(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển các thiết bị điện trong nhà

(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển các thiết bị điện trong nhà(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển các thiết bị điện trong nhà(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển các thiết bị điện trong nhà(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển các thiết bị điện trong nhà(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển các thiết bị điện trong nhà(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển các thiết bị điện trong nhà(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển các thiết bị điện trong nhà(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển các thiết bị điện trong nhà(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển các thiết bị điện trong nhà(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển các thiết bị điện trong nhà(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển các thiết bị điện trong nhà(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển các thiết bị điện trong nhà(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển các thiết bị điện trong nhà(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển các thiết bị điện trong nhà(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển các thiết bị điện trong nhà

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƢỢNG CAO - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ SVTH : MSSV : SVTH : MSSV : Khóa : Ngành : GVHD: VŨ HỒNG HẢI 16141024 VŨ XN THẮNG 16141079 2016 CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ThS NGUYỄN NGÔ LÂM Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2021 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đƣợc Đề tài tốt nghiệp này, nhóm chúng em chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Ngô Lâm Trong suốt trình thực đề tài, thầy lu n ngƣời hƣớng dẫn chúng em tận tình, lời góp ý nhận xét kinh nghiệm đƣợc Thầy truyện đạt tạo điều kiện thuận lợi để chúng em hoàn thành đề tài Chúng em xin cảm ơn đến thầy, cô khoa Đào tạo chất lƣợng cao giảng dạy cho chúng em kiến thức tảng để chúng em có tiền đề thực thiện đề tài Cuối chúng em xin cảm ơn đến gia đình, chỗ dựa nhƣ nguồn động viên tinh thần chúng em gặp khó khắn học tập nhƣ trình nghiên cứu để hoàn thành đề tài tốt nghiệp Chúng em xin chân thành cảm ơn! Ngƣời thực đề tài Vũ Hoàng Hải Vũ Xn Thắng i TĨM TẮT Cơng nghệ trở thành phần thiếu đời sống ngƣời Internet of Things năm gần phát triển cách vơ mạnh mẽ Từ đó, việc đời ứng dụng nhƣ thiết bị thơng minh, có kết nối internet nhằm thuận tiện cho việc theo dõi nhƣ điều khiển thiết bị nhà phát triển theo Với mục đích tiếp cận nhu cầu nhóm định thực đề tài: “Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện nhà” Đề tài mơ hình hệ thống hoàn thiện gồm phần cứng phần mềm       