Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển thiết bị thông qua wifi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ THƠNG QUA WIFI GVHD:GVC ThS NGUN ĐÌNH PHÚ SVTH: TRẦN THANH BÌNH SKL0010094 Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG Đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ THƠNG QUA WIFI GVHD: GVC ThS Nguyễn Đình Phú SVTH : Trần Thanh Bình MSSV : 17141055 TP HỒ CHÍ MINH – 07/2022 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Trần Thanh Bình MSSV: 17141055 Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật Điện tử - Truyền thông Giáo viên hướng dẫn: GVC ThS Nguyễn Đình Phú Ngày nhận đề tài: 22/3/2022 Ngày nộp đề tài: /7/2022 Tên đề tài: Thiết kế thi công hệ thống điều khiển thiết bị thông qua WiFi Các số liệu, tài liệu ban đầu: - Thái Ngọc Hậu, Huỳnh Nguyễn Nhân Hậu, “Thiết kế thi công hệ thống điều khiển thiết bị phòng học”, Đồ án tốt nghiệp, trường ĐHSPKT, Tp.HCM, 2018-2019, HK2 - Nguyễn Ngọc Lực, Nguyễn Văn Phong, “Thiết kế thi công hệ thống điều khiển thiết bị giám sát nhà”, Đồ án tốt nghiệp, trường ĐHSPKT, Tp.HCM, 20182019, HK2 - Tài liệu tham khảo kiến mạng xã hội: youtube, cộng đồng esp, Facebook,… Nội dung thực đề tài: - Tham khảo tài liệu, đọc và tóm tắt tài liệu đưa hướng đề tài - Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ ngun lý - Thiết kế, tính tốn, kết nối board ESP8266 theo mơ hình Server Client, hình LCD, thiết bị đèn - Thiết kế, xây dựng phần cứng, thi cơng mạch, mơ hình cho sản phẩm - Viết chương trình điều khiển cho mơ hình - Thiết kế giao diện Web - Chạy thử, kiểm tra, đánh giá, hiệu chỉnh - Viết báo cáo thực i - Bảo vệ luận văn Sản phẩm: Mơ hình nhà có hệ thống bao gồm Server Client, điều khiển mở đóng thiết bị thơng qua Server Blynk ứng dụng điện thoại trực tiếp board Client TRƯỞNG NGÀNH GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên Sinh viên: Trần Thanh Bình MSSV: 17141055 Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật Điện tử - Truyền thông Tên đề tài: Thiết kế thi công hệ thống điều khiển thiết bị thông qua WiFi Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: GVC ThS Nguyễn Đình Phú NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… Ưu điểm …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… Khuyết điểm …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022 Giáo viên hướng dẫn iii CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên Sinh viên: Trần Thanh Bình MSSV: 17141055 Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật Điện tử - Truyền thông Tên đề tài: Thiết kế thi công hệ thống điều khiển thiết bị thông qua WiFi 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 2022 Giáo viên phản biện iv LỜI CẢM ƠN Nhóm em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Đình Phú hướng dẫn góp ý tận tình, chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu để nhóm chúng em hồn thành tốt đề tài Nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Cơ Khoa Điện – Điện Tử nhiệt tình việc truyền đạt vốn kiến thức quý báu giúp đỡ chúng em nhiều suốt trình học tập Nhóm em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè tạo điều kiện, giúp đỡ và động viên em suốt trình học tập và hoàn thành đồ án tốt nghiệp Một lần chúng em xin cảm ơn Quý thầy cô Do kiến thức hạn chế nên đồ án chúng em cịn nhiều thiếu sót nội dung hình thức Nhóm chúng em hy vọng q Thầy Cơ thơng cảm tận tình đóng góp ý kiến q báu để chúng em tiến hành cải tiến mơ hình sau cho tồn diện Xin chân thành cảm ơn ! Người thực đề tài Trần Thanh Bình v LỜI CAM ĐOAN Đề tài nhóm tự thực dựa