(Đồ án hcmute) thiết kế và thi công hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị trong nhà

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT THIẾT BỊ TRONG NHÀ GVHD: ThS NGUYỄN TRƯỜNG DUY SVTH: TRẦN HOÀNG ANH MSSV: 16141104 SVTH: TRẦN THỊ MINH THY MSSV: 16141301 SKL 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 01/2021 an TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH o0o -Tp HCM, ngày tháng năm 2021 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Trần Hoàng Anh MSSV: 16141104 Trần Thị Minh Thy MSSV: 16141301 Chuyên ngành: Điện tử công nghiệp Mã ngành: 41 Hệ đào tạo: Đại học quy Mã hệ: Khóa: 2016 Lớp: 16141DT2 I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT THIẾT BỊ TRONG NHÀ II NHIỆM VỤ Các số liệu ban đầu: - Tìm hiểu kiến thức điều khiển thiết bị thơng qua mạng internet - Tìm hiểu vi điều khiển phù hợp với đề tài phương pháp lập trình - Tìm hiểu cảm biến đo thông số môi trường như: cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến khí gas, cảm biến chuyển động, cảm biến cường độ ánh sáng, … - Tìm hiểu thiết bị điện nhà, hệ thống điều khiển nhà thông minh - Tìm hiểu kiến thức lập trình website, lập trình app android - Tìm hiểu phần mềm lập trình Nội dung thực hiện: - Tìm hiểu kiến thức, tài liệu liên quan đến đề tài i an - Tìm hiểu kiến thức module Arduino Mega 2560, module ESP8266, module ESP32-CAM, module bluetooth HC-05; loại cảm biến: cảm biến ánh sáng, cảm biến chuyển động, cảm biến khí gas, cảm biến nhiệt độ - độ ẩm,… - Tìm hiểu về: hệ thống truyền động mái hiên; hệ thống bảo mật cửa mật qua App điện thoại bàn phím ma trận; cách điều khiển camera gửi ảnh chụp từ ESP32-CAM - Tìm hiểu giao thức truyền thông, giao tiếp Arduino Mega 2560 với ESP8266; ESP8266 với sỡ liệu, sở liêu với web server, arduino Mega 2560 app android qua bluetooth - Thiết kế sơ đồ nguyên lý cho tồn mạch - Viết chương trình cho khối điều khiển Arduino Mega 2560, ESP32-CAM, ESP8266 - Tạo sở liệu, thiết kế app hệ điều hành Android, web server để giám sát điều khiển thiết bị thông số nhà - Thiết kế mạch in PCB, thi công mạch, thi công mơ hình hồn chỉnh - Chạy thử nghiệm cân chỉnh hệ thống cho ổn định - Viết báo cáo đồ án tốt nghiệp - Báo cáo đồ án tốt nghiệp III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 05/10/2020 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 24/01/2021 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS Nguyễn Trường Duy CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ii an TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH o0o Tp HCM, ngày tháng năm 2021 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Trần Hoàng Anh MSSV: 16141104 Họ tên sinh viên: Trần Thị Minh Thy MSSV: 16141301 Lớp: 16141DT2A Lớp 16141DT2B Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT THIẾT BỊ TRONG NHÀ Tuần/ngày Nội dung - Gặp GVHD để nghe phổ biến yêu cầu làm đồ án, tiến hành chọn đề tài Tuần - (12/10 – 18/10) - Tìm hiểu đề tài có liên quan, viết đề cương đồ án GVHD tiến hành xét duyệt đề tài (19/10 – 25/10) - Tìm hiểu nội dung cần thực Viết bảng phân chia công việc Tuần - Tiến hành thiết kế sơ đồ khối, giải thích chức khối - Thiết kế sơ đồ mạch, giải thích nguyên lý hoạt động mạch - Tìm hiểu module Arduino Mega2560, module ESP8266 module ESP32-CAM Tìm hiểu cảm biến linh kiện khác Tuần (5/10 – 11/10) Tuần (26/10 – 1/11) Tuần (2/11 – 8/11) Tuần (9/11 – 15/11) - Tuần - Xác nhận GVHD Thiết kế lưu đồ giải thuật iii an (16/11 – 22/11) - Lập trình cho Arduino đọc cảm biến, điều khiển LED đơn thu nhận tín hiệu từ cảm biến Giao tiếp ESP8266 Arduino mega 2560 - Lập trình hệ thống khóa cửa bảo mật dùng bluetooth bàn phím ma trận Tìm hiểu giao tiếp ESP32-CAM Tuần (23/11 – 29/11) Tuần (30/11 – 6/12) Tuần 10,11 - (7/12 – 20/12) Tuần 12 - (21/12 – 27/12) - Tuần 13 (28/12 – 3/1) - Tìm hiểu hệ điều hành Android, Web Server Tìm hiểu phương thức gửi liệu từ board mạch lên Web App Thiết kế App, giao diện Web Tiến hành tính tốn để lựa chọn linh kiện, vẽ PCB Tiến hành thi cơng mạch Tổng hợp chương trình đọc tất cảm biến, giao tiếp module, truyền nhận liệu qua internet Hoàn thành thiết kế giao diện Web Tuần 14 - (4/1– 10/1) - Tuần 15 - Hồn thành mạch, mơ hình Kiểm tra hoạt động hệ thống Chạy thử hệ thống, kiểm tra sửa lỗi - Hoàn thiện báo cáo Làm slide, báo cáo với GVHD (11/1 – 17/1) Tuần 16 (18/1 – 24/1) Hoàn thành truyền nhận gửi liệu lên Web App Viết báo cáo GV HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) iv an LỜI CAM ĐOAN Đề tài nhóm thực dựa vào số tài liệu trước khơng chép từ tài liệu hay cơng trình nghiên cứu có trước Người thực đề tài: TRẦN HỒNG ANH TRẦN THỊ MINH THY v an LỜI CẢM ƠN Lời nhóm em xin chân thành cảm ơn đến thầy Nguyễn Trường Duy giúp đỡ hướng dẫn tận tình nhiều trình thực đồ án tốt nghiệp Và xin cảm ơn chân thành thầy cô Khoa Điện – Điện Tử tạo điều kiện tốt cho nhóm, cuối cảm ơn tất đến tất anh chị, bạn bè… chia góp ý để nhóm sớm hồn thành đồ án tốt nghiệp Người thực đề tài: TRẦN HOÀNG ANH TRẦN THỊ MINH THY vi an MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iii LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN vi MỤC LỤC vii LIỆT KÊ HÌNH VẼ x LIỆT KÊ BẢNG VẼ xiii Chương 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 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT SƠ LƯỢC VỀ INTERNET OF THINGS 2.1 2.1.1 Giới thiệu IoT 2.1.2 Ứng dụng IoT SƠ LƯỢC VỀ MẠNG WIFI 2.2 2.2.1 Giới thiệu wifi 2.2.2 Một số chuẩn kết nối wifi phổ biến SƠ LƯỢC VỀ NHÀ THÔNG MINH 2.3 2.3.1 Giới thiệu nhà thông minh 2.3.2 Cơ chế hoạt động nhà thông minh 10 2.3.3 Ưu điểm nhược điểm nhà thông minh 11 2.3.4 Các tảng nhà nhà thông minh phổ biến nay……………………………….11 CÁC CHUẨN VÀ PHƯƠNG THỨC TRUYỀN DỮ LIỆU 13 2.4 2.4.1 Chuẩn truyền thông UART 13 2.4.2 Giao thức HTTP HTTPS 15 a Giao thức HTTP 15 b Giao thức HTTPS 16 2.4.3 Phương thức GET POST 17 vii an a Phương thức GET 17 b Phương thức POST 18 2.5 PHẦN CỨNG 18 2.5.1 Vi điều khiển 18 a Giới thiệu Arduino 18 b Giới thiệu Arduino Mega 2560 18 2.5.2 Module wifi ESP8266 23 2.5.3 Module Wifi ESP32-CAM 25 2.5.4 Module bluetooth HC-05 28 2.5.5 Động servo SG90 29 2.5.6 Relay tiếp điểm khí 30 2.5.7 Bàn phím ma trận 4x4 (Keypad 4x4) 31 Chương TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 33 3.1 GIỚI THIỆU 33 3.2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 33 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 33 3.2.2 Tính toán thiết kế mạch 35 a Khối điều khiển trung tâm 35 b Khối cảm biến 36 c Khối ngõ công suất 38 d Khối nút nhấn 42 e Khối đóng – mở cửa 44 f Khối truyền liệu 46 g Khối điều khiển camera 47 i Khối nguồn 48 3.2.3 Sơ đồ ngun lí tồn mạch 50 a Sơ đồ ngun lí tồn mạch 50 b Giải thích ngun lý hoạt động tồn mạch 52 Chương THI CÔNG HỆ THỐNG 53 4.1 GIỚI THIỆU 53 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 53 4.2.1 Thi công board mạch 53 a Mạch điều khiển 53 b Mạch điều khiển camera 54 viii an 4.2.2 Lắp ráp kiểm tra 61 a Mạch điều khiển 61 b Mạch điều khiển camera 61 4.3 THI CƠNG MƠ HÌNH 64 4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 65 4.4.1 Lưu đồ giải thuật 61 a Lưu đồ giải thuật Arduino Mega 2560 61 b Lưu đồ chương trình ESP8266 71 c Lưu đồ chương trình ESP32-CAM 65 4.4.2 Phần mềm lập trình Arduino 65 4.4.3 Lập trình phần mềm Android với MIT App Inventor 66 4.4.4 Phần mềm lập trình web Sublime Text 69 4.4.5 Giới thiệu Hostinger 71 Chương KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ 75 5.1 GIỚI THIỆU 76 5.2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 76 5.3 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ 76 5.3.1 Nhận xét 79 5.3.2 Đánh giá 79 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 82 6.1 KẾT LUẬN 82 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 PHỤ LỤC 84 ix an PHỤ LỤC ///////////////////////// reading5 = digitalRead(nn5); if (reading5 == HIGH && previous5 == LOW && millis() - time5 > debounce) { if (tt5 == "0") { state5 = HIGH; } else if (tt5 == "1") { state5 = LOW; } time5 = millis(); if (state5 == HIGH) { tb5 = "1"; } else if (state5 == LOW) { tb5 = "0"; } } previous1 = reading1; //touch2//điều hịa phịng reading6 = digitalRead(nn6); if (reading6 == HIGH && previous6 == LOW && millis() - time6 > debounce) { if (tt6 == "0") { state6 = HIGH; } else if (tt6 == "1") { state6 = LOW; } time6 = millis(); if (state6 == HIGH) { 101 an PHỤ LỤC tb6 = "1"; } else if (state6 == LOW) { tb6 = "0"; } } previous6 = reading6; //touch2//điều hịa phịng reading7 = digitalRead(nn7); if (reading7 == HIGH && previous7 == LOW && millis() - time7 > debounce) { if (tt7 == "0") { state7 = HIGH; } else if (tt7 == "1") { state7 = LOW; } time7 = millis(); if (state7 == HIGH) { tb7 = "1"; } else if (state7 == LOW) { tb7 = "0"; } } previous7 = reading7; }  Chương trình ESP8266 #include #include #include #include 102 an PHỤ LỤC #include SoftwareSerial mySerial(D2, D1); //rx,tx unsigned long t1 = 0, t2 = 0; String tb1 = "x", tb2 = "x", tb3 = "x", tb4 = "x", tb5 = "x", tb6 = "x", tb7 = "x"; byte moc; String cb1 = "", cb2 = "", cb3 = "", cb4 = ""; String s = "", s1 = "", s2 = ""; String nhiet_do = "", do_am = "", khi_gas = "", chuyen_dong = ""; String st1 = "", st2 = "", st3 = "", st4 = "", st5 = "", st6 = "", st7 = "", st8 = "", stb = ""; int tt1 = 0, tt2 = 0, tt3 = 0, tt4 = 0, tt5 = 0, tt6 = 0, tt7 = 0, tt8 = 0; String ssid = "Aaaaaaaa";//12345679 String password = "231196@96";//12345679 const char* host = "datn2021.online"; const char *hostthietbi = "http://datn2021.online/dktb/text.php"; WiFiClient client; void setup() { Serial.begin(9600); mySerial.begin(57600); WiFi.begin(ssid, password); while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) { delay(300); Serial.print("."); } } void loop() { //co tin hieu tu arduino if (mySerial.available()) { char c = mySerial.read(); s += c; 103 an PHỤ LỤC if (c == '\n') { s1 = s; s = ""; for (int i = 0; i 500) { // kết nối đến port 80 if (client.connect(host, 80)) { Serial.println("connected"); // truyền liệu lên server theo phương thức get client.print(String("GET http://datn2021.online/insert/insertcb.php?") + ("nhiet-do=") + nhiet_do + ("&do-am=") + do_am + ("&khi-gas=") + khi_gas + ("&chuyen-dong=") + chuyen_dong + " HTTP/1.1\r\n" + "Host: " + host + "\r\n" + "Connection: close\r\n\r\n"); } else { Serial.println("connection failed"); } delay(50); if (client.connect(host, 80)) { Serial.println("connected"); client.print(String("GET http://datn2021.online/insert/inserttb1.php?") + ("&tb1=") + tb1 + ("&tb2=") + tb2 + ("&tb3=") + tb3 + ("&tb4=") + tb4 + ("&tb5=") + tb5 + 106 an PHỤ LỤC ("&tb6=") + tb6 + ("&tb7=") + tb7 + " HTTP/1.1\r\n" + "Host: " + host + "\r\n" + "Connection: close\r\n\r\n"); } else { // không kết nối với server in kết nối thất bại Serial.println("connection failed"); } //phần cố định delay(50); t1 = millis(); } //nhan du lieu tu database va gui ve arduino if (millis() - t2 > 400) { HTTPClient http; http.begin(hostthietbi); int httpCode = http.GET(); String payload = http.getString(); if (httpCode == 200) { const size_t capacity = JSON_OBJECT_SIZE(3) + JSON_ARRAY_SIZE(2) + 60; DynamicJsonBuffer