Nội dung đề tài: Sử dụng qua Arduino Mega2560 làm vi điều khiển trung tâm Lƣu trữ trạng thái hoạt động thiết bị lên sở liệu Firebase Sử dụng NodeMCU ESP8266 để gửi nhận liệu từ sở liệu Xây dựng ứng dụng hệ điều hành Android Giám sát thông số nhà nhƣ nhiệt độ, độ ẩm, khí gas Sử dụng điện thoại th ng minh để điều khiển thiết bị ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii MỤC LỤC HÌNH vi MỤC LỤC BẢNG viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ix CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 MỤC TIÊU 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.4 GIỚI HẠN 1.5 BỐ CỤC CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ INTERNET OF THING 2.1.1 Giới thiệu 2.1.2 Một vài ứng dụng đời sống 2.2 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP TRUYỀN DỮ LIỆU 2.2.1 Giao tiếp UART 2.2.2 Giao tiếp SPI 2.3 Vi điều khiển 10 2.3.1 Khái niệm 10 2.3.2 Bo mạch Arduino Mega 2560 R3 11 2.4 CÔNG NGHỆ WIFI 15 2.4.1 Giới thiệu 15 2.4.2 Các chuẩn kết nốt WiFi phổ biến 15 2.4.3 Cách thức hoạt động WiFi 16 2.4.4 Module Node MCU ESP8266 17 iii 2.5 Cơ sở liệu Google Firebase ứng dụng 19 2.5.1 Giới thiệu 19 2.5.2 Realtime Database (Dữ liệu thời gian thực) 20 2.6 Hệ điều hành Android 22 2.6.1 Giới thiệu 22 2.6.2 Thành phần ứng dụng Android 22 2.6.3 Các phiên hệ điều hành Android 23 2.6.4 Phần mềm Android Studio lập trình ứng dụng điều khiển 23 2.7 Công nghệ RFID 24 2.7.1 Giới thiệu 24 2.7.2 Cấu tạo hệ thống RFID 24 2.7.3 Nguyên lí hoạt động 25 2.7.4 Đặc điểm 25 2.7.5 Mạch RFID RC522 25 2.5 Các cảm biến sử dụng đề tài 26 2.5.1 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 26 2.5.2 Cảm biến quang trở 28 2.5.3 Cảm biến mƣa 29 2.5.4 Cảm biến rung 30 2.5.5 Cảm biến khí gas MQ2 31 2.6 Các linh kiện khác có đề tài 32 2.6.1 Buzzer 32 2.9.2 LED 33 2.9.3 Module Relay 5V 33 2.9.4 Quạt 34 2.9.5 Động Servo 35 2.9.6 LCD 35 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 37 3.1 Đặc tả hệ thống 37 iv 3.1.1 Yêu cầu hệ thống 37 3.1.2 Sơ đồ khối chức 38 3.1.3 Hoạt động hệ thống 39 3.2 Thiết kế, tính tốn hệ thống 40 3.2.1 Khối cảm biến 40 3.2.2 Khối giao tiếp tải 44 3.2.3 Khối RFID 46 3.2.4 Khối truyền liệu 47 3.2.5 Khối hiển thị 47 3.2.6 Khối xử lý trung tâm 49 3.2.7 Khối nguồn 49 CHƢƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG 52 4.1 Tổng quan 52 4.2 Thi công hệ thống 52 4.3 Lƣu đồ giải thuật 53 4.3.1 Lƣu đồ giải thuật chi tiết khối xử lý 53 4.3.2 Lƣu đồ giải thuật cho ESP 55 4.3.3 Lƣu đồ giải thuật cho ứng dụng Android điều khiển 56 CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ 58 5.1 Kết đạt đƣợc 58 5.1.1 Kết lý thuyết 58 5.1.2 Kết thực nghiệm 58 5.2 Đánh giá, nhận xét 61 CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 62 6.1 Kết luận 62 6.2 Hƣớng phát triển 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 PHỤ LỤC 64 v MỤC LỤC HÌNH HÌNH 2.1: INTERNET OF THINGS HÌNH 2.2: CÁC THIẾT BỊ ĐEO THƠNG MINH HÌNH 2.3: IOT TRONG NÔNG NGHIỆP HÌNH 2.4: IOT TRONG CƠNG NGHIỆP HÌNH 2.5: SMARTHOME HÌNH 2.6: KHUNG TRUYỀN DỮ LIỆU CỦA UART HÌNH 2.7: KẾT NỐI DÂY GIỮA MASTER VÀ NHIỀU SLAVE TRONG SPI HÌNH 2.8: KHUNG TRUYỀN DỮ LIỆU CỦA SPI 10 HÌNH 2.9: CẤU TRÚC VI ĐIỀU KHIỂN 11 HÌNH 2.10: ARDUINO MEGA 2560 12 HÌNH 2.11: SƠ ĐỒ CHÂN ARDUINO MEGA 2560 12 HÌNH 2.12: BIỂU TƢỢNG CỦA SÓNG WIFI 15 HÌNH 2.13: KẾT NỐI WIFI 17 HÌNH 2.14: MODULE NODEMCU ESP8266 17 HÌNH 2.15: SƠ ĐỒ CHÂN CỦA MODULE NODEMCU ESP 8266 18 HÌNH 2.16: BIỂU TƢỢNG CỦA GOOGLE FIREBASE 19 HÌNH 2.17: CÁC ỨNG DỤNG CỦA FIREBASE 20 HÌNH 2.18: BIỂU TƢỢNG ANDROID 22 HÌNH 2.19: CÁC PHIÊN BẢN ANDROID ĐÃ CHO RA MẮT 23 HÌNH 2.20: BIỂU TƢỢNG PHẦN MỀM ANDROID STUDIO 24 HÌNH 2.21: RFID 24 HÌNH 2.22: MODULE ĐỌC THẺ RFID 25 HÌNH 2.23: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM DHT11 26 HÌNH 2.24: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA DHT11 27 HÌNH 2.25: DHT11 GỬI BIT VỀ MCU 28 HÌNH 2.26: DHT11 GỬI BIT VỀ MCU 28 HÌNH 2.27: QUANG TRỞ VÀ MODULE CẢM BIẾN QUANG TRỞ 29 HÌNH 2.28: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA QUANG TRỞ 29 HÌNH 2.29: MODULE CẢM BIẾN MƢA 30 HÌNH 2.30: MODULE CẢM BIẾN RUNG 31 HÌNH 2.31: MODULE CẢM BIẾN KHÍ GAS MQ2 32 HÌNH 2.32: BUZZER 32 HÌNH 2.33: LED 33 HÌNH 2.34: MODULE RELAY 5V 33 vi HÌNH 2.35: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MODULE RELAY 5V 34 HÌNH 2.36: QUẠT 12V 34 HÌNH 2.37: ĐỘNG CƠ SERVO SG90 35 HÌNH 2.38: MÀN HÌNH LCD 20X4 35 HÌNH 3.1: SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG 38 HÌNH 3.2: SƠ ĐỒ MẠCH MODULE CẢM BIẾN KHÍ GAS MQ2 40 HÌNH 3.3: SƠ ĐỒ MẠCH MODULE CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM DHT11 41 HÌNH 3.4: SƠ ĐỒ MẠCH MODULE CẢM BIẾN QUANG TRỞ 42 HÌNH 3.5: SƠ ĐỒ MẠCH MODULE CẢM BIẾN MƢA 42 HÌNH 3.6: SƠ ĐỒ MẠCH CẢM BIẾN RUNG 43 HÌNH 3.7: SƠ ĐỒ MẠCH CẢM BIẾN VẬT CẢN HỒNG NGOẠ 44 HÌNH 4.1: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA HỆ THỐNG 53 HÌNH 4.2: LƢU ĐỒ GIẢI THUẬT CHI TIẾT KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM 54 HÌNH 4.3: LƢU ĐỒ GIẢI THUẬT CHO ESP8266 55 HÌNH 4.4: LƢU ĐỒ GIẢI THUẬT CHO ỨNG DỤNG ANDROID ĐIỀU KHIỂN 56 HÌNH 5.1: MƠ HÌNH HỆ THỐNG 58 HÌNH 5.2: CÁC THƠNG SỐ ĐƢỢC HIỂN THỊ TRÊN FIREBASE 59 vii MỤC LỤC BẢNG BẢNG 2.1: THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ARDUINO MEGA 2560 13 BẢNG 2.2: THÔNG SỐ KỸ THUẬT MODULE NODEMCU ESP8266 18 BẢNG 2.3: SƠ ĐỒ CHÂN CỦA RFID RC522 26 BẢNG 2.4: SƠ ĐỒ CHÂN DHT11 26 BẢNG 2.5: SƠ ĐỒ CHÂN MODULE QUANG TRỞ 29 BẢNG 2.6: SƠ ĐỒ CHÂN MODULE CẢM BIẾN MƢA 30 BẢNG 2.7: SƠ ĐỒ CHÂN CẢM BIẾN RUNG 31 BẢNG 2.8: SƠ ĐỒ CHÂN MODULE CẢM BIẾN KHÍ GAS MQ2 32 BẢNG 2.9: SƠ ĐỒ CHÂN LCD 36 BẢNG 3.1: CÁC THƠNG SỐ NGUỒN DỊNG VÀ ÁP CỦA CÁC LINH KIỆN 50 BẢNG 5.1: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM TRƢỜNG