vào số tài liệu trước và khơng chép từ tài liệu hay cơng trình có trước Người thực đề tài Trần Thanh Bình vi TĨM TẮT Hiện nay, đất nước ta chuyển theo phát triển chung giới khu vực Châu Á theo hướng cơng nghệ hóa đại hóa Trong IOT là xu hướng cá nhân, doanh nghiệp hướng tới nhằm tối ưu hóa khâu quản lý tiết kiệm nguồn nhân lực Với xu hướng sử dụng thiết bị thông minh: điện thoại Smart phone, máy tính bảng, laptop,…để truy cập, giám sát và điều khiển từ xa Trong xu hệ thống hỗ trợ việc quản lý, giám sát thông số, điều khiển thiết bị thông qua Internet, Wifi để tìm hướng tiện nghi kinh tế phục vụ cá nhân, doanh nghiệp Việc điều khiển thiết bị từ xa là xu phát triển giúp người tiết kiệm thời gian và sử dụng thiết bị cách tối ưu Với mong muốn kết hợp giám sát và điều khiển thiết bị từ xa chúng em bắt tay vào thực đề tài “ Điều khiển thiết bị đèn và giám sát dịng điện thơng qua WiFi” Điểm bật đề tài này là cần khu vực sóng WiFi bao phủ, Client và Server kết nối vào mạng WiFi, Client điều khiển thơng qua tín hiệu gửi từ Server và dòng đo từ Client hiển thị Server tiện cho người dùng quan sát Trường hợp Client không kết nối với Server dùng cách thủ cơng là nút nhấn để bật tắt thiết bị vii MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN iii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iv LỜI CẢM ƠN v LỜI CAM ĐOAN vi TÓM TẮT vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xi DANH MỤC BẢNG BIỂU xii DANH MỤC HÌNH ẢNH xiii Chương TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Giới hạn đề tài 1.4 Nội dung nghiên cứu 1.5 Bố cục Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Công nghệ WiFi 2.1.1 Giới thiệu WiFi 2.1.2 Nguyên tắc hoạt động WiFi 2.1.3 Ưu nhược điểm WiFi 2.1.4 Các chuẩn kết nối WiFi 2.2 Một số loại điều khiển thiết bị thông minh 2.2.1 Điều khiển thiết bị qua webserver 2.2.2 Nhược điểm viii Hình 4.16 Bảng điều khiển 47 Chương KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ 5.1 Kết thực mơ hình Đây là chương trình bày và đánh giá kết mà nhóm đạt sau trình nghiên cứu, thực đề tài Kết bao gồm mơ hình phần cứng hệ thống, chức mà hệ thống có, kết thực thiết kế app điều khiển 5.1.1 Mơ hình phần cứng hệ thống Mặt trước hộp Client gồm có nút nhấn điều khiển thiết bị Hình 5.1 Mặt trước hộp Client Mặt trước hộp Server gồm có đèn tín hiệu và LCD cố định hiển thị thông tin cần thiết cho người dùng theo dõi 48 Hình 5.2.Mặt trước hộp Server Tồn board mạch cố định bên trong, phần board mạch điều khiển cố định bên hộp, Relay đặt sát bên board mạch nguồn Board mạch mơ hình bố trí hình 5.2 49 Hình 5.3 Bên hộp Client Hình 5.4 Bên hộp Server 5.1.2 Giao diện điều khiển hệ thống Phần giao diện hệ thống hiển thị hình LCD với chế độ khác thực chức khác hệ thống a Giao diện cấu hình LCD ban đầu Sau cấp nguồn, nhấn reset cho ESP8266 Server trở trạng thái ban đầu hình LCD hiển thị thơng tin để người dùng truy cập vào cấu hình cho ESP8266 Server Các thơng tin hiển thị hình 5.3 50 Hình 5.5 Giao diện hình LCD ban đầu Server b Giao diện cấu hình Webserver Server ESP8266 Server phát WiFi sử dụng điện thoại máy tính kết nối vào địa IP màn hình LCD sau cài đặt kết nối vào mạng WiFi nhập thông tin Subnet, Gateway, IP Server cuối mã Token Blynk Server 51 Hình 5.6 Giao diện server cấu hình WiFi địa IP c Giao diện cấu hình Webserver Client Tương tự ESP8266 Server, ESP8266 Client phát WiFi sử dụng điện thoại máy tính kết nối vào địa IP màn hình LCD sau cài đặt kết nối vào mạng WiFi nhập địa IP trùng với ESP8266 Server, cuối nhập tên thứ tự Client lập trình sẵn ESP8266 Server nhận biết