(Đồ án hcmute) thiết kế và thi công hệ thống điều khiển thiết bị từ xa qua internet bằng smartphone

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 VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ÐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TỪ XA QUA INTERNET BẰNG SMARTPHONE GVHD: LÊ MINH SVTH : NGUYỄN HUY THÔNG MSSV: 14119176 SKL 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2019 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 VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TỪ XA QUA INTERNET BẰNG SMARTPHONE SVTH : NGUYỄN HUY THƠNG MSSV : 14119176 Khóa : 2014 Ngành : CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH GVHD : ThS LÊ MINH Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2019 an CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** -Tp Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 07 năm 2019 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Huy Thông MSSV:14119176 Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Máy Tính Lớp: 14119CL1 Giảng viên hướng dẫn: ThS Lê Minh Ngày nhận đề tài: 08/03/2019 Ngày nộp đề tài: 11/07/2019 Tên đề tài: Thiết kế thi công hệ thống điều khiển thiết bị từ xa qua Internet Smartphone Các số liệu, tài liệu ban đầu: Kiến thức môn: Mạch điện, Điện tử bản, Vi xử lý, lập trình phát triển ứng dụng di động, webserver Nội dung thực đề tài:  Nghiên cứu tài liệu  Hình thành sơ đồ khối thiết kế mơ hình hệ thống  Viết giao diên cho App Android  Thi cơng hệ thống  Chỉnh sửa, hồn thiện hệ thống  Viết báo cáo Sản phẩm: Mơ hình điều khiển thiết bị từ xa qua Internet Smartphone Tp.Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 07 năm 2019 TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký & ghi rõ họ tên) an CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Huy Thông …MSSV: 14119176 Ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật Máy Tính Tên đề tài: Thiết kế thi công hệ thống điều khiển thiết bị từ xa qua Internet Smartphone Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: ThS Lê Minh 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 2019 Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) an CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên Sinh viên: Nguyễn Huy Thông……………….…….MSSV: 14119176 Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Máy Tính Tên đề tài: Thiết kế thi công hệ thống điều khiển thiết bị từ xa qua Internet Smartphone Họ tên Giáo viên phản biện: …………………………………………………… 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 2019 Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên) an LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này và có kiến thức vơ q báu q trình thực hiện, người thực xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Lê Minh giảng viên thời gian qua tận tình hướng dẫn, bảo kinh nghiệm quý báo suốt trình thực đề tài Trong thời gian làm việc với Thầy không lần tiếp thu nhiều kiến thức mà học tập thái độ làm việc nghiêm túc, đầy trách nhiệm, chuyên nghiệp hiệu Thầy Đây kinh nghiệm cần thiết cho trình học tập làm việc sau Đồng thời, người thực xin cảm ơn Thầy Cơ mơn Kỹ thuật máy tính - Viễn thông trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh truyền đạt lại nhiều kiến thức tảng cần thiết suốt trình thực đề tài người thực xin cảm ơn quý Thầy Cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao dạy dỗ dẫn suốt thời gian qua Và người thực xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô hội đồng bảo vệ dành chút thời gian để xem luận văn tốt nghiệp mặt tích cực hạn chế đề tài Ngoài ra, người thực đề tài xin gửi lời cảm ơn đặc biệt tới tất bạn bè lớp 14119CL1 đồng hành và giúp đỡ lẫn suốt thời gian sinh viên, là khoảng thời gian đáng quý và đáng nhớ Cuối cùng, lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến bậc cha mẹ, người thân động viên và giúp đỡ nhóm suốt chặng đường học tập vừa qua trình nghiên cứu đồ án tốt nghiệp Do thời gian thực đề tài cịn có hạn, kiến thức cịn bản, dù cố gắng không tránh khỏi sai sót hạn chế Người thực mong nhận lời dẫn đóng góp quý báo từ bạn quý Thầy Cơ Xin chân thành cảm ơn! i an TĨM TẮT Hiện Công nghệ kỹ thuật tự động lĩnh vực then chốt, đóng vai trị định sự phát triển cơng nghiệp hố đại hố tương lai Nhiệm vụ cơng nghệ tự động chế tạo sản phẩm tự động cho lĩnh vực nghành kỹ thuật, việc phát triển ngành công nghệ cột mốc quan trọng ngành kỹ thuật đòi hỏi kỹ sư điện tử cán kĩ thuật đào tạo phải có kiến thức tương đối rộng, đồng thời phải biết vận dụng kiến thức để giải vấn đề cụ thể thường gặp đời sống ngày Xu hướng phổ biến tương tác với thiết bị điện gia đình văn phịng từ xa thơng qua điện thoại thơng minh có kết nối với Internet, thứ kết nối thơng qua mạng Internet, qua người dùng biết trạng thái hoạt động thiết bị giám sát nhiệt độ nơi cách xác, hẹn để bật mở thiết bị tự động theo thời gian thật từ hệ thống Đề tài “Thiết kế thi công hệ thống điều khiển thiết bị từ xa qua Internet Smartphone” là mơ hình hệ thống sử dụng thông qua mạng Internet giao diện Android từ điện thoại người thực chọn nghiên cứu để thực nhằm giải nhu cầu tất yếu người dùng Với hệ thống thiết kế, người dùng điều khiển bật tắt thiết bị từ xa thông qua giao diện ứng dụng điện thoại di động cài đặt kết nối với mạng Internet Ngồi hẹn và giám sát nhiệt độ - độ ẩm từ môi trường thông qua cảm biến gắn hệ thống Kết đồ án mơ hình hệ thống nhỏ mức độ với hai chế độ Mode Manual Auto cho người dùng Ở chế độ Manual, thiết bị bật tắt linh hoạt từ phần cứng Còn chế độ Auto, hệ thống người dùng sử dụng ứng dụng từ điện thoại để bật tắt hẹn tự động cho thiết bị Do thời gian thực đồ án có hạn nên sinh viên thực đề tài mong nhận sự đóng góp ý kiến từ quý thầy cô bạn ii an MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii DANH MỤC HÌNH vi DANH MỤC BẢNG viii CÁC TỪ VIẾT TẮT ix CHƯƠNG 1.1 GIỚI THIỆU 1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.5 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.6 BỐ CỤC QUYỂN BÁO CÁO CHƯƠNG 2.1 VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO UNO R3 2.1.1 Giới thiệu 2.1.2 Thông số kỹ thuật 2.2 KIT NODEMCU ESP8266 2.2.1 Giới thiệu 2.2.2 Thông số kỹ thuật 2.3 MẠCH CHUYỂN GIAO TIẾP LCD SANG I2C 2.3.1 Giới thiệu 2.3.2 Thông số kỹ thuật 2.3.3 Sơ đồ kết nối 2.4 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM DHT11 2.4.1 Giới thiệu 2.4.2 Thông số kỹ thuật 2.4.3 Sơ đồ chân 10 iii an 2.5 MẠCH THỜI GIAN THỰC DS3231 10 2.5.1 Giới thiệu 10 2.5.2 Thông số kỹ thuật 11 2.6 MODULE RELAY 11 2.6.1 Giới thiệu 11 2.6.2 Cấu tạo Relay 12 2.6.3 Cách thức hoạt động 12 2.7 CHUẨN TRUYỀN THÔNG UART 13 2.7.1 Giới thiệu 13 2.7.2 Nguyên lý hoạt động 14 2.8 NỀN TẢNG ANDROID 15 2.9 NTP SERVER 16 2.9.1 Giới thiệu 16 2.9.2 NTP Server gì? 16 2.9.3 Cách thức giao tiếp 16 CHƯƠNG 18 3.1 MƠ HÌNH HỆ THỐNG 18 3.2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 19 3.2.1 Chức phần cứng 19 3.2.2 Sơ đồ khối phần cứng 20 3.3 THIẾT KẾ TỪNG KHỐI PHẦN CỨNG 22 3.3.1 Khối vi điều khiển trung tâm 22 3.3.2 Khối hiển thị 23 3.3.3 Khối cảm biến 24 3.3.4 Khối thời gian thực 25 3.3.5 Khối chấp hành 26 3.3.6 Khối điều khiển 27 3.3.7 Khối nguồn 29 3.3.8 Sơ đồ nguyên lý phần cứng 30 3.4 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 32 iv an 3.4.1 Chức hoạt động phần mềm 32 3.4.2 Server 32 3.4.3 Thiết kế ứng dụng di động 35 3.5 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 40 3.5.1 Arduino Uno 40 3.5.2 NodeMCU 43 CHƯƠNG 51 4.1 KẾT QUẢ MƠ HÌNH THI CƠNG 51 4.2 HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG 51 4.2.1 Chức điều khiển thiết bị 