Hcmute thiết kế hộp điều khiển giám sát thiết bị thông minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ HỘP ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT THIẾT BỊ THÔNG MINH MÃ SỐ: SV2020-132 SKC 0 1 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2020 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ HỘP ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT THIẾT BỊ THƠNG MINH MÃ SỐ: SV2020-132 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2020 Luan van Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.1.1 Đặt vấn đề Ngày với phát triển nhanh chóng công nghệ, công việc giám sát điều khiển thiết bị nhà nơi ngày quan trọng hết để giúp tránh rủi ro lãng phí điện tiêu thụ Vì mà em thực đề tài: “THIẾT KẾ HỘP ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT THIẾT BỊ THÔNG MINH” nhằm mục đích kiểm sốt hoạt động thiết bị điện tiêu thụ nhà 1.1.2 Tính cấp thiết đề tài Theo tính tốn, mức lãng phí điện Việt Nam cao gấp 1,5 - lần so với giới, tổng hợp Bộ Cơng Thương cho thấy mức lãng phí điện ta cao, từ 10 - 50% Hiện tượng lãng phí sử dụng điện bắt gặp đâu, từ hộ gia đình quan doanh nghiệp Nhiều người nghĩ tắt bóng đèn, biển quảng cáo hay quạt chẳng tiết kiệm điện Tuy nhiên, theo tính tốn, cần tắt bóng đèn, rút thiết bị điện không sử dụng, hay dùng thiết bị gia đình cách tiết kiệm điện từ 10-15% hàng tháng Chính hệ thống có mục hẹn cài đặt tắt giám sát, điều khiển hoạt động thiết bị dễ dàng hình LCD ứng dụng điện thoại Android 1.2 Mục tiêu đề tài Mục tiêu đề tài lần em là: Thực thiết bị giám sát hoạt động, điều khiển đồ dùng điện nhà, đọc nhiệt độ phòng tự động bật quạt hay điều hòa phòng Hê thống cịn cài đặt giá trị hẹn bật/tắt thiết bị nhà qua hình cảm ứng Ngồi thống cịn kiểm sốt nơi thơng qua mạng ứng dụng điện thoại 1.3 Giới hạn đề tài Đề tài lần em đề tài không mới, nhiên bước đầu làm quen với vi điều khiển ARM để giao tiếp với module thiết bị tài liệu hạn chế nhiều đa phần tiếng Anh Vì sai sót cịn, kính mong thầy/cơ bỏ qua sai sót lần Luan van Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN 2.1 Giới thiệu phần mềm lập trình Keil uVison5 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển ARM có nhiều chương trình khác nhau, sau em sử dụng chương trình thơng dụng dễ dàng tiếp cận Keil uVision5 Để sử dụng phải cài đặt chương trình Keil uVision5, nên làm theo hướng dẫn phần mềm Biểu tượng Keil uVision5 sau cài xong xuất desktop hình sau: Hình 2.1 Biểu tượng phần mềm Keil uVision5 - Hướng dẫn sử dụng phần mềm Keil uVision5: + Biên soạn chương trình Bước 1: Nên tạo thư mục để lưu quản lý chương trình lập trình cho vi điều khiển Bước 2: Khởi tạo chương trình Keil uVision5, giao diện xuất hình 2.2 Thơng thường phần mềm khởi tạo mở chương trình soạn thảo sau mở ứng dụng có phần mềm Hình 2.2 Giao diện phần mềm Keil uVision5 Luan van Bước 3: Tải thư viện cho dòng chip ARM sử dụng, dòng chip em sử dụng STM32F407VET6, tiến hành tải thư viện theo thứ tự 1,2,3 hình 2.3, thứ tự chưa có bấm Install, có bấm Update kiểm tra cập nhật Hình 2.3: Tải thư viện cho phần mềm Bước 4: Tiến hành chọn biểu tượng open, mục “Project” chọn “New uVision Project” theo thứ tự 1,2 hình 2.3 Hình 2.3 Tạo project Luan van Chọn thư chứa file nguồn đặt tên Project theo ý muốn hình 2.4 làm theo thứ tự Hình 2.4 Đặt tên thư mục Luan van Bước 5: Chọn dòng chip sử dụng, làm theo thứ tự 