BÁO CÁO BTL THIẾT KẾ HỆ NHÚNG HỆ THỐNG IOT THEO DÕI NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM VÀ ĐIỀU KHIỂN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG th an co ng c om  g BÁO CÁO BTL THIẾT KẾ HỆ NHÚNG u du on HỆ THỐNG IOT THEO DÕI NHIỆT ĐỘ, cu GVHD: Các thành viên ĐỘ ẨM VÀ ĐIỀU KHIỂN TS Ngơ Vũ Đức Nguyễn Văn Tiến Nguyễn Hồng Anh Nguyễn Văn Long Phan Thanh Việt 20133956 20130138 20132394 20134592 KT ĐT-TT 01 K58 KT ĐT-TT 08 K58 KT ĐT-TT 01 K58 KT ĐT-TT 07 K58 Hà Nội, ngày 26 tháng 11 năm 2017 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG c om  ng BÁO CÁO BTL THIẾT KẾ HỆ NHÚNG co HỆ THỐNG IOT THEO DÕI NHIỆT ĐỘ, an ĐỘ ẨM VÀ ĐIỀU KHIỂN th TS Ngô Vũ Đức Nguyễn Văn Tiến Nguyễn Hoàng Anh Nguyễn Văn Long Phan Thanh Việt 20133956 20130138 20132394 20134592 KT ĐT-TT 01 K58 KT ĐT-TT 08 K58 KT ĐT-TT 01 K58 KT ĐT-TT 07 K58 cu u du on g GVHD: Các thành viên: Hà Nội, ngày 26 tháng 11 năm 2017 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt BTL - Hệ thống IOT theo dõi nhiệt độ, độ ẩm điều khiển 2017 LỜI MỞ ĐẦU Ngày giới nói chung nước ta nói riêng, phát triển diễn mạnh mẽ tồn diện lĩnh vực đời sống hoạt động xã hội lồi người Cuộc cách mạng cơng nghiệp 4.0 tác động tới hoạt động sản xuất người, giúp cải tiến phương thức sản xuất, nâng cao suất lao động Ứng dụng IOT (Internet of Thing) sản xuất trở thành nhu cầu cấp thiết, khơng tính tiện dụng mà phù hợp với xu phát triển om Với nhu cầu thực tiễn vốn kiến thức học trường cộng thêm mong muốn làm thiết bị ứng dụng thực tiễn Nhóm chúng em chọn đề tài: Hệ thống IOT theo dõi nhiệt độ, độ ẩm điều khiển cho môn học Thiết kế hệ thống nhúng co ng c Trong trình thực đề tài này, chúng em cố gắng để hoàn thành tốt có lẽ vốn kiến thức cịn hạn hẹp yếu tố khách quan khác mà không tránh khỏi thiếu sót Chúng em mong đóng góp ý kiến, phê bình hướng dẫn thêm thầy cô th an Cuối chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Ngô Vũ Đức – người hướng dẫn tận tình, giảng giải chi tiết giúp chúng em thực tập lớn cu u du on g Chúng em xin chân thành cảm ơn! 1/12/2017 CuuDuongThanCong.com Page https://fb.com/tailieudientucntt BTL - Hệ thống IOT theo dõi nhiệt độ, độ ẩm điều khiển 2017 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU DANH MỤC HÌNH ẢNH A GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Ứng dụng hệ thống IoT theo dõi nhiệt độ, độ ẩm điều khiển B TÌM HIỂU YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA THIẾT BỊ VÀ CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT LIÊN QUAN .7 Giới thiệu chung Arduino om Arduino Uno 2.1 Vi điều khiển 10 c 2.2 Nguồn 11 2.3 Các cổng vào 11 ng 2.4 Bộ nhớ 13 co ThingSpeak 13 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 14 an WiFi Module - ESP8266 15 th 5.1 Mô tả 15 g 5.2 Tính 15 on 5.3 Sơ đồ chân: 16 du Module SIM 900A 17 6.1 Giới thiệu Module SIM900A 17 u 6.2 Kết nối với Arduino 17 cu 6.3 Một số lệnh AT cho SIM900A 