51 4.2.2 Chức theo dõi nhiệt độ 59 CHƯƠNG 62 5.1 KẾT LUẬN 62 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 PHỤ LỤC 65 v an Khi người dùng mở ứng dụng Android điện thoại lên kết nối với Internet lên giao diện điều khiển hình chế độ Manual, người dùng cần tác động bật/tắt thiết bị cách chạm vào nút nhấn giao diện ON/OFF hình hệ thống đáp ứng Ngược lại hai biểu tượng đồng hồ màu trắng không chạm chạm cảnh báo “bạn chế độ Manual” - Điều khiển tự động (Auto)  Kết phần cứng: Hình 4.6: Hệ thống chế độ điều khiển Auto Theo hình sau chuyển hệ thống từ chế độ “M” tức Manual sang chế độ “A” tức Auto hình hiển thị trạng thái điều khiển ON/OFF thời gian xác người dùng hẹn để bật/tắt thiết bị yêu cầu đặt từ đề tài Sau người dùng thao tác hẹn liệu gửi hiển thị hình LCD, thời gian mở thời gian tắt thiết bị cụ thể hình 55 an Hình 4.7: Hệ thống sau hẹn cho thiết bị Sau hẹn thành cơng với thời gian thực tế hệ thống cho mở thiết bị hình bên trên, thời gian hẹn xác với thời gian thực tế Ở thời gian hẹn 09h10 hệ thống cho mở thiết bị và 09h15 cho tắt thiết bị 1, tương tự với thiết bị 09h30 mở và 10h00 tắt theo thời gian thực tế 56 an  Kết phần mềm: Màn hình giao diện thao tác chế độ Auto sau: Hình 4.8: Giao diện ứng dụng chế độ Auto 57 an Hình 4.9: Giao diện ứng dụng sau hẹn Theo hình giao diện từ Android sau chuyển “mode manual” sang “mode auto” qua biểu tượng switch ứng dụng hai nút nhấn ON/OFF phía khơng thao tác chạm cảnh báo là “bạn chế độ Auto” Từ ứng dụng người dùng chọn vào hai biểu tượng đồng hồ màu trắng tương ứng với hai thiết bị để tiến hành hẹn tự động Sau hẹn thành cơng có dịng thơng báo hiển thị lên hình hệ thống cho phép hệ thống thực thi thời gian cài đặt 58 an Hình 4.10: Giao diện ứng dụng hẹn thành công 4.2.2 Chức theo dõi nhiệt độ - Kết phần cứng: 59 an Hình 4.11: Hệ thống hiển thị nhiệt độ, độ ẩm Theo hình bên hệ thống hiển thị hình dịng cuối liệu nhiệt độ, độ ẩm thu từ cảm biến môi trường, liệu gửi trực tiếp lên server cập nhật giao diện Android cho người dùng theo dõi cách trực quan Nếu có sự thay đổi đột ngột liệu hệ thống tự động cập nhật xác Cụ thể nhiệt độ 31 độ C và độ ẩm 72% nằm mức ổn định trung bình 60 an - Kết phần mềm: Màn hình giao diện chức theo dõi nhiệt độ từ ứng dụng: Hình 4.12: Giao diện hiển thị liệu nhiệt độ, độ ẩm Khi có kết nối với mạng Internet liệu cảm biến từ Server lấy hiển thị hình giao diện ứng dụng Nếu khơng có kết nối Intrenet báo lỗi khơng xác nhận liệu hiển thị “non” 61 an CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 KẾT LUẬN Sau trình tìm hiểu, nghiên cứu triển khai thực điều kiện thời gian kiến thức hạn chế, người thực đề tài hoàn thành nội dung và đáp ứng yêu cầu đặt ban đầu sau: Nghiên cứu tổng quát hệ thống điều khiển thiết bị từ xa ứng dụng vào đời sống ngày Thiết kế ứng dụng Android để điều khiển quản lý hệ thống đồng thời giao tiếp với phần cứng thông qua liệu Realtime Database từ Server Firebase Google Thiết kế board phần cứng đảm nhận chức năng:  Điều khiển thiết bị trực tiếp hệ thống khơng có internet (offline) và điều khiển từ xa có mạng Internet (online)  Giám sát môi trường nhiệt độ và độ ẩm  Điều khiển qua hai chế độ: Mode Manual Mode Auto  Xử lý liệu thời gian thực từ hệ thống để phục vụ cho việc hẹn thiết bị chế độ Mode Auto - - Một số ưu điểm và nhược điểm từ hệ thống sau hoàn thành: - - Ưu điểm:  Điều khiển thiết bị từ xa có Internet thơng qua ứng dụng từ di động  Cập nhật liên tục trạng thái thiết bị giá trị cảm biến lên Server  Hẹn để tự động bật/tắt thiết bị từ xa cách xác với thời gian Nhược điểm:  Độ ổn định hệ thống phụ thuộc vào kết nối internet server 62 an  Khả đáp ứng phản hồi chậm board trung tâm xử lý chương trình tuần tự  Chưa lưu trữ liệu từ phần cứng hệ thống bị điện 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Đề