Thiết kế hệ thống và điều khiển giám sát thiết bị qua internet (tt)

MỤC LỤC CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Mục tiêu phạm vi nghiên cứu 1.3 Đối tượng phương pháp nghiên cứu .2 1.4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.5 Giới hạn đề tài .2 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN 2.1 Thế giám sát điều khiển qua internet 2.2 Tổng quan internet 2.3 Cấu trúc Internet 2.4 Các cơng trình nghiên cứu liên quan 2.4.1 Mơ hình ngơi nhà thơng minh 2.4.2 Mơ hình trồng rau thủy canh 2.4.3 Phương pháp trồng rau trời 2.4.4 Một số giao diện website điều khiển CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Tổng quang Ethernet 3.1.1 Cấu trúc khung tin Ethernet 3.1.2 Cấu trúc địa Ethernet .9 3.1.3 Đặc tính điện 3.1.4 Các loại khung Ethernet 10 3.1.5 Một số loại mạng Ethernet 10 3.1.6 Chuẩn IEEE 802 11 3.2 Giao thức TCP/IP 11 3.2.1 Tổng quan giao thức TCP/IP 11 3.2.2 Kiến trúc phân tầng TCP/IP 12 3.2.3 Quá trình gửi nhận liệu hai máy tính 13 3.2.4 Sơ lược chức tầng 13 3.2.5 Đóng gói liệu TCP/IP 14 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 16 4.1 Các thiết bị sử dụng hệ thống trồng rau khí canh 16 4.1.1 Urduino Mega .16 4.1.2 Arduino Ethernet Shield .20 4.1.3 Relay 21 4.1.4 Cảm biến siêu âm SRF05 22 4.1.5 Cảm biến độ âm đất 22 4.1.6 LCD text LCD1602 .23 4.1.7 Cảm biến độ ẩm, nhiệt độ AM2301 24 4.1.8 Động bơm 25 4.1.9 Mạch thời gian thực RTC DS3231 .25 4.2 Sơ đồ khối 26 4.3 Sơ đồ nguyên lý 27 4.4 Lưu đồ giải thuật .28 4.5 Thiết kế giao diện website 32 4.6 Code hệ thống .32 4.7 Lập trình cho Arduino .33 4.8 Mơ hình thực tế 34 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 35 5.1 Kết đạt .35 5.2 Ưu điểm hệ thống .35 5.3 Nhược điểm hệ thống 35 5.4 Hướng phát triển đề tài .35 TÀI LIỆU THAM KHẢO 36 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG 37 PHỤ LỤC 38 DANH SÁCH KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TCP/IP Transmision Control Protocol – Internet Protocol HTML Hyper Text Markup Languages Web World Wide Web (Website) LCD Liquid Crystal Display UART Universal Asynchronous Receiver – Transmitter IC Integrated circuit USB Universal Serial Bus DC Direct Current AC Alternating Current PWM Pulse Width Modulation SPI Serial Peripheral Bus LED Light Emitting Diod GND Gemeinsame Normdatei ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line LAN Local Area Network PC Personal Computer IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection OSI Open Systems Interconnection ID Identification HTTP Hyper Text Transfer Protocol Hype ICMP Internet Control Message Protocol FCS Frame Check Sequence MAC Media Access Control MAN Metropolitan Area Network LLC Logical Link Control WAN Wide Are Network ARP Address Resolution Protocol DANH SÁCH BẢNG VÀ HÌNH ẢNH Bảng 3.1:Cấu trúc khung MAC theo IEEE 802.3/ Ethernet Bảng 3.2: Hình số giao thức tầng 15 Hình 2.1: Mơ hình nhà thông minh Hình 2.2: Giao diện web điều khiển nhà thông minh Hình 2.3: Mơ hình trồng rau thủy canh Hình 2.4: Mơ hình trồng rau thổ canh Hình 2.5: Giám sát nhiệt độ Hình 2.6: ON/OFF LED Hình 3.1: Hình Mã hóa Manchester Hình 3.2: Mơ hình truyền thơng unicast 10 Hình 3.3: Kiến trúc phân tầng TCP/IP 12 Hình 3.4: Quá trình gửi nhận liệu hai máy tính .13 Hình 3.5: Thực đóng/mở gói liệu giao thức TCP/IP 14 Hình 4.1:Arduino mega2560 18 Hình 4.2:Arduino Ethernet Shield 20 Hình 4.3:Relay .21 Hình 4.4:Cảm biến siêu âm 22 Hình 4.5:Cảm biến độ ẩm đất 23 Hình 4.6:Màn hình LCD 23 Hình 4.7:Cảm biến AM230 24 Hình 4.8: Máy bơm nước tăng áp 25 Hình 4.9:Thời gian thực DS3231 26 Hình 4.10: Sơ đồ khối 26 Hình 4.11: Sơ đồ nguyên lý mạch 27 Hình 4.12: Lưu đồ nút nhấn 28 Hình 4.13: Lưu đồ xử lý .29 Hình 4.14: Lưu đồ điều khiển hiển thị webserver 31 Hình 4.15: Kết giao diện lập trình đạt 32 Hình 4.16: Giao diện lập trình cho Arduino 33 Hình 4.17: Mơ hình thực tế 34 LỜI MỞ ĐẦU Bài báo cáo đồ án “Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát thiết bị điện qua internet” Kiến thức tổng hợp trình học tập nghiên cứu thêm tài liệu, báo cáo nói chi tiết cấu tạo nguyên lý hoạt động linh kiện sử dụng mơ hình Bài báo cáo gồm có năm chương: CHƯƠNG 1: Nói vấn đề lý chọn đề tài, mục tiêu, phương pháp, đối tượng, phạm vi nghiên cứu đề tài giới hạn đề tài CHƯƠNG 2: Cơ sở lý luận: sơ lược internet gì? Cấu trúc internet đề tài nghiên cứu liên quan CHƯƠNG 3: Cơ sở lý thuyết: tìm hiểu giao thức TCP/IP, cấu trúc Ethernet CHƯƠNG 4: Thiết kế thi công: linh kiện sử dụng mơ hình, lưu đồ giải thuật code hệ thống CHƯƠNG 5: Chương kết luận: kết đạt đề tài, ưu khuyết điểm đề tài đưa hướng phát triển đề tài CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Lý chọn đề tài Trong thời đại công nghệ thông tin phát triển ngày nay, việc thiết kế chế tạo thiết bị điện tiện dụng có khả giám sát điều khiểu từ xa quan tâm hữu ích cho ứng dụng sống hàng ngày Vì mục tiêu cơng nghệ đại hoá ngày phát triển, em định nghiên cứu đề tài điều khiển giám sát thiết bị qua mạng truyền dẫn internet Khi đề tài hồn thành điều khiểu giám sát thiết bị thông qua mạng truyền dẫn internet, tương tác thơng qua thiết bị smart phone, máy tính bảng hay máy vi tính; để kiểm sốt trạng thái thông số thiết bị thông số môi trường xung quanh thiết bị như: nhiệt độ, độ ẩm, mức nước, lưu lượng Người sử dụng nơi có mạng internet giám sát hoạt động thiết bị, thông số cần thiết cho hệ thống điều khiển hoạt động thiết bị thiết bị kết nối với module điều khiển Ethernet Vấn đề đặt đây, hướng nghiên cứu đề tài em nghiên cứu, xây dựng mạch điều khiển giám sát thiết bị qua mạng truyền dẫn internet Với hướng nghiên cứu đó, tên đề tài chọn là: “Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện qua internet” Và em làm mơ hình cụ thể mơ hình trồng rau nhà lưới để giám sát nhiệt độ độ ẩm môi trường, độ ẩm đất, cường độ ánh sáng qua internet 1.2 Mục tiêu phạm vi nghiên cứu  Thực giao tiếp mạch điện tử với mạng Ethernet  Điều khiển thiết bị mơ hình nhà lưới  Giám sát hoạt động thông số nhiệt độ - độ ẩm môi trường, độ ẩm đất cường độ ánh sáng  Tìm hiểu ngơn ngữ html lập trình giao diện web server nhúng vào vi điều khiển  Tìm hiểu giao thức TCP/IP  Tính tốn, thiết kế thi công phần cứng mạch điện tử  Xây dựng thuật toán viết code cho ứng dụng dựa theo mục tiêu đề 1.3 Đối tượng phương pháp nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu:  Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm môi trường  Cảm biến ánh sáng, cảm biến độ ẩm cảm biến mực nước  Arduino Mega2560  Arduino Ethernet Shield  Lập trình giao diện website  Ngơn ngữ lập trình HTML  Phương pháp nghiên cứu  Thực yêu cầu giáo viên hướng dẫn  Tìm hiểu tổng quan mạng Ethernet, giao thức TCP/IP, vi điều khiển ATMEGA2560 cách thức thiết kế web server nhúng vào vi điều khiển, xây dựng thuật toán viết code cho vi điều khiển ATMEGA2560  Xây dựng mạch điều khiển viết code HTML nhúng vào vi điều khiển  Tìm hiểu nguyên lý hoạt động mạch  Tính tốn, thiết kế, vẽ lưu đồ giải thuật lập trình  Thi cơng mạch, tạo mơ hình thực tế 1.4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Ý nghĩa khoa học: Đề tài tài liệu tham khảo hữu ích cho quan tâm đến lĩnh vực điều khiển giám sát thiết bị sử dụng mạng truyền dẫn internet Ý nghĩa thực tiễn: Kết nghiên cứu đề tài góp phần giải vấn đề điều khiển giám sát hệ thống nhà lưới nơi có internet 1.5 Giới hạn đề tài Đề tài dừng lại việc nghiên cứu phạm vi mơ hình nhà lưới, lập trình trang website đơn giảng để giám sát điều khiển nhiệt độ độ ẩm CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN 2.1 Thế giám sát điều khiển qua internet Giám sát mạng việc thu thập thông tin, theo dõi cố, hiệu năng, tình trạng thành phần, thiết bị hệ thống, phân tích thơng tin, dấu hiệu nhằm đánh giá đưa cảnh báo cho người quản trị hệ thống  Theo nghĩa hẹp: Tạo giá trị đặt hiệu chỉnh tham số cho điều khiển tự động phía  Theo nghĩa rộng: Tất chức điều khiển phía điều khiển tự động, có tham gia giám sát người  Các chức điều khiển giám sát tiêu biểu: – Giám sát vận hành – Điều khiển vận hành – Báo cáo & báo động – Điều khiển cao cấp – Quản lý & lưu trữ liệu trình 2.2 Tổng quan internet Internet liên mạng máy tính tồn cầu hình thành từ mạng nhỏ hơn, liên kết hàng triệu máy tính giới thơng qua sở hạ tầng viễn thông Internet mạng mạng máy tính, máy tính thiết bị mạng giao tiếp với ngôn ngữ thống Đó giao thức TCP/IP (Transmision Control Protocol – Internet Protocol) 2.3 Cấu trúc Internet Internet liên mạng kết nối mạng nhỏ với Như vậy, cấu trúc Internet gồm mạng máy tính kết nối với thông qua kết nối viễn thông Thiết bị dùng để kết nối mạng máy tính với cổng nối Internet (Internet Gateway) Bộ định tuyến (Router) Phương thức kết nối :  Kết nối thông qua kênh riêng  Kết nối quay số qua mạng điện thoại  Kết nối qua ADSL 2.4 Các cơng trình nghiên cứu liên quan 2.4.1 Mơ hình ngơi nhà thơng minh Nhà thơng minh nhà trang bị hệ thống tự động thơng minh với cách bố trí hợp lý, hệ thống có khả tự điều phối hoạt động ngơi nhà theo thói quen sinh hoạt nhu cầu cá nhân gia chủ Chúng ta hiểu ngơi nhà thơng minh hệ thống chỉnh thể mà đó, tất thiết bị điện tử gia dụng liên kết với thiết bị điều khiển trung tâm phối hợp với để thực chức Các thiết bị tự đưa cách xử lý tình lập trình trước, điều khiển giám sát từ xa Hình 2.1: Mơ hình nhà thơng minh  Ưu điểm:  Tất sản phẩm nhà lập trình theo nhu cầu người dùng  Người dùng chọn nhiều sản phẩm theo sở thích  Hệ thống cài đặt nhanh chóng đơn giản  Thân thiện với môi trường: điều khiển nhiệt, điều hòa khơng khí ánh sáng dều kiểm sốt để đạt hiệu suất lượng tối ưu  Giúp bảo vệ an ninh cho nhà  Nhược điểm:  Một số sản phẩm thơng minh tốn  Có thể có số đường cong học tập cho người không am hiểu công nghệ cao  Nhà thơng minh phụ thuộc vào kết nối internet Hình 2.2: Giao diện web điều khiển nhà thông minh 2.4.2 Mơ hình trồng rau thủy canh Phương pháp trồng thủy canh sử dụng chất dinh dưỡng pha theo tỷ lệ định.Với loại khác có tỷ lệ thành phần chất dinh dưỡng khác Chính sử dụng trực tiếp dung dịch dinh dưỡng nên phát triển tốt hơn, hạn chế tối đa phát triển côn trùng, cỏ dại, mầm bệnh từ đất theo phương pháp trồng đất truyền thống Để trồng phương pháp thủy canh an tồn, bạn phải tìm hiểu loại để có tỉ lệ pha chế phù hợp Mặt khác, phải tìm dung dịch dinh dưỡng chuẩn, có uy tín thị trường, tránh dung dịch dinh dưỡng tự pha trôi thị trường Nếu bạn không tuân thủ quy tắc quy định trên, rau phát triển tốt khơng phải rau an tồn Hình 2.3: Mơ hình trồng rau thủy canh  Ưu điểm:  Phù hợp với nhiều điều kiện kinh tế xã hội, đặc biệt thị nơi có diện tích đất trồng hạn chế Nhờ kiểm sốt lượng dinh dưỡng điều kiện phát triển nên trồng nhiều vụ, trồng trái vụ  Rau lớn nhanh, suất cao từ 20 – 50% so với phương thức trồng truyền thống  Hạn chế tối đa lượng sâu bệnh cho rau  Nhược điểm:  Đòi hỏi người trồng phải nghiên cứu, am hiểu loại rau cần lượng dinh dưỡng khác  Do trồng thủy canh dung dịch dinh dưỡng nên cần ý pha liều lượng theo hướng dẫn bao bì, tránh sử dụng liều gây dư lượng dinh dưỡng rau  Phải lựa chọn loại dung dịch thủy canh có nguồn gốc xuất xứ rõ ràng, tránh mua phải hàng trôi nổi, không rõ nguồn gốc  Rau thủy canh sống nước nên thu hoạch mau héo lượng nước giảm mạnh  Rau thủy canh phương pháp trồng nên ăn nhạt dai, mùi vị 2.4.3 Phương pháp trồng rau ngồi trời Là phương thức trồng rau điều kiện tự nhiên, áp dụng phổ biến giới Việt Nam Các khâu từ gieo trồng, chăm sóc, phòng trừ sâu bệnh đến thu hoạch thực ngồi trời, khơng cần trang thiết bị đặc biệt bảo vệ Hình 2.4: Mơ hình trồng rau thổ canh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Thanh Mai(2009), Kỹ thuật điện tử NXB ĐH Quốc Gia, TP Hồ Chí Minh [2] https://vi.wikipedia.org [3] http://tae.vn/mach-dong-ho-thoi-gian-thuc-ds3231-eeprom-at24c32 [4] http://arduino.vn/bai-viet/91-doc-nhiet-do-do-am-va-xuat-ra-man-hinhlcd [5] https://www.slideshare.net/chubekhoua/nhp-mn-html1?next_slideshow=1 36 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG Cấp nguồn cho điều khiển, hệ thống hoạt động tự động theo lập trình sẵn, điều khiển webserver nút nhấn thơng qua hình LCD 37 ... cứu đề tài điều khiển giám sát thiết bị qua mạng truyền dẫn internet Khi đề tài hồn thành điều khiểu giám sát thiết bị thông qua mạng truyền dẫn internet, tương tác thơng qua thiết bị smart phone,... truyền dẫn internet Với hướng nghiên cứu đó, tên đề tài chọn là: Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện qua internet Và em làm mơ hình cụ thể mơ hình trồng rau nhà lưới để giám sát nhiệt... thống điều khiển hoạt động thiết bị thiết bị kết nối với module điều khiển Ethernet Vấn đề đặt đây, hướng nghiên cứu đề tài em nghiên cứu, xây dựng mạch điều khiển giám sát thiết bị qua mạng truyền