18 C THIẾT KẾ HỆ THỐNG 19 Sơ đồ khối hệ thống 19 Sơ đồ nối dây module 20 Code 21 Thực mạch, kết chạy kiểm thử 23 D TÀI LIỆU THAM KHẢO 26 PHỤ LỤC 27 1/12/2017 CuuDuongThanCong.com Page https://fb.com/tailieudientucntt BTL - Hệ thống IOT theo dõi nhiệt độ, độ ẩm điều khiển 2017 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Arduino Uno Hình Vi điều khiển Arduino 10 Hình Các chân vào 11 Hình Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 14 Hình Module ESP8266 15 Hình Sơ đồ chân ESP8266 16 om Hình Module SIM900A 17 Hình Sơ đồ khối hệ thống .19 c Hình Sơ đồ nối dây module 20 ng Hình 10 Mạch lắp ráp thực tế 23 Hình 11 Kết trả mạch qua cổng Serial máy tính .24 co Hình 12 Giao diện theo dõi nhiệt độ, độ ẩm cập nhật ThingSpeaks .24 cu u du on g th an Hình 13 Giao tiếp với hệ thống qua tin nhắn 25 1/12/2017 CuuDuongThanCong.com Page https://fb.com/tailieudientucntt BTL - Hệ thống IOT theo dõi nhiệt độ, độ ẩm điều khiển 2017 A GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Ứng dụng hệ thống IoT theo dõi nhiệt độ, độ ẩm điều khiển cu u du on g th an co ng c om Hệ thống IoT theo dõi nhiệt độ, độ ẩm điều khiển có chức đo đạc, nhận liệu từ cảm biến, gửi lên web qua mạng internet Từ liệu có có ứng dụng sau:  Theo dõi tình hình thời tiết (nhiệt độ, độ ẩm)  Có thể ứng dụng làm hệ thống cảnh báo cháy VD: giá trị nhiệt độ cao độ ẩm khơng khí thấp, thiết bị phát cảnh báo cháy tín hiệu gửi lên web tín hiệu cảnh báo Có thể sử dụng cửa hàng, khu vực dễ xảy cháy nổ, khu vực rừng vào mùa khơ,…  Có thể ứng dụng trồng trọt, chăn nuôi, theo dõi điều khiển thiết bị để trì điều kiện nhiệt độ độ ẩm đảm bảo cho trồng, vật ni ln có điều kiện phát triển tốt nhất, giúp tăng suất cho việc sản xuất nông nghiệp 1/12/2017 CuuDuongThanCong.com Page https://fb.com/tailieudientucntt BTL - Hệ thống IOT theo dõi nhiệt độ, độ ẩm điều khiển 2017 B TÌM HIỂU YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA THIẾT BỊ VÀ CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT LIÊN QUAN Giới thiệu chung Arduino  Arduino công ty phần mềm, dự án, cộng đồng người dùng thiết kế sản xuất máy tính phần cứng nguồn mở, phần mềm mã nguồn mở, vi điều khiển dựa công cụ để xây dựng thiết bị kỹ thuật số đối tượng tương tác cảm nhận điều khiển thiết bị vật lý om  Dự án dựa thiết kế bảng vi điều khiển, sản xuất nhiều nhà cung cấp, sử dụng vi điều khiển khác Những hệ thống cung cấp c cổng kỹ thuật số I/O giao tiếp với board mở rộng khác ng mạch khác Với tính giao diện truyền thông nối tiếp, bao gồm Universal Serial Bus ( USB ) số mơ hình, chương trình tải từ máy tính cá co nhân Đối với lập trình vi điều khiển, Arduino khơng cung cấp mơi an trường phát triển tích hợp(IDE) dựa ngơn ngữ lập trình có tên th Processing, mà cịn hỗ trợ ngơn ngữ C C ++  Arduino giới thiệu vào năm 2005, nhằm cung cấp chi phí on g thấp, dễ dàng cho người chuyên gia để tạo thiết bị tương du tác với môi trường họ sử dụng cảm biến cấu chấp hành Một số dụ phổ biến thiết bị dành cho người có sở thích, bắt đầu u với thứ đơn giản robot máy điều nhiệt phát chuyển động cu  Arduino có bán dạng preassembled, công cụ Do-it-yourself Các thông số kỹ thuật thiết kế phần cứng cơng khai có sẵn, cho phép bảng Arduino sản xuất Adafruit Industries ước tính vào năm 2011 300.000 Arduinos thức sản xuất thương mại, năm 2013 700.000 thức đến tay người sử dụng  Arduino thực gây sóng gió thị trường người dùng DIY ( người tự sáng chế sản phẩm mình) tồn giới vài năm gần đây, gần giống với mà Apple làm thị trương thiết bị di động Số lượng người dùng lớn đa dạng với trình độ trải rộng 1/12/2017 CuuDuongThanCong.com Page https://fb.com/tailieudientucntt BTL - Hệ thống IOT theo dõi nhiệt độ, độ ẩm điều khiển 2017 từ bậc phổ thông đến bậc đại học làm cho người sáng tạo phải ngạc nhiên mức độ phổ biến  Arduino thực bo mạch vi xử lí dùng để tương tác với thiết bị phần cứng cảm biến, động cơ, đèn hay thiết bị khác Đặc điểm bật Arduino môi trường phát triển ứng dựng dễ sử dụng Với ngơn ngữ lập trình học nhanh chóng người học hiểu biết điện tử lập trình Và điều làm nên Arduino mức giá thấp om tính chất nguồn mở từ cứng tới mềm Chỉ với $30, người dùng sở hữu board Arduino có 20 ngõ I/O tương tác điều khiển chừng c thiết bị ng Thế mạnh arduino so với tảng vi điều khiển khác: co  Chạy đa tảng: Việc lập trình thực hệ điều hành an khác Window, Mac Os, Linux destop, android di động th  Ngơn ngữ lập trình đơn giản, dễ hiểu  Nền tảng mở: Arduino phát triển dựa nguồn mở nên phần mềm on g chạy Arduino chia sẻ dễ dàng tích hợp vào tảng khác du  Mở rộng phần cứng: Arduino thiết kế sử dụng theo dạng module u nên việc mở rộng phần cứng dễ dàng cu  Đơn giản nhanh: Rễ dàng lắp ráp, lập trình sử dụng thiết bị  Dễ dàng chia sẻ: Mọi người dễ dàng chia sẻ mã nguồn với mà không lo lắng ngôn ngữ hay hệ điều hành sử dụng Những ứng dụng bật Arduino:  Máy in 3d, robot, thiết bị bay không người lái UAV, game tương tác, điều khiển ánh sáng, kích hoạt chụp ảnh tốc độ cao  Một hệ thống Arduino cung cấp cho bạn nhiều tương tác với môi trường xung quanh với: 1/12/2017 CuuDuongThanCong.com Page https://fb.com/tailieudientucntt BTL - Hệ thống IOT theo dõi nhiệt độ, độ ẩm điều khiển 2017  Hệ thống cảm biến đa dạng chủng loại (đo đạc nhiệt độ, độ ẩm, gia tốc, vận tốc, cường độ ánh sáng, màu sắc vật thể, lưu lượng nước, phát chuyển động, phát kim loại, khí độc,…)  Các thiết bị hiển thị (màn hình LCD, đèn LED,…)  Các module chức (shield) hỗ trợ kêt nối có dây với thiết bị khác kết nối không dây thông dụng (3G, GPRS, Wifi, Bluetooth, 315/433Mhz, 2.4Ghz,…) Định vị GPS, nhắn tin SMS, om nhiều thứ thú vị khác cu u du on g th an co ng c Arduino Uno Hình Arduino Uno Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz 1/12/2017 CuuDuongThanCong.com Page https://fb.com/tailieudientucntt BTL - Hệ thống IOT theo dõi nhiệt độ, độ ẩm điều khiển 2017 khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM) Số chân Analog (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa chân I/O 30 mA Dòng tối đa (5V) 500 mA Dòng tối đa (3.3V) 50 mA ng c om Dòng tiêu thụ co 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng Bộ nhớ flash an bootloader KB (ATmega328) g th SRAM du on EEPROM KB (ATmega328) Các thông số arduino cu u 2.1 Vi điều khiển Hình Vi điều khiển Arduino  Arduino UNO sử dụng vi điều khiển họ 8bit AVR ATmega8, ATmega168, ATmega328 Bộ não xử lí tác vụ đơn giản 1/12/2017 CuuDuongThanCong.com Page 10 https://fb.com/tailieudientucntt BTL - Hệ thống IOT theo dõi nhiệt độ, độ ẩm điều khiển 2017  Wi-Fi 2.4 GHz, hỗ trợ chuẩn bảo mật như: OPEN, WEP, WPA_PSK, WPA2_PSK, WPA_WPA2_PSK  Hỗ trợ giao tiếp TCP UDP  Chuẩn giao tiếp UART với Firmware hỗ trợ tập lệnh AT Command, tốc độ Baudrate mặc định 9600 115200  Có chế độ hoạt động: Client, Access Point, Both Client and Access Point  Kích thước: 24.8 x 14.3mm co ng c om 5.3 Sơ đồ chân: an Hình Sơ đồ chân ESP8266      cu u du on g th RX — dùng để nhận tín hiệu giao tiếp UART với vi điều khiển VCC — đầu vào 3.3V GPIO — kéo xuống thấp cho chế độ upload bootloader RESET — chân reset cứng module, kéo xuống mass để reset CH_PD — kích hoạt chip, sử dụng cho Flash Boot updating lại module, nối với mức cao  GPIO — thường dùng cổng TX giao tiếp UART để debug lỗi  TX — dùng để truyền tín hiệu giao tiếp UART với vi điều khiển  GND — nối với mass 1/12/2017 CuuDuongThanCong.com Page 16 https://fb.com/tailieudientucntt BTL - Hệ thống IOT theo dõi nhiệt độ, độ ẩm điều khiển 2017 Module SIM 900A c om 6.1 Giới thiệu Module SIM900A ng Hình Module SIM900A co  Module SIM900A module GSM, hoạt động băng tần 900/1900 MHz, an xây dựng dựa SIM900A hãng SIMCOM th  Module SIM900A thiết kế tập trung hướng đến ổn định hoạt động thiết bị, dễ sử dụng với người dùng phục vụ chủ yếu cho việc du Đặc điểm: on g điều khiển giám sát thiết bị qua GSM/GPRS  Sử dụng nguồn ngoài: 4.3VDC - 4.8VDC/ 3A cu u  Trên mạch có phần bảo vệ ESD chống cắm ngược nguồn  Giao tiếp UART, dùng với MCU 5V 3.3V  Có thể khởi động module sim phím bấm khởi động mềm cách điều khiển chân PWKEY  Kích thước: 3.42 cm x 5.87 cm 6.2 Kết nối với Arduino  Chân TX Arduino nối với chân TXD module SIM900A  Chân RX Arduino nối với chân RXD module SIM900A  Chân GND Arduino nối với chân GND module SIM900A  Chân 5V/3.3V Arduino nối với chân VMCU module SIM900A 1/12/2017 CuuDuongThanCong.com Page 17 https://fb.com/tailieudientucntt BTL - Hệ thống IOT theo dõi nhiệt độ, độ ẩm điều khiển 2017 cu u du on g th an co ng c om 6.3 Một số lệnh AT cho SIM900A Lệnh Mô tả AT Kiểm tra đáp ứng Module Sim 900A, trả OK module hoạt động ATE[x] Chế độ echo chế độ phản hồi liệu truyền đến module Sim 900A bật chế độ echo t t chế độ echo n n t t chế độ nà hi giao tiếp với vi điều khiển) AT+IPR=[baud rate] Cài đặt baudrate giao tiếp liệu với module SIM900A, cài đặt baudrate sau: (auto), 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 AT&W Lưu lại lệnh cài đặt AT+CLIP=1 Hiển thị thông tin gọi đến ATD Số_điện_thoại ; Lệnh thực gọi ATH Lệnh thực kết thúc gọi, cúp máy có gọi đến ATA Lệnh thực chấp nhận có gọi đến AT+CMGF=1 Lệnh đưa SMS chế độ text, phải có lệnh gửi nhận tin nhắn dạng text AT+CMGS=‖Số_điện Lệnh gửi tin nhắn: _thoại‖ ợi đến hi có t > gửi đ nh nối dung tin nh n ửi m t hay 0x1A để ết th c nội dung gửi tin nh n AT+CMGR=x Đọc nhắn vừa gửi đến, lệnh trả nội dung tin nhắn, thông tin người gửi, thời gian gửi, x địa tin nhắn cần đọc AT+CMGDA="DEL Xóa tồn tin nhắn hộp thư ALL" AT+CNMI=2,2 Hiển thị nội dung tin nhắn có tin nhắn đến 1/12/2017 CuuDuongThanCong.com Page 18 https://fb.com/tailieudientucntt BTL - Hệ thống IOT theo dõi nhiệt độ, độ ẩm điều khiển 2017 C THIẾT KẾ HỆ THỐNG Sơ đồ khối hệ thống ThingSpeak SIM900A ESP8266 c om Telephone Cảm biến DHT11 Thiết bị an co ng Arduino UNO Nguồn 5V Hình Sơ đồ khối hệ thống du on g th Nguồn 5V (USB) cu u  Nguồn cho mạch nguồn 5V, lấy từ cổng sạc, cổng USB máy tính, pin, acquy ổn áp với điện áp đầu 5V ESP8266  Module Wifi ESP8266 có chức năng: kết nối, gửi nhận liệu qua internet SIM900A  Module SIM900A có chức năng: nhận gửi tin nhắn qua di động, thực chức điều khiển Thiết bị  Các thiết bị điều khiển bật tắt Arduino UNO như: lò sưởi, máy lạnh, máy phun sương… với mục đích điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm đến giá trị 1/12/2017 CuuDuongThanCong.com Page 19 https://fb.com/tailieudientucntt BTL - Hệ thống IOT theo dõi nhiệt độ, độ ẩm điều khiển 2017 đặt trước Ở ta sử dụng đèn led báo hiệu việc bật tắt thay cho thiết bị thực tế Cảm biến DHT11  Cung cấp liệu nhiệt độ, độ ẩm gửi đến Arduino ThingSpeak  Hiển thị liệu gửi lên dạng biểu đồ trực quan Người dùng theo dõi liệu gửi lên, đặt lại giới hạn điều khiển Arduino UNO c om  Bộ xử lý hệ thống, kết nối với module, lập trình để hoạt động theo chức mong muốn cu u du on g th an co ng Sơ đồ nối dây module Hình Sơ đồ nối dây module 1/12/2017 CuuDuongThanCong.com Page 20 https://fb.com/tailieudientucntt BTL - Hệ thống IOT theo dõi nhiệt độ, độ ẩm điều khiển 2017 Code Chi tiết toàn mã nguồn mạch viết phần PHỤ LỤC Một số hàm code:  Hàm gửi liệu lên ThingSpeak: ng c om boolean thingSpeakWrite(float value1, float value2){ String cmd = "AT+CIPSTART=\"TCP\",\""; //lenh mo ket noi TCP cmd += "184.106.153.149"; //dia chi IP: api.thingspeak.com cmd += "\",80"; //port: 80 esp8266Serial.println(cmd); //ESP8266 gui lenh len web mo ket noi if (DEBUG) Serial.println(cmd); if(esp8266Serial.find("Error")){ if (DEBUG) Serial.println("AT+CIPSTART error"); return false; } g th //getStr +="&field1="; getStr += String(value1); getStr +="&field2="; getStr += String(value2); an co String getStr = "GET /update?api_key=0O2D8QWZTBTP9M7I&field1="; //lenh update du lieu len web //getStr += apiKey; du on //getStr +=""; getStr += "\r\n\r\n"; cu u //gui dai chuoi du lieu cmd = "AT+CIPSEND="; cmd += String(getStr.length()); esp8266Serial.println(cmd); if (DEBUG) Serial.println(cmd); delay(100); if(esp8266Serial.find(">")){ esp8266Serial.print(getStr); if (DEBUG) Serial.print("Write Completed\r\n\r\n"); } else{ esp8266Serial.println("AT+CIPCLOSE"); // alert user if (DEBUG) Serial.println("AT+CIPCLOSE\r\n"); return false; } return true; } 1/12/2017 CuuDuongThanCong.com Page 21 https://fb.com/tailieudientucntt BTL - Hệ thống IOT theo dõi nhiệt độ, độ ẩm điều khiển 2017  Hàm đọc liệu từ cảm biến float t = dht.readTemperature(); float h = dht.readHumidity();  Hàm đọc tin nhắn if(startSIM900){ int pos; //dia chi bo nho luu tren sim pos = sms.IsSMSPresent(SMS_UNREAD); //kiem tra tin nhan moi om //neu co tin nhan moi thi se tra ve tu 1-40, neu khong co tra ve if(pos){//neu co tin nhan moi c if(sms.GetSMS(pos, phoneNumber, smstext, 160)){ Serial.println(phoneNumber); ng Serial.print("So dien thoại: "); an Serial.println(smstext); co Serial.print("Noi dung tin nhan: "); if(smstext=="info") th { g sendStr= "Temp="+String(t)+" *C//Humidity="+String(h)+" %"; on for(int i=0; imaxTemp) digitalWrite(maxTempPIN, HIGH); else digitalWrite(maxTempPIN, LOW); if (value1maxHumidity) digitalWrite(maxHumidityPIN, HIGH); else digitalWrite(maxHumidityPIN, LOW); if (value2millis()){ 1/12/2017 CuuDuongThanCong.com Page 27 https://fb.com/tailieudientucntt BTL - Hệ thống IOT theo dõi nhiệt độ, độ ẩm điều khiển 2017 if (espSerial.available()){ c=espSerial.read(); if (DEBUG) Serial.print(c); } } } //lenh mo ket noi TCP //dia chi IP: om //port: 80 //ESP8266 gui lenh len web on g //getStr +=""; getStr += "\r\n\r\n"; an +="&field1="; += String(value1); +="&field2="; += String(value2); th getStr getStr getStr getStr //lenh update du lieu len web co String getStr = "GET /update?api_key="; getStr += apiKey; ng c //Ham ghi gia tri len web boolean thingSpeakWrite(float value1, float value2){ String cmd = "AT+CIPSTART=\"TCP\",\""; cmd += "184.106.153.149"; api.thingspeak.com cmd += "\",80"; espSerial.println(cmd); mo ket noi if (DEBUG) Serial.println(cmd); if(espSerial.find("Error")){ if (DEBUG) Serial.println("AT+CIPSTART error"); return false; } u du //gui dai chuoi du lieu cmd = "AT+CIPSEND="; cmd += String(getStr.length()); espSerial.println(cmd); if (DEBUG) Serial.println(cmd); cu delay(100); if(espSerial.find(">")){ espSerial.print(getStr); if (DEBUG) Serial.print(getStr); } else{ espSerial.println("AT+CIPCLOSE"); // alert user if (DEBUG) Serial.println("AT+CIPCLOSE"); return false; } return true; } //ham dieu khien void control(float value1, float value2){ if (value1>maxTemp) digitalWrite(maxTempPIN, HIGH); else digitalWrite(maxTempPIN, LOW); if (value1maxHumidity) digitalWrite(maxHumidityPIN, HIGH); else digitalWrite(maxHumidityPIN, LOW); if (value2