Client kết nối 52 Hình 5.7 Giao diện cấu hình kết nối WiFi Server d Lấy thông số địa IP WiFi cần kết nối Hình 5.8 Các thơng số cần thiết để cấu hình cho server 53 e Giao diện Client kết nối với Server Khi Client kết nối thành cơng với Server hình LCD hiển thị trạng thái thiết bị Client bật tắt, hình 5.6 Hình 5.9 Trạng thái thiết bị Client kết nối e Giao diện Client kết nối với Server Hình 5.10 Trạng thái thiết bị gửi lên Server Blynk 5.2 Nhận xét, đánh giá Sau trình vận hành hệ thống, nhóm đưa bảng số liệu kết thực nghiệm Bảng 5.1 kết q trình vận hành chức có hệ thống, dựa số lần vận hành số lần vận hành thành công để đưa đánh giá 54 Bảng 5.1 Số liệu thực nghiệm trình vận hành qua phương án STT Quá trình Số lần thực nghiệm Số lần thành công Điều khiển qua Blynk 20 18 Điều khiển trực tiếp Client 20 20 Dựa bảng số liệu trình vận hành phương án mở, ta thấy phương án mở hoạt động Tuy nhiên trường hợp điều khiển qua Blynk phụ thuộc vào tín hiệu WiFi đôi lúc WiFi chập chờn khiến cho việc bât/tắt thiết bị chập chờn Sau trình vận hành phương án mở cửa dựa vào số liệu thực tế từ bảng 5.1 nhóm xin có đánh giá sau phương án mở cửa: - Điều khiển trực tiếp Client: Muốn điều khiển thiết bị nằm khu vực Client nào người điều khiển cần phải đến nơi đặt Client để nhấn nút điều khiển thiết bị mong muốn - Mở app: đơi lúc xảy tình trạng kết nối ESP8266 với Server thời gian ngắn (khoảng 5s), dẫn đến bật/tắt thiết bị Người bật/tắt cần đảm bảo phải có điện thoại kết nối internet bật/tắt thiết bị Tuy nhiên q trình khơng tốn cơng sức nơi bật/tắt phương án Qua đó, ta nhận thấy phương án có ưu nhược điểm khác 5.3 Tài liệu hướng dẫn sử dụng Bước 1: Cấp nguồn cho mơ hình, sử dụng adapter 12V 2A để cấp Lúc hình sáng đèn và module hoạt động Sau cấp nguồn đợi vài giây để hệ thống trạng thái ổn định Bước 2: Có thể điều khiển thiệt bị nút nhấn trực tiếp board Client điện thoại, laptop có kết nối Internet Nếu sử dụng nút nhấn board Client: người dùng thao tác trực tiếp board Client trường hợp Client kết nối với Server, board Client có nút nhấn tương ứng với điều khiển thiết bị 55 Nếu sử dụng điện thoại laptop: người dùng mở ứng dụng Blynk điện thoại truy cập vào website Blynk có kết nối internet, giao diện điều khiển Client kết nối điều khiển trực tiếp điện thoại laptop - Để sử dụng điện thoại Laptop lần đầu đổi WiFi kết nối, cần truy cập giao diện ban đầu Server đăng nhập vào WiFi khu vực nhập địa IP, Client củng đăng nhập vào WiFi nhập địa IP với Server Bước 3: Khi Client kết nối với Server có theo giõi quan sát trạng thái hoạt động thiết bị thơng qua hình LED hiển thị Server quan sát ứng dụng, website Blynk 5.4 Dự toán chi phí thi cơng Dựa vào danh sách linh kiện sử dụng trình bày bảng 4.1 bổ sung thêm vật liệu để hoàn thành việc thi cơng mơ hình, nhóm tổng hợp chi tiết chi phí, linh kiện cần để hịan thiện mơ hình hệ thống đề tài Được trình bày cụ thể bảng 5.4 Bảng 5.2 Chi phí cho linh kiện, vật liệu sử dụng mơ hình STT Linh kiện, vật liệu Số lượng Đơn giá Thành tiền (vnđ) (vnđ) (= Số lượng x Đơn giá) Node MCU ESP8266 100,000 400,000 Module ZMCT103C 80,000 240,000 Màn hình LCD + I2C 120,000 120,000 Nút nhấn 5,000 45,000 Module Relay kênh 16,000 144,000 Bóng đèn 12,000 108,000 Nút nhấn loại chân 600 1,200 Điện trở 10kΩ - 9,000 10 Module XH-M350 73,000 73,000 56 11 Module LM2596 15,000 15,000 12 Đế đựng loại pin 15,000 15,000 13 Adapter 12V 2A 45,000 45,000 14 Pin BRC 18650 3.7V 29,000 87,000 15 Bộ sạc pin BRC 18650 60,000 60,000 16 Board đồng - 80,000 17 Domino 22 1,700 37,400 18 Domino 2,000 18,000 19 Dây điện - 2,600 