jsonBuffer(capacity); JsonObject& root = jsonBuffer.parseObject(payload); if (!root.success()) { Serial.println(F("Parsing failed!")); return; } String x1 = root["led"][0]["tb1"]; 107 an PHỤ LỤC String x2 = root["led"][0]["tb2"]; String x3 = root["led"][0]["tb3"]; String x4 = root["led"][0]["tb4"]; String x5 = root["led"][0]["tb5"]; String x6 = root["led"][0]["tb6"]; String x7 = root["led"][0]["tb7"]; // String x8 = root["led"][0]["tb8"]; if (x1 == "on") { st1 = "1"; } else if (x1 == "off") { st1 = "0"; } if (x2 == "on") { st2 = "1"; } else if (x2 == "off") { st2 = "0"; } if (x3 == "on") { st3 = "1"; } else if (x3 == "off") { st3 = "0"; } if (x4 == "on") { st4 = "1"; } else if (x4 == "off") { st4 = "0"; } if (x5 == "on") { st5 = "1"; 108 an PHỤ LỤC } else if (x5 == "off") { st5 = "0"; } if (x6 == "on") { st6 = "1"; } else if (x6 == "off") { st6 = "0"; } if (x7 == "on") { st7 = "1"; } else if (x7 == "off") { st7 = "0"; } stb = st1 + st2 + st3 + st4 + st5 + st6 + st7; mySerial.println(stb); Serial.println(stb); } else { Serial.println("Error in response"); } http.end(); delay(50); t2 = millis(); } }  Chương trình ESP32-CAM #include "esp_camera.h" #include #include 109 an PHỤ LỤC // WARNING!!! Make sure that you have either selected ESP32 Wrover Module, // or another board which has PSRAM enabled // // Select camera model //#define CAMERA_MODEL_WROVER_KIT //#define CAMERA_MODEL_ESP_EYE //#define CAMERA_MODEL_M5STACK_PSRAM //#define CAMERA_MODEL_M5STACK_WIDE #define CAMERA_MODEL_AI_THINKER #define SERVO1 12 // Cửa sổ khách #define SERVO2 13 // Cửa sổ khách #include "camera_pins.h" Servo gServo1; Servo gServo2; int pos = 0; Servo myservo; const char* ssid = "Aaaaaaaa"; const char* password = "231196@96"; void startCameraServer(); boolean matchFace = false; boolean activateRelay = false; long prevMillis = 0; int interval = 5000; void ServoOpen() 110 an PHỤ LỤC { for (pos = 180; pos >= 0; pos -= 1) { // goes from degrees to 180 degrees // in steps of degree myservo.write(pos); delay(15); // tell servo to go to position in variable 'pos' // waits 15ms for the servo to reach the position } } void ServoClose() { for (pos = 0; pos id.PID == OV3660_PID) { s->set_vflip(s, 1);//flip it back s->set_brightness(s, 1);//up the blightness just a bit s->set_saturation(s, -2);//lower the saturation } //drop down frame size for higher initial frame rate s->set_framesize(s, FRAMESIZE_QVGA); #if defined(CAMERA_MODEL_M5STACK_WIDE) s->set_vflip(s, 1); s->set_hmirror(s, 1); #endif WiFi.begin(ssid, password); while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) { delay(500); Serial.print("."); } 113 an PHỤ LỤC Serial.println(""); Serial.println("WiFi connected"); startCameraServer(); Serial.print("Camera Ready! Use 'http://"); Serial.print(WiFi.localIP()); Serial.println("' to connect"); } void loop() { if (matchFace == true && activateRelay == false) { activateRelay = true; ServoOpen(); delay(5000); ServoClose(); prevMillis = millis(); } if (activateRelay == true && millis() - prevMillis > interval) { activateRelay = false; matchFace = false; } } 114 an S an K L 0 ... tài ? ?Thi? ??t kế thi công hệ thống điều khiển giám sát thi? ??t bị nhà? ?? để kế thừa tính hữu dụng từ đồ án nhóm trước phát triền lên với nhiều tính như: điều khiển thi? ??t bị giọng nói qua app, điều khiển. .. TÍNH TỐN VÀ THI? ??T KẾ 33 3.1 GIỚI THI? ??U 33 3.2 TÍNH TOÁN VÀ THI? ??T KẾ HỆ THỐNG 33 3.2.1 Thi? ??t kế sơ đồ khối hệ thống 33 3.2.2 Tính tốn thi? ??t kế mạch ... tử công nghiệp Mã ngành: 41 Hệ đào tạo: Đại học quy Mã hệ: Khóa: 2016 Lớp: 16141DT2 I TÊN ĐỀ TÀI: THI? ??T KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT THI? ??T BỊ TRONG NHÀ II NHIỆM VỤ Các số liệu