(Đồ án hcmute) thiết kế và thi công hệ thống điều khiển các thiết bị điện trong phòng học

TỔNG QUAN

ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay, sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là vi xử lý, đã tạo ra nhiều ứng dụng gần gũi với đời sống con người Công nghệ tiến bộ yêu cầu cao hơn về việc ứng dụng kỹ thuật vào sản xuất và đời sống, nhằm giảm bớt sức lao động và nâng cao hiệu quả trong điều khiển và giám sát Do đó, tôi đã quyết định thực hiện đề tài: “THIẾT KẾ”.

Đề tài "Và thi công các thiết bị trong phòng học" nhằm nâng cao tính bảo mật và quản lý hiệu quả việc điều khiển thiết bị trong lớp học Hệ thống cho phép giáo viên đăng nhập qua website lưu trữ dữ liệu MySQL, tạo điều kiện cho việc quản lý điểm danh sinh viên một cách nhanh chóng và chính xác Giao diện người dùng trực quan giúp dễ dàng thao tác Đề tài ứng dụng hai công nghệ truyền thông không dây tiên tiến là WiFi và công nghệ truyền thông nối tiếp UART, mang đến một hệ thống điều khiển tiện ích, giúp quản lý thiết bị hiệu quả thông qua kết nối WiFi.

Thiết kế một hệ thống điều khiển bảo mật cao giúp nhà trường quản lý sinh viên hiệu quả, điều khiển các thiết bị linh hoạt và đảm bảo khả năng mở rộng cho các dự án tương lai.

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Công nghệ UART được áp dụng để truyền nhận dữ liệu giữa màn hình, các cảm biến và vi xử lý trung tâm, đồng thời kết nối màn hình HMI để điều khiển thiết bị Hệ thống cũng cho phép lưu trữ điểm danh sinh viên trên website một cách hiệu quả.

 Giao diện màn hình điều khiển phải trực quan và thân thiện với người sử dụng

 Tín hiệu điều khiển của màn hình HMI và các thiết bị phải đồng bộ

 Mạch điều khiển phải gọn và dễ tháo lắp n

ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

- Board vi điều khiển Arduino Mega 2560 Pro Embed, NodeMCU ESP8266

- Công nghệ giao tiếp không dây WiFi, truyền thông UART

- Các cảm biến RFID, DHT11, Relay.

PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Bộ điều khiển chỉ quản lý người dùng qua môi trường có kết nối WiFi.

NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI

Đề tài được thực hiện gồm có những nội dung chính sau:

• Nội dung 1: Tham khảo tài liệu, đọc và tóm tắt tài liệu đưa ra các hướng đề tài

• Nội dung 2: Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lí

• Nội dung 3: Kết nối vi điều khiển trung tâm Arduino Mega2560 Pro Embed, module ESP8266, UART, các cảm biến và nguồn

• Nội dung 4: Viết chương trình điều khiển cho vi điều khiển

• Nội dung 5: Thiết kế giao diện lưu trữ thông tin và điều khiển

• Nội dung 6: Chạy thử, kiểm tra, đánh giá, hiệu chỉnh n

Trình bày cơ sở lý thuyết về các chuẩn truyền thông, giao thức truyền dữ liệu nhằm phục vụ cho mục đích thiết kế ở các chương sau

Chương 3: Thiết kế hệ thống:

Trình bày Các tính toán, thiết kế sơ đồ khối cũng như đưa ra lựa chọn về phương án hay linh kiện sử dụng cho từng khối

Chương 4: Thiết kế hệ thống:

Trình bày cách thức vẽ mạch layout, xây dựng lưu đồ giải thuật, xây dựng giao diện trên HMI TFT và cơ sở dữ liệu MySQL

Chương 5: Kết quả và nhận xét:

Trình bày kết quả thi công phần cứng và phần mềm, đánh giá hoạt động của chúng

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển:

Trong phần kết luận của đồ án, nhóm cần nêu rõ những ưu điểm và khuyết điểm của đề tài đã thực hiện Đồng thời, cần chỉ ra những sai sót mà nhóm đã gặp phải trong quá trình làm việc Cuối cùng, nhóm nên đưa ra những hướng phát triển tiềm năng cho dự án trong tương lai, nhằm cải thiện và mở rộng kết quả đạt được.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHUẨN TRUYỀN UART

UART, hay bộ thu-phát không đồng bộ đa năng, là một trong những phương thức giao tiếp kỹ thuật số đơn giản và lâu đời nhất giữa các thiết bị Nó có thể được tìm thấy trong các mạch tích hợp (IC) hoặc dưới dạng các thành phần riêng lẻ Các UART thực hiện giao tiếp giữa hai nút riêng biệt thông qua một cặp dây dẫn và một nối đất chung.

The full name of UART is "Universal Asynchronous Receiver/Transmitter," and it is an integrated circuit commonly found in microcontrollers The primary function of UART is to facilitate serial data transmission Communication between two devices using UART can occur in two ways: through serial data communication and parallel data communication.

Chuẩn giao tiếp UART sử dụng 2 dây để truyền và nhận dữ liệu giữa các thiết bị

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Start bit là bit đồng bộ dữ liệu, được thêm vào trước dữ liệu thực tế để đánh dấu bắt đầu gói dữ liệu Trong trạng thái idle, khi không có dữ liệu truyền, mức điện áp trên đường truyền duy trì ở mức CAO – HIGH.

Khi bắt đầu quá trình truyền dữ liệu, UART sẽ kéo mức điện áp trên bus từ cao xuống thấp (từ 1 xuống 0) Sự thay đổi này được UART nhận biết và bắt đầu đọc dữ liệu, với Start Bit có độ dài 1 bit.

Stop Bit là tín hiệu đánh dấu sự kết thúc của gói dữ liệu, thường có độ dài 2 bit nhưng chỉ sử dụng 1 bit Khi quá trình truyền dữ liệu hoàn tất, mức điện áp trên bus sẽ được duy trì ở mức CAO – HIGH (1).

Để thiết bị nhận UART xác định chính xác tính hợp lệ của gói dữ liệu, việc kiểm tra parity là cần thiết Parity giúp phát hiện lỗi ở mức thấp, bao gồm hai biến thể: Even Parity và Odd Parity Mặc dù bit parity là tùy chọn, nhưng nó thường ít được sử dụng trong thực tế.

Gói dữ liệu là các bits chứa thông tin được truyền từ thiết bị gửi đến thiết bị nhận, với độ dài từ 5 đến 9 bits Cụ thể, gói dữ liệu có thể có 9 bits nếu không sử dụng bit parity, và chỉ có 8 bits khi có bit parity Thông thường, bit có giá trị thấp nhất (LSB) sẽ được truyền đầu tiên.

Trong truyền nhận không đồng bộ, số bit truyền được trong một giây phụ thuộc vào việc thống nhất Baudrate giữa các bên truyền và nhận Các thông số Baudrate phổ biến thường được sử dụng là 600 và 1200.

Để đảm bảo sự tương thích giữa hai thiết bị truyền-nhận, không chỉ tốc độ baud cần phải giống nhau mà còn khung truyền cũng phải được cấu hình tương đồng Khung truyền xác định số bit trong mỗi lần truyền, bao gồm bit bắt đầu (Start bit), bit kết thúc (Stop bit), và bit kiểm tra tính chẵn lẻ (Parity) Thêm vào đó, số bit trong một gói dữ liệu cũng được quy định bởi khung truyền.

 Idle frame: Đường truyền UART ở mức “1”, để xác nhận hiện tại đường truyền dữ liệu trống, không có frame nào đang được truyền đi

 Break frame: Đường truyền UART ở mức “0”, để xác nhận hiện tại trên đường truyền đang truyền n

WiFi, viết tắt của Wireless Fidelity, là mạng Internet không dây sử dụng sóng vô tuyến để truyền tín hiệu, tương tự như sóng điện thoại, truyền hình và radio Hầu hết các thiết bị điện tử hiện đại như máy tính, laptop, điện thoại và máy tính bảng đều hỗ trợ kết nối WiFi.

Hình 2.3: Giới thiệu về WiFi

 Các đặc điểm của WiFi

Truyền thông qua mạng không dây là hình thức truyền thông vô tuyến hai chiều, trong đó thiết bị adapter không dây của máy tính chuyển đổi dữ liệu thành tín hiệu vô tuyến và phát đi qua ăng-ten Thiết bị router không dây nhận và giải mã các tín hiệu này, sau đó gửi thông tin tới Internet thông qua kết nối hữu tuyến Ethernet.

Quy trình này hoạt động ngược lại, trong đó router nhận dữ liệu từ Internet, chuyển đổi chúng thành tín hiệu vô tuyến và gửi đến adapter không dây của máy tính.

Sóng vô tuyến sử dụng cho WiFi tương tự như sóng vô tuyến cho thiết bị cầm tay và điện thoại di động, cho phép truyền và nhận dữ liệu bằng cách chuyển đổi mã nhị phân 1 và 0 thành sóng vô tuyến Tuy nhiên, sóng WiFi có những đặc điểm riêng biệt, giúp cải thiện hiệu suất và khả năng kết nối.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT o Truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz, 5 GHz hoặc 60 GHz Tần số này cao hơn so với các tần số sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay và truyền hình Tần số cao hơn cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn o Dùng chuẩn 802.11: Chuẩn 802.11b là phiên bản đầu tiên trên thị trường Đây là chuẩn chậm nhất và rẻ tiền nhất, và nó trở nên ít phổ biến hơn so với các chuẩn khác 802.11b phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz, nó có thể xử lý đến 11 megabit/giây, và nó sử dụng mã CCK (complimentary code keying) o Chuẩn 802.11g cũng phát ở tần số 2.4 GHz, nhưng nhanh hơn so với chuẩn 802.11b, tốc độ xử lý đạt 54 megabit/giây Chuẩn 802.11g nhanh hơn vì nó sử dụng mã OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing), một công nghệ mã hóa hiệu quả hơn o Chuẩn 802.11a phát ở tần số 5 GHz và có thể đạt đến 54 megabit/ giây Nó cũng sử dụng mã OFDM Những chuẩn mới hơn sau này như 802.11n còn nhanh hơn chuẩn 802.11a, nhưng 802.11n vẫn chưa phải là chuẩn cuối cùng o Chuẩn 802.11n cũng phát ở tần số 2.4 GHz, nhưng nhanh hơn so với chuẩn 802.11a, tốc độ truyền dữ liệu tối đa đạt 450 megabit/giây o Chuẩn 802.11ac phát ở tần số 5 GHz nhanh hơn so với chuẩn 802.11n, tốc độ truyền dữ liệu tối đa đạt đến 1.3 Gigabit/giây o Chuẩn 802.11ad phát ở tần số 60 GHz nhanh hơn so với chuẩn 802.11ac, tốc độ truyền dữ liệu tối đa đạt đến 4,6 Gigabit/giây n

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT khe PCI Khi đã được cài đặt adapter không dây và phần mềm điều khiển (driver), các thiết bị có thể tự động nhận diện và hiển thị các mạng không dây đang tồn tại trong khu vực

CÔNG NGHỆ RFID

RFID (Nhận dạng tần số vô tuyến) là công nghệ cho phép nhận diện đối tượng thông qua sóng radio, giúp giám sát và quản lý các đối tượng một cách hiệu quả Hệ thống RFID bao gồm hai thành phần chính: thẻ tag chứa chip RFID với thông tin và đầu đọc (reader) để quét và đọc thông tin từ chip.

RFID, viết tắt của Radio Frequency Identification, là công nghệ nhận diện đối tượng thông qua sóng vô tuyến Công nghệ này hoạt động bằng cách sử dụng hai thiết bị thu phát sóng ở cùng tần số, thường là 125Khz hoặc 900Mhz.

Thiết bị RFID bao gồm hai thành phần chính: thiết bị đọc và thiết bị phát mã gắn chip Thiết bị đọc được trang bị anten thu phát sóng điện từ, trong khi thiết bị phát mã RFID được gắn với vật cần nhận diện Mỗi thiết bị RFID sở hữu một mã số duy nhất, đảm bảo không trùng lặp với nhau.

Hình 2.4: Giới thiệu về công nghệ RFID

Thiết bị đọc RFID phát sóng điện từ ở tần số cụ thể, giúp các mã RFID tag trong vùng hoạt động nhận biết và thu thập năng lượng từ sóng này Khi đó, mã số của tag sẽ được truyền lại cho thiết bị đọc RFID, cho phép nó xác định tag nào đang hoạt động trong vùng sóng điện từ.

Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động RFID

 Ưu nhược điểm của công nghệ RFID

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT o Thu thập dữ liệu một cách tự động o Tốc độ scan nhanh chóng, lượng dữ liệu được xử lý trong mỗi lần lớn o Dung lượng thông tin thẻ lớn, tuổi thọ lâu dài, có thể sử dụng được nhiều lần o Tính an toàn cao o Tính bền cao o Kích thước nhỏ, mẫu mã đa dạng o Nhận dạng đối tượng bằng khả năng xuyên thấu, không bị cản trở

Những nhược điểm của công nghệ này bao gồm chi phí phát triển cao, khả năng kiểm soát thiết bị còn hạn chế, thẻ dễ bị nhiễu sóng trong môi trường nước và kim loại, cũng như tình trạng các đầu đọc có thể đọc chồng lấn lên nhau.

THIẾT KẾ HỆ THỐNG

YÊU CẦU VÀ SƠ ĐỒ HỆ THỐNG

3.1.1 YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG

Yêu cầu của đề tài

 Hệ thống điều khiển các thiết bị trong phòng học thông qua màn hình HMI TJC với vi điều khiển là kit Arduino Mega2560 Pro Embed

 Điểm danh sinh viên qua RFID được điều khiển bởi ESP8266 Node MCU kết nối với WiFi lưu trữ trên MySQL

 Cảm biến DHT11 đo nhiệt độ và độ ẩm phòng hiển thị trên màn hình HMI

3.1.2 SƠ ĐỒ KHỐI VÀ CHỨC NĂNG MỖI KHỐI

Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống n

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

 Khối xử lý trung tâm: Giao tiếp với khối điều khiển và hiển thị, đồng thời nhận dữ liệu từ khối cảm biến

Khối điều khiển và hiển thị đảm nhiệm vai trò giao tiếp với khối điều khiển trung tâm, nhận dữ liệu và hiển thị giao diện tương ứng Bên cạnh đó, nó còn cho phép người dùng thực hiện thao tác cảm ứng trực tiếp trên màn hình.

Khối cảm biến nhiệt độ và độ ẩm có khả năng thu thập dữ liệu và truyền tải các thông số về nhiệt độ và độ ẩm đến khối xử lý trung tâm.

 Khối công suất: Nhận tín hiệu từ khối hiển thị và điều khiển cho phép điều khiển các thiết bị

 Khối đọc thẻ: Gởi giá trị mã thẻ RFID đến khối xử lý trung tâm

 Khối nguồn: Cung cấp và đáp ứng đầy đủ thông số dòng và áp cho các khối còn lại, nhằm đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định

3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Tiếp theo nhóm nêu chức năng, phương án chọn lựa, thông số kĩ thuật, tính toán, thiết kế nguyên lý và giải thích cho hệ thống.

3.2.1 KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM

 Phương án và lựa chọn:

Như đã đề cập ở chương 1, hiện nay có rất nhiều chip vi xử lý phù hợp với nhiều n

Bảng 3.1: Lựa chọn linh kiện khối xử lý trung tâm

UART, USART, SPI, I2C, CAN, Ethernt

UART, USART, SPI, I2C, I2S CAN, USB, Ethernet, LIN, SDIO

UART, SPI, HSPI, I2C, CAN, Ethernet, I2S,

Truyền thông không dây Không có IrDA Bluetooth,

Mạch nạp chương trình

Sử dụng mạch nạp PICKit2, 3

Sử dụng mạch nạp ST- Link, microUSB

Tiêu thụ năng lượng Thấp Thấp Thấp Thấp

Số lượng chân Thấp Thấp Thấp Cao n

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG hình cảm ứng xử lý nhanh và phức tạp ESP8266 và Mega2560 Pro Embed được hỗ trợ lập trình trên Arduino IDE, có cộng đồng phát triển vô cùng lớn tại Việt Nam nói chung và thế giới nói riêng, vì thế việc kế thừa các thư viện giao tiếp với các module, ngoại vi, giải thuật giúp rút ngắn thời gian cho việc lập trình và gỡ lỗi chương trình

Hình 3.2: Module Mega2560 Pro Embed

Arduino Mega 2560 Pro Embed có tổng cộng 54 chân Input/Output Trong đó có 16 chân Analog Input, 14 chân PWM, 6 cổng nối tiếp UARTs IC nạp và giao tiếp UART

CH340G tương thích với mọi hệ điều hành và sử dụng vi điều khiển Atmega2560 Tốc độ thạch anh đạt 16MHz, với nguồn nuôi mạch 5VDC từ cổng Micro USB hoặc nguồn ngoài từ chân Vin với dải điện áp 6~9VDC Dòng đầu ra chân 5VDC khi cấp nguồn từ cổng USB là 500mA, trong khi từ chân Vin là 800mA Ngoài ra, mạch còn tích hợp IC chuyển nguồn 3.3VDC với dòng 800mA.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG o Số chân Digital: 54 (hỗ trợ 15 chân PWM) o Số chân Analog: 16 o Dòng ra tối đa trên GPIO: 20mA o Dung lượng bộ nhớ Flash: 256 KB, 8 KB used by bootloader o SRAM: 8 KB o EEPROM: 4 KB

Thiết bị này được sử dụng để kết nối WiFi và truy cập Internet, với 10 chân kết nối, bao gồm 9 chân Input/Output (từ D0 đến D8) và 1 chân Analog Ngoài ra, còn có các chân khác phục vụ mục đích riêng, bao gồm một cổng cấp nguồn Micro USB với nguồn cấp từ 3V3 đến 5V, cùng với 1 chân Config và 1 chân Reset.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG o Nguồn vào: Cấp nguồn 5V và chương trình thông qua cổng USB o Kích thước: 49 x 24.5 x 13mm o IC chính: ESP8266 Wifi SoC o Phiên bản firmware: Node MCU o Chip nạp và giao tiếp UART: CP2102 o GPIO tương thích hoàn toàn với firmware - Node MCU o Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc Vin o GIPO giao tiếp mức 3.3VDC o Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash o Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino

Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý Mega 2560 Pro Embed

Bảng 3.2: Chức năng các chân của vi điều khiển n

 Giải thích sơ đồ nguyên lý:

Module Mega2560 Pro Embed được cấp nguồn 5VDC thông qua nguồn hạ áp LM2596 Giao tiếp với ESP8266 diễn ra qua UART với tốc độ baud 9600, trong khi giao tiếp với khối hiển thị và điều khiển sử dụng UART với tốc độ baud 115200.

Module Mega2560 Pro Embed điều khiển các tín hiệu cấp cho Relay đồng thời có led báo trạng thái

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý ESP8266

15 Báo đèn led khi cấp nguồn n

Bảng 3.3: Chức năng các chân của vi điều khiển

ESP8266 được cấp nguồn 5VDC thông qua nguồn cấp từ Module hạ áp LM2596

ESP8266 giao tiếp với ESP8266 qua UART Module Mega2560 Pro Embed, có tốc độ baund 9600

ESP8266 nhận và xử lý các giá trị tín hiệu được gởi về từ khối cảm biến

ESP8266 hoạt động ở điện áp 3V3

ESP8266 cấp tín hiệu điều khiển của buzzer và đồng thời có led báo trạng thái

3.2.2 KHỐI CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM

 Phương án và lựa chọn:

Hệ thống yêu cầu đọc giá trị nhiệt độ và độ ẩm, sau đó gửi thông tin này đến vi điều khiển Vi điều khiển sẽ tiếp tục truyền tín hiệu lên màn hình điều khiển Nhóm đã tiến hành khảo sát và đánh giá một số cảm biến hiện có trên thị trường, như được trình bày trong bảng 3.2.

D4 Được cấu hình ngõ ra, có chức năng điều khiển khối công xuất D1,D2,D5,D6,D7 Các chân giao tiếp với module RFID

VCC và GND Cấp nguồn 5v và nối mass cho vi điều khiển n

Chuẩn giao tiếp 1 Wire 1 Wire 1 Wire I2C

Chi phí (thời điểm hiện tại) Rẻ Cao Cao Rất cao

Nhóm quyết định chọn cảm biến DHT11 cho hệ thống đo nhiệt độ và độ ẩm dựa trên các tiêu chí đánh giá DHT11 nổi bật với độ chính xác cao, dễ sử dụng và chi phí thấp Hơn nữa, cảm biến này tích hợp tốt với Arduino IDE, giúp việc xử lý và gửi tín hiệu về khối điều khiển trung tâm trở nên nhanh chóng và hiệu quả.