1,2,3,4,5 hình 2.5 Hình 2.5: Chọn chip sử dụng Giao diện sau xuất hình 2.6 file chưa có Hình 2.6: Màn hình soạn thảo Luan van Bước 6: Tạo file main.c cho chương trình vi điều khiển tổ hợp phím “Ctrl+N”, nhấn tiếp tổ hợp phím “Ctrl+S” để lưu file Nhớ lưu chung địa Project đặt tên main.c Ngôn ngữ KeilC uVision có phân biệt chữ hoa hay chữ thường Tuy nhiên phần mềm có hỗ trợ gợi ý viết câu lệnh Sau tiến hành viết code biên dịch cách nhấn phím F9 Nếu khơng sai cú pháp chương trình thơng báo biên dịch thành cơng hình 2.7 Hình 2.7 Thông báo biên dịch thành công Bước 7: Tiến hành nạp code cách nhấn F8 Load hình để nạp code vào chip Sau tiến hành kiểm tra Board Hình 2.8 Nạp code vào board Lưu ý: Phần cứng phần mềm nên đồng với nhau, phần cứng kết nối với Port phần mềm phải khởi tạo Port Nếu khơng mạch khơng hoạt động mong muốn 2.2 Giới thiệu phần mềm lập trình Arduino IDE Trong hệ thống thiết kế này, để giao tiếp qua Wifi nhóm em sử dụng Module ESP8266 Để viết code cho Module nhóm em sử dụng phần mềm lập trình Arduino IDE Để sử dụng phần mềm nên làm theo hướng dẫn phần mềm Biểu tượng Arduino IDE sau cài xong xuất desktop hình sau: Hình 2.9 Phần mềm lập trình Arduino IDE Luan van Bước 1: Nên tạo thư mục để lưu quản lý chương trình lập trình cho vi điều khiển Bước 2: Khởi tạo chương trình Keil uVision5, giao diện xuất hình 2.10 Thơng thường phần mềm khởi tạo mở chương trình soạn thảo sau mở ứng dụng có phần mềm Hình 2.10 Giao diện phần mềm Arduino IDE Bước 3: Tải thư viện cho dòng chip ESP sử dụng, dòng chip em sử dụng ESP8266, tiến hành tải thư viện cách nhấn tổ hợp phím “Ctrl+Shift+I” làm theo thứ tự hình 2.11 để tiến hành cài đặt thư viện cho ESP8266 + Ở thứ tự thứ 1: ta nhập “ESP8266” vào textbox để tìm kiếm thư viện ESP8266 + Ở thứ tự thứ 2: ta tiến hành “Install” cài đặt thư viện hình 2.11 em cài trước nên khơng Luan van Hình 2.11 Cài đặt thư viện cho ESP8266 Bước 4: Tiến hành nhấn tổ hợp phím “Ctrl+N” để tạo Project Hình 2.12 Hình ảnh sau tạo Project Luan van GND GND Hình 3.6 Sơ đồ nối dây STM32F103C8T6 NRF24L01 3.2.4 Khối cảm biến nhiệt độ, độ ẩm Thu thập liệu nhiệt độ bên gửi đến khối điều khiển phụ, module có sẵn nên kết nối với khối điều khiển phụ sau: STM32F103 PB4 3.3V GND DHT11 DATA 3.3V GND Hinh3.7 Sơ đồ nối dây STM32 DHT11 3.2.5 Khối tín hiệu Internet Có chức phát tín hiệu Wifi cho tồn module, module tích hợp sẵn nên nối với thiết bị sau: 49 Luan van Hình 3.8 Module nối dây khối Internet 3.2.6 Khối lưu trữ Firebase  Giới thiệu Firebase dịch vụ sở liệu thời gian thực hoạt động tảng đám mây cung cấp Google nhằm giúp lập trình phát triển nhanh ứng dụng cách đơn giản hóa thao tác với sở liệu Hình 3.9 Giao thức người dùng với google Firebase 50 Luan van - - - - Các chức Google Firebase Với Google Firebase, bạn tạo ứng dụng chat Yahoo Message Facebook Messager ngày thời gian cực ngắn khoảng ngày chí vài đơn giản ta cần lo phần client phần server database có firebase lo Firebase kết hợp tảng cloud với hệ thống máy chủ mạnh mẽ tới từ Google, để cung cấp cho API đơn giản, mạnh mẽ đa tảng việc quản lý, sử dụng database Cụ thể Google Firebase cung cấp tới chức chính: Realtime Database – Cơ sở liệu thời gian thực Firebase lưu trữ liệu database dạng JSON thực đồng database tới tất client theo thời gian thực Firebase Authentication – Hệ thống xác thực Firebase Với Firebase ta dễ dàng tích hợp cơng nghệ xác thực Google, Facebook, Twitter, … hệ thống xác thực mà ta tự tạo vào ứng dụng Firebase Hosting ta triển khai ứng dụng web nhanh chóng với hệ thống Firebase, liệu lưu trữ đám mây đồng thời bảo mật thông qua giao thức truy cập SSL Bảo mật Firebase hoạt động dựa tảng cloud thực kết nối thông qua giao thức bảo mật SSL Sự ổn định Firebase hoạt động dựa tảng cloud đến từ Google ta lo lắng việc sập server, công mạng DDOS, tốc độ kết nối lúc nhanh lúc chậm 51 Luan van Hình 3.10 trang chủ Google Firebase Hình 3.11 liệu Realtime Database 52 Luan van Chương 4: THIẾT KẾ GIAO DIỆN SỬ DỤNG 4.1 Thiết kế giao diện Android Android Studio phần mềm lập trình miễn phí, nhiên phần mềm tạo sụ tiện lợi dành cho người dùng Để thiết kế hệ thống giao diện app Android lần mục tiêu nhóm em sau: - Tạo giao diện có tổng cộng phịng: + Phịng ăn + Phịng bếp + Phòng tắm + Phòng ngủ - Ở phịng có cơng tắc đèn tượng trưng cho phích cắm điện áp 220V - Màn hình giao diện thể phịng ta nhấn vào vào riêng biệt phịng  Giao diện sau 53 Luan van Hình 4.1 Giao diện hình  Giao diện hình phịng Hình 4.2 Giao diện phòng 4.2 Thiết kế giao diện hình cảm ứng FT5206 u cầu Khơng cần hệ thống đích để phát triển phần mềm với emWin; hầu hết phần mềm phát triển cách sử dụng trình giả lập Tuy nhiên, mục đích cuối thường để chạy phần mềm hệ thống đích Đáp ứng phần cứng - CPU (16/32 bit) - CPU có 64 bit (mơ hình liệu LP64 LLP64) - Tối thiểu RAM ROM - Màn hình đồ họa đầy đủ (mọi loại độ phân giải) RAM cần truy cập 8-, 16 32 bit - Yêu cầu nhớ khác tùy thuộc vào phần phần mềm sử dụng hiệu mục tiêu bạn trình biên dịch Do đó, khơng thể định giá trị xác, sau áp dụng cho hệ thống điển hình 54 Luan van Hệ thống nhỏ (khơng có Trình quản lý cửa sổ) RAM: 100 byte Stack: 600 byte ROM: 10-25 KByte (tùy thuộc vào chức sử dụng) Các hệ thống lớn (bao gồm Window Manager widget) RAM: 2-6 kb (tùy thuộc vào số lượng cửa sổ cần thiết) Stack: 1200-1800 byte (tùy thuộc vào chức sử dụng) ROM: 30-60 kb (tùy thuộc vào chức sử dụng) 4.2.1.1 Giao diện thiết kế hoàn thiện: Với việc sử dụng tài liệu PDF hãng cung cấp với nhiều tham khảo Icon, Button, Listview, Multipage, Iconview, hàm viết thư viện C Hình 4.3: Gói thư viện hãng cung cấp Hình 4.4: Các giao diện đồ họa viết thiết kế dựa theo hồn tồn ngơn ngữ C 55 Luan van Hình 4.5: Các chương trình viết thư viện hãng thiết kế theo lớp giao diện Hình 4.6: Đoạn chương trình mẫu khởi tạo Button có họa tiết viền màu 56 Luan van Hình 4.7: Sơ đồ khối thiết kế giao diện cho phịng Hình 4.8 Kết thi cơng khối hiển thị 57 Luan van Hình 4.9 Kết thi cơng khối hiển thị Hình 4.10 Kết thi công khối hiển thị 58 Luan van Chương 5: KẾT QUẢ THI CÔNG VÀ THỰC NGHIỆM CỦA HỆ THỐNG 5.1 Kết Trong trình thực đề tài em hoàn thành khối hệ thống như:  Khối nguồn  Khối cảm biến  Khối cài đặt  Khối điều khiển trung tâm, hiển thị  Khối điều khiển phụ Và thành công việc thi công mạch “GIÁM SÁT HỆ THỐNG ĐIỆN TRONG NHÀ THƠNG MINH” Trong lúc thi cơng, em gom khối như: Khối cảm biến, khối cài đặt, khối xử lý trung tâm, khối hiển thị thành module đơn, module kết nối với khối nguồn (module nguồn) Các module thực tế kết nối sau: Đầu tiên biến áp (chuyển đổi điện áp 220/24 VAC cung cấp cho nguồn), Bộ nguồn DC (cung cấp 5VDC cho mạch hệ thống) cuối hệ thống thực thi Các khối kết nối hình 4.1 5.2 Thực nghiệm (test, demo sản phẩm) Thực nghiệm mạch trình bày hình 5.1, 5.2, ngồi