Đồ án tốt nghiệp thiết kế và thi công hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ kết hợp với điều khiển thiết bị điện từ xa thông qua internet và lora

TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ KẾT HỢP VỚI ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TỪ XA THÔNG QUA INTERNET VÀ LORA II.. Với mong muốn kết hợp giám sát và điều k

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH o0o

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Nguyễn Lâm Hoàng Minh Tuấn MSSV: 15141320 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông Mã ngành: 141

I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN

NĂNG TIÊU THỤ KẾT HỢP VỚI ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TỪ XA THÔNG QUA INTERNET VÀ LORA

II NHIỆM VỤ

1 Các số liệu ban đầu:

- Các loại vi điều khiển: Arm STM32F103, Arduino Nano, Esp 8266 V12

- Các loại Module: Lora – E32 TTL 100, đo điện năng PZEM004T, sim 800L

- Màn hình hiển thị: LCD 16x02, LCD_TFT 2.4 inch

- Cảm biến khí gas MQ2

- Điều khiển thiết bị điện: relay, transistor, diode

- Nguồn: module hạ áp AC – DC, pin dự phòng và mạch sạc pin

2 Nội dung thực hiện

- Tìm hiểu và tham khảo các tài liệu, giáo trình, nghiên cứu các chủ đề, các nội dung liên quan đến đề tài

- Tìm hiểu về công nghệ Lora, IoT

- Thiết kế, thi công hệ thống điều khiển

- Thiết kế ứng dụng điều khiển trên hệ điều hành Android

- Chạy thử nghiệm hệ thống

- Chỉnh sửa lỗi xuất hiện

- Đánh giá kết quả thực hiện

- Viết báo cáo luận văn

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 18/02/2019

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/06/2019

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS Nguyễn Duy Thảo

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH o0o

Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG

TIÊU THỤ KẾT HỢP VỚI ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TỪ XA QUA INTERNET VÀ LORA

GVHD

Tuần 1,2

18/02-03/03

Gặp GVHD để lựa chọn đề tài tốt nghiệp và

viết đề cương chi tiết

Tuần 3,4,5

04/03-24/03

Tìm hiểu các linh kiện sử dụng trong mạch

Thiết kế sơ đồ nguyên lí

Đề tài này là do chúng tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó

Người thực hiện đề tài

Võ Hồng Sơn

Nguyễn Lâm Hoàng Minh Tuấn

Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến ThS Nguyễn Duy Thảo đã trực tiếp hướng dẫn, góp ý, chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu, tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện để chúng em hoàn thành tốt đề tài

Chúng em xin gửi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện - Điện

Tử đã tạo những điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đề tài

Chúng em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 15141DT đã chia sẻ trao đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài Cảm ơn đến cha mẹ đã tạo điều kiện tốt nhất về kinh tế và tinh thần để con hoàn thành tốt đề tài này

Xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện đề tài

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iii

LỜI CAM ĐOAN iv

LỜI CẢM ƠN v

LIỆT KÊ HÌNH viii

LIỆT KÊ BẢNG xii

TÓM TẮT xiii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU 2

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2

1.4 GIỚI HẠN 3

1.5 BỐ CỤC 4

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 TẦM QUAN TRỌNG CỦA VIỆC QUẢN LÝ ĐIỆN NĂNG 5

2.2 CÔNG NGHỆ IOT 5

2.3 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 6

2.3.1 Vi điều khiển 6

2.3.2 Module WiFi ESP 8266 9

2.3.3 Module Lora E32 – TTL – 100 11

2.3.4 Module đo điện năng PZEM – 004T 13

2.3.5 Module Sim 800L 15

2.3.6 Module chuyển đổi nguồn điện AC – DC 16

2.3.7 Module hiển thị 17

2.3.8 Cảm biến khí Gas MQ-2 20

2.3.9 Relay tiếp điểm cơ khí 21

2.3.10 Pin và mạch sạc 22

2.4 CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU 23

2.4.1 Chuẩn truyền thông UART 23

2.4.2 Chuẩn truyền thông SPI 25

2.4.3 Chuẩn giao tiếp I2C 26

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 28

3.1 GIỚI THIỆU 28

3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 28

3.2.3 Thiết kế từng khối 32

3.2.4 Sơ đồ nguyên lí toàn mạch 40

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 42

4.1 GIỚI THIỆU 42

4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 42

4.2.1 Thi công board mạch 42

4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra 44

4.2.3 Thi công, đóng gói mô hình 45

4.3 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 48

4.3.1 Lưu đồ giải thuật 48

4.3.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển 63

4.3.3 Phần mềm lập trình giao diện điều khiển 66

4.4 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC 68

4.4.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng 68

4.4.2 Qui trình thao tác 69

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 72

5.1 GIỚI THIỆU 72

5.2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 72

5.3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 74

5.3.1 Cấp nguồn và kết nối Wifi cho board mạch chính (Master) 74

5.3.2 Kết nối Master với các Slave 76

5.3.3 Đăng nhập ứng dụng trên điện thoại 77

5.3.4 Cài đặt các thông số cho ứng dụng 82

5.3.5 Giám sát và điều khiển trực tiếp tại các board mạch 83

5.3.6 Cảnh báo rò rỉ khí Gas qua tin nhắn SMS và cuộc gọi 85

5.3.7 Hệ thống hoạt động khi mất điện 87

5.4 NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ 88

5.4.1 Nhận xét 88

5.4.2 Đánh giá 88

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 90

6.1 KẾT LUẬN 90

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

PHỤ LỤC 92

Hình Trang

Hình 2.1: Board STM32F103C8T6 BlueBill 6

Hình 2.2: Board STM32F103C8T6 BlueBill với các GPIO 7

Hình 2.3: Board Arduino Nano 8

Hình 2.4: Arduino Nano GPIO 8

Hình 2.5: ESP – 12 10

Hình 2.6: Module Lora E32 – TTL – 100 11

Hình 2.7: Mạch nguyên lý nối dây với vi điều khiển 12

Hình 2.8: Dạng sóng khi module truyền dữ liệu qua vi điều khiển 12

Hình 2.9: Dạng sóng khi module nhận dữ liệu không dây 12

Hình 2.10: Module PZEM - 004T 13

Hình 2.11: Sơ đồ nối dây để sử dụng module PZEM 004T 14

Hình 2.12: Module SIM800L 15

Hình 2.13: Các chân kết nối của module SIM800L 15

Hình 2.14: Module Hi-Link chuyển đổi nguồn AC-DC 16

Hình 2.15: LCD 16x02 17

Hình 2.16: Module chuyển đổi I2C cho LCD 16x02 18

Hình 2.17: Màn hình LCD TFT 2.4inch 19

Hình 2.18: Module cảm biến khí gas MQ2 20

Hình 2.19: Relay 5V 21

Hình 2.20: Pin lipo 2000 mAh 3.7v 22

Hình 2.21: Mạch sạc pin TP4056 22

Hình 2.22: Gói dữ liệu truyền của UART 23

Hình 2.23: Sóng truyền UART 24

Hình 2.24: Quá trình truyền UART 24

Hình 2.25: Quá trình nhận UART 24

Hình 2.26: Truyền dữ liệu SPI 26

Hình 2.27: Bus I2C và các thiết bị ngoại vi 26

Hình 2.28: Trình tự truyền bit trên đường truyền 27

Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống 28

Hình 3.2: BJT điều khiển Relay 30

Hình 3.3: Mạch Enable nguồn điện dùng Mosfet FDN340P 31

Hình 3.4: Transistor BJT điều khiển Buzzer 5 VDC 31

Hình 3.5: Kết nối PZEM với ARM 32

Hình 3.6: Kết nối PZEM với Arduino 32

Hình 3.8: Kết nối Module SIM800L với vi điều khiển ARM 33

Hình 3.9: Kết nối ESP8266 V12E với vi điều khiển ARM 34

Hình 3.10: Kết nối LORA với ARM 34

Hình 3.11: Kết nối LORA với Arduino 34

Hình 3.12: Khối điều khiển công suất ngõ ra của Board mạch chính 35

Hình 3.13: Khối điều khiển công suất ngõ ra của Board mạch phụ 36

Hình 3.14: Kết nối LCD TFT với ARM 36

Hình 3.15: Kết nối LCD 1602 với Arduino 36

Hình 3.16: Mạch chuyển nguồn 37

Hình 3.17: Khối nguồn và pin dự phòng 38

Hình 3.18: Mạch điều khiển phụ (Slave) 40

Hình 4.1: Bố trí linh kiện mặt trên của Board mạch chính (Master) 42

Hình 4.2: Bố trí linh kiện mặt dưới của Board mạch chính (Master) 42

Hình 4.3: Bố trí linh kiện mặt trên cho Board mạch phụ (Slave) 43

Hình 4.4: Mặt phía dưới Board mạch phụ (Slave) 44

Hình 4.5: Hình ảnh thực tế Board mạch chính sau khi hàn linh kiện 44

Hình 4.6: Hình ảnh thực tế Board mạch phụ sau khi hàn linh kiện 45

Hình 4.7: Hình ảnh hộp bảo vệ các Board mạch 45

Hình 4.8: Hình ảnh thực tế bên trong hộp Board mạch chính (Master) 46

Hình 4.9: Hình ảnh thực tế bên trong hộp Board mạch phụ (Slave) 46

Hình 4.10: Hình ảnh thực tế các hộp nút nhấn điều khiển bằng tay 47

Hình 4.11: Hình ảnh hoàn chỉnh của bộ giám sát và điều khiển 47

Hình 4.12: Lưu đồ chương trình chính của Board mạch chính 48

Hình 4.13: Lưu đồ chương trình con khởi tạo hệ thống 51

Hình 4.14: Lưu đồ chương trình con gửi và nhận dữ liệu với Slave 52

Hình 4.15: Lưu đồ chương trình con đọc cảm biến PZEM 52

Hình 4.16: Lưu đồ chương trình chính Arduino Nano 53

Hình 4.17: Lưu đồ chương trình con kiểm tra nút nhấn 54

Hình 4.18: Lưu đồ chương trình con kiểm tra cảm biến khí gas 55

Hình 4.19: Chương trình con gửi dữ liệu qua Board mạch chính 55

Hình 4.20: Chương trình con nhận dữ liệu từ Board mạch chính 56

Hình 4.21: Lưu đồ chương trình con ESP 8266 57

Hình 4.22: Lưu đồ chương trình con tạo dữ liệu gửi lên Firebase 58

Hình 4.23: Chương trình chính của ứng dụng điện thoại 59

Hình 4.26: Chương trình con tính tiền điện 62

Hình 4.27: Giao diện phần mềm STM32 CubeMx 63

Hình 4.28: Giao diện phần mềm Keil ARM 64

Hình 4.29: Giao diện phần mềm Arduino IDE 65

Hình 4.30: Giao diện phần mềm Android Studio 66

Hình 4.31: Giao diện phần lập trình giao diện 67

Hình 4.32: Giao diện phần lập trình Java 67

Hình 4.33: Màn hình giám sát ở board mạch chính 69

Hình 4.34: Màn hình giám sát và điều khiển ở board mạch chính 69

Hình 4.35: Màn hình đăng nhập trên ứng dụng 70

Hình 4.36: Màn hình giám sát các thiết bị điện 70

Hình 4.37: Màn hình điều khiển các thiết bị điện trên ứng dụng 71

Hình 4.38: Màn hình Menu cài đặt 71

Hình 5.1: Màn hình thông báo cấu hình kết nối wifi 74

Hình 5.2: Màn hình cấu hình kết nốí wifi điện thoại 75

Hình 5.3: Màn hình lúc hệ thống đã khởi động xong 75

Hình 5.4: Kết nối tín hiệu giữa phòng khách và phòng bếp 76

Hình 5.5: Kết nối tín hiệu giữa phòng khách và phòng ngủ 76

Hình 5.6: Màn hình đăng nhập 77

Hình 5.7: Nhập tài khoản hoặc mật khẩu sai 77

Hình 5.8: Màn hình giám sát điện năng của phòng khách 78

Hình 5.9: Màn hình điều khiển thiết bị điện của phòng khách 78

Hình 5.10: Màn hình Menu cài đặt 79

Hình 5.11: Màn hình giám sát và điều khiển thiết bị điện của phòng ngủ 79

Hình 5.12: Chờ cập nhật dữ liệu khiển thiết bị 80

Hình 5.13: Thiết bị 2 đã được bật 80

Hình 5.14: Thiết bị 2 ở phòng khách đã được bật 80

Hình 5.15: Bật 2 thiết bị ở board mạch phụ 81

Hình 5.16: Thiết bị 3 ở phòng bếp 82

Hình 5.17: Bật thiết bị 4 ở phòng ngủ 82

Hình 5.18: Màn hình Menu cài đặt và các chức năng tương ứng 83

Hình 5.19: Màn hình cài đặt liên quan đến tiền điện 83

Hình 5.20: Điều khiển trực tiếp ở phòng khách 83

Hình 5.23: Thiết bị hoạt động khi chưa có khí gas 86

Hình 5.24: Cảnh báo có khí Gas trong không khí 86

Hình 5.25: Cuộc gọi báo động từ board mạch chính 87

Hình 5.26: Tin nhắn cảnh báo từ board mạch chính 87

Hình 5.27: Hai board mạch đang hoạt động với nguồn từ pin dự phòng 87

Bảng 2.1: Thông số kĩ thuật Arduino Nano 8

Bảng 2.2: Các Mode hoạt động của Module LORA E32-TTL-100 13

Bảng 2.3: Các chân của LCD 16x02 17

Bảng 2.4: Địa chỉ của từng kí tự LCD 16x02 18

Bảng 3.1: Tính toán dòng điện các linh kiện sử dụng trong mạch Slave 37

Bảng 3.2: Tính toán dòng điện các linh kiện sử dụng trong mạch Master 38

Bảng 5.1: Số liệu thực nghiệm 88

Nhu cầu quản lý, giám sát cũng như kiểm soát việc đo điện năng, các thông số: điện áp, dòng điện, các chỉ tiêu chất lượng điện năng từ xa là rất cần thiết cho các nhà quản lý, các công ty điện lực và cá nhân Mặc dù đã đạt đến một mức độ thành công nhất định, tuy nhiên các hệ thống quản lý và giám sát điện năng hiện nay chi phí rất cao và hạn chế về việc truy cập từ xa Ngoài ra, xu hướng hiện nay là sử dụng các thiết bị thông minh: điện thoại smart phone, máy tính bảng… để truy cập và giám sát

từ xa Trong xu thế mới này, hệ thống hỗ trợ việc quản lý, giám sát việc đo điện năng

và các thông số hệ thống điện từ xa bằng Internet là cần thiết để tìm ra hướng tiện nghi và kinh tế phục vụ các nhà quản lý, các công ty điện lực