50,000 20 LED - 35,000 35,000 21 Dây bus chân 3,200 3,200 22 Connector chân 350 350 23 Dây bus chân 5,700 5,700 24 Connector chân 600 600 25 Header 10 chân 14 2,200 30,800 26 Hộp 30 120,000 Tổng cộng 1,805,250 Tổng chi phí để thi cơng mơ hình 1,805,250 đồng Về phần mềm, nhóm sử dụng tài nguyên miễn phí internet (Blynk) nên khơng tốn chi phí thiết kế phần mềm Đây là chi phí khơng cao để thiết kế và thi công hệ thống điều khiển thiết bị qua WiFi khơng dây kết nối Sản phẩm nhóm thiết kế thi công mức nghiên cứu, chưa thể sử dụng cho thực tế nên có mức kinh phí thấp sản phẩm bán thị trường có chức tương tự 57 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận Mô hình đề tài “Thiết kế thi cơng hệ thống điều khiển thiết bị thông qua WiFi” hoàn thành và hoạt động tốt, hệ thống có tính ứng dụng cao Về phần cứng, hệ thống sử dụng vi điều khiển NodeMCU ESP8266 giao tiếp với ngoại vi module ZMCT103C, module realy 5V, hình LCD, nút nhấn Các module kết nối với sơ đồ nguyên lý thiết kế hoạt động với tính ổn định cao Về phần mềm, nhóm thực thiết kế lưu đồ giải thuật lập trình cho vi điều khiển thực chức hệ thống, thiết kế giao diện điều khiển đóng mở thiết bị điện thoại website ứng dụng Blynk Kết thực đáp ứng mục tiêu đưa ban đầu đề tài Hệ thống hoạt động tương đối ổn định thời gian dài với phương án khác Người dùng lựa chọn điều khiển thiết bị thủ công nút nhấn trực tiếp board thông qua điện thoại, laptop Các thông tin trạng thái hoạt động thiết bị hiển thị LCD giúp dễ dàng quan sát Tuy nhiên, đóng mở thiết bị app đơi lúc ESP8266 bị kết nối với Server Blynk nên bật mở thiết bị, nhận thông báo hay gửi thông tin Server Trong trường hợp người dùng sử dụng phương án cịn lại 6.2 Hướng phát triển Để mơ hình hồn thiện và ứng dụng vào thực tế, nhóm có số kiến nghị hướng phát triển đề tài: - Thiết kế mạch sạc pin dự phịng tự động sạc pin hết mà khơng cần thay - Thiết kế khả kết nối board Server Client với khoảng cách xa - Thiết kế mơ hình kết hợp thêm trường hợp điều khiển thiết bị thông qua Lora 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Thái Ngọc Hậu, Huỳnh Nguyễn Nhân Hậu, “Thiết kế thi công hệ thống điều khiển thiết bị phòng học”, Đồ án tốt nghiệp, trường ĐHSPKT, Tp.HCM, 2018-2019, HK2 [2] Nguyễn Ngọc Lực, Nguyễn Văn Phong, “Thiết kế thi công hệ thống điều khiển thiết bị giám sát nhà”, Đồ án tốt nghiệp, trường ĐHSPKT, Tp.HCM, 2018-2019, HK2 [3] Trần Thị Linh Đa, Nguyễn Châu Ngân, “Thiết kế thi công hệ thống điểm danh nhân viên sử dụng vi điều khiển ARM”, LVTN- Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, 2019 [4] Dương Quốc Trung, Nguyễn Văn Phong, “Thiết kế thi công tủ đựng vật dụng giảng viên bảo mật vân tay”, LVTN- Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, 2019 [5] Trần Ngọc Hùng, Đặng Minh Sang, “Xây dựng hệ thống quản lý tiêm ngừa chó mèo”, LVTN- Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, 2020 [6] Nguồn số tài liệu, hình ảnh từ google, youtube, mạng xã hội,… [7] SFG, “R30X Series Fingerprint Identification Module User Manual” [9] NXP Semiconductors, “Datasheet MFRC522”, 2016 [10] LCDWIKI, “3.5inch Arduino 8bit Module MAR3501 User Manual” [11] Blynk, “Blynk Documentation”, docs.blynk.io [12] “Công nghệ WiFi” quantrimang.com [13] “Websocket” topdev.vn 59 PHỤ LỤC  Code chương trình Vì code chương trình cho hệ thống có độ dài lớn nên nhóm gửi phần code chương trình link đính kèm Trong link gồm có file: code cho chương trình Server, code cho chương trình Client https://drive.google.com/drive/folders/1gSYCYDuNQQKHZwMyyd_YPS2YxIERjrP?usp=sharing 60 S K L 0