Đồ án tốt nghiệp hệ thống iot điều khiển và giám sát ngôi nhà

TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH o0o -Tp HCM, ngày 20 tháng 03 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Huỳnh Xuân Dũng MSSV: 14141046 Trần Nhật Minh MSSV: 14141197 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông Mã ngành: 141 Hệ đào tạo: Đại học quy Mã hệ: Khóa: 2014 Lớp: 14141DT I TÊN ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG IoT ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NGÔI NHÀ II NHIỆM VỤ Các số liệu ban đầu: - 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 Hồ Chí Minh - Nguyễn Đình Phú, Giáo trình Vi điều khiển, Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh - Nguyễn Đình Phú, Giáo trình Vi xử lý nâng cao, Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh - Nguyễn Đình Phú – Nguyễn Trường Duy, Giáo trình Kỹ thuật số, Nhà xuất đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh - Nguyễn Văn Hiệp – Đinh Quang Hiệp, Giáo trình Lập trình Android bản, Nhà xuất đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh - Nguyễn Văn Hiệp, Giáo trình Lập trình Android ứng dụng điều khiển, Nhà xuất đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh - Nguyễn Văn Hiệp, Giáo trình Cơng nghệ nhận dạng sóng vơ tuyến, Nhà xuất đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh Nội dung thực hiện: - Tìm hiểu hoạt động mơ hình nhà IoT i - Thu thập liệu quy trình thiết kế ngơi nhà IoT - Các giải pháp thiết kế hệ thống, mô hình nhà IoT - Lựa chọn thiết bị việc thiết kế mơ hình nhà IoT (vi điều khiển STM32F407 VGT6, Arduino Mega, Module wifi esp8266, Module Sim, Module thời gian thực, RFID, relay đóng ngắt, bơm nước, hình hiển thị, cảm biến cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, khí gas, PIR …) - Tìm hiểu chuẩn truyền thông UART, I2C, SPI - Thiết kế giao điện điều khiển giám sát: Web server, App android, WPF (Windows Presentation Foundation) - Thiết kế, thi công mạch nguồn - Thiết kế, thi công hệ thống điều khiển - Thiết kế, thi cơng mơ hình ngơi nhà - Viết chương trình cho STM32F407, Arduino Mega Esp8266 - Lắp ráp hệ thống điều khiển vào mơ hình chạy thử nghiệm - Chỉnh sửa lỗi xuất - Đánh giá kết thực - Viết báo cáo luận văn - Báo cáo đề tài tốt nghiệp III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/03/2018 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06/07/2018 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ThS Nguyễn Đình Phú BM ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ii TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH o0o -Tp HCM, ngày 20 tháng 03 năm 2018 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Lớp: Họ tên sinh viên 2: Lớp: Tên đề tài: Huỳnh Xuân Dũng 14141DT1C Trần Nhật Minh 14141DT1C MSSV: 14141046 MSSV: 14141197 HỆ THỐNG IoT ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NGÔI NHÀ Tuần/ngày Tuần Nội dung  Xác nhận GVHD Gặp giảng viên hướng dẫn trao đổi đề tài đồ án tốt nghiệp 19/03-25/03 Tuần  Viết đề cương chi tiết 26/03-01/04  Tìm hiểu đề tài nghiên cứu có liên quan Tuần  đề tài 02/04-08/04 Tuần Gặp báo cáo với GVHD hướng thực  Tìm hiểu linh kiện sử dụng mạch  Tìm hiểu giao tiếp cảm biến, module thiết bị với STM32F407 09/04-15/04 Arduino Tuần  Tìm hiểu module wifi Esp8266  Lập trình STM32F407 Arduino đọc cảm biến, điều khiển LED đơn kiểm tra 16/04-22/04 việc thu nhận tín hiệu từ cảm biến Tuần  Báo cáo tiến độ cho GVHD 23/04-29/04  Tìm hiểu lập trình Web Server, viết App Android WPF, phương thức gửi liệu thu thập từ điều khiển lên web Tuần 30/04-06/05  Lập trình truyền nhận liệu STM32F407 với Arduino, STM32F407 với Esp8266 iii Tuần 8,  Báo cáo tiến độ cho GVHD 07/05-20/05  Hoàn thành giao diện Web, App Android, WPF Tuần 10, 11  Tổng hợp chương trình đọc tất cảm biến, giao tiếp module, truyền nhận liệu gửi 21/05-03/06 liệu qua internet Tuần 12  Viết báo cáo  Thiết kế, hoàn thành mơ hình tiến hành dây vào mơ hình 04/06-10/06  Kiểm tra hoạt động hệ thống  Viết báo cáo Tuần 13, 14, 15  Chạy thử hệ thống, kiểm tra lại sửa lỗi 11/06-01/07  Viết hoàn thiện báo cáo GV HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) iv LỜI CAM ĐOAN Đề tài tự thực dựa vào số tài liệu trước khơng chép từ tài liệu hay cơng trình có trước Người thực đề tài Huỳnh Xuân Dũng Trần Nhật Minh v LỜI CẢM