Thiết kế và thi công mô hình công viên 4 0

CHƯƠNG TỔNG QUAN Chương TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Phần lớn trường học khuôn viên thường xây thư viện, tin, khu thể thao, sân đá bóng, chưa thấy ngơi trường làm cơng viên xanh thu nhỏ với nhiều tiện ích kết hợp với công nghệ kỹ thuật Ngồi thành phố Hồ Chí Minh có nhiều công viên xanh Nhưng dường thấy cơng viên ngun vẹn, thay vào bị lõm, khuyết với cơng trình tạm kiên cố, trung tâm tiệc cưới tồn tại, điều thể bất lực quyền việc trả lại công viên cho người dân, từ mở đường qn xá làm diện tích cơng viên Đáng lưu ý nhiều nơi khơng có công viên xanh nơi may mắn có được, người dân khơng thể thoải mái tản bộ, thể dục thư giãn, vui chơi phần lớn diện tích đất cơng viên xanh bị hàng quán, bãi giữ xe lấn chiếm, bị cho thuê tổ chức hội chợ, triển lãm, khu vui chơi có thu tiền Hầu hết công viên khuôn viên trồng xanh, hệ thống tưới thơ sơ, chưa có hệ thống đèn quạt cơng viên để phục vụ Khả giữ an ninh thấp Cho nên cơng viên mà nhóm chúng em hướng đến nơi có khu tham quan với hệ thống đo nhiệt độ độ ẩm, có hồ phun nước, đặc biệt có khu nhà nghĩ dưỡng, sinh hoạt gắn thiết bị điều khiển Wifi quạt đèn Ngoài để tránh vấn đề cắp thường xảy thư viện trường học cơng viên làm thêm thẻ RFID thành viên làm thẻ vào cơng viên Có hệ thống Camera giám sát hoạt động công viên Nhóm định nghiên cứu thi cơng đề tài: “Thiết kế và thi công mô hình công viên 4.0” 1.2 MỤC TIÊU Thực tính thực tế sử dụng công nghệ để thuận tiện sinh viên, người tham quan quản lý công viên, tạo địa điểm lý tưởng để người thư giản vui chơi Thiết kế thi cơng mơ hình cơng viên với kích thước chiều dài 80cm, chiều rộng 80cm, chiều cao 15 cm Sử dụng vi điều khiển PIC16F887 Module Wifi ESP8266 làm trung tâm điều khiển Thiết kế App Smartphone BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG TỔNG QUAN MIT App Inventer Đo nhiệt độ, độ ẩm cảm biến DHT-11, hiển thị lên LCD 16x2 điều khiển động bơm nước đèn sưởi Ứng dụng công nghệ RFID Camera phục vụ cho việc ngăn chặn tác nhân xấu bên trộm, cắp diễn 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Trong đề tài này, nhóm tiến hành nghiên cứu nội dung sau:  Nội dung 1: Thu thập liệu mơ hình có cơng viên khảo sát người đến công viên muốn công viên cần thêm mơ hình thiết bị để phục vụ  Nội dung 2: Tìm hiểu ưu nhược điểm công viên hoạt động  Nội dung 3: Tìm hiểu hệ thống cần công viên  Nội dung 4: Thiết kế thi cơng mơ hình  Nội dung 5: Đánh giá kết thực  Nội dung 6: Nhận xét ưu nhược điểm toàn hệ thống hướng phát triển đề tài 1.4 GIỚI HẠN Đây mơ hình cơng viên cơng nghệ giai đoạn Sử dụng công nghệ thẻ quẹt RIFD Camera để giám sát người vào hợp lệ Sử dụng công nghệ RFID với loại thẻ, ứng với người thẻ người thẻ sai để vào công viên Hiển thị nội dung quảng cáo tên công viên Led Matrix kết nối Bluetooth với khoảng cách điều khiển 10m Điều khiển đèn 12V DC quạt 12V DC cách kết nối Wifi công viên sử dụng với khoảng cách từ 10m - 20m Màn hình hiển thị nhiệt độ, độ ẩm quẹt thẻ RFID LCD 16x2 1.5 BỐ CỤC Đề tài được trình bày chương:  Chương 1: Tổng quan  Chương 2: Cơ sở lý thuyết  Chương 3: Thiết kế hệ thống BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG TỔNG QUAN  Chương 4: Thi công hệ thống  Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá  Chương 6: Kết huận và hướng phát triển Cụ thể sau:  Chương 1: Tổng quan Đặt vấn đề dẫn nhập lý chọn đề tài, trình bày mục tiêu, nội dung nghiên cứu, xác định số giới hạn trình bày bố cục đề tài  Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trình bày, phân tích ưu nhược điểm cơng viên hoạt động, từ chọn phương án phù hợp cho đề tài Giới thiệu số lý thuyết liên quan phần cứng cần sử dụng cho đề tài  Chương 3: Thiết kế hệ thống Xây dựng sơ đồ khối, trình bày nguyên lý hoạt động hệ thống Thiết kế lựa chọn linh kiện phù hợp cho khối Xây dựng sơ đồ nguyên lý cho khối toàn hệ thống  Chương 4: Thi cơng hệ thớng  Trình bày bước thi cơng mơ hình hồn chỉnh từ phần cứng đến phần mềm Xây dựng lưu đồ giải thuật, phương trình tính tốn thơng số cụ thể, xử lý tín hiệu lập trình cho vi điều khiển  Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá Trình bày kết đạt (cấu trúc mơ hình) Sau đưa nhận xét tổng thể đề tài đánh giá dựa mục tiêu đặt ban đầu  Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Trình bày ưu nhược điểm tồn hệ thống Từ đó, đưa kết luận hướng phát triển cho đề tài BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 GIỚI THIỆU VỀ LẬP TRÌNH PIC VÀ MỘT SỐ CƠNG CỤ LIÊN QUAN 2.1.1 Ngơn ngữ C Ngơn ngữ lập trình C ngơn ngữ mệnh lệnh phát triển từ đầu thập niên 1970 Ken Thompson Dennis Ritchie để dùng hệ điều hành UNIX Từ đó, ngơn ngữ lan rộng nhiều hệ điều hành khác trở thành ngôn ngữ phổ dụng C ngôn ngữ có hiệu ưa chuộng để viết phần mềm hệ thống, mặc dù dùng cho việc viết ứng dụng Năm 1989 viện tiêu chuẩn hoa kỳ công bố chuẩn hóa C gọi ANSI 89 (C89) sau năm 1990 nâng cấp chuẩn hóa gọi ANSI 90 (C90), Hệ điều hành Unix có tới 90% viết ngôn ngữ C 10% viết hợp ngữ Ngồi có nhiều trình điều khiển hỗ trợ lập trình ngôn ngữ C So với ngôn ngữ C++/C#, Java, ngơn ngữ C có kích cỡ nhỏ Các thư viện ngôn ngữ C hạn chế, chứa hàm Ngôn ngữ C không đưa ràng buộc người lập trình C sử dụng nhiều dự án khác nhau, viết hệ điều hành, chương trình xử lý văn bản, đồ hoạ, bảng tính, chí chương trình dịch cho ngôn ngữ khác 2.1.2 Công nghệ RFID (Radio Frequency Identification) Giới thiệu RFID công nghệ nhận dạng đối tượng sóng vơ tuyến Cơng nghệ cho phép nhận biết đối tượng thông qua hệ thống thu phát sóng radio, từ giám sát, quản lý lưu vết đối tượng Cấu tạo Một thiết bị hay hệ thống RFID cấu tạo hai thành phần thiết bị đọc (reader) thiết bị phát mã RFID có gắn chip hay gọi tag Thiết bị đọc gắn antenna để thu - phát sóng điện từ, thiết bị phát mã RFID tag gắn với vật cần nhận dạng, thiết bi RFID tag chứa mã số định khơng trùng lặp BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.1 Cấu trúc thẻ RFID hệ thống RFID Nguyên lý hoạt động Thiết bị RFID reader phát sóng điện từ tần số định, đặt thiết bị RFID vùng hoạt động cảm nhận sóng điện từ thu nhận lượng, từ phát lại cho thiết bị RFID reader biết mã số Từ thiết bị RFID reader nhận biết tag vùng hoạt động Ứng dụng Thẻ chip (tag) RFID chứa nhiều mã nhận dạng khác nhau, thông thường 32 bit tương ứng với tỷ mã số khác Ngoài xuất xưởng thẻ chip RFID gán mã số khác Do vậy, vật gắn chip RFID khả nhận dạng nhầm vật với thẻ chip RFID khác thấp, xác suất phần tỷ Với ưu điểm mặt công nghệ nên bảo mật độ an tồn thiết bị ứng dụng cơng nghệ RFID cao – Ứng dụng quản lý lưu thông hàng hóa – Ứng dụng quản lý kho hàng – Ứng dụng quản lý thu phí đường tự động – Bên cạnh ứng dụng bật nhiều ứng dụng thiết thực cho quản lý như: quản lý nhà máy, quản lý thư viện, quản lý chấm công, quản lý bãi giữ xe, nhà hàng, phòng khách sạn, phòng học, quản lý nhà ăn, quản lý sinh viên, quản lý bệnh viện, khóa cửa dùng công nghệ RFID, chống trộm xe máy, … 2.1.3 Phần mềm CCS BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.2 Giao diện phần mềm CCS CCS trình biên dịch lập trình ngơn ngữ C cho Vi điều khiển PIC hãng Microchip Chương trình tích hợp trình biên dich riêng biết cho dòng PIC khác là: ‐ PCB cho dòng PIC 12‐bit opcodes ‐ PCM cho dòng PIC 14‐bit opcodes ‐ PCH cho dòng PIC 16 18‐bit Tất trình biên dịch đuợc tích hợp lại vào chương trình bao gồm trình soạn thảo biên dịch CCS, phiên PCWH Compiler Ver 3.227 Giống nhiều trình biên dich C khác cho PIC, CCS giúp cho người sử dụng nắm bắt nhanh vi điều khiển PIC sử dụng PIC dự án Các chương trình diều khiển thực nhanh chóng đạt hiệu cao thơng qua việc sử dụng ngơn ngữ lập trình cấp cao – Ngôn ngữ C Tài liệu hướng dẫn sử dụng có nhiều, chi tiết Help kèm theo phần mềm (tài liệu Tiếng Anh) Trong trợ giúp nhà sản xuất mô tả nhiều hằng, biến, thị tiền xử lý, cấu trúc câu lệnh chương trình, hàm tạo sẵn cho người sử dụng… 2.1.4 App Inventor MIT App Inventor dành cho Android ứng dụng web nguồn mở ban đầu cung cấp Google trì Viện Cơng nghệ Massachusetts BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT (MIT) Nền tảng cho phép nhà lập trình tạo ứng dụng phần mềm cho hệ điều hành Android (OS) Bằng cách sử dụng giao diện đồ họa, tảng cho phép người dùng kéo thả khối mã (blocks) để tạo ứng dụng chạy thiết bị Android Đến thời điểm 07/2017, phiên IOS tảng bắt đầu đưa vào thử nghiệm Thunkable, nhà cung cấp ứng dụng web cho ngôn ngữ Mục tiêu cốt lõi MIT App Inventor giúp đỡ người chưa có kiến thức ngơn ngữ lập trình từ trước tạo ứng dụng có ích hệ điều hành Android Phiên MIT App Inventor Ngày nay, MIT hồn thiện App Inventor chia sẻ tài khoản Google Các lập trình viên bắt đầu muốn tạo ứng dụng Android cần vào địa web MIT, nhập thông tin tài khoản Google, từ mảnh ghép nhỏ, xây dựng ý tưởng Bạn người bắt đầu chưa biết hết App Inventor? MIT có sẵn loạt hướng dẫn cụ thể cho bạn làm quen với chương trình Hình 2.3 Giao diện App Inventor BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1.5 Phần mềm Arduino IDE Hình 2.4 Giao diện phầm mềm Arduino IDE 1.8.5 Các thiết bị dựa tảng Arduino lập trình ngôn ngữ riêng Ngôn ngữ dựa ngôn ngữ Wiring viết cho phần cứng Và Wiring lại biến thể C/C++ Một số người gọi Wiring, số khác gọi C hay C/C++ đội ngũ phát triển Arduino gọi ngôn ngữ Arduino Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ biến dễ học, dễ hiểu Để lập trình gửi lệnh nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhóm phát triển dự án cấp đến cho người dùng môi trường lập trình Arduino gọi Arduino IDE (Intergrated Development Environment) Arduino IDE phần mềm dùng để lập trình cho Arduino Mơi trường lập trình Arduino IDE chạy ba tảng phổ biến Windows, Macintosh OSX Linux Do có tính chất nguồn mở nên mơi trường lập trình hồn tồn miễn phí mở rộng thêm người dùng có kinh nghiệm Ngơn ngữ lập trình mở rộng thông qua thư viện C++ Và ngơn ngữ lập trình dựa tảng ngơn ngữ C AVR nên người dùng hồn tồn nhúng thêm code viết AVR vào chương trình muốn 2.2 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP TRUYỀN DỮ LIỆU 2.2.1 Giao tiếp UART (Universal Asynchronous Receive/Transmit) a Giới thiệu BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT UART viết tắt Universal Asynchronous Receiver – Transmitter Thường mạch tích hợp sử dụng việc truyền dẫn liệu nối tiếp máy tính thiết bị ngoại vi Rất nhiều vi điều khiển tích hợp UART, vấn đề tốc độ độ điện dụng UART so sánh với giao tiếp nên dòng PC & Laptop đời khơng tích hợp cổng UART Giao tiếp SPI I2C có dây truyền liệu dây sử dụng để truyền xung clock (SCL) để đồng giao tiếp Với UART khơng có dây SCL, vấn đề giải mà việc truyền UART dùng vi xử lý với nhau, đồng nghĩa với việc vi xử lý tự tạo xung clock cho sử dụng Để bắt đầu cho việc truyền liệu UART, START bit gửi đi, sau bit liệu kết thúc trình truyền STOP bit Hình 2.5 Truyền liệu UART Khi trạng thái chờ mức điện mức (high) Khi bắt đầu truyền START bit chuyển từ xuống để báo hiệu cho nhận trình truyền liệu xảy Sau START bit đến bit liệu D0-D7 (Theo hình vẽ bit mức High or Low tùy theo liệu) Sau truyền hết liệu đến Bit Parity để nhận kiểm tra tính đắn liệu truyền Cuối cùng STOP bit báo cho thiết bị bit gửi xong Thiết bị nhận tiến hành kiểm tra khung truyền nhằm đảm báo tính đắn liệu b Các thông số truyền nhận UART Baud rate (tốc độ baud): Khoảng thời gian dành cho bit truyền Phải cài đặt giống gửi nhận Frame (khung truyền): Khung truyền quy định số bit lần truyền Start bit: bit truyền Frame Báo hiệu cho thiết bị nhận có gói liệu truyền đến (bit bắt buộc) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT Data: liệu cần truyền Bit có trọng số nhỏ LSB truyền trước sau đến bit MSB Parity bit: kiểm tra liệu truyền có không Stop bit: bit báo cho thiết bị bit gửi xong Thiết bị nhận tiến hành kiểm tra khung truyền nhằm đảm bảo tính đắn liệu (bit bắt buộc) 2.2.2 Chuẩn giao tiếp USB (Universal Serial Bus) a Giới thiệu USB chuẩn kết nối đa dụng máy tính USB sử dụng để kết nối thiết bị ngoại vi với máy tính, chúng thường thiết kế dạng đầu cắm cho thiết bị tuân theo chuẩn cắm chạy mà với tính cắm nóng thiết bị (nối ngắt thiết bị không cần phải khởi động lại hệ thống) b Đặc điểm Cho phép mở rộng 127 thiết bị kết nối cùng vào máy tính thơng qua cổng USB Với USB 2.0 chuẩn tốc độ cao, đường truyền đạt tốc độ tối đa đến 480 Mbps Cáp USB gồm hai sợi nguồn (+5V dây chung GND) cùng cặp gồm hai sợi dây xoắn để mang liệu Trên sợi nguồn, máy tính cấp nguồn lên tới 500mA điện áp 5V chiều (DC) Những thiết bị tiêu thụ cơng suất thấp (ví dụ: chuột, bàn phím, loa máy tính cơng suất thấp ) cung cấp điện hoạt động trực tiếp từ cổng USB mà không cần có cung cấp nguồn riêng Với thiết bị cần sử dụng nguồn công suất lớn (như máy in, máy quét ) không sử dụng nguồn điện từ đường truyền USB nguồn chúng, lúc đường truyền nguồn có tác dụng so sánh mức điện tín hiệu Những thiết bị USB có đặc tính cắm nóng, điều có nghĩa thiết bị kết nối (cắm vào) ngắt kết nối (rút ra) thời điểm mà người sử dụng cần mà không cần phải khởi động lại hệ thống Nhiều thiết bị USB chuyển trạng thái tạm ngừng hoạt động máy tính chuyển sang chế độ tiết kiệm điện BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 10 TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Đình Phú - Trương Ngọc Anh, “Giáo trình Vi xử lý”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP.HCM, 2013 [2] Nguyễn Đình Phú, Phan Văn Hồn, Trương Ngọc Anh, “Giáo trình thực hành Vi xử lý”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP.HCM, 8/2017 [3] Sỹ Đông, “TP HCM thiếu công viên”, Báo người lao động, https://nld.com.vn/ban-doc/tp-hcm-qua-thieu-cong-vien20180802221757709.htm, 3/8/2018 [4] Trần Thu Hà – Trương Thị Bích Ngà – Nguyễn Thị Lưỡng – Bùi Thị Tuyết Đan – Phù Thị Ngọc Hiếu – Dương Thị Cẩm Tú, “Giáo trình điện tử bản”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP.HCM, 2013 [5] Nguyễn Văn Hiệp, “Công nghệ nhận dạng sóng vơ tuyến RFID”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2014 [6] Abel Nguyen, “Lập trình MQTT với ESP8266 Arduino”, http://dandientu.com/lap-trinh-nhung/lap-trinh-co-ban-mqtt-voi-esp8266trong-arduino.html, 7/12/2018 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 87 PHỤ LỤC PHỤ LỤC Thư Viện DHT11_2.H #define _DHT11_H_ #BIT DHT_DATA_OUT = 0x08.0 #BIT DHT_DATA_IN = 0x08.0 #BIT DHT_DDR_DATA = 0x88.0 #define DHT_ER #define DHT_OK #define DDROUT #define DDRIN unsigned int8 DHT_GetTemHumi (unsigned int8 &tem1,&tem2,unsigned int8 &humi1,&humi2); unsigned int8 DHT_GetTemHumi (unsigned int8 &tem1,&tem2,unsigned int8 &humi1,&humi2) { unsigned int8 buffer[5]={0,0,0,0,0}; unsigned int8 ii,i,checksum; DHT_DDR_DATA=DDROUT; // set la cong DHT_DATA_OUT=1; delay_us(60); DHT_DATA_OUT=0; delay_ms(25); // it nhat 18ms DHT_DATA_OUT=1; DHT_DDR_DATA=DDRIN;//set la cong vao delay_us(60); if(DHT_DATA_IN)return DHT_ER ; else while(!(DHT_DATA_IN)); delay_us(60);//cho 60us if(!DHT_DATA_IN)return DHT_ER; else while((DHT_DATA_IN)); //Doi Data ve //Bat dau doc du lieu for(i=0;i