Nghiên cứu thiết kế hệ thống tự động giám sát và điều khiển trạng thái đèn qua điện thoại thông minh.

TÓM TẮT Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống tự động giám sát điều khiển trạng thái đèn qua điện thoại thông minh SVTH: Nguyễn Văn Chung MSSV: 106130010 Lớp:13DT1 Tóm tắt đề tài: Em thực xây dựng đề tài tự động giám sát điều khiển trạng thái đèn qua điện thoại thông minh dựa kiến trúc IoT Đèn tự động điều khiển có người cường độ ánh sáng khơng đủ điều khiển tay Sản phẩm đề tài phù hợp với nơi cơng cộng hành lang, phòng khách Với mục đích xây dựng đề tài này, việc dụng đèn trở nên tiết kiệm điện nhân lực thời gian người sử dụng Kết trình xây dựng đề tài, em hồn thành tất mục tiêu đề ra, điều khiển giám sát điện thoại thông minh hai chế độ tự động tay, có sản phẩm thực tế cho đề tài, Kết nối wifi mà người dùng muốn kết nối Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Chung Hướng dẫn: Thạc sĩ Thái Văn Tiến ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG CỘNG HỊA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tên đề tài đồ án: Nghiên cứu, thiết kế hệ tự động điều khiển giám sát trạng thái đèn qua điện thoại thông minh Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ kết thực Các số liệu liệu ban đầu: 3.1 Nhu cầu thông tin sử dụng đèn tiết kiệm thời gian sử dụng 3.2 Mơ hình IoT 3.3 Thơng tin linh kiện, thiết bị Nội dung phần thuyết minh tính tốn: 4.1 Khảo sát chọn đề tài 4.2 Tìm hiểu mơ hình IoT, vi điều khiển cảm biến 4.3 Đồng toàn hệ thống 4.4 Khảo sát thực nghiệm cho hệ thống 4.4.1 Điều khiển tay giám sát trạng thái đèn Blynk 4.4.2 Điều khiển tự động( cảm biến chuyển động, cảm biến cường độ ánh sáng) 4.4.3 Đồng liệu phần cứng với website Blynk Ngày giao nhiệm vụ đồ án: …… /……./2018 Ngày hoàn thành đồ án: …… /……./2018 Đà Nẵng, ngày tháng 12 năm 2018 Trưởng Bộ môn……………………… Người hướng dẫn Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Chung Hướng dẫn: Thạc sĩ Thái Văn Tiến Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự – Hạnh phúc =========================== LỜI CAM ĐOAN Kính gởi: Hội đồng bảo vệ đồ án tốt nghiệp Khoa Điện Tử - Viễn Thông, Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng Em NGUYỄN VĂN CHUNG Hiện sinh viên lớp 13DT1, khoa Điện Tử – Viễn Thông, Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Em xin cam đoan đồ án kết em tự tính tốn, thiết kế nghiên cứu, khơng chép ai, thực hiên hướng dẫn Thạc sĩ Thái Văn Tiến Nếu có vi phạm nào, nhóm chúng tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm chịu kỷ luật khoa nhà trường Xin chân thành cảm ơn Đà Nẵng, tháng 12 năm 2018 Sinh viên Nguyễn Văn Chung Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Chung Hướng dẫn: Thạc sĩ Thái Văn Tiến LỜI CẢM ƠN Em xin trân trọng cám ơn quý Thầy cô khoa Điện tử - Viễn thông, Đại học, trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng tận tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức quý báu suốt năm năm học, kiến thức em nhận giảng đường đại học tảng để em thực đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống tự động giám sát điều khiển trạng thái đèn qua điện thoại thông minh” hành trang giúp em vững bước tương lai Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống tự động giám sát điều khiển trạng thái đèn qua điện thoại thông minh” triển khai thực hoàn thành với số kết thu có khả ứng dụng thời gian tới với điều kiện thực tiễn Em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy– Thạc sĩ.Thái Văn Tiến, người tận tình hướng dẫn em suốt trình thực đề tài Mặc dù em có nhiều cố gắng hoàn thiện đề tài tất nhiệt tình nổ lực mình, nhiên khơng thể tránh khỏi thiếu sót, nhóm em mong nhận ý kiến đóng góp quý báu quý Thầy cô bạn! Đà Nẵng, Ngày tháng 12 năm 2018 Sinh viên thực Nguyễn Văn Chung Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Chung Hướng dẫn: Thạc sĩ Thái Văn Tiến MỤC LỤC MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH ẢNH DANH SÁCH BẢNG BIỂU DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT TÓM TẮT MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH ẢNH DANH SÁCH BẢNG BIỂU DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT LỜI MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI .3 1.1 Giới thiệu chương 1.2 Sự cần thiết đề tài 1.3 Hệ thống IoT 1.3.1 Giới thiệu IoT 1.3.2 Mơ hình hệ thống IoT 1.4 Đề xuất ý tưởng 1.4.1 Ý tưởng chung đề tài 1.4.2 Mơ hình IoT Kiến trúc tham chiếu hệ thống 1.4.3 Nguyên tắc hoạt động .6 1.4.4 Nguyên lý giám sát trạng thái đèn 1.4.5 Thiết kế nguyên lý điều khiển trạng thái đèn ở chế độ tự động 1.4.6 Thiết kế nguyên lý điều khiển trạng thái đèn chế độ tay .9 1.4.7 Hoạt động chế độ station access point 1.5 Các thiết bị có thị trường .9 1.6 Kết luận chương 10 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM ĐƯỢC DÙNG TRONG HỆ THỐNG 11 2.1 Giới thiệu chương 11 2.2 Thông số kỹ thuật chức thiết bị có hệ thống 11 2.2.1 Module NodeMCU ESP8266 11 2.2.2 Module cảm biến ánh sáng 12 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Chung Hướng dẫn: Thạc sĩ Thái Văn Tiến 2.2.3 Module cảm biến quang trở 13 2.2.4 Cảm biến chuyển động HC – SR501 14 2.2.5 Module relay 5Volts 15 2.2.6 Mạch nguồn 5v 16 2.2.7 Đèn led 5W 17 2.2.8 Các linh kiện khác 17 2.3 Phần mềm .18 2.2.1 Trình biên dịch arduino IDE 18 2.4 Kết luận chương 19 Chương 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG ĐỀ TÀI 20 3.1 Giới thiệu chương 20 3.2 Thiết kế xây dựng phần cứng 20 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối phần cứng 20 3.2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch tổng quát 20 3.3 Thiết kế xây dựng thuật toán hệ thống .23 3.3.1 Sơ đồ khối thuật toán tổng quát .23 3.3.1 Thuật toán kết nối wifi 24 3.3.2 Thuật toán chọn chế độ điều khiển tự động tay 25 3.3.3 Điều khiển đèn chế độ tự động 26 3.3.4 Điều khiển đèn ở chế độ tay 27 3.5 Kết luận chương 27 Chương 4: KẾT QUẢ THI CÔNG VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỀ TÀI 28 4.1 Giới thiệu chương 28 4.2 Kết thi công phần cứng 28 4.3 Kết thi công phần mềm .29 4.4 Đánh giá thiết bị đề tài 30 4.4.1 Tiêu chí đánh giá kết đạt 30 4.5 Kết luận chương 32 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Chung Hướng dẫn: Thạc sĩ Thái Văn Tiến DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1.1 Mơ hình hệ thống IoT Hình 1.2 Mơ hình ý tưởng Hình 1.3 Mơ hình IoT chung hệ thống Hình 1.4 Sơ đồ khối giám sát trạng thái đèn Hình 1.5 Điều kiện bật đèn nội dung hiển thị Hình 1.6 Điều khiển tắt đèn nội dung hiển thị ánh sáng tốt Hình 1.7 Điều kiện tắt đèn nội dung hiển thị ánh sáng kém Hình 1.8 Điều khiển đèn chế độ tay… Hình 2.1 Module NodeMCU ESP8266…………………………….…………………………11 Hình 2.2 Trở quang 13 Hình 2.3 Module cảm biến ánh sáng 13 Hình 2.4 Module cảm biến chuyển động 14 Hình 2.5 Module relay 5Volts 16 Hình 2.6 Mạch nguồn cho hệ thống 16 Hình 2.7 Đèn led 5W 17 Hình 2.8 Transistor c1815 17 Hình 2.9 Điện trở 2K2 18 Hình 2.10 Giao diện trình biên dịch arduino IDE 18 Hình 3.1 Sơ đồ khối phần cứng…………………………………………….…………….20 Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch tổng quát 21 Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý phần cứng giám sát trạng thái đèn 21 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý điều khiển trạng thái đèn 22 Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý đầu vào điều khiển trạng thái đèn 22 Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý đầu điều khiển trạng thái đèn 23 Hình 3.7 Sơ đồ thuật toán tổng quát 24 Hình 3.8 Sơ đồ khối hàm setup 25 Hình 3.9 Điều khiển chọn chế độ tự động tay Blynk 25 Hình 3.10 Điều khiển đèn chế độ tự động 26 Hình 3.11 Điều khiển đèn chế độ tay Blynk 27 Hình 4.1 Mạch in…………………………………………………………………………… 28 Hình 4.2 Sản phẩm hồn thiện 29 Hình 4.3 Giao diện giám sát điều khiển Blynk 30 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Chung Hướng dẫn: Thạc sĩ Thái Văn Tiến DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 4.1 Các tiêu đánh giá hệ thống…………………………………………………… 31 Bảng 4.2 Tổng chi phí sản xuất…………………………………….…………………….324 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Chung Hướng dẫn: Thạc sĩ Thái Văn Tiến DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT TỪ VIẾT TẮT NỘI DUNG ADC Analog-to-digital converter HW Hardware IBM International Business Machines IC Integrated circuit IoT Internet Of Things IT Information Technology LWT Last Will And Testament MCU Micro Controller Unit MQTT Message Queuing Telemetry Transport PCB Printed circuit board PWM Pulse Width Modulation QoS Qualities Of Service REST REpresentational State Transfer SDK Software Development Kit SPI Serial Peripheral Interface TCP Transmission Control Protocol TRNSP Mode Transparent mode UDP User Datagram Protocol VM Virtual Machine SCL Serial Clock SDA Serial Data Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Chung Hướng dẫn: Thạc sĩ Thái Văn Tiến LỜI MỞ ĐẦU Phần trình bày nhu cầu thực tiễn tiền đề cho ý tưởng đồ án, nội dung đồ án, hình thức trình bày, phương pháp nghiên cứu kết đạt đồ án Việt Nam giai đoạn hội nhập quốc tế, với kinh tế khoa học kỹ thuật ngày phát triển với đời sống người dân không ngừng nâng cao Trong bối cảnh đó, việc khơng ngừng sáng tạo áp dụng công nghệ cao, kỹ thuật tiên tiến vào sản xuất hướng tất yếu để xây dựng nông nghệ đại, thu hẹp khoảng cách với nước tiên tiến giới, đáp ứng nhu cầu khoa học kỹ thuật, cạnh tranh với công nghệ giới Các hệ thống tự động, chương trình nghiên cứu kỹ thuật cao, ngày phát triển giới, nhiên, chưa sâu vào thực tiễn Nhiều công nghệ có sản phẩm demo, chưa áp dụng vào thị trường, chưa tận dụng hết ứng dụng khoa học kỹ thuật vào sống Công nghệ Internet thực tác động có sức ảnh hưởng lớn tới ngóc ngách sống hoạt động người Những tác động ngày mạnh mẽ hết trực tiếp thay đổi không sống, công việc giải trí mà thứ nhiều năm vốn dường chẳng liên quan tới web hay văn hố Internet Nổi bật ứng dụng IoT đa số lĩnh vực sống, đề tài nóng hổi cho nhà sản xuất, nghiên cứu Từ tìm hiểu có IoT, em định mang ứng dụng Đèn thông minh em tự nghiên cứu sáng chế Mong muốn góp phần vào phát triển cơng nghệ Việt Nam Nội dung đồ án: Nội dung đồ án thiết kế mơ hình Đèn thơng minh sử dụng cơng nghệ IoT với chức sau: tự động bật tắt có người, điều khiển phần mềm Blynk điện thoại thông minh chế độ tay tự động Hệ thống giúp tiết kiệm thời gian, tiết kiệm hệ thống điện năng, chống lãng phí đồng thời đảm bảo mắt sử dụng Trình bày đồ án: Nội dung đồ án gồm chương: Chương 1: Tổng quan đề tài Chương 2: Giới thiệu phần cứng phần mềm dùng hệ thống Chương 3: Thiết kế xây dựng đề tài Chương 4: Kết thi công đánh giá đề tài Kết luận hướng phát triển Phương pháp nghiên cứu: Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Chung Hướng dẫn: Thạc sĩ Thái Văn Tiến Chương 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG ĐỀ TÀI 3.1 Giới thiệu chương Chương chương quan trọng, tập trung xây dựng kết cấu phần cứng xây dựng thuật tốn, viết chương trình để xây dựng hệ thống thiết kế thành sản phẩm thực 3.2 Thiết kế xây dựng phần cứng 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối phần cứng Phần cứng gồm khối: - Nguồn: - Nguồn xoay chiều: 110- 220 VAC Nguồn chiều: 5± 0.2 VDC, cấp module nguồn 5V - Module relay 5v - Module NodeMCU ESP8266 - Các cảm biến gồm: - Cảm biến ánh sáng Cảm biến chuyển động HC-SR501 Hình 3.1 Sơ đồ khối phần cứng 3.2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch tổng quát Sơ đồ nguyên lý mạch chung biểu diễn hình sau: 20 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Chung Hướng dẫn: Thạc sĩ Thái Văn Tiến Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch tổng quát a Sơ đồ nguyên lý phần cứng giám sát trạng thái đèn D5 tích cực mức 1: Sáng D5 mức 0: Tắt Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý phần cứng giám sát trạng thái đèn b Sơ đồ nguyên lý phần cứng điều khiển trạng thái đèn Sơ đồ nguyên lý phần cứng điều khiển trạng thái đèn biểu diễn sau: 21 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Chung Hướng dẫn: Thạc sĩ Thái Văn Tiến Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý điều khiển trạng thái đèn Đầu vào: Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý đầu vào điều khiển trạng thái đèn BH-1750: Gởi liệu đến (D1,D2) hai chân SCL(serial clock), SDA(serial data ) Vin=5± 0.2 Volts, VGND=0 ± 0.2 Volts HC-SR501: Gởi liệu đến D6 22 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Chung Hướng dẫn: Thạc sĩ Thái Văn Tiến Vin=5± 0.2 Volts, VGND=0 ± 0.2 Volts Tích cực mức 1: 3.3 ± 0.2 Volts; mức ± 0.2 Volts Đầu ra: Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý đầu điều khiển trạng thái đèn D0: Tích cực mức 1: 3.3 ± 0.2 Volts Mức thấp ± 0.2 Volts Module realy: Tích cực mức thấp Ngun lý: VD0=3.3Volts VinRelay=0, kích relay đèn sáng VD0= 0Volts VinRelay=5Volts, đèn tắt 3.3 Thiết kế xây dựng thuật toán hệ thống 3.3.1 Sơ đồ khối thuật toán tổng quát Thuật tốn tổng qt trình bày rõ tất hoạt động hệ thống dựa theo mơ hình IoT: Thiết lập kết nối internet hai thiết lập hai chế độ station access point Điều khiển trạng thái đèn chế độ tự động tay 23 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Chung Hướng dẫn: Thạc sĩ Thái Văn Tiến Hình 3.7 Sơ đồ thuật tốn tổng qt 3.3.1 Thuật tốn kết nối wifi Thuật tốn mơ tả hệ thống hai chế độ: Station: kết nối wifi Access point 24 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Chung Hướng dẫn: Thạc sĩ Thái Văn Tiến Hình 3.8 Sơ đồ khối hàm setup 3.3.2 Thuật toán chọn chế độ điều khiển tự động tay b Điều khiển chọn chế độ tự động Blynk Hình 3.9 Điều khiển chọn chế độ tự động tay Blynk 25 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Chung Hướng dẫn: Thạc sĩ Thái Văn Tiến 3.3.3 Điều khiển đèn ở chế độ tự động Đèn tự động bật khi: Cường độ ánh sáng bé ngưỡng phát người Khi không phát người, phút sau đèn tự động tắt Hình 3.10 Điều khiển đèn chế độ tự động 26 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Chung Hướng dẫn: Thạc sĩ Thái Văn Tiến 3.3.4 Điều khiển đèn ở chế độ tay Có thể điều khiển tay Blynk b Điều khiển đèn ở chế độ tay Blynk Hình 3.11 Điều khiển đèn chế độ tay Blynk 3.5 Kết luận chương Phần cứng chủ yếu dùng module nên việc thiết kế phần cứng nhanh, phần xây dựng thuật tốn tương đối phức tạp Để có thuật tốn chặt chẽ, q trình thiết kế đưa nhiều giả thiết kết hợp với kết từ thực nghiệm 27 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Chung Hướng dẫn: Thạc sĩ Thái Văn Tiến Chương 4: KẾT QUẢ THI CÔNG VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỀ TÀI 4.1 Giới thiệu chương Chương trình bày trình thi cơng phần cứng, phần mềm hệ thống tiến hành thử nghiệm, đánh giá hệ thống Quá trình thi cơng mạch bao gồm q trình layout, ủi bo đồng, kiểm tra linh kiện, hàn mạch kiểm tra Việc đánh giá hệ thống dựa tiêu chí hệ thống IoT 4.2 Kết thi công phần cứng Kết mạch in trung tâm phần cứng thiết kế hình vẽ 4.1 Hình 4.1 Mạch in Hệ thống trở thành sản phẩm hoàn thiện 28 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Chung Hướng dẫn: Thạc sĩ Thái Văn Tiến Hình 4.2 Sản phẩm hồn thiện 4.3 Kết thi cơng phần mềm Giao diện ứng dụng Blynk hoàn thành 29 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Chung Hướng dẫn: Thạc sĩ Thái Văn Tiến Hình 4.3 Giao diện giám sát điều khiển Blynk 4.4 Đánh giá thiết bị đề tài 4.4.1 Tiêu chí đánh giá kết đạt a Tiêu chí đánh giá hệ thống 30 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Chung Hướng dẫn: Thạc sĩ Thái Văn Tiến 10 11 12 13 Tiêu chí đánh giá Giám sát trạng thái đèn qua Blynk Nếu đèn hỏng, Phát qua Blynk Khi chế độ tự động, đèn bật có người cường độ ánh sáng bé ngưỡng Khi chế độ tự động, đèn tắt đèn cường độ ánh sáng lớn ngưỡng Khi chế độ tự động, đèn tắt cường độ ánh sáng bé ngưỡng khơng có người Điều khiển tay Blynk Đồng Blynk chế độ tự động tay Khi kết nối wifi hỏng, hệ thống tự động chuyển sang chế độ access point để sử dụng wifi khác Tốc độ điều khiển trung bình 1s/ lần điều khiển Tiết kiệm điện Khoảng cách đo phát người đáp ứng 4m Phù hợp khu diện rộng sử dụng phòng khách Có thể thương mại Bảng 4.1 Các tiêu đánh giá hệ thống b Kết đạt - Giám sát trạng thái đèn qua Blynk - Nếu đèn hỏng, Phát qua Blynk - Khi chế độ tự động: - Đèn bật có người cường độ ánh sáng bé ngưỡng - Đèn tắt đèn cường độ ánh sáng lớn ngưỡng - Đèn tắt cường độ ánh sáng bé ngưỡng khơng có người - Điều khiển tay Blynk - Đồng Blynk chế độ tự động tay - Khi kết nối wifi hỏng, hệ thống tự động chuyển sang chế độ access point để kết wifi khác tự động chuyển chế độ station - Tốc độ điều khiển trung bình 1s/ lần điều khiển - Tiết kiệm điện - Khoảng cách đo phát người đáp ứng: Thông số kỹ thuật: khoảng cách phát