HỢP ĐIỀU KHIỂN THÔNG QUA MẠNG 61 BẢNG 5.2: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM TRƢỜNG HỢP ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP KHÔNG THÔNG QUA MẠNG 61 viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TT Từ viết tắt Từ tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt ADC Analog Digital Converter Chuyển đổi tƣơng tự sang số COM Common Chân chung CS Chip Select Lựa chọn thiết bị (Slave) CSS Cascading Style Sheets Bộ truyền nhận nối tiếp bất đồng IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Hội Kỹ sƣ Điện Điện tử IoTs Internet of Things Mạng lƣới vạn vật kết nối IIoTs Industrial Internet of Things Mạng lƣới vạn vật kết nối công nghiệp GND Ground Nối đất HTML 10 HTTP Hyper Text Markup Language HyperText Transfer Protocol Ngôn ngữ đánh dấu siêu văn Giao thức truyền tải siêu văn 11 LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng 12 MCU Micro Controller Unit Vi điều khiển 13 MISO Master Input Slave Output Vào Master Slave 14 MOSI Master Ouput Slave Ra Master vào Slave ix Để truy cập vào ba phòng ta bấm vào biểu tƣợng tƣơng ứng với phòng Giao diện điều khiển phòng Ở phịng hiển thị thơng số nhiệt độ, độ ẩm giúp ngƣời điều khiển dễ dàng nhận biết đƣợc thơng tin ngồi giao diện phịng bếp cịn có thêm thơng tin số khí gas Các thông tin đƣợc hiển thị theo màu gồm: màu xanh thể cho mức độ an toàn, màu vàng thể mức độ cảnh báo màu đỏ thể nguy hiểm Khi thành phần chuyển sang mức độ nguy hiểm ứng dụng phát thông báo qua trạng thái thiết bị giúp ngƣời dùng nhận biết Ví dụ : Khi phịng bếp có rị rỉ khí gas ứng dụng phát th ng báo nhƣ hình bên dƣới 66 Thơng báo khí gas bắt đầu chuyển sang ngưỡng nguy hiểm Các thiết bị phòng đƣợc biểu thị biểu tƣợng, muốn bật tắt thiết bị ta bấm vào biểu tƣợng Các hình ảnh thay đổi tƣợng trƣng cho thay đổi trạng thái thiết bị Ví dụ: Khi đèn từ trạng thái tắt sang bật biểu tƣợng thay đổi hình từ hình bóng đèn kh ng sáng sang bóng đèn sáng, tƣơng tự với quạt Trạng thái đèn tắt sáng Mỗi giao diện phòng có nút nhấn TẮT THIẾT BỊ TRONG PHỊNG giúp ta tắt nhanh toàn thiết bị sử dụng phịng nút nhấn TRANG CHÍNH để quay trở trang giao diện 67 Các bƣớc để tạo Project Firebase Bước : Truy cập vào địa trang web https://firebase.google.com Tiến hành đăng nhập tài khoản Google sau bấm vào Get started để bắt đầu Bước : Chọn add project để tạo Project Sau thiết lập yêu cầu cho Project 68 Bước 3: Tại công cụ bên trái mục Develop chọn Database -> Create Realtime Database để tạo sở liệu thời gian thực Bước 4: Chọn Security time for Realtime Database -> Start in test mode -> Enable để thiết lập thuộc tính cho phép đọc ghi (read/write) liệu 69 Nhƣ thiết lập xong sở liệu thời gian thực, sẵn sàng đọc ghi liệu từ ứng dụng Android  Tải, cài đặt ph n mềm Android Studio Bước 1: Truy cập vào trang web có địa chỉ: https://developer.android.com/studio chọn phiên phù hợp với hệ điều hành máy tính tiến hành tải Bước 2: Sau cài đặt thành công, tiến hành khởi động phần mềm 70 Bước 3: Tạo dự án thiết lập cấu hình dự án 71 Bước : Liên kết với sơ liệu thời gian thực (Realtime Database) Firebase Tại hình ứng dụng truy cập vào File/ settings > vào mục Android SDK để cập nhật Platform > Truy cập tới SDK Tools để cài đặt công cụ hỗ trợ Google Service 72 Tiến hành liên kết ứng dụng với Firebase cách tự động Có thể làm thủ cơng, nhiên công việc phức tạp rắc rối Các phiên Android Studio sau này, việc liên kết với Firebase đơn giản, Google tích hợp hỗ trợ sẵn Đầu tiên vào mục Tools/ Firebase từ ứng dụng mở sau hình xuất tính Firebase cung cấp, vào phần Realtime Database bấm liên kết cách chọn save and retrieve Data 73 Liên kết dự án với Firebase Liên kết thành công với sở liệu thời gian thực Firebase 74 Bước 5: Tiến hành viết code cho Project  Tải, cài đặt sử dụng Ardruino IDE 75 76 Chú thích: 1: Biên dịch kiểm tra lỗi lập trình 2: Gửi mã bên Board 3: Tạo cửa sổ 4: Mở chƣơng trình đƣợc lƣu trƣớc 5: Lƣu chƣơng tình soạn thảo 6: Mở cửa sổ Serial Monitor để gửi nhận giữu liệu máy tính Board Arduino 7: Tên chƣơng trình soạn thảo 8: Vùng viết chƣơng trình 9: Gửi báo lỗi chƣơng trình Upload thành c ng 10: Vùng gửi thông báo 11: Hiển thị thông tin Arduino kết nối Để sử dụng đƣợc chƣơng trình, bƣớc truy cập vào link https://www.arduino.cc/en/Main/Software để tải phần mềm Đây nơi chứa cập nhật từ Arduino IDE 77 Cài đặt thƣ viện lập trình ESP8266 Để lập trình cho ESP8266 Arduino IDE, cần cài đặt thƣ viện chức nạp code ESP8266 cho IDE Bước 1: Vào chƣơng trình Arduino IDE, vào File →Preferences, vào textbox Additional Board Manager URLs thêm vào đƣờng link sau: http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json Click OK để chấp nhận Bước 2: Tiếp theo vào Tool → Board → Boards Manager, chờ chút để chƣơng trình tìm kiếm Ta kéo xuống click vào ESP8266 by ESP8266 Community, click vào Install Chờ phần mềm tự động tải xuống cài đặt 78 Bước 3: Kết nối module USB-to-UART vào máy tính Vào Tool → Board → Generic ESP8266 Module, chọn cổng COM tƣơng ứng với module USB-to-UART tƣơng ứng Lƣu ý biên dịch nạp code cần chọn board port (cổng kết nối với board Arduino sử dụng) 79 ... dùng dễ dàng nhận biết giám sát  Khối giao tiếp tải: Điều khiển ngõ điểu khiển (điều khiển thiết bị điện, thiết bị ngoại vi hệ thống)  Khối nút nhất: Điều khiển thiết bị điện nút nhấn cứng ... nghệ phục vụ cho xu thể IoTs việc phát triển hệ thống điều khiển giám sát thiết bị nhà đƣợc trọng Để tiếp cận nắm bắt đƣợc nhu cầu đó, nhóm chúng t i định thực đề tài ? ?Thiết kế hệ thống điều khiển. .. hai điều khiển thiết bị từ ngƣời dùng Ngƣời dùng điều khiển thiết bị điện trực tiếp nút nhấn đặt gần thiết bị quan sát trực tiếp thơng số m i trƣờng hình LCD Ngồi ra, quản lí, điều khiển thiết bị,