tài “Thiết kế thi công hệ thống điều khiển thiết bị từ xa qua Internet Smartphone” người thực nghiên cứu thi cơng dạng mơ hình đơn giản, điều khiển hai thiết bị, giao tiếp thao tác với người dùng qua ứng dụng di động từ Android smartphone Nếu tiếp tục phát triển để hệ thống xử lý tốt cải tiến như: - - Cải thiện tốc độ xử lý vi điều khiển chuyên dùng ARM kết nối thêm thiết bị điều khiển Thêm số chức phục vụ bị ngắt mạng cấu hình cho wifi ứng dụng di động để dễ dàng kết nối với địa mạng wifi khác người dùng muốn thay đổi Điều khiển thao tác với hệ thống qua Web browser Tối ưu hệ thống trở nên nhỏ gọn để lắp hộ gia đình và qua thương mại hóa tương lai 63 an TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Đình Phú, Giáo trình thực hành Vi điều khiển PIC, Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM, 2017 [2] Hshop.vn, Kit RF Thu Phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102, HSHOP ĐIỆN TỬ VÀ ROBOT, 06/12/2017 [Online] Available: https://hshop.vn/products/kitrf-thu-phat-wifi-esp8266-nodemcu [3] GitHub, Inc.[US], libraries ,GitHub master [Online] Available: https://github.com/hocarm/ESP8266 [4] HocARM, NodeMCU, 02/09/2016 [Online] Available: https://hocarm.org/dong-ho-thoi-gian-thuc-cho-esp8266/ [5] Google Developers, build anything on android [Online] Available: https://developer.android.com/studio/ [6] Khoa Phạm Training Team, LẬP TRÌNH ANDROID VỚI NEW FIREBASE, Huong Ngoc, 2017 [Online] Available: http://online.khoapham.vn/android/134-lap-trinhandroid-voi-new-firebase.html [7] Tran Gia Nhuan, Tìm hiểu Firebase Realtime Database, VIBLO [Online] Available: https://viblo.asia/p/tim-hieu-ve-firebase-realtime-database/ [8] Cộng đồng Arduino Việt Nam, Module Relay, Arduino.vn, 2014 [Online] Available: http://arduino.vn/bai-viet/302-module-relay-cach-su-dung-role-va-nhung-ung-dung-hay-cua-no [9] https://www.youtube.com/watch?v=BfUtpScdQ9Y 64 an PHỤ LỤC Tạo tài khoản cấu hình cho Firebase - Để tạo Server miễn phí Google quản lý Firebase ta thực theo bước sử dụng lần đầu tạo địa server:  Bước 1: Tạo tài khoản gmail để truy cập Vào Google gõ trực tiếp trang https://firebase.google.com/ để tạo tài khoản cho riêng đăng nhập từ gmail Sau nhấn vào nút GET STARTED Màn hình bên dưới:  Bước 2: Tạo new project để thao tác Tạo Project Firebase cách nhấp vào biểu tượng Add project, đặt tên cho project -> chọn Create project chờ hệ thống tạo Khi hoàn tất nhấn Continue Sau tạo xong có màn hình phía dưới: 65 an  Bước 3: Thiết lập Realtime Database Chọn vào Database , giao diện chọn Create database, sau tick vào Start in locked mode chọn ENABLE để thiết lập bảo vệ Cloud Firestore Trên biểu tượng Database chọn Realtime Database  Bước 4: Mở khóa để xác lập quyền quản trị Xác lập quy tắc cho phép người dùng để đọc ghi liệu Click vào Rules , thay dịng code fasle = true Sau chọn Publish 66 an Vậy là thiết lập xong project bạn cần thực thi Cuối kiểm tra xem sau làm theo bước có kết bên không, ban đầu chưa ghi liệu vào có chữ “null” xuất Dưới là New project tạo từ Firebase: 67 an 68 an an ... bật mở thi? ??t bị tự động theo thời gian thật từ hệ thống Đề tài ? ?Thi? ??t kế thi công hệ thống điều khiển thi? ??t bị từ xa qua Internet Smartphone? ?? là mơ hình hệ thống sử dụng thông qua mạng Internet. .. vực điều khiển thông minh ứng dụng sống Người thực đưa ý tưởng xin thực đề tài ? ?Thi? ??t kế thi công hệ thống điều khiển thi? ??t bị từ xa qua Internet Smartphone? ?? nhằm sử dụng công nghệ WiFi vào... LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THI? ??T KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THI? ??T BỊ TỪ XA QUA INTERNET BẰNG SMARTPHONE SVTH : NGUYỄN HUY THƠNG MSSV : 14119176 Khóa : 2014 Ngành : CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY