(Đồ án hcmute) thiết kế thi công hệ thống điều khiển thiết bị điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH THIẾT KẾ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN GVHD: LÊ MINH SVTH : NGUYỄN THÀNH HƯNG MSSV:11119102 SKL 0 1 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2017 an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN SVTH: NGUYỄN THÀNH HƯNG MSSV: 11119102 Khố: 2012 Ngành: CNKT Máy Tính GVHD: ThS LÊ MINH TP HỒ CHÍ MINH – 07/2017 an i TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN SVTH: NGUYỄN THÀNH HƯNG MSSV: 11119102 Khố: 2012 Ngành: CNKT Máy Tính GVHD: ThS LÊ MINH TP HỒ CHÍ MINH – 07/2017 ii an CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc ******* Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Nguyễn Thành Hưng MSSV: 11119102 Ngành: CNKT máy tính Lớp: 12119CLC Giảng viên hướng dẫn: Lê Minh ĐT: 01679882826 Ngày nhận đề tài: 02/2017 Ngày nộp đề tài: 07/2017 Tên đề tài: Thiết kế thi công hệ thống điều khiển thiết bị điện Các số liệu, tài liệu ban đầu: Kit Raspberry Pi 3, thiết kế web server ngôn ngữ java script, lập trình kết nối thiết bị ngơn ngữ python Nội dung thực đề tài: Thiết kế giao diện điều khiển thiết bị Thiết kế phần cứng hệ thống Lập trình giao tiếp với databases điều khiển thiết bị đèn, quạt, cửa dùng giao diện điều khiển web server Lập trình giao tiếp LCD hiển thị nhiệt độ, độ ẩm Hiển thị thông số cảm biến nhiệt độ, độ ẩm(DHT11), cảm biến ánh sáng quang trở (CDS), cảm biến Gas(MQ5), cảm biến chuyển động(HC-SR501) lên web server, thông số thay đổi hệ thống cập nhật vào databases Sản phẩm: Hệ thống điều khiển gồm máy tính kit Raspberry Pi giao tiếp với qua mạng Lan để điều khiển thiết bị, nhận liệu từ cảm biến, module nút nhấn Các thiết bị bao gồm Đèn, cửa, quạt, loa Các cảm biến bao gồm cảm biến nhiệt độ, độ ẩm (DHT11), cảm biến ánh sáng quang trở (CDS), cảm biến Gas(MQ5), cảm biến chuyển động(HC-SR501) Hệ thống hiển thị LCD TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN i an CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc ******* Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017 PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên Sinh viên: MSSV: Ngành: Tên đề tài: Họ tên Giáo viên hướng dẫn: NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm: ……………… (Bằng chữ: .) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017 Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) ii an CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc ******* Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017 PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên Sinh viên: MSSV: Ngành: Tên đề tài: Họ tên Giáo viên hướng dẫn: NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm: …………… (Bằng chữ: ) Giáo viên phản biện Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017 (Ký & ghi rõ họ tên) iii an LỜI CẢM ƠN Người nghiên cứu xin chân thành cảm ơn thầy Lê Minh tận tình hướng dẫn, bảo kinh nghiệm, kiến thức quý báu suốt trình thực đề tài Trong thời gian làm việc với thầy người nghiên cứu tiếp thu nhiều kiến thức mà học tập thái độ làm việc nghiêm túc, chuyên nghiệp đầy hiệu thầy Đây kinh nghiệm cần thiết cho trình học tập làm việc sau Trong thời gian thực đồ án đến người nghiên cứu xin chân thành cảm ơn quan tâm giúp đỡ từ quý thầy cô Khoa Điện – Điện Tử trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Hơn hết người nghiên cứu xin chân thành cảm ơn đến tất quý thầy cô trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM trực tiếp dạy, truyền đạt cho người nghiên cứu nhiều kiến thức, kinh nghiệm suốt trình học đại học Bước đầu vào thực tế, tìm hiểu lĩnh vực sáng tạo nghiên cứu khoa học, kiến thức người nghiên cứu cịn nhiều hạn chế bỡ ngỡ Do vậy, khơng thể tránh khỏi thiếu sót, mong nhận ý kiến đóng gốp quý báu quý Thầy Cơ để người nghiên cứu tiếp thu, rút kinh nghiệm cho tương lai Sau cùng, người nghiên cứu xin kính chúc q Thầy Cơ thật dồi sức khỏe, niềm tin để tiếp tục thực sứ mệnh cao đẹp truyền đạt kiến thức cho hệ mai sau iv an TÓM TẮT Hiện tất lĩnh vực đời sống người có trợ giúp internet, internet ngày làm cho công việc người trở nên nhẹ nhàng khơng nhờ vào tiện ích mà cịn khả ứng dụng nhiều lĩnh vực Với phát triển Internet, smartphone đặc biệt thiết bị cảm biến, Internet of Things (IoT) trở thành xu hướng giới IoT định nghĩa vật dụng có khả kết nối Internet.Bạn vào nhà, mở khóa cửa, đèn tự động sáng chỗ bạn đứng, điều hòa tự động điều chỉnh nhiệt độ, nhạc tự động bật để chào đón bạn IOT giải pháp để giúp người thực q trình cơng nghiệp hóa, đại hóa nhiều lĩnh vực đời sống Vì IOT xu hướng tồn cầu nên người nghiên cứu chọn đề tài đồ án để nghiên cứu phát triển nghiệp sau là: “Thiết kế thi công hệ thống điều khiển thiết bị điện”, đồ án người nghiên cứu định nghiên cứu IOT kit nhúng Raspberry pi Kit raspberry Pi tiện lợi máy tính nhúng có chạy hệ điều hành, tích hợp nhiều chức xử lý máy tính thơng thường có khả kết nối wifi v an MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP I PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN II PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN III LỜI CẢM ƠN IV TÓM TẮT V DANH MỤC HÌNH X CÁC TỪ VIẾT TẮT XIII CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY .1 1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 1.4 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU 1.5 BỐ CỤC CỦA ĐỒ ÁN CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT .4 2.1 KIT RASPBERRY PI .4 2.1.1 Sơ lược Kit Raspberry pi 2.1.2 Cấu tạo Kit Raspberry pi .6 2.1.3 Nguồn cho Raspberry pi 2.1.4 Hệ điều hành cho Raspberry pi 2.2 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM DHT11 2.2.1 Giới thiệu 2.2.2 Thông số kỹ thuật .9 2.2.3 Sơ đồ chân 2.3 CẢM BIẾN ÁNH SÁNG QUANG TRỞ CDS 2.3.1 Giới thiệu vi an 2.3.2 Thông số kỹ thuật .10 2.3.3 Sơ đồ chân 10 2.4 CẢM BIẾN GAS MQ5 .10 2.4.1 Giới thiệu 10 2.4.2 Thông số kỹ thuật .11 2.4.3 Sơ đồ chân 11 2.5 CẢM BIẾN CHUYỂN ĐỘNG HC-SR501 12 2.5.1 Giới thiệu 12 2.5.2 Thông số kỹ thuật .12 2.6 LCD 16X02 13 2.6.1 Giới thiệu 13 2.6.2 Thông số kỹ thuật .13 2.6.3 Sơ đồ chân 13 2.7 BIẾN TRỞ B10K 15 2.8 MODULE RELAY KÊNH 5V-220V/10A 15 2.8.1 Giới thiệu 15 2.8.2 Thông số kỹ thuật .16 2.8.3 Sơ đồ chân 16 2.9 MODULE HẠ ÁP LM2596 16 2.9.1 Giới thiệu 16 2.9.2 Thông số kỹ thuật .17 2.9.3 Sơ đồ nguyên lý 17 2.10 MODULE ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ L298 17 2.10.1 Giới thiệu 17 2.10.2 Thông số kỹ thuật .18 2.10.3 Sơ đồ chân 18 2.11 ĐỘNG CƠ QUẠT 19 2.11.1 Giới thiệu 19 2.12 ĐỘNG CƠ CHỐNG TRỘM UN4001 19 2.12.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined 2.13 ĐÈN SỢI ĐỐT 20 vii an 3.3.3.Chương trình xử lý hệ thống Bắt đầu Khởi động hệ thống Cập nhật database Kiểm tra kết Thông báo lỗi S Hiển thị liệu lên Webserver LCD Kết thúc Hình 3.5 Lưu đồ giải thuật hệ thống 31 an Khi hệ thống khởi động Raspberry pi kết nối wifi, người nghiên cứu vào hình hiển thị Raspberry pi phần mềm có cài đặt SSH Nếu khơng vào người nghiên xem lại kết nối internet Sau người nghiên cứu vào thư mục Webserver, connect_devices để khởi tạo server kết nối thiết bị Để kiểm tra thiết bị, cảm biến hoạt động hay không người nghiên cứu dùng trình duyệt web để vào server khởi tạo cách ghi địa IP Raspberry pi cổng server cài đặt raspberry pi Nếu hệ thống hoạt động tốt cảm biến chờ để nhận liệu từ môi trường, người dùng Nhận liệu từ cảm biến raspberry pi kiểm tra kết nối internet kết nối raspberry pi thơng báo, có kết nối raspberry pi gửi liệu cảm biến lên database Database xử lý liệu từ Raspberry pi kiểm tra kết nối server Nếu có kết nối hiển thị liệu lên Web đồng thời thị lên LCD, khơng có gửi thơng báo cho Raspberry Các thiết bị điều khiển giao diện Webserver 3.3.4.Database Cơ sở liệu hệ thống thơng tin có cấu trúc, lưu trữ thiết bị lưu trữ nhằm thỏa mãn yêu cầu khai thác thông tin đồng thời nhiều người sử dụng hay nhiều chương trình ứng dụng chạy lúc với mục đích khác Vì u cầu hệ thống cần khả đáp ứng nhiều thiết bị truy xuất đến server nên việc quản lý lưu trữ liệu quan trọng nhằm mục đích : -Giảm trùng lặp thơng tin mức thấp nhất, đảm bảo tính qn tồn vẹn liệu -Đảm bảo liệu truy xuất theo nhiều cách khác nhau, từ nhiều nguồn khác -Tăng khả chia thông tin -Người nghiên cứu xây dựng sở liệu cần thiết để đáp ứng nhu cầu quản lý lưu trữ thông tin, cấu trúc sở liệu mô tả bảng Bảng 3.1 sở liệu cảm biến ID Nhiet_do Do_am Id dòng Giá trị sau lần cập nhiệt độ nhật Chuyen_dong gas Anh_sang time Giá trị Mức logic độ ẩm hoặc Thời gian 32 an Bảng 3.2 sở liệu thiết bị Đèn Đèn Quạt Mức logic Mức logic Mức logic 3.3.5.Thiết kế Webserver Bắt đầu Có kết nối S Báo lỗi Cơ sở liệu Đ S Có liệu gửi lên Đ Cập nhật sở liệu lên database socket Đọc liệu từ database cập nhật Lại giao diện webserver Kết thúc Hình 3.6 Lưu đồ giải thuật nhận liệu từ hệ thống 33 an Đầu tiên Webserver kiểm tra xem có kết nối với sở liệu hay khơng Nếu được, Webserver kiểm tra có liệu gửi lên hay khơng, có liệu gửi lên cập nhật vào database đem liệu hiển thị giao diện web thông qua phương thức giao tiếp socket Webserver nhận biết trạng thái thiết bị, trạng thái cảm biến thông qua mức logic định nghĩa Webserver thiết kế với giao diện đầy đủ tính năng: Cập nhật liên tục thay đổi cảm biến mà khơng cần - phải reload lại - Hình ảnh giao diện sinh động, dễ nhìn - Điều khiển bật tắt thiết bị giao diện - Loa bật cảm biến gas nhận liệu Bắt đầu Kiểm tra Tín hiệu điều S Đ Khiển Đ Giữ nguyên Cập nhật trạng thái Gửi tín hiệu điều trạng thái thiết bị vào khiển xuống thiết bị database board điều khiển Điều khiển thiết Kết thúc bị Hình 3.7 Lưu đồ giải thuật điều khiển thiết bị giao diện Webserver 34 an Khi khơng có tín hiệu điều khiển từ người dùng trạng thái thiết bị giao diện Webserver, database, Board thực tế giữ ngun trạng thái Nếu có tín hiệu điều khiển thay đổi trạng thái cập nhật vào database, webserver điều khiển thiết bị theo mức logic quy ước Hình 3.8 sơ đồ nguyên lý hệ thống 35 an CHƯƠNG KẾT QUẢ, SO SÁNH, THỰC NGHIỆM, PHÂN TÍCH, TỔNG HỢP 4.1.KẾT QUẢ THI CƠNG MƠ HÌNH 4.1.1.Phần cứng Sau thời gian thực hiện, người nghiên cứu hồn thành mơ hình hệ thống Mơ hình phần cứng hệ thống bao gồm board điều khiển, thiết bị ngoại vi, nguồn hình 4.1 Hình 4.1: Mơ hình hệ thống Phần cứng hệ thống gồm có: -2 adapter chuyển đổi điện áp 220V AC sang 12V DC -1 Kit điều khiển Raspberry pi -1 động kéo cửa UN4001 -2 relay kênh 36 an -1 cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 -1 cảm biến chuyển động HC_SR501 -1 cảm biến ánh sáng CDS -1 cảm biến Gas MQ5 -1 loa báo động -1 động quạt -1 biến trở -2 bóng đèn -1 mạch cầu H L298 -1 mạch chuyển đổi điện áp 12V-5V LM2596 -1 LCD 16x2 4.1.2.Phần mềm Chương trình Webserver, database, điều khiển thiết bị lưu Board điều khiển (raspberry pi 3) Địa trang web điều khiển : 192.168.1.79:3000 Giao diện đăng nhập vào trang web điều khiển hình 4.2 Hình 4.2 Giao diện Webserver Giao diện bao gồm: Thơng tin nhiệt độ độ ẩm, chuyển động, gas, ánh sáng 37 an Nút điều khiển on/off đèn 1, đèn 2, quạt Thông tin người nghiên cứu,tên đề tài Điều khiển cửa password 4.1.3.HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG Q trình hoạt động hệ thống mơ tả sau: Sau khởi động hệ thống, người nghiên cứu vào giao diện raspberry pi Sau người nghiên cứu vào thu mục webserver connect-devices để khởi động server kết nối thiết bị dịng lệnh, sau khởi động xong, hình LCD hiển thị nhiệt độ độ ẩm hình 4.3 Hình 4.3 LCD 16x2 hiển thị nhiệt độ và độ ẩm Tiếp theo người nghiên cứu vào trình duyệt web để đăng nhập vào giao diện điều khiển địa IP Raspberry pi cổng 3000 hệ thống Khi có tín hiệu điều khiển thiết bị webserver cập nhật lại trạng thái web gửi liệu vào database đồng thời gửi tín hiệu điều khiển thiết bị Trạng thái điều khiển thiết bị cập nhật lên tục lên webserver, database mơ tả hình sau : 38 an Hình 4.4 trạng thái ban đầu Hình 4.5 mở đèn Hình 4.6 mở đèn Hình 4.7 mở đèn Hình 4.8 mở quạt Hình 4.9 thực mở cửa 39 an Các cảm biến nhận liệu từ người dùng môi trường, gửi liệu vào board điều khiển board điều khiển cập nhật liên tục liệu lên database webserver Hình 4.10 trạng thái ban đầu cảm biến Hình 4.11 Dữ liệu tương ứng database Hình 4.12 trạng thái thay đổi có tác động từ người dùng Hình 4.13 liệu tương ứng database 40 an 4.2.SO SÁNH, PHÂN TÍCH HỆ THỐNG Sau thời gian thực hoàn thành hệ thống Người nghiên cứu đưa nhận định, phân tích so sánh ưu điểm nhược điểm hệ thống sau: -Ưu điểm: So với kết thực nghiệm liệu thu thập phần mềm hệ thống hoạt động ổn định Các thiết bị cảm ứng sử dụng phổ biến, gần gũi với sống ngày Các thiết bị đáp ứng nhanh tín hiệu điều khiển từ webserver Dữ liệu từ cảm biến cập nhật nhanh Webserver cập nhật liệu, hình ảnh liên tục mà khơng cần phải reload lại Các module điều khiển thiết bị hoạt động tốt ổn định Board điều khiển hoạt động tốt, xử lý liệu nhanh Có thể điều khiển từ xa thơng qua webserver có kết nối mạng LAN Loa cảnh báo thiết kế tự động có tín hiệu từ cảm biến GAS -Nhược điểm: Các cảm biến thiết kế tập trung nên gây tín hiệu khơng mong muốn cho người sử dụng Hệ thống khơng có thiết bị ngoại vi điều khiển trực tiếp nên kết nối internet hệ thống khơng hoạt động Nếu nhiều thiết bị hoạt động lúc gây tượng sụt áp khiến cho LCD hiển thị sai Cách dây phức tạp nên nhiều hạn chế tính thẫm mỹ 41 an CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1.KẾT LUẬN Sau thời gian tìm hiểu, nghiên cứu sở lý thuyết triển khai thực hiện, người nghiên cứu xây dựng thành công hệ thống điều khiển thiết bị điện thông qua môi trường internet đáp ứng mục tiêu đề ban đầu: -Xây dựng thành công mơ hình phần cứng bao gồm: thiết bị điện, cảm biến, module điều khiển -Thiết kế thành cơng database lưu trữ liệu người dùng -Hồn thành webserver điều khiển thiết bị -Kết nối điều khiển thành công thiết bị 5.2.HƯỚNG PHÁT TRIỂN Nếu tiếp tục phát triển, thực nghiệm hệ thống tối ưu hóa thuật tốn giúp hệ thống hoạt động ổn định đồng thời xây dựng thêm số chức năng: -Thêm chức quản lý người dùng -Thêm chức đăng nhập vào trang web điều khiển -Thêm chức theo dõi thông số nguồn -Xây dựng chức điều khiển thiết bị liệu từ cảm biến -Làm thêm module nút nhấn để điều khiển trực tiếp thiết bị điện -Thêm chức tự khởi động server kết nối thiết bị có tín hiệu điều khiển từ người dùng -Thiết kế lại mơ hình hồn thiện có tính thẫm mỹ -Tách cảm biến xa để chống tín hiệu điều khiển khơng mong muốn từ người dùng 42 an TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ths.Đậu Trọng Hiển, “Giáo Trình Hệ Thống Nhúng”, trường đại học sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh, 2012 [2] Hồng Trang, Bùi Quốc Thảo, “Lập Trình Hệ Thống Nhúng”, đại học quốc gia TPHCM [3] https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?t=69427&p=505235 [4] https://www.w3schools.com/nodejs/ [5] https://github.com/nodejs/node [6] http://www.instructables.com/id/Easy-NodeJS-WebSockets-LED-Controllerfor-Raspberr/ [7] https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?f=81&t=105367 [8] https://www.tutorialspoint.com/python/python_database_access.htm [9] https://github.com/automategreen/home-controller [10] https://www.npmjs.com/package/mysensors-controller [11] Khoa Phạm, Lập trình NODEJS - Bài 13: TẠO WEBSERVER – HTML, https://www.youtube.com/watch?v=jR2vcorPWYY [12] Khoa Phạm, build web real time với socketio, https://www.youtube.com/watch?v=ofptoO93IFI [13] https://tutorials-raspberrypi.com/configure-and-read-out-the-raspberry-pi- gas-sensor-mq-x/ [14] https://github.com/burrsutter/rpi_HC-SR501 [15] https://www.w3schools.com/js/js_htmldom_css.asp 43 an PHỤ LỤC File báo cáo, pdf Thư mục chứa mã nguồn hệ thống, webserver đính kèm CD 44 an S an K L 0 ... Tên đề tài: Thi? ??t kế thi công hệ thống điều khiển thi? ??t bị điện Các số liệu, tài liệu ban đầu: Kit Raspberry Pi 3, thi? ??t kế web server ngơn ngữ java script, lập trình kết nối thi? ??t bị ngôn ngữ... dung thực đề tài: Thi? ??t kế giao diện điều khiển thi? ??t bị Thi? ??t kế phần cứng hệ thống Lập trình giao tiếp với databases điều khiển thi? ??t bị đèn, quạt, cửa dùng giao diện điều khiển web server Lập... nhau, thi? ??t bị có quy trình sử dụng khác tuỳ thuộc vào mục đích người sử dụng Nhưng hệ thống điều khiển thi? ??t bị thông minh mạng LAN lại khác Ở đây, thi? ??t bị điều khiển kết nối với thành hệ thống