nối Wi-Fi, bạn sử dụng để kết nối với mạng Wi-Fi, kết nối Internet, lưu trữ máy chủ web với trang web thực ESP8266 dùng làm module Wifi bên ngoài, sử dụng firmware tập lệnh AT tiêu chuẩn cách kết nối với vi điều khiển sử dụng UART nối tiếp trực tiếp làm vi điều khiển hỗ trợ Wifi, cách lập trình chương trình sở sử dụng SDK cung cấp Các chân GPIO cho phép IO Analog Digital, cộng với PWM, SPI, I2C, v.v ESP8266 có nhiều ứng dụng nói đến IoT Đây số chức mà chip sử dụng Các tính chip ESP8266EX bao gồm:  Bộ xử lý: Lõi vi xử lý L106 32-bit RISC dựa Tiêu chuẩn Tensilica Xtensa Diamond, hoạt động tần số 80 MHz và SRAM chip  Bộ nhớ nội: Bộ nhớ nội ESP8266EX bao gồm SRAM ROM ESP8266EX truy xuất nhớ thơng qua interface iBus, dBus, AHB Kích thước SRAM nhỏ 36kB ESP8266EX hoạt động chế độ station ROM ESP8266EX khơng lập trình nên chương trình lưu Flash ngoại  Flash ngoại: ESP8266EX sử dụng flash ngoại để lưu trữ chương trình boot trực tiếp chương trình từ bus SPI. Kích thước flash ngoại mặc định khác với loại module ESP8266, ESP-01 có kích thước flash ngoại 1MB, ESP-12E có kích thước flash ngoại 16MB. Nếu chương trình sử dụng kích thước lớn kích thước mặc định flash ngoại với kích thước lớn phải sử dụng nhiên kích thước flash ngoại tối đa mặt lý thuyết cho phép 16 MB. Kích thước nhớ flash nhỏ 512 kB (tắt chế độ OTA) MB (bật chế độ OTA)  IEEE 802.11 b/g/n Wi-Fi: o Tích hợp TR switch, balun, LNA, khuếch đại công suất mạng kết hợp o Xác thực WEP hoặc WPA/WPA2 hoặc mạng mở password  17 chân GPIO: Các chân được dồn kênh cho chức I²C, I2S, UART, PWM, IR - điều khiển từ xa,…       hardware timer 23 bit: FRC1 FRC2 3 SPI: general Slave/Master SPI, Slave SDIO/SPI general Slave/Master HSPI I²C: Hỗ trợ I²C hoạt động chế độ master slave Vì GPIO cấu hình chế độ cực máng hở nên GPIO cấu hình cho chân SDA hay SCL I²C phần mềm Giao diện I²S với DMA (sử dụng chung chân với GPIO) UART: Hỗ trợ UART UART0 UART1 UART0 sử dụng GPIO3 (RX) GPIO1 (TX) UART1 sử dụng GPIO2 (TX) GPIO8 (TX) Tuy nhiên GPIO8 dùng để kết nối nhớ flash chip nên UART1 sử dụng GPIO2 để truyền liệu ADC 10 bit Sơ đồ chân module ESP-01: GND, chân đất (0 V) GPIO (General-purpose input/output No 2) GPIO (General-purpose input/output No 0) RX, nhận bit liệu X, GPIO3 VCC, chân điện áp (+3.3 V; chịu điện áp đến 3.6 V) RST, Reset CH_PD, Chip tắt nguồn (Chip power-down) TX, truyền bit liệu X, GPIO1 Hình 8: Sơ đồ chân esp8266 1.2.7 Blynk Blynk thiết kế cho Internet of Things Nó điều khiển thiết bị phần cứng từ xa, hiển thị liệu cảm biến, lưu trữ liệu, … nhiều điều thú vị khác Có ba thành phần tảng: Blynk App - cho phép tạo giao diện cho sản phẩm bạn cách kéo thả widget khác mà nhà cung cấp thiết kế sẵn Blynk Server - chịu trách nhiệm xử lý liệu trung tâm điện thoại, máy tính bảng phần cứng Bạn sử dụng Blynk Cloud Blynk cung cấp tự tạo máy chủ Blynk riêng bạn Vì mã nguồn mở, nên bạn dễ dàng intergrate vào thiết bị chí sử dụng Raspberry Pi làm server bạn Library Blynk – support cho hầu hết tất tảng phần cứng phổ biến - cho phép giao tiếp với máy chủ xử lý tất lệnh đến Bây tưởng tượng: bạn nhấn nút ứng dụng Blynk, yêu cầu chuyển đến server Blynk, server kết nối đến phần cứng bạn thông qua library Tương tự thiết bị phần cứng truyền liệu ngược lại đến server Tính năng, đặc điểm  Cung cấp API & giao diện người dùng tương tự cho tất thiết bị phần cứng hỗ trợ  Kết nối với server cách sử dụng: o Wifi        o Bluetooth BLE o Ethernet o USB (Serial) o GSM o … Các tiện ích giao diện nhà cung cấp dễ sử dụng Thao tác kéo thả trực tiếp giao diện mà khơng cần viết mã Dễ dàng tích hợp thêm chức cách sử dụng cổng kết nối ảo tích hợp blynk app Theo dõi lịch sử liệu Thông tin liên lạc từ thiết bị đến thiết bị Widget Gửi email, tweet, thơng báo realtime Được cập nhật tính liên tục 1.3 Sơ đồ nguyên lý Hình 6: Sơ đồ nguyên lý Hình 7: Sơ đồ khối 10 1.3.1 Khối ADC Hình 8: Khối ADC Cách hoạt động khối: Cấp thông số cảm biến gửi vào kênh 0,1,2 ADC sau ADC xử lí chuyển đổi điện áp từ cảm biến cấp mã hóa tạo bits kênh Ơ ta cần lựa chọn kênh để đo byte dang bits chuyển đổi khối điều khiển Để ADC chuyển đổi cần xung phù hợp 460 theo datasheet có chân vào điều khiển hình ảnh ngun lí chuyển đổi: Hình 9: Nguyên lý chuyển đổi ADC 11 1.3.2 Khối LCD Hình 10: Khối LCD Gồm đầu vào chứa thông số nhiệt độ độ ẩm Tương tự có đầu cho nhiệt độ độ ẩm 1.3.3 Khối truyền nhận UART Hình 11: Khối UART 12 Hình 12: Sơ đồ truyền nhận Theo lý thuyết để đồng app điện thoại khối chấp hành có luồng tín hiệu truyền từ xuống truyền từ lên liên tục Tuy nhiên có nhiều lúc xảy mâu thuẫn truyền nhận nên chúng em định gửi nhận theo dạng ngắt, tức lúc gửi lúc nhận Khi nhấn điều khiển app gửi xuống nhấn nút thiết bị gửi lên Và để cập nhật liệu nhiệt độ, độ ẩm ánh sang chúng em thêm đường truyền lên gửi liên tục 1.3.4 Khối Led Hình 13: Khối Led Có chế độ tự động( auto) điều khiển( control) Khi kết nối esp8266 chế độ điều khiển Cịn chế độ auto có trường hợp:  Trường hợp 1: nhấn auto app  Trường hợp 2: kết nối wifi rút esp8266 13 CHƯƠNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC Hình 1: Kết Sau hồn thiện chương trình nạp code cho kit FPGA DE2, giá trị đo ổn định xác 14 CHƯƠNG KẾT LUẬN 3.1 Kết luận Với mục tiêu đặt cho thiết kế chúng em hồn thành mục tiêu sau:     Đọc giá trị từ cảm biến Hiển thị nhiệt độ độ ẩm LCD Hiển thị độ sáng qua Led Điều khiển thông số qua phần cứng FPGA điều khiển qua app điện thoại 3.2 Hướng phát triển Trên sở kết đạt được, nhóm chúng em đặt hướng phát triển cho đề tài sau:  Cải thiện độ xác thiết bị  Mở rộng, đo thêm thông số khác  Phát triển thêm thống cảnh báo nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng vượt qua mức quy định vườn 15 ... qua Led Điều khiển thông số qua phần cứng FPGA điều khiển qua app điện thoại 3.2 Hướng phát triển Trên sở kết đạt được, nhóm chúng em đặt hướng phát triển cho đề tài sau:  Cải thiện độ xác thiết. .. bên ngoài, sử dụng firmware tập lệnh AT tiêu chuẩn cách kết nối với vi điều khiển sử dụng UART nối tiếp trực tiếp làm vi điều khiển hỗ trợ Wifi, cách lập trình chương trình sở sử dụng SDK cung... photodiode quang  Hiện thị nhiệt độ độ ẩm lên LCD hiển thị ánh sáng qua Led 1.2 Thông tin phần cứng 1.2.1 Kit FPGA DE2 Kit FPGA DE2 với 33216 Logic Element Hình 1:Kit FPGA DE2 Đặc điểm Kit FPGA DE2: