(Luận văn) điều khiển và giám sát thiết bị điện qua mạng internet

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CƠNG NGHỆ HẢI PHỊNG - lu an n va gh tn to ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP p ie NGÀNH : ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP d oa nl w va an lu : Nguyễn Ngọc Khánh u nf Sinh viên ll Giảng viên hướng dẫn: TS Đoàn Hữu Chức oi m z at nh z m co l gm @ an Lu HẢI PHÒNG – 2021 n va ac th si BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CƠNG NGHỆ HẢI PHỊNG - ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT THIẾT BỊ ĐIỆN QUA MẠNG INTERNET lu an n va to tn ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY p ie gh NGÀNH : ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP d oa nl w an lu : Nguyễn Ngọc Khánh u nf va Sinh viên ll Giảng viên hướng dẫn : TS Đoàn Hữu Chức oi m z at nh z m co l gm @ an Lu HẢI PHÒNG – 2021 n va ac th si BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CƠNG NGHỆ HẢI PHỊNG lu an va n NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP p ie gh tn to d oa nl w an lu Mã SV: 1612102001 Lớp : DC2001 ll u nf va Sinh viên: Nguyễn Ngọc Khánh m oi Ngành: Điện tự động công nghiệp z at nh Tên đề tài: Điều khiển giám sát thiết bị điện qua mạng Internet z m co l gm @ an Lu n va ac th si NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI Nội dung yêu cầu cần giải nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… lu an n va Các tài liệu, số liệu cần thiết ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ie gh tn to p Địa điểm thực tập tốt nghiệp d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Họ tên : Đoàn Hữu Chức Học hàm, học vị: Tiến Sỹ Cơ quan công tác: Trường Đại học Quản lý Công nghệ Hải Phòng Nội dung hướng dẫn: Điều khiển giám sát thiết bị điện qua mạng Internet lu an Đề tài tốt nghiệp giao ngày 12 tháng 04 năm 2021 n va Đã nhận nhiệm vụ ĐTTN Đã giao nhiệm vụ ĐTTN Sinh viên Giảng viên hướng dẫn p ie gh tn to Yêu cầu phải hoàn thành xong trước ngày 03 tháng 07 năm 2021 d oa nl w lu TS Đoàn Hữu Chức u nf va an Nguyễn Ngọc Khánh ll Hải Phòng, ngày 04 tháng 07 năm 2021 m oi TRƯỞNG KHOA z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TỐT NGHIỆP Họ tên giảng viên: TS Đoàn Hữu Chức Đơn vị công tác: Trường Đại học quản lý cơng nghệ Hải Phịng Họ tên sinh viên: Nguyễn Ngọc Khánh Chuyên ngành: Điện Tự Động Công Nghiệp Đề tài tốt nghiệp: Điều khiển giám sát thiết bị điện qua mạng Internet Tinh thần thái độ sinh viên trình làm đề tài tốt nghiệp lu an va n Đánh giá chất lượng khóa luận gh tn to ie p nl w oa d Ý kiến giảng viên hướng dẫn tốt nghiệp an lu Không bảo vệ Điểm hướng dẫn ll u nf va Được bảo vệ oi m Hải Phòng, ngày 03 tháng 07 năm 2021 Giảng viên hướng dẫn z at nh z m co l gm @ TS Đoàn Hữu Chức an Lu n va ac th si Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập - Tự - Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊM CHẤM PHẢN BIỆN Họ tên giảng viên: Đơn vị công tác: Họ tên sinh viên: Chuyên ngành: Đề tài tốt nghiệp: Phần nhận xét giảng viên chấm phản biện lu an n va tn to gh p ie Những mặt hạn chế w oa nl d lu an Không bảo vệ Điểm hướng dẫn ll Được bảo vệ u nf va Ý kiến giảng viên chấm phản biện oi m z at nh Hải Phòng, ngày tháng năm 2020 Giảng viên chấm phản biện z m co l gm @ ( ký ghi rõ họ tên) an Lu n va ac th si LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành tốt Đồ án tốt nghiệp, em xin gởi lời chân thành cảm ơn thầy cô Khoa Điện-Điện Tử tạo điều kiện tốt cho chúng em hoàn thành đề tài Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Đoàn Hữu Chức - Giảng viên Khoa Điện Điện Tử trực tiếp hướng dẫn tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để hoàn thành tốt đề tài Cuối em xin cảm ơn đến gia đình, chỗ dựa nguồn động viên tinh thần em gặp khó khăn học tập trình lu nghiên cứu để hoàn thành đề tài tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn! an va Hải Phòng, tháng năm 2021 n Sinh viên p ie gh tn to d oa nl w Nguyễn Ngọc Khánh ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si Mục lục lu an n va Lời mở ầu .9 Lí chọn đề tài Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu Nội dung đề tài Bố cục khóa luận 10 Chương Internet of things .11 1.1 Tổng quan internet of things 11 1.1.1 Giới thiệu IOT 11 1.1.2 Lịch sử hình thành 12 1.1.3 Ứng dụng IOT 12 1.2 Các chuẩn giao tiếp sử dụng 15 1.2.1 Chuẩn Ethernet 15 1.2.2 Chuẩn IP 16 1.2.3 Chuẩn giao tiếp UART .21 1.2.4 Công nghệ truyền nhận liệu 23 Chương Tìm hiểu Arduino 27 2.1 Tổng quan arduino 27 2.2 Arduino uno r3 28 2.2.1 Cấu tạo 28 2.2.2 Tính 30 2.3 Arduino mega 2560 31 2.3.1 Cấu tạo .31 2.3.2 Tính 31 2.4 Arduino ESP8266 32 2.4.1 Cấu tạo .32 2.4.2 Tính 33 Chương Ứng dụng cho điều khiển giám sát hệ thống điện .33 3.1 Giới thiệu phần mềm lập trình 34 3.2 Relay .37 3.3 Lựa chọn thiết bị điều khiển 41 3.4 Chọn app đưa lên internet .41 3.4.1 Giới thiệu Blynk 41 3.4.2 Cách cài đặt Blynk .42 3.4.3 Cách hoạt động Blynk 42 3.5 Thiết kế xây dựng hệ thống 46 3.5.1 Lưu đồ giải thuật .46 3.5.2 Sơ đồ mô mạch 48 3.5.3 Thực lắp ráp mạch ghép nối modul .48 3.5.4 Kết luận chương .51 3.6 Viết chương trình chạy hệ thống 53 Kết luận Tài liệu tham khảo .56 p ie gh tn to d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si Lời mở đầu Lý chọn đề tài Ngày nay, công nghệ kết nối cần nhắc đến hiển nhiên Wifi – công nghệ kết nối không dây phổ biến Cũng tính phổ biến dạng kết nối mà tên Wifi thường bị lạm dụng để kết nối không dây nói chung Lí mà kết nối Wifi ưa chuộng đơn giản khả hoạt động hiệu phạm vi vài chục đến vài trăm mét mạng WLAN Vì mục tiêu cơng nghệ đại hóa ngày phát triển, em định làm đồ án “Điều khiển giám sát thiết bị điện qua mạng internet” Đề tài em hồn thành giám sát thiết bị điện cách hiển thị trạng thái hoạt lu an động điện thoại Như vậy, dù nơi có internet n va giám sát điều khiển thiết bị kết nối với module điều khiển Khi dự tn to án thành công áp dụng rộng rãi tiện lợi cho sống thường gh ngày, giúp cho đất nước ngày phát triển p ie Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu oa nl tiêu là: w Với đề tài “Điều khiển giám sát thiết bị điện qua mạng internet” mục d - Có chức giám sát qua internet, sử dụng điện thoại lu u nf Nội dung đề tài va an - Có thể thi cơng đồ án nhà thực tế mô hình ll Việc thực thiết kế mạch ‘‘Điều khiển giám sát thiết bị điện qua mạng m oi internet’’ cần phải thực nội dung sau: tiếp không dây mạng Internet z at nh Nội dung 1: Nghiên cứu tài liệu Arduino, KIT NodeMCU ESP8266, giao z gm @ Nội dung 2: Nghiên cứu mơ hình điều khiển Nội dung 3: Thiết kế mạch phần cứng cho thiết bị l m co Nội dung 4: Thi công phần cứng, thử nghiệm hiệu chỉnh phần cứng Nội dung 5: Thử nghiệm điều chỉnh hệ thống chương trình để hệ n ac th