Không những hỗ trợ được vấn đề giám sát từ xa, việc điều khiển các thiết bị từ

xa cũng đang là một xu thế rất phát triển hiện nay giúp con người tiết kiệm thời gian

và sử dụng thiết bị một cách tối ưu hơn Với mong muốn kết hợp giám sát và điều

khiển thiết bị từ xa, chúng em đã bắt tay vào thực hiện đề tài “Thiết kế và thi công hệ

thống giám sát điện năng tiêu thụ kết hợp với điều khiển thiết bị điện từ xa thông qua Internet và Lora” Điểm nổi bật của đề tài này là chỉ cần một thiết bị chủ kết nối

Internet để tương tác trực tiếp với người dùng, còn các thiệt bị tớ sẽ được thiết bị chủ điều khiển thông qua Lora nên chúng không cần Internet Với tính năng này thì người

sử dụng có thể điều khiển và giám sát những khu vực không có Internet

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Công nghệ Internet of Things (IOT) nói chung và công nghệ cảm biến không dây (Wireless Sensor) nói riêng được tích hợp từ các kỹ thuật điện tử, tin học và viễn thông tiên tiến vào trong mục đích nghiên cứu, giải trí, sản xuất, kinh doanh, v.v , phạm vi này ngày càng được mở rộng, để tạo ra các ứng dụng đáp ứng cho các nhu cầu trên các lĩnh vực khác nhau Hiện nay, mặc dù khái niệm IOT và công nghệ cảm biến không dây đã trở nên khá quen thuộc và được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực của đời sống con người, đặc biệt ở các nước phát triển có nền khoa học công nghệ tiên tiến Tuy nhiên, những công nghệ này chưa được áp dụng một cách rộng rãi ở nước ta, do những điều kiện về kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng Song nó vẫn hứa hẹn là một đích đến tiêu biểu cho các nhà nghiên cứu, cho những mục đích phát triển đầy tiềm năng

Trên cơ sở tìm hiểu về IoT nhằm giám sát điện năng và các thông số khác của

hệ thống điện từ xa qua internet, đó cũng là một nhu cầu có thật và đang tăng cao trong thời gian gần đây Đặc biệt là sau những đợt giá điện tăng, nhiều nhà máy đã tiết kiệm điện năng hiệu quả sau khi có kết quả theo dõi Với thiết bi ̣quan sát điện năng từ xa, chúng ta có thể nhìn thấy các thông số của hệ thống điện như điện áp, dòng điện, tần số, công suất, hệ số công suất, của nhà máy hoặc các bộ phận bất cứ lúc nào mà ta không cần phải có mặt tại nhà máy Chúng ta chỉ cần thiết bị di động smartphone là có thể quan sát được các thông số của hệ thống điện nhà máy của mình

Hệ thống quản lý điện năng giúp nhà quản lý đánh giá sự tiêu thụ điện năng để thực hiện tiết kiệm chi phí và năng lượng

Từ những lí do trên, nhóm chúng em quyết định thực hiện đề tài “Thiết kế và thi

công hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ kết hợp với điều khiển thiết bị điện từ xa thông qua Internet và Lora” Người dùng có thể giám sát cũng như điều khiển thiết

bị điện từ xa ở mọi nơi mọi lúc miễn là điện thoại phải có hệ điều hành Android và được kết nối Internet

1.2 MỤC TIÊU

Thiết kế và thi công được hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ kết hợp với điều khiển thiết bị điện từ xa thông qua Internet và Lora Hệ thống này có khả năng giám sát các thông số về điện năng như: điện áp, dòng điện, công suất, lượng điện năng tiêu thụ trong hộ gia đình và có thể điều khiển từ xa qua Internet bằng ứng dụng trên điện thoại Android các thiết bị điện như đèn, quạt, tivi,… cảnh báo rò rỉ khí gas, gọi điện thông báo khẩn cấp cho người sử dụng ngay cả khi mất điện nhờ vào mạch chuyển sang dùng nguồn từ pin dự phòng Ngoài ra, hệ thống này hoạt động theo mô hình Master-Slave dựa trên công nghệ RF Lora nên không bị hạn chế lắp đặt trong một diện tích nhỏ

Thiết kế được ứng dụng điều khiển thiết bị điện trên hệ điều hành Android

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Tìm hiểu và tham khảo các tài liệu, giáo trình, nghiên cứu các chủ đề, các nội dung liên quan đến đề tài

- Tìm hiểu về công nghệ Lora, IoT

- Lựa chọn các thiết bị trong việc thiết kế mô hình giám sát và điều khiển + Vi điều khiển: ARM STM32F103, Arduino Nano

+ Các Module: Wifi ESP8266 v12, SIM800L, PZEM004T (đo các thông số điện năng), I2C sang LCD 16x2, module chuyển đổi điện năng AC-DC + Màn hình hiển thị: TFT, LCD 16x2

+ Cảm biến: khí gas MQ-2

+ Các thành phần khác: relay tiếp điểm cơ khí, Pin sạc dự phòng và mạch sạc

- Tìm hiểu các chuẩn truyền thông UART, I2C, SPI

- Cấu hình thông số cho module truyền nhận Lora

- Thiết kế và thi công hệ thống giám sát, điều khiển

- Viết chương trình cho ARM STM32F103, Arduino Nano và MCU ESP8266 giao tiếp với nhau

- Thiết kế ứng dụng giám sát và điều khiển cho điện thoại hệ điều hành Android

- Chạy thử nghiệm hệ thống và chỉnh sửa lỗi xuất hiện

- Đánh giá kết quả thực hiện

- Viết báo cáo luận văn và báo cáo đề tài tốt nghiệp

- Mỗi board mạch được đặt trong hộp nhựa có kích thước 16x9x6cm

- Khoảng cách giữa board mạch chính và board mạch phụ tối đa là 500 m

- Điều khiển các thiệt bị quạt, đèn, … công suất tiêu thụ dưới 1000W Không dùng cho tải động cơ

- Hiển thị các thông số điện năng trên màn hình LCD TFT 2.4inch, LCD 16x2

- Khi mất điện, board mạch chính và board mạch phụ thứ nhất sẽ tự chuyển sang dùng pin dự phòng, dung lượng 2000mAh có thể duy trì mạch hoạt động trong khoảng 4h cho đến khi có điện trở lại

- Hệ thống cảnh báo rò rỉ khí gas qua tin nhắn SMS và cuộc gọi bằng module SIM800L chỉ có ở board mạch phụ thứ nhất

- Sử dụng vi điều khiển ARM STM32F103C8T6, Arduino Nano và ESP8266 trong việc lập trình điều khiển

- Đo khí gas sử dụng cảm biến MQ-2

- Đo các thông số về điện năng sử dụng module chuyên dụng PZEM004T

- Gửi dữ liệu về điện năng và trạng thái các thiết bị lên Firebase của Google

- Hệ thống có thể điều khiển thủ công trực tiếp tại các board mạch bằng các nút nhấn hoặc bằng ứng dụng được viết riêng cho điện thoại thông minh Android

- Hệ thống không thể đáp ứng ngay lập tức thao tác lệnh của người dùng do phụ thuộc nhiều vào tốc độ mạng cũng như tốc độ xử lý của vi điều khiển và thời gian truyền tín hiệu giữa các thiết bị trong hệ thống

- Để có thể hiểu rõ về công nghệ Lora, Wifi, mạng GSM cũng như các vi điều khiển không phải là chuyện dễ, cần nhiều thời gian và hiểu biết Cho nên trong quá trình thực hiện đề tài nhóm chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu, biết cách sử dụng các module này phục vụ cho các chức năng trong đề tài của nhóm

1.5 BỐ CỤC

Chương 1 Tổng Quan

Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung ̣ nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Chương này trình bày các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài sẽ dùng để thực hiện thiết kế, thi công cho đề tài

Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán

Chương này giới thiệu tổng quan về các yêu cầu của đề tài về thiết kế và các tính toán liên quan đến đề tài

Chương 4: Thi công hê ̣thống

Chương này có thể gồm kết quả thi công phần cứng và những kết quả hiển thị trên màn hình hay giao diện điện thoại

Chương 5: Kết quả_Nhận xét_Đánh giá

Chương này đưa ra nhận xét và đánh giá sản phẩm mô hình đã hoàn thành

Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển

Chương này trình bày ngắn gọn những kết quả đã thu được dựa vào những phương pháp, thuật toán đã kiến nghị ban đầu

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 TẦM QUAN TRỌNG CỦA VIỆC QUẢN LÝ ĐIỆN NĂNG

Quản lý và giám sát năng lượng là chìa khóa để tiết kiệm năng lượng trong các

tổ chức thương mại, công nghiệp và chính phủ trong những năm gần đây đang phải chịu những áp lưc ̣to lớn về kinh tế và môi trường Giám sát và quản lý năng lượng giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch đang ngày càng trở nên cạn kiệt Khi tiêu thụ nhiều điện năng, doanh nghiệp cũng như các hô ̣ gia đình sẽ phải đối mặt với tình trạng thiếu nguồn cung cấp nghiêm trọng kèm theo nguy cơ tăng giá điện dẫn đến ảnh hưởng tới lợi nhuận của tổ chức, bằng việc quản lý điện năng doanh nghiệp và các hô ̣ gia đình có thể giảm nguy cơ này bằng cách kiểm soát nhu cầu điện năng, tiết kiêm điện trên dây chuyền sản xuất từng bước tăng hiệu quả việc đầu tư vào giá thành cho sản phẩm

Lợi ích của việc giám sát điện năng:

- Đối với hộ gia đình: giám sát được chi tiết điện năng từng khu vực mong muốn liên tục 24/24 Từ đó đưa ra giải pháp sử dụng hợp lí, tiết kiệm điện

- Đối với công ty, nhà máy: Giảm chi phí nhân công nhập liệu hàng tháng, tránh sai sót khi thu thập dữ liệu bằng tay

2.2 CÔNG NGHỆ IOT

Là mạng lưới vạn vật kết nối Internet viết tắt là IoT là nền tảng công nghê ̣mới của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó Hay hiểu một cách đơn giản IoT là tất cả các thiết bị có thể kết nối với nhau

Việc kết nối thì có thể thực hiện qua Wi-Fi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại… Các thiết bị có thể là điện thoại thông minh, máy pha cafe, máy giặt, tai nghe, bóng đèn, và nhiều thiết bị khác Cisco, nhà cung

cấp giải pháp và thiết bị mạng hàng đầu hiện nay dự báo: đến năm 2020, sẽ có khoảng

50 tỷ đồ vật kết nối vào Internet, thậm chí con số này còn gia tăng nhiều hơn nữa IoT sẽ là mạng khổng lồ kết nối tất cả mọi thứ, bao gồm cả con người và sẽ tồn tại các mối quan hệ giữa người và người, người và thiết bị, thiết bị và thiết bị Một mạng lưới IoT có thể chứa đến 50 đến 100 nghìn tỉ đối tượng được kết nối và mạng lưới này có thể theo dõi sự di chuyển của từng đối tượng

2.3 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG

2.3.1 Vi điều khiển

STM32F103-Chip ARM Cortex-M3

Trong vài năm gần đây, một trong những xu hướng chủ yếu trong các thiết kế với vi điều khiển là sử dụng các chip ARM7 và ARM9 như một vi điều khiển đa dụng Ngày nay các nhà sản xuất IC đưa ra thị trường hơn 240 dòng vi điều khiển sử dụng lõi ARM Tập đoàn ST Microelectronic vừa ra cho ra mắt dòng STM32, vi điều khiển đầu tiên dựa trên nền lõi ARM Cortex-M3 thế hệ mới do hang ARM thiết kế,

lõi ARM Cortex-M3 là sự cải tiến của lõi ARM7 truyền thống [11]

Dòng ARM Cortex là một bộ xử lí thế hệ mới đưa ra một kiến trúc chuẩn cho nhu cầu đa dạng về công nghệ Không giống như các chip ARM khác, dòng Cortex

là một lõi xử lí hoàn thiện, đưa ra một chuẩn CPU và kiến trúc hệ thống chung

Board STM32F103C8T6 Bluebill

Hình 2.1: Board STM32F103C8T6 BlueBill

- 1 cổng Mini USB dùng để cấp nguồn và giao tiếp USB

- Chân cấp nguồn ngoài riêng cho MCU nếu không sử dụng nguồn từ USB

- Thạch anh chính 8Mhz

- Thạch anh 32.768khz cho các ứng dụng Real Time

- Chân nạp dùng cho chế độ nạp boot loader

- Kit ra chân cho vi điều khiển đầy đủ

- Nút Reset ngoài, 1 led hiển thị trên chân PC13 và 1 led báo nguồn

- Kit có IC ổn áp 3.3V cấp cho vi điều khiển

Hình 2.2: Board STM32F103C8T6 BlueBill với các GPIO

- Nhiều thanh ghi, câu lệnh khá dài, gây khó nhớ cho người dùng, dễ nhầm lẫn

- Thị trường ARM ở Việt Nam chưa rộng, gây khó trong việc tìm kiếm tài liệu

và khó khăn trong việc đặt mua chip, do vậy việc nghiên cứu chưa được sâu

Board Arduino Nano

Hình 2.3: Board Arduino Nano Hình 2.4 Arduino Nano GPIO

Arduino có nhiều loại được sử dụng nhiều: Uno, Nano, Mega, Trong đó, Arduino Uno được sử dụng phổ biến nhất vì giá thành rẻ so với Arduino Mega Còn Arduino Nano thì chức năng tương tự như Uno nhưng có ưu điểm là kích thước nhỏ, giá thành rẻ nhất nên phù hợp sử dụng trong những thiết bị nhỏ, gọn