cịn có video clip em đăng https://www.youtube.com/ với đường link sau: https://www.youtube.com/watch?v=lG4s-GgU7Ss/ Ngồi cịn có đường link khác thực đo test mạch nguồn 5V đường link sau: https://www.youtube.com/watch?v=mN0pAa2BZ7M Hình 5.1 Kết thi cơng tồn mạch 59 Luan van Hình 5.2 Kết thi cơng tồn mạch 60 Luan van Chương 6: Kết luận hướng phát triển 6.1 Kết luận  Ưu điểm: - Đã hoàn thành yêu cầu nhóm đặt bắt đầu đề tài - Hệ thống có giao diện đẹp mắt, trực quan, linh động thao tác cảm ứng, nhiều chế độ cài đặt riêng lẻ cho phòng - Có thể linh hoạt đặt hộp điện thơng minh nhỏ nhiều nơi tầm thu phát sóng RF mà thiết bị trung tâm giao tiếp với - Hệ thống xây dựng vi điều khiển kiểm soát tốt chế độ truyền nhận song công NRF24L01 việc sử dụng module NRF MCU để linh hoạt thay đổi việc giao tiếp phịng với nhau, từ phòng đến thiết bị trung tâm, tạo thành mạng lưới linh hoạt  Khuyết điểm: - Do đặc thù sử dụng nhiều MCU nên tốn chi phí phát triển - Một thiết bị sử dụng đồng thời module NRF24L01 xảy xung đột hệ thống mạng kiểm soát lưu lượng liệu truyền nhận không tốt - Thiết bị trung tâm thiết kế giao diện chạy MCU STM32F4 chưa mượt, hạn chế tài nguyên MCU (ROM, RAM) hạn chế, xây dựng giao diện lớn khơng cịn phù hợp, phải mở rộng them tài nguyên việc sử dụng SRAM để lưu trữ gói đồ họa nặng từ EmWin - Việc đồng liệu từ ứng dụng thiết bị thông với thiết bị trung tâm thiết bị cịn khó khăn 6.2 Hướng phát triển - Thiết kế giao diện MCU STM32F7, STM32H7 để tận dụng giao thức kết nối với phần cứng LCD tốt hơn, từ tạo giao diện với nhiều chức chạy ổn định - Nghiên cứu việc sử dụng module RF để tăng tính ổn định hệ thống thiết bị nhỏ - Thiết kế ứng dụng thiết bị di động thơng nhiều tiện ích 61 Luan van TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://doantotnghiep.vn/luan-van-tot-nghiep-dieu-khien-ngoi-nha-thong-minhthong-qua-mang-internet [2] Đề tài “ Mơ hình nơng nghiệp thông minh” sinh viên Nguyễn Văn Giỏi Danh Quang Vũ trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM năm 2017 [3] Đề tài “Điều khiển nhà thông minh” sinh viên Lê Văn Hiếu trường đại học Bà Rịa Vũng Tàu năm 2019 [4] Nguyễn Đình Phú, “Giáo trình Vi Xử Lý Nâng Cao”, Nhà xuất Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM [5] Nguyễn Đình Phú, “Giáo trình Thực Hành Vi Xử Lý Nâng Cao”, Nhà xuất Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM [6] Trần Thu Hà, Trương Thị Bích Ngà, Nguyễn Thị Lưỡng, Bùi thị Tuyết Đan, Phù Thị Ngọc Hiếu, Dương Thị Cẩm Tú (2013), “Giáo trình Điện Tử Cơ Bản”, Nhà xuất Đại học Quốc Gia Tp.HCM [7] Link tài liệu ARM, STM32 module: • https://iotmaker.vn/lcd-text-1602.html • https://github.com/ • https://hocarm.org/ • https://www.st.com/ 62 Luan van Luan van ... cơng việc giám sát điều khiển thiết bị nhà nơi ngày quan trọng hết để giúp tránh rủi ro lãng phí điện tiêu thụ Vì mà em thực đề tài: “THIẾT KẾ HỘP ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT THIẾT BỊ THƠNG MINH? ?? nhằm... HCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ HỘP ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT THIẾT BỊ THÔNG MINH MÃ SỐ: SV2020-132 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, tháng năm... đèn, rút thiết bị điện không sử dụng, hay dùng thiết bị gia đình cách tiết kiệm điện từ 10-15% hàng tháng Chính hệ thống có mục hẹn cài đặt tắt giám sát, điều khiển hoạt động thiết bị dễ dàng