Nội dung 7: Bảo vệ luận văn va Nội dung 6: Viết báo cáo thực an Lu thống tối ưu si lu an n va Cần phân biệt Virtual Pin GPIO vi điều khiển Vi điều khiển gửi liệu đến App cách sử dụng Blynk.virtualWrite(pin,value) nhận liệu từ App cách sử dụng BLYNK_WRITE(vPIN) - Gửi liệu từ App đến hardware Bạn gửi liệu từ Widget App đến hardware qua Virtual Pin Ví dụ, Button Widget App gửi tín hiệu đến Hardware cách gửi qua Virtual V1 Trên hardware để nhận liệu từ Widget thực hiện: BLYNK-WRITE(V1) { Int pinData=param.asInt(); } - Gửi mảng liệu Một số Widget nhiều output Các output từ Widget gửi đến Hardware dạng mảng Hardware lấy liệu sau: BLYNK_WRITE(V1) { Int x=param[0].asInt(); Int y=param[1].asInt(); Int z=param[N].asInt(); } - Lấy liệu từ Hardware Có hai cách App lấy liệu từ Hardware qua virtual pin Widget yêu cầu hardware: Trên Hardware sử dụng BLYNK_READ() để gửi liệu đến Widget widget yêu cầu: BLYNK_READ(V0) { Blynk.virtualWrite(5,millis()/1000); } Hardware gửi liệu đến Widget: Hardware gửi liệu đến Widget Dữ liệu từ hardware gửi lên Blynk Server lưu trữ server Lưu ý, nên gửi liệu theo thời gian định trước tránh tượng Flood Error (hardware gửi nhiều lần, làm cho hardware bị kết nối), nên sử dụng BlynkTimer - Đồng Hardware Nếu hardware kết nối đến internet reset, hardware lấy tất giá trị Widget App: BLYNK_CONNECTED() { Blynk.syncAll(); } BLYNK_WRITE(V0){ … } p ie gh tn to d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si lu an n va Hardware cập nhật giá trị Virtual Pin cách sử dụng Blynk.syncVirtual(V0) nhiều Virtual Pin Blynk.syncVirtual(V0, V1, V2…) Hardware lưu liệu server mà khơng cần có Widget cách gọi Blynk.virtualWrite(V0, value) - Đối với App Nếu muốn Widget đồng với Hardware App offline sử dụng Blynk.virtualWrite Ví dụ bạn có Led Widget kết nối đến Virtual Pin V1, có nút vật lý kết nối đến Hardware Khi nhấn nút hardware, bạn muốn cập nhật trạng thái đến Led Widget Để làm điều gửi Blynk.virtualWrite(V1, 255) nút vật lý hardware nhấn - Điều khiển nhiều thiết bị Blynk App hỗ trợ nhiều thiết bị Điều có nghĩa gán Widget đến thiết bị với auth tocken riêng Ví dụ button V1 điều khiển thiết bị A, button V1 khác điều khiển thiết bị B Để sử dụng nhiều thiết bị project, phần Project Setting, kích vào Devices để chọn thêm thiết bị - Trạng thái online thiết bị Blynk App hỗ trợ trạng thái online nhiều thiết bị Blynk sử dụng HEARTBEAT Cách tiếp cận thực cách hardware định kỳ gửi lệnh ping (mặc định 10s) Trong trường hợp, Server không nhận lệnh ping từ hardware 10s thêm 5s, server cho hardware kết nối đến Server - Hạn chế khuyến nghị: Không thực Blynk.virtualWrite Blynk.* void loop()- điều gây hardware kết nối Sử dụng hàm có Timer BlynkTimer Tránh sử dụng delay() – gây kết nối Không gửi 100 giá trị/s – dẫn đến Flood Error Khi sử dụng ESP8266 lưu ý không gửi nhiều lệnh Blynk.virtualWrite hạn chế thiết bị số lượng request xử lý - Bắt đầu với App Blynk Trên điện thoại sử dụng iOS Android tải phần mềm Blynk điện thoại Sau cài đặt đăng ký Account Blynk p ie gh tn to d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si Giao diện đăng nhập Blynk Tại ta tạo tài khoản đăng nhập tài khoản có sẵn Sau đăng nhập hình lu an va n Tạo New Project tn to gh Kéo hình sang trái, giao diện tạo Project: p ie Chọn New Project, thiết lập tên Project, chọn thiết bị Trong phần sử dụng ESP8266 chọn ESP8266 kiểu kết