Bảng 2.1: Thông số kĩ thuật Arduino Nano

Dòng điện trên mỗi I/O Pin 40 mA

Dòng điện trên mỗi 5V Pin 500 mA

Dòng điện trên mỗi 3,3V Pin 50 mA

Arduino Nano có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng miniUSB hoặc cấp nguồn ngoài vào chân Vin với điện áp khuyên dùng là 7 – 12 VDC và giới hạn là 6 - 20V Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên sẽ làm hỏng Arduino Nano

- GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino Nano Khi dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau

- 5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500 mA

- 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50 mA

- Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino Nano, nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

- AREF: có thể đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog

- RESET: Để reset vi điều khiển, chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10 KΩ

- I /O: Arduino Nano có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào /ra tối đa trên mỗi chân là 40 mA Trong đó có 6 chân hỗ trợ xuất xung PWM (3, 5, 6, 9, 10, 11) Và 8 chân Analog (A0 đến A7) với độ phân giải 10 bit

- Hỗ trợ giao tiếp: giao tiếp Serial (D0_Rx, D1_Tx), giao tiếp SPI (D10_SS, D11_MOSI, D12_MISO, D13_SCK), giao tiếp I2C (SDA, SCL)

2.3.2 Module WiFi ESP 8266

Chip ESP 8266

Chip ESP8266 được phát triển bởi Espressif để cung cấp giải pháp giao tiếp WiFi cho các thiết bị IoT Điểm đặc biệt của dòng ESP8266 là nó được tích hợp các mạch RF như balun, antenna switches, TX power amplifier và RX filter ngay bên trong chip với kích thước rất nhỏ chỉ 5x5mm nên các board sử dụng ESP8266 không cần kích thước board lớn cũng như không cần nhiều linh kiện xung quanh Ngoài ra, giá thành của ESP8266 cũng rất thấp đủ để hấp dẫn các nhà phát triển sản phẩm IoT Hiện tại có khá nhiều module khác nhau cho ESP8266 được sản xuất bởi công

ty AI-Thinker Đặc điểm khác nhau giữa các module này bao gồm:

- Loại anten sử dụng (PCB anten, chip anten hoặc gắn anten ngoài)

- Dung lượng của chip Flash SPI trên board

- Kích thước board của module

- Có gắn khung nhôm chống nhiễu hay không

- Số lượng pin GPIO đưa ra chân kết nối

Hiện tại AI-Thinker sản xuất 14 loại module cho ESP từ module ESP-01 đến ESP-14 Ở thị trường Việt Nam thì các module là ESP-01, ESP-07 và ESP-12, ESP

NodeMCU khá phổ biến [12].6

ESP – 12E

Hình 2.5: ESP – 12

- Sử dụng PCB anten on-board

- Đưa ra 11 chân GPIO, 2 chân TX/RX cho UART, các chân cho SPI, chân RST

để reset chip, 1 chân ADC

- Dung lượng SPI Flash là 4Mbyte

- Có thể hàn jumper để căm dây vào các board khác hoặc hàn trực tiếp lên board ứng dụng

Thông số kỹ thuật:

- IC chính: ESP8266-12E Wifi SoC

- Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc Vin

- GIPO giao tiếp mức 3.3 VDC

- Tích hợp Led báo trạng thái, Flash

- Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino

2.3.3 Module Lora E32 – TTL – 100

Hình 2.6: Module Lora E32 – TTL – 100

Chức năng:

Module thu phát RF UART Lora SX1278 433Mhz 3000m (E32-TTL-100) sử dụng chip SX1278 của nhà sản xuất SEMTECH chuẩn giao tiếp LORA (Long Range), chuẩn LORA mang đến hai yếu tố quan trọng là tiết kiệm năng lượng và khoảng cách phát siêu xa (Ultimate long range wireless solution), ngoài ra nó còn có khả năng cấu hình để tạo thành mạng nên hiện tại được phát triển và sử dụng rất nhiều trong các nghiên cứu về IoT

Module được tích hợp phần chuyển đổi giao tiếp SPI của SX1278 sang UART giúp việc giao tiếp và sử dụng rất dễ dàng, chỉ cần kết nối với Software của hãng để cấu hình địa chỉ, tốc độ và công suất truyền là có thể sử dụng

Thông số kỹ thuật:

- Model: E32-TTL-100 RF

- Nhà sản xuất EBYTE

- IC chính: SX1278 từ SEMTECH

- Điện áp hoạt đông: 2.3 - 5.5 VDC

- Điện áp giao tiếp: TTL-3.3V

- Giao tiếp UART Data bits 8, Stop bits 1, Parity none, tốc độ từ 1200 - 115200 baud

- Tần số: 410 - 441Mhz

- Công suất: 20dbm (100mW)

- Khoảng cách truyền tối đa trong điều kiện lý tưởng: 3000m

- Tốc độ truyền: 0.3 - 19.2 Kbps (mặc định 2.4 Kbps)

- 512 bytes bộ đệm

- Hỗ trợ 65536 địa chỉ cấu hình

- Kích thước: 21x36mm

Giao tiếp với vi điều khiển:

Hình 2.7: Mạch nguyên lý nối dây với vi điều khiển

Hình 2.8: Dạng sóng khi module truyền dữ liệu qua vi điều khiển

Hình 2.9: Dạng sóng khi module nhận dữ liệu không dây

Khi 2 chân M0 và M1 được cấu hình ở các mức logic khác nhau sẽ quyết định các Mode hoạt động khác nhau cho module

Bảng 2.2: Các Mode hoạt động của Module LORA E32-TTL-100

Module truyền phải hoạt động ở Mode 1

và không được hoạt động ở Mode 2 Mode 3

- Đo lường được các thông số điện như: điện áp, dòng điện, công suất hoạt động

và điện năng tiêu thụ

- Cài đặt ngưỡng báo động bằng phần mềm

- Báo động quá tải (khi công suất tiêu thụ của thiết bị điện vượt quá giới hạn mà người sử dụng cài đặt thì module sẽ phát tín hiệu báo động quá tải)

- Lưu trữ dữ liệu về điện năng tiêu thụ khi tắt nguồn (lưu trữ năng lượng tích lũy trước khi tắt nguồn) và có thể reset điện năng tiêu thụ tích lũy bằng phím cứng trên module

- Giao tiếp nối tiếp với vi điều khiển hoặc máy tính qua UART (9600/8N1)

- Module sử dụng phương pháp đo dòng điện gián tiếp thông qua cuộn dây CT

- Ngoài ra, module còn có Opto quang cách ly giữa mạch đo điện năng và mạch nhận tín hiệu UART đảm bảo an toàn cho mạch điều khiển và người sử dụng

Thông số kỹ thuật:

- Nhà sản xuất Peacefair Sử dụng IC đo điện năng chuyên dụng của hãng SDIC

- Điện áp đo và hoạt động: 80 ~ 260VAC / 50 - 60Hz, sai số 0.01

- Dòng điện đo và hoạt động: 0 ~ 100A, sai số 0.01

- Công suất đo và hoạt động: 0 ~ 26000W

- Năng lượng đo và hoạt động: 0~9999kWh

- Giao tiếp UART mức logic TTL 5VDC baudrate mặc định 9600, 8, 1

- Nhấn giữ nút Reset 5 giây để xóa các thông số về 0

- Kích thước: 30 x 75 mm

Sơ đồ nối dây:

Hình 2.11: Sơ đồ nối dây để sử dụng module PZEM 004T

Giao tiếp:

Module sử dụng giao tiếp nối tiếp TTL qua UART với tốc độ Baudrate mặc định 9600bits/s, khung truyền gồm 8bits, 1bit stop và không có bit kiểm tra parity

2.3.5 Module Sim 800L

Hình 2.12: Module SIM800L

Một modem SIM là một modem wireless, nó làm việc cùng với một mạng wireless GSM Giống như một điện thoại di động GSM, một modem GSM yêu cầu 1 thẻ sim với một mạng wireless để hoạt động

Module SIM800L là một trong những loại modem GSM Thừa kế các chức năng

từ các thế hệ module sim trước, Module GSM SIM800L có khả năng nhắn tin SMS, nghe, gọi, GPRS, … như một điện thoại nhưng có kích thước nhỏ nhất trong các loại module SIM (25 mm x 22 mm) Điều khiển module sử dụng bộ tập lệnh AT dễ dàng, chân kết nối dùng rào đực thông dụng (male header) chuẩn 100mil

Hình 2.13: Các chân kết nối của module SIM800L

- Chân NET và IPX ANT: 2 chân kết nối với Antena ngoài

- Chân Vcc: chân cung cấp nguồn dương +3.4 ÷ +4.2VDC để module hoạt động

- Chân RST: Chân dùng để RESET module SIM

- Chân RXD: chân truyền UART (RX) dùng để nhận và xử lý dữ liệu

- Chân TXD: chân nhận UART (TX) dùng để truyền dữ liệu

- Chân GND: chân nối mass

- Chân RING: chân báo hiệu có cuộc gọi đến

- Chân DTR: chân đầu cuối dữ liệu (thường không được sử dụng)

- Chân MIC+ và MIC-: 2 chân kết nối với microphone ngoài để đàm thoại

- Chân SPK+ và SPK-: 2 chân xuất dữ liệu âm thanh ra loa ngoài

- Ngoài ra module còn có một đèn LED báo trạng thái hoạt động của của module

và một khe cắm thẻ SIM dạng microSIM ở mặt sau

2.3.6 Module chuyển đổi nguồn điện AC – DC

Hình 2.14: Module Hi-Link chuyển đổi nguồn AC-DC

Trong đề tài cần sử dụng nguồn 220VAC cho các thiết bi ̣cần giám sát được hoạt động, ̣đồng thời cần nguồn có điên ̣áp 5VDC cho các module LCD, NodeMCU ESP8266, PZEM004T Nên để tiện lợi ta dùng một dây nguồn duy nhất cho nguồn

AC và chuyển từ nguồn 220VAC sang 5VDC thông qua module nguồn HLK-5M05

có ngõ ra 5VDC cấp cho các module và mạch điều khiển

2.3.7 Module hiển thị

LCD 16x02 - I2C

Hình 2.15: LCD 16x02

LCD có rất nhiều dạng phân biệt theo kích thước từ vài kí tự đến hàng chục kí

tự, từ 1 hàng đến vài chục hàng LCD 16×02 có nghĩa là có 2 hàng, mỗi hàng có 16

kí tự LCD 20×4 có nghĩa là có 4 hàng, mỗi hàng có 20 kí tự

LCD có nhiều loại và số chân của chúng cũng khác nhau nhưng có 2 loại phổ biến là loại 14 chân và loại 16 chân, sự khác nhau là các chân nguồn cung cấp, còn các chân điều khiển thì không thay đổi, khi sử dụng loại LCD nào thì phải tra datasheet của chúng để biết rõ các chân [9]

Bảng 2.3: Các chân của LCD 16x02

Trong 16 chân của LCD được chia ra làm 3 dạng tín hiệu như sau:

- Các chân cấp nguồn: Chân số 1 là chân nối mass (0V), chân thứ 2 là VDD nối với nguồn +5V Chân thứ 3 dùng để chỉnh độ tương phản thường nối với biến trở

- Các chân điều khiển: Chân số 4 là chân RS dùng để điều khiển lựa chọn thanh ghi Chân R/W dùng để điều khiển quá trình đọc và ghi Chân E là chân cho phép dạng xung chốt

- Các chân dữ liệu D7÷D0: Chân số 7 đến chân số 14 là 8 chân dùng để trao đổi

dữ liệu giữa thiết bị điều khiển và LCD

- Để điều khiển LCD thì có các IC chuyên dùng được tích hợp bên dưới LCD

có mã số 447801 đến các IC 447809 Trong IC này có bộ nhớ RAM dùng để lưu trữ dữ liệu cần hiển thị và thực hiện việc điều khiển LCD hiển thị

Địa chỉ của từng kí tự trên LCD:

LCD16x2 có 2 hàng mỗi hàng 16 kí tự

- Hàng 1: kí tự tận cùng bên trái có địa chỉ là 0x80, cuối cùng là 0x8F

- Hàng 2: kí tự tận cùng bên trái có địa chỉ là 0xC0, cuối cùng là 0xCF

Bảng 2.4: Địa chỉ của từng kí tự LCD 16x02

Địa

chỉ 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 8A 8B 8C 8D 8E 8F Địa

chỉ C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 CA CB CC CD CE CF

Module chuyển đổi I2C

Hình 2.16: Module chuyển đổi I2C cho LCD 16x02

Để giao tiếp LCD thì vi điều khiển cần tối thiểu 6 chân là RS, EN, D7 – D4 Điều này sẽ gây khó khăn cho ứng dụng vì nó tốn chân của vi điều khiển Trong khi

đó, nếu sử dụng module chuyển đổi I2C thì sẽ tiết kiệm được rất nhiết chân cho vi điều khiển Module cần 2 chân cấp nguồn và 2 chân giao tiếp truyền nhận dữ liệu SCD và SDA Ngoài ra có thể điều chỉnh được độ tương phản bởi biến trở gắn trên module thay vì gắn thêm biến trở ngoài nếu điều khiển trực tiếp

Từ những phân tích trên, việc sử dụng module I2C cho LCD là điều cần thiết vì

nó tiết kiệm chân điều khiển trên vi điều khiển, mở rộng khả năng điều khiển hoặc giao tiếp với các thiết bị khác

Thông số kĩ thuật:

- Điện áp hoạt động: 2.5 – 6 VDC

- Hỗ trợ màn hình: LCD1602, 1604, 2004 (Driver HD44780)

- Giao tiếp: I2C

- Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể thay đổi địa chỉ bằng ba chân A0/A1/A2)