Hình 3.6: Cảm biến DHT11 Bảng mô tả chi tiết:

Số chân Tên chân Mô tả

2 Data Đầu ra cả nhiệt độ và độ ẩm thông qua dữ liệu nối tiếp

3 NC Không có kết nối và do đó không sử dụng

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG o Độ chính xác: ± 1 ° C và ± 1%

Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý cảm biến DHT11 với khối xử lý trung tâm

Cảm biến DHT11 được cấp điện áp 5VDC từ Mega2560 Pro Embed

Chân D12 của Mega2560 Pro Embed điều khiển chân Data của cảm biến DHT11 đồng thời mắc thêm điện trở kéo lên 5K cho phép đọc giá trị

3.2.3 KHỐI ĐIỀU KHIỂN VÀ HIỂN THỊ

Để hiển thị giao diện hoạt động và thông tin của hệ thống, nhóm đã đề xuất một số phương án như sử dụng LED ma trận, màn hình LCD và màn hình OLED Những lựa chọn này nhằm đáp ứng yêu cầu về giao diện trực quan và dễ sử dụng, tạo thuận lợi cho người dùng trong quá trình thao tác.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG tác và quan sát dễ dàng nhóm chọn loại màn hình có kích thước lớn và có hiển thị đa sắc

Từ yêu cầu thiết kế nhóm tiến hành khảo sát theo bảng 3.4

Bảng 3.5: Lựa chọn linh kiện ở khối điều khiển và hiển thị

IPF TJC HMI LCD E-Ink Điện áp cung cấp 5VDC 4.75 – 7 VDC 3V3

Vi điều khiển tương thích

Theo tiêu chí đánh giá trong bảng 3.4, nhóm quyết định chọn màn hình TJC HMI làm khối hiển thị và điều khiển cho hệ thống Mục tiêu thiết kế là tạo ra giao diện trực quan, dễ dàng điều khiển Màn hình còn tương thích với board Arduino và cho phép điều chỉnh giao diện qua phần mềm HMI Editor, giúp tiết kiệm thời gian xử lý và thiết kế nhiều giao diện phù hợp với yêu cầu.

Hình 3.8: Màn hình TJC HMI 7inch 8048X570_011R

Màn hình TJC là một thiết bị 7 inch với độ phân giải 800x480, được trang bị cảm ứng điện dung đa điểm Màn hình này sử dụng IC TJC8048T070_011R và giao tiếp qua UART, với điện áp hoạt động từ 4.75 đến 7V Nó có bộ nhớ 16MB và RAM 3584 Byte, hoạt động hiệu quả trong dải nhiệt độ từ -20 đến 70℃ Màn hình TJC có 4 dây kết nối: 2 dây cấp nguồn và 2 dây giao tiếp UART.

Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển hiển thị với khối xử lý trung tâm

Màn hình được nhận giá trị điện áp 5VDC trực tiếp từ Module hạ áp LM2596 n

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG Để có thể hiển điều khiển các thiết bị trong hệ thống thì cần một linh kiện đóng vai trò làm công tắc điện đồng thời phù hợp với nguồn điện áp vào 5VDC của hệ thống và điện áp ra 220VAC thì nhóm sử dụng Relay 5V

Hình 3.10 mô tả relay với các thông số quan trọng: Điện áp kích là 12V DC, cho phép chịu tải tối đa 10A và 250VAC đối với dòng điện xoay chiều, cùng với 10A và 30V DC cho dòng điện một chiều.

SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TOÀN MẠCH

THIẾT KẾ MẠCH IN ( PCB )

Mạch in PCB được thiết kế bằng phần mềm Altium 21.4.1, được thiết kế 2 lớp và có các thông số như sau:

Dây tín hiệu có kích thước lần lượt là 0.5mm, 0.7mm và 1mm, trong khi các đường dây công suất được thiết kế lớn hơn để phù hợp với từng vùng sử dụng Việc này giúp giảm thiểu tình trạng nhiễu và đảm bảo khả năng chịu đựng công suất lớn.

Hình 3.18: Quy ước độ rộng các dây

- Chân linh kiện loại xuyên lỗ nhỏ nhất có độ rộng X/Y (1.4mm, 1.6mm), hole là

Hình 3.19: Thông số chân của linh kiện nhỏ nhất

- Chân linh kiện loại xuyên lỗ lớn nhất có độ rộng X/Y (1.4mm, 1.6mm), hole là

Các linh kiện được tổ chức thành từng khối nhằm phục vụ mục tiêu thiết kế, giúp quá trình sử dụng trở nên thuận tiện hơn Sau khi hoàn tất thiết kế mạch in, mạch sẽ được gia công thành hai lớp Cuối cùng, các linh kiện sẽ được tự lắp ráp và hàn lại với nhau.