nối wifi Sau tạo Project, Blynk app gửi Auth Token đến gmail đăng ký Auth Token sử dụng để xác thực thiết bị Sau tạo xong project, vào phần Project Setting : d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z gm @ m co l Giao diện phần project settings Mỗi account đăng ký sử dụng dịch vụ đám mây Blynk cấp số Energy Với Widget tạo Project tốn số tài nguyên Energy, người dùng muốn sử dụng thêm phải bỏ thêm tiền mua Energy Blynk có mã nguồn mở, nhiên để trì hoạt động tái phát triển cho Blynk, dịch vụ đám mây Blynk có thu phí theo nhu cầu người sử dụng Khi kích vào Devices an Lu n va ac th si thêm bớt Device Mỗi Device có Auth Token dùng để xác thực thiết bị đến Blynk Server - Thêm Widget lu an n va Thêm Widget Ban đầu bảng vẽ trống, kích vị trí bảng vẽ, hộp Widget hiển thị Thêm Button vào bảng vẽ Sau thêm Button, kích vào button, giữ di chuyển button đến vị trí thích hợp Kích vào Button để thiết lập, phần Output thiết lập Digital chọn GP4 tương ứng GPIO4 ESP8266 Sau thiết lập xong, thực Run để bắt đầu hoạt động Project Khi sửa đổi Project cần STOP chương trình lại thêm Widget khác p ie gh tn to d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z l gm @ m co Chọn pin cho Widget Sau chọn xong pin gpio tiến hành điều khiển thiết bị cài đặt 3.5 Thiết kế xây dựng hệ thống 3.5.1 Lưu đồ giải thuật an Lu n va ac th si lu an n va p ie gh tn to d oa nl w Bắt đầu ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ Điều khiển Blynk an Lu n va Kết thúc ac th si 3.5.2.Sơ đồ mô mạch lu an n va p ie gh tn to nl w d oa Hình 3.6 Hình ảnh sơ đồ toàn hệ thống Relay kênh u nf va GND VCC IN1 IN2 IN3 IN4 ll oi m z at nh z gm @ GND VU D1 D2 D3 D4 an ESP8266 lu - Sơ đồ nối chân : m co l Bảng 3.2 Sơ đồ nối chân hệ thống 3.5.3 Thực lắp ráp mạch ghép nối modul B1: Nối chân esp8266 với relay kênh B2: Nối nửa dây nóng bóng đèn cho cổng COM cổng NO relay B3: Kết nối arduino với esp8266 an Lu n va ac th si B4: Cấp nguồn cho mạch 5v B5: Nạp chương trình kiểm tra lại xem có đạt yêu cầu không lu an n va p ie gh tn to d oa nl w u nf va an lu ll Hình 3.7 Mơ hình thực tế mạch - Đưa liệu lên blynk Trước tiên tạo giao diện thông qua app Blynk smartphone có chức oi m z at nh sau z m co l gm @ an Lu n va ac th si lu an n va p ie gh tn to Đọc hiển thị toàn liệu từ cảm biến Ta tạo tab để hiển thị thông tin : d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z @ m co l gm Nút led: Input virtual –V0 an Lu n va ac th si lu an n va Đèn 1: output virtual V2 1-0, mode : switch, on/off labels: off-on, text: xanh p ie gh tn to d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z gm @ m co l Đèn 2: output virtual V3 1-0, mode : switch, on/off labels: off-on, text: xanh da trời an Lu n va ac th si lu an n va Đèn 3: output virtual V4 1-0, mode : switch, on/off labels: off-on, text: vàng đất p ie gh tn to d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z l gm @ an Lu 3.5.4 Kết luận chương m co Đèn 4: output virtual V5 1-0, mode : switch, on/off labels: off-on, text: đỏ Trong chương trình bày cách rõ ràng cách để tiến hành xây dựng va n mơ hình giám sát bao gồm bước, sơ đồ thuật tốn, sơ đồ mơ đến thực ac th si chế tạo Giới thiệu cách tổng quan ứng dụng Blynk dùng để điều khiển thiết bị Quá trình chế tạo khảo sát cho thấy điều khiển hoạt động xác ổn định 3.6 Viết chương trình chạy hệ thống #define BLYNK_PRINT Serial #include #include char auth[] = "CnODloyWjIWQFwT73fzhFNyKuiBB0kQo"; lu an n va tn to char ssid[] = "ngoc khanh"; p ie gh char pass[] = "19980121sss"; w d BlynkTimer timer; oa nl WidgetLED LedConnect(V0); ll u nf va an lu void blinkLedWidget() m oi { z LedConnect.off(); z at nh if (LedConnect.getValue()) { an Lu n va } m co } l LedConnect.on(); gm @ } else { ac th si BLYNK_WRITE(V2) { int pinValue = param.asInt(); digitalWrite(D1,pinValue); } BLYNK_WRITE(V3) { lu an int pinValue = param.asInt(); va n digitalWrite(D2,pinValue); gh tn to } p ie BLYNK_WRITE(V4) nl w { d oa int pinValue = param.asInt(); lu va an digitalWrite(D3,pinValue); oi m BLYNK_WRITE(V5) ll u nf } int pinValue = param.asInt(); z at nh { z m co an Lu { l void setup() gm } @ digitalWrite(D4,pinValue); n va ac th si Serial.begin(9600); Blynk.begin(auth, ssid, pass); timer.setInterval(1000L, blinkLedWidget); pinMode(D1,OUTPUT); digitalWrite(D1,HIGH); pinMode(D2,OUTPUT); digitalWrite(D2,HIGH); lu an pinMode(D3,OUTPUT); va n digitalWrite(D3,HIGH); to gh tn pinMode(D4,OUTPUT); p ie digitalWrite(D4,HIGH); d oa void loop() nl w } lu ll oi m timer.run(); u nf Blynk.run(); va an { z at nh } z m co l gm @ an Lu n va ac th si KẾT LUẬN 4.1 Kết luận Sau thời gian nghiên cứu, thi công đồ án tốt nghiệp em với đề tài “Điều khiển giám sát thiết bị điện qua mạng internet” hoàn thiện, đáp ứng yêu cầu ban đầu đặt 4.1.1 Ưu điểm Mạch điều khiển nhỏ gọn, hoạt động ổn định, thời gian đáp ứng nhanh Giao diện giám sát dễ sử dụng, thân thiện người dùng Mơ hình hệ thống có độ xác, tính an tồn dễ dàng thao tác với người dùng lu an Phù hợp cho hệ thống điện phịng học, hộ gia đình va Nhìn chung, mơ hình hoạt động tương đối ổn định, làm việc liên tục, đạt n 100% yêu cầu đề ban đầu to gh tn 4.1.2 Khuyết điểm p ie Tuy nhiên, hạn chế kiến thức thời gian thực hiện, nguồn tài liệu oa nl số hạn chế: w tham khảo chủ yếu thông qua internet nên đề tài không tránh khỏi sai sót cịn d Hệ thống phụ thuộc tốc độ truy cập mạng Internet Hoạt động chủ yếu mơi lu an trường có phủ sóng wifi.mơ hình cịn mang tính tượng trưng Kích thước sản phẩm u nf va cịn thơ, thiếu tính thẩm mỹ Số lượng thiết bị hạn chế Giới hạn thời gian, ll kiến thức nên hệ thống chưa tối ưu Nhìn chung hệ thống điều khiển oi m hoạt động tốt z at nh Hệ thống đáp ứng việc giám sát thiết bị Trong trình thực hiện, em thấy đề tài phổ biến, có tính ứng dụng cao nhiều z gm @ dự án thực tế Vì em đưa số đề xuất nhằm cải tiến nâng cấp hệ thống: m co độ sáng đèn, tốc độ quạt, nhiệt độ điều hòa, l Giám sát nơi điều khiển camera, cảnh báo chống trộm, báo cháy Điều chỉnh Thiết lập hệ thống điều khiển thiết bị tự động nhằm tối ưu hóa việc sử dụng tiết an Lu kiệm điện n va ac th si TÀI LIỆU THAM KHẢO Sách tham khảo Lập trình điều khiển với Arduino – Phạm Quang Huy & Lê Cảnh Trung Nguyễn Tất Bảo Thiện, Phạm Quang Huy , Lập trình IoT với Arduino ESP8266, Nhà xuất Thanh Niên Nguyễn Đình Phú – Nguyễn Trường Duy, Giáo trình Kỹ thuật số, Nhà xuất ĐH Quốc gia Tp Hồ Chí Minh Các Webside tham khảo https://tailieu.vn/ lu https://www.youtube.com/ an n va https://esp8266.vn/ to gh tn https://123docz.net p ie http://kdientu.duytan.edu.vn/media/49635/tt002-dieu-khien-thiet-bi-quainternet.pdf w d oa nl https://tapit.vn/internet-things-dieu-khien-giam-sat-thiet-bi-gia-dinh-tu-xa ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si