- Trên màn hình được cấu tạo nên từ các điểm mầu R, G và B

- Cứ ba điểm mầu RGB đứng cạnh nhau tạo nên một điểm ảnh (1 pixel)

Thông số kỹ thuật:

- Kích thước màn hình: 2.4 Inches

- IC điều khiển: ILI9341

- Không có chức năng cảm ứng

- Độ phân giải màn hình: 240x320

- Chuẩn giao tiếp: SPI

Các chân giao tiếp:

- GND: chân nối đất

- VCC: chân nối nguồn 3.3V

- CLK: chân báo xung clock

- MOSI: chân dữ liệu đầu vào

- MISO: chân dữ liệu đầu ra

- RES: chân reset

- DC: chân lựa chọn dữ liệu/điều khiển

- BLK: chân đèn nền

Mô tả chân giao tiếp:

Nếu cần tắt đèn nền thì đưa chân BLK xuống mức thấp hoặc nối đất trực tiếp MISO là chân tín hiệu ngõ ra, nếu không cần đọc thông tin màn hình, chân này không cần giao tiếp

Vi điều khiển giao tiếp với IC Driver LCD qua chuẩn SPI bởi các chân (MOSI, MISO, CLK) và 2 chân RES, DC

2.3.8 Cảm biến khí Gas MQ-2

Hình 2.18: Module cảm biến khí gas MQ2

MQ-2 sử dụng phần tử SnO2 có độ dẫn điện thấp hơn trong không khí sạch, khi khí dễ cháy tồn tại, cảm biến có độ dẫn điện cao hơn, nồng độ chất dễ cháy càng cao thì độ dẫn điện của SnO2 sẽ càng cao và được tương ứng chuyển đổi thành mức tín hiệu điện MQ-2 là cảm biến khí có độ nhạy cao với LPG, Propane và Hydrogen, mê-tan (CH4) và hơi dễ bắt lửa khác, với chi phí thấp và phù hợp cho các ứng dụng khác

nhau Cảm biến xuất ra cả hai dạng tín hiệu là Analog và Digital, tín hiệu Digital có thể điều chỉnh mức báo bằng biến trở [12]

Ngoài ra, cảm biến MQ2 còn được sử dụng phổ biến trên thị trường và giá thành

rẻ nên nhóm chọn cảm biến MQ2 để sử dụng cho đề tài

Thông số kĩ thuật

- Nguồn hoạt động: 5 VDC

- Dòng điện: 150mA

- Tín hiệu: Analog và Digital

2.3.9 Relay tiếp điểm cơ khí

Hình 2.19: Relay 5V

Dùng điện áp 220VAC để cung cấp cho thiết bị công suất Để cách ly tín hiệu điều khiển với phần thiết bị công suất có nhiều phương án thực hiện như relay tiếp điểm cơ khí, Solid State Relay, MOC + Triac… [12]

Relay là một công tắc (khóa K) nhưng khác với công tắc thường là Relay được kích hoạt bằng điện Trong mạch ta sử dụng relay với mục đích đóng ngắt các thiết

bị điện theo yêu cầu

Thông số kĩ thuật:

- Điện áp điều khiển: 5V

- Dòng tiêu thụ: 80mA

- Dòng điện cực đại: 10A

- Điện áp AC cực đại: 250 VAC

- Thời gian tác động: 10ms

- Thời gian nhã hãm: 5ms

- Nhiệt độ hoạt động: - 45 oC ~ 75oC

2.3.10 Pin và mạch sạc

Pin lipo 2000 mAh 3.7v

Hình 2.20: Pin lipo 2000 mAh 3.7v Hình 2.21: Mạch sạc pin TP4056

Pin lipo 2000 mAh 3.7v có kích thước không quá lớn kết hợp với dung lượng cao và dòng xả tải ổn định nên được sử dụng nhiều trong các dự án cần tính di động

và trong các mô hình IOT

Thông số kỹ thuật:

- Điện áp: 3.7V, tự ngắt nếu điện áp pin dưới 2.75V

- Dung lượng: 2000mAh

- Pin có thể sạc 500 lần

- Kích thước: 34x50x10mm

Mạch sạc pin TP4056

- Sạc Pin 3.7V: Pin Ultrafire, Pin Lion 3.7V

- Chức năng bảo vệ xả cạn pin

- Được tích hợp đèn LED báo đang sạc và đã sạc đầy

- Có thể điều chỉnh dòng sạc pin

Quá dòng, quá áp là nguyên nhân phổ biến khiến thiết bị hư hỏng và không thể khắc phục Mạch sạc pin TP4056 sẽ giúp người sử dụng hạn chế hiện tượng quá dòng, quá áp, bảo vệ, tăng cao tuổi thọ của pin

Sử dụng mạch để sạc cho pin Ultra hoặc pin Litium kết nối vào 2 cực Bat của module sạc Pin TP4056 1A Micro V2 - IC bảo vệ quá dòng - quá áp Module sử dụng cáp nguồn USB micro hoặc có thể sử dụng nguồn ngoài thông qua kết nối cấp vào 2 chân IN+ và IN-

Thông số kỹ thuật:

- Điện áp vào: DC5V

- Có cổng sạc MicroUSB

- Điện áp sạc: 4.2V

- Bảo vệ xả đến điện áp: 2.5V (Tránh làm cạn Pin)

- Bảo Vệ Xả Quá Dòng: 3A

- Kích thước: 26x17MM

2.4 CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU

2.4.1 Chuẩn truyền thông UART

UART là viết tắt của Universal Asynchronous Receiver – Transmitter là kiểu truyền thông tin nối tiếp không đồng bộ thường là một mạch tích hợp Mục đích của UART là để truyền tín hiệu qua lại lẫn nhau (ví dụ truyền tín hiệu từ Laptop vào Modem hay ngược lại) hay truyền từ vi điều khiển tới vi điều khiển, từ laptop tới vi điều khiển [10]

Các thông số trong chuẩn truyền UART:

Hình 2.22: Gói dữ liệu truyền của UART

- Packet: Một gói dữ liệu được truyền đi, bao gồm bit Start, khung truyền dữ

liệu, bit parity, bit Stop

- Bit Start : thường được giữ ở mức điện áp cao khi nó không truyền dữ liệu Để

bắt đầu truyền dữ liệu, UART truyền sẽ kéo bit này từ cao xuống thấp trong một chu kỳ xung nhịp Khi UART nhận phát hiện sự chuyển đổi điện áp cao sang thấp,

nó bắt đầu đọc các bit trong khung dữ liệu ở tần số của tốc độ truyền

- Khung dữ liệu: chứa dữ liệu được truyền, nó có thể dài từ 5 đến 8 bit nếu sử

dụng một bit parity Nếu không có bit parity nào được sử dụng, khung dữ liệu có thể dài 9 bit Bit parity có tác dụng kiểm tra xem dữ liệu có bị thay đổi trong quá trình truyền không bằng cách là kiểm tra tổng số bit 1 là chẵn hay lẻ rồi so sánh với dữ liệu Nếu tổng số bit 1 là chẵn mà bit parity bằng 0 thì quá trình truyền không có lỗi và nếu bằng 1 thì đường truyền bị lỗi khiến dữ liệu bị thay đổi