Hình 3.22: Mạch in 2D lớp trên của hệ thống n

Hình 3.23: Mạch in 2D lớp dưới của hệ thống n

Hình 3.24: Mạch in 3D của hệ thống n

THI CÔNG HỆ THỐNG

Bảng 4.1: Danh sách linh kiện sử dụng cho hệ thống

BUZZER Buzzer, 12X8.5mm, Magnetic Transducer 1

LED5MM_YLW LED, THD, 5MM, YELLOW 2

HHDR_3 JST-XH pitch: 2.5mm 1

CONN_TB2 CONN, TERMINAL BLOCK, 5.08mm pitch 1

CONN_TB3 CONN, TERMINAL BLOCK, 5.08mm pitch 8

LED LED Single colour Green and Red 8

Relay 5V/10A Relay SPDT,10A - 12VDC 5 Pin 8

CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG

Hình 4.1: Board hệ thống sau khi được gởi đi gia công

 Lựa chọn các linh kiện lấy từ bảng 4.1 sắp xếp và sử dụng các công cụ cần thiết để lắp ráp và hàn chúng lại trên board mạch

Hình 4.2: Một số công cụ khi hàn board n

LẬP TRÌNH HỆ THỐNG

4.2.1 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN MÀN HÌNH

Bắt đầu Khởi tạo Module

Kiểm tra hệ thống hoạt động

Gửi giá trị cảm biến lên màn hình

So sánh giá trị mã thẻ Màn hình không điều khiển được khối công suất

Màn hình điều khiển khối Đúng Sai Đúng

Khi các module hoạt động, khối vi điều khiển sẽ đọc giá trị từ cảm biến và gửi thông tin về độ ẩm và nhiệt độ lên màn hình hiển thị.

Khi quét thẻ RFID, hệ thống sẽ so sánh giá trị từ mã thẻ với mã thẻ đã được cài đặt Nếu mã thẻ quét trùng khớp với mã thẻ cài đặt, màn hình điều khiển khối công suất sẽ được phép hoạt động.

 Nếu mã thẻ sai so với mã thẻ cài đặt thì không cho phép màn hình điều khiển khối công suất

4.2.2 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN WEB SERVER

Khởi tạo Module Khởi tạo WiFi Khởi tạo địa chỉ IP

Kiểm tra hệ thống kết nối

Gán và lưu giá trị các mã thẻ

Quét thẻ RFID Đèn sáng, buzzer kêu 100ms.

Sau đó đèn và buzzer tắt

Gởi giá trị lên WebSever Đúng

Hình 4.4: Lưu đồ giải thuật hệ điều khiển web server n

Khi cấp nguồn và khởi tạo các module trong hệ thống, WiFi sẽ thiết lập địa chỉ IP Hệ thống sẽ kiểm tra kết nối WiFi; nếu chưa kết nối thành công, quá trình khởi tạo sẽ tiếp tục được thực hiện.

Khi hệ thống kết nối WiFi, tiến hành quét thẻ RFID để gửi chuỗi UID của mã thẻ Mã thẻ sẽ được lưu và gán giá trị lên hệ thống Mỗi lần quét, chuông báo sẽ kêu và đèn LED sáng trong 100ms, sau đó tắt đèn và buzzer.

 Sau đó gởi mã thẻ được gán lên Web Server n

KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT

KẾT QUẢ PHẦN CỨNG

Trong quá trình thiết kế phần cứng, nhóm đã tiến hành lựa chọn linh kiện và kiểm tra các kết nối giữa các module và linh kiện, từ đó tạo ra sản phẩm như các hình minh họa bên dưới.

Hình 5.1: Phần cứng hệ thống

Hình trên thể hiện khối xử lý trung tâm chính là Arduino Mega2560 Pro Embed và

ESP8266 Node MCU kết nối với cảm biến DHT, RFID và màn hình TJC qua các bus, cho phép thu thập và hiển thị dữ liệu hiệu quả Ngõ ra được kết nối với module relay 5V, giúp điều khiển các thiết bị một cách linh hoạt và tiện lợi.

Hình 5.2: Mô hình của hệ thống n

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT

Hình 5.3: Dữ liệu hiển thị giao diện trên màn hình TJC

 Giải thích dữ liệu hiển thị màn hình:

Cảm biến DHT11 đo nhiệt độ và độ ẩm, gửi dữ liệu qua giao thức UART đến Mega 2560 Pro Embed Sau đó, Mega 2560 tiếp nhận giá trị và hiển thị chúng trên màn hình HMI.

 Nút mũi tên chuyển sang trang tiếp theo n

Hình 5.5: Dữ liệu hiển thị giao diện điều khiển khi bật thiết bị trên màn hình TJC

 Gồm 4 nút nhấn điều khiển 4 relay tương ứng với 4 đèn

 Gồm 4 nút nhấn điều khiển 4 relay tương ứng với 4 quạt

Khi quét thẻ RFID và xác nhận giá trị đúng, nút nhấn trên màn hình sẽ điều khiển các thiết bị mở tương ứng, như được minh họa trong hình 5.4.

Hình 5.6: Mô hình hệ thống khi điều khiển bật đèn và quạt n

Hình 5.7: Giao diện đăng nhập trên Website

 Đăng nhập quyền admin Người quản lý website này

 Đăng nhập đúng vào giao diện chính nhập sai nhập lại

 Tài khoản đăng nhập : hmt24121998@gmail.com

Khi đăng nhập thành công vào giao diện web, người dùng sẽ thấy năm chế độ chính: Người dùng, Quản lý người dùng, Nhật ký người dùng, Thiết bị, và Quản trị viên, cùng với tùy chọn đăng xuất.

Hình 5.9: Giao diện Devices trên Website

Khi chọn chế độ Enrollment (đăng ký), việc quét thẻ mới bằng RC522 sẽ tạo ra một thẻ mới Sau khi quét, giá trị của thẻ mới sẽ được hiển thị tại phần Quản lý Người dùng.

Hình 5.10: Quét thẻ mới tại chế độ Enrollment

Hình 5.11: Giá trị của thẻ mới hiển thị tại Manager Users n

Để đăng ký thẻ, trước tiên hãy chọn mã thẻ cần sử dụng Tiếp theo, tại phần Thông tin người dùng, bạn có thể tùy chỉnh Tên, số thứ tự, địa chỉ email và giới tính Cuối cùng, nhấn chọn "Thêm người dùng" để hoàn tất việc đăng ký thẻ với các giá trị đã thiết lập.

Hình 5.12: Tùy chỉnh các giá trị của thẻ mới n

Hình 5.14: Chọn thẻ cần Update

Hình 5.15: Thay đổi các giá trị của thẻ cần Update

Hình 5.16: Thẻ đã được Update theo các giá trị tùy chỉnh n

Khi sử dụng chế độ Attendance (điểm danh) với thẻ quét RC522 đã lưu giá trị, hệ thống sẽ hiển thị thời gian vào và ra Cụ thể, khi quét thẻ, người dùng sẽ thấy thông tin về ngày/tháng/năm (Date), thời gian vào (Time in) và thời gian ra (Time out).

Hình 5.17: Chọn chế độ Attendance tại Devices n

Hình 5.19: Giao diện Log Filter/Export to Exel

Hình 5.20: Check in/out được chuyển sang file Exel

Hình 5.21: Giao diện người dùng (USERS) trên Website n

 Giao diện user quản lý tên, số thứ tự, giới tính và ngày đăng ký thẻ tên website

Hình 5.22: Giao diện quyền admin (ADMIN) trên Website

 Tại đây chúng ta có thể thay đổi tên của Admin, đổi địa chỉ email và password sau đó Save Changes là hoàn thành đổi tên mật khẩu

 Để kiểm tra bấm logout sau đó đăng nhập email và password vừa mới đổi.

KẾT QUẢ PHẦN MỀM

Như đã trình bày, ứng dụng thực hiện được các yêu cầu từ hệ thống:

 Trang khởi động hiển thị thông tin đồ án

 Trang đăng nhập hiển thị email đăng nhập và password n

Tiêu đề	Thiết Kế Và Thi Công Hệ Thống Điều Khiển Các Thiết Bị Điện Trong Phòng Học
Tác giả	Hứa Minh Trí, Trần Hoài Linh
Người hướng dẫn	ThS. Phan Vân Hoàn
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử - Truyền Thông
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2022
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	83
Dung lượng	5,89 MB