- Bit Stop: để báo hiệu sự kết thúc của gói dữ liệu, UART gửi sẽ điều khiển

đường truyền dữ liệu từ điện áp thấp đến điện áp cao trong ít nhất hai bit

Nguyên lý hoạt động:

UART truyền sẽ nhận dữ liệu từ một bus dữ liệu Dữ liệu được truyền từ bus dữ liệu sang UART truyền ở dạng song song rồi thêm bit start, bit parity và bit stop để tạo gói dữ liệu Sau đó, gói dữ liệu được xuất ra dạng nối tiếp tuần tự ở chân Tx rồi truyền qua chân Rx của UART nhận UART nhận đọc các gói dữ liệu nhận được rồi loại bỏ bit start, bit parity và bit stop Sau đó chuyển đổi dữ liệu trở lại dạng song song Cuối cùng, UART nhận chuyển gói dữ liệu song song qua bus dữ liệu [10]

Hình 2.23: Sóng truyền UART

Hình 2.24: Quá trình truyền UART

Hình 2.25: Quá trình nhận UART

2.4.2 Chuẩn truyền thông SPI

SPI (Serial Peripheral Bus): là một chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao do

hãng Motorola đề xuất Đây là kiểu truyền thông Master-Slave, trong đó có 1 chip Master điều phối quá trình tuyền thông và các chip Slaves được điều khiển bởi Master

vì thế truyền thông chỉ xảy ra giữa Master và Slave SPI là một cách truyền song công (full duplex) nghĩa là tại cùng một thời điểm quá trình truyền và nhận có thể xảy ra đồng thời SPI đôi khi được gọi là chuẩn truyền thông “4 dây” vì có 4 đường giao tiếp trong chuẩn này đó là SC (Serial Clock), MISO (Master Input Slave Output), MOSI (Master Ouput Slave Input) và SS (Slave Select) [9]

- SCK: Xung giữ nhịp cho giao tiếp SPI, vì SPI là chuẩn truyền đồng bộ nên cần

1 đường giữ nhịp, mỗi nhịp trên chân SC báo 1bit dữ liệu đến hoặc đi Sự tồn tại của chân SC giúp quá trình tuyền ít bị lỗi và vì thế tốc độ truyền của SPI có thể đạt rất cao Xung nhịp chỉ được tạo ra bởi chip Master

- MISO (Master Input /Slave Output): Nếu là chip Master thì đây là đường Input

còn nếu là chip Slave thì MISO lại là Output MISO của Master và các Slaves được nối trực tiếp với nhau

- MOSI (Master Output / Slave Input): Nếu là chip Master thì đây là đường

Output còn nếu là chip Slave thì MOSI là Input MOSI của Master và các Slaves được nối trực tiếp với nhau

- SS (Slave Select): SS là đường chọn Slave cần giap tiếp, trên các chip Slave

đường SS sẽ ở mức cao khi không làm việc Nếu chip Master kéo đường SS của một Slave nào đó xuống mức thấp thì việc giao tiếp sẽ xảy ra giữa Master và Slave

đó Chỉ có 1 đường SS trên mỗi Slave nhưng có thể có nhiều đường điều khiển

SS trên Master, tùy thuộc vào thiết kế của người dùng

❖ Nguyên lí hoạt động:

Mỗi chip Master hay Slave có một thanh ghi dữ liệu 8 bit Cứ mỗi xung nhịp do Master tạo ra trên đường giữ nhịp SCK, 1bit trong thanh ghi của Master được truyền qua Slave trên đường MOSI, đồng thời 1bit trong thanh ghi của chip Slave cũng được truyền qua Master trên đường MISO Do 2 gói dữ liệu trên 2 chip được gởi qua lại đồng thời nên quá trình truyền dữ liệu này được gọi là “song công” Hình dưới đây

mô tả quá trình truyền 1 gói dữ liệu thực hiện bởi module SPI trong AVR, bên trái là chip Master và bên phải là Slave [9]

Hình 2.26: Truyền dữ liệu SPI 2.4.3 Chuẩn giao tiếp I2C

I2C là tên viết tắt của cụm từ Inter-Integrated Circuit Đây là đường Bus giao tiếp giữa các IC với nhau Bus I2C được sử dụng làm bus giao tiếp ngoại vi cho rất nhiều loại IC khác nhau như các loại Vi điều khiển 8051, PIC, ARM

Hình 2.27: Bus I2C và các thiết bị ngoại vi

Đặc điểm giao tiếp I2C

Một giao tiếp I2C gồm có 2 dây: Serial Data (SDA) và Serial Clock (SCL) SDA

là đường truyền dữ liệu 2 hướng, còn SCL là đường truyền xung đồng hồ để đồng bộ

và chỉ theo một hướng Khi một thiết bị ngoại vi kết nối vào đường bus I2C thì chân SDA của nó sẽ nối với dây SDA của bus, chân SCL sẽ nối với dây SCL

Mỗi dây SDA hãy SCL đều được nối với điện áp dương của nguồn cấp thông qua một điện trở kéo lên (pullup resistor) Sự cần thiết của các điện trở kéo này là vì chân giao tiếp I2C của các thiết bị ngoại vi thường là dạng cực máng hở (opendrain hay opencollector) Giá trị của các điện trở này khác nhau tùy vào từng thiết bị và chuẩn giao tiếp, thường dao động trong khoảng 1 KΩ đến 4.7KΩ [12]

Chế độ hoạt động (tốc độ truyền):

Các bus I2C có thể hoạt động ở ba chế độ, hay nói cách khác các dữ liệu trên bus I2C có thể được truyền trong ba chế độ khác nhau

- Chế độ tiêu chuẩn (Standard mode)

- Chế độ nhanh (Fast mode)

- Chế độ cao tốc High-Speed (Hs) mode

Hình 2.28: Trình tự truyền bit trên đường truyền

Trình tự truyền bit trên đường truyền:

- Thiết bị chủ tạo một điều kiện start Điều kiện này thông báo cho tất cả các thiết bị tớ lắng nghe dữ liệu trên đường truyền

- Thiết bị chủ gửi địa chỉ của thiết bị tớ mà thiết bị chủ muốn giao tiếp và cờ đọc/ghi dữ liệụ (nếu cờ thiết lập lên 1 thì byte tiếp theo được truyền từ thiết bị tớ đến thiết bị chủ, nếu cờ thiết lập xuống 0 thì byte tiếp theo truyền từ thiết bị chủ đến thiết bị tớ)

- Khi thiết bị tớ trên bus I2C có địa chỉ đúng với địa chỉ mà thiết bị chủ gửi sẽ phản hồi lại bằng một xung ACK

- Giao tiếp giữa thiết bị chủ và tớ trên bus dữ liệu bắt đầu Cả chủ và tớ đều có thể nhận hoặc truyền dữ liệu tùy thuộc vào việc truyền thông là đọc hay viết Bộ truyền gửi 8bit dữ liệu tới bộ nhận, bộ nhận trả lời với một bit ACK

- Để kết thúc quá trình giao tiếp, thiết bị chủ tạo ra một điều kiện stop