ƠN Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến ThS Nguyễn Đình Phú trực tiếp hướng dẫn, góp ý, chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu, tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để chúng em hoàn thành tốt đề tài Chúng em xin gửi lời chân thành cảm ơn thầy cô Khoa Điện - Điện Tử tạo điều kiện tốt cho em hoàn thành đề tài Chúng em gửi lời đồng cảm ơn đến bạn lớp 14141DT chia sẻ trao đổi kiến thức kinh nghiệm quý báu thời gian thực đề tài Cảm ơn đến cha mẹ tạo điều kiện tốt kinh tế tinh thần để hoàn thành tốt đề tài Xin chân thành cảm ơn! Người thực đề tài Huỳnh Xuân Dũng Trần Nhật Minh vi MỤC LỤC Nội dung Trang NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .i LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iii LỜI CAM ĐOAN v LỜI CẢM ƠN vi MỤC LỤC vii LIỆT KÊ HÌNH x LIỆT KÊ BẢNG .xiii TÓM TẮT xiv Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 MỤC TIÊU 1.3 MỤC TIÊU CỦA NHÓM 1.4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.5 GIỚI HẠN 1.6 BỐ CỤC Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ VÀO RA SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI 2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 2.2.1 Cảm biến 2.2.2 Module thời gian thực DS1307 15 2.2.3 Màn hình Oled 20 2.2.4 Vi Điều Khiển 21 2.2.5 Module SIM900A 29 2.2.6 Dòng chip Wi-Fi ESP8266 36 2.2.7 Công nghệ RFID 42 2.2.8 Bàn phím ma trận 47 2.2.9 Relay tiếp điểm khí 48 2.2.10 Module hạ áp LM2596 49 2.3 CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU 50 2.3.1 Chuẩn truyền thông UART 50 2.3.2 Chuẩn giao tiếp I2C 52 2.3.3 Chuẩn truyền thông SPI 55 Chương 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 56 vii 3.1 GIỚI THIỆU 56 3.2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 56 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 56 3.2.2 Tính toán thiết kế 58 3.2.3 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 73 Chương 4: THI CÔNG HỆ THỐNG 75 4.1 GIỚI THIỆU 75 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 75 4.2.1 Thi công board mạch 75 4.2.2 Lắp ráp kiểm tra 82 4.3 ĐĨNG GĨI VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH 85 4.3.1 Đóng gói điều khiển 85 4.3.2 Thi cơng mơ hình 86 4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 89 4.4.1 Lưu đồ giải thuật 89 4.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển 107 4.4.3 Phần mềm lập trình giao diện điều khiển 109 4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC 112 4.5.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng 112 4.5.2 Quy trình thao tác 113 Chương 5: KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 121 5.1 GIỚI THIỆU 121 5.2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 121 5.2.1 Biết cách sử dụng cảm biến 121 5.2.2 Biết cách lập trình STM32F407 121 5.2.3 Biết cách lập trình Arduino Mega 121 5.2.4 Biết cách sử dụng module wifi ESP8266 122 5.2.5 Biết cách viết app android, web WPF 122 5.2.6 Biết cách lập trình đóng mở cửa RFID 122 5.2.7 Biết cách truyền nhận liệu vi điều khiển 122 5.2.8 Biết cách truyền nhận liệu qua wifi 122 5.3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 123 5.3.1 Quét thẻ RFID nhập mật đóng mở cửa 123 5.3.2 Điều khiển giám sát thiết bị, cảm biến thông qua internet 126 5.3.3 Điều khiển thiết bị giám sát anh ninh qua Sim 136 5.3.4 Hiển thị hình oled 141 viii 5.4 NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ 142 5.4.1 Nhận xét 142 5.4.2 Đánh giá 142 Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 144 6.1 KẾT LUẬN 144 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 144 TÀI LIỆU THAM KHẢO 145 ix LIỆT KÊ HÌNH Hình 2.1: Cảm biến LM35 sơ đồ nối chân Hình 2.2: Cảm biến DS18B20 sơ đồ nối chân Hình 2.3: Bộ nhớ ROM 64 bit Hình 2.4: Tổ chức nhớ ROM cảm biến DS18B20 Hình 2.5: Byte ghi điều khiển cảm biến DS18B20 Hình 2.6: Cảm biến DHT21 11 Hình 2.7: Cảm biến DHT11 sơ đồ nối chân 12 Hình 2.8: Cảm biến khí gas MQ2 sơ đồ nối chân 13 Hình 2.9: Cảm biến MQ5 13 Hình 2.10: Cảm biến PIR 14 Hình 2.11: Cảm biến độ ẩm đất 15 Hình 2.12: Sơ đồ chân DS1307 16 Hình 2.13: Thanh ghi DS1307 17 Hình 2.14: Tổ chức ghi DS1307 18 Hình 2.15: Module DS1307 20 Hình 2.16: Màn hình Oled 21 Hình 2.17: Board STM32F407 VGT6 22 Hình 2.18: Arduino Mega2560 27 Hình 2.19: Cấu trúc mạng GSM 30 Hình 2.20: Module Sim900A 32 Hình 2.21: Sơ đồ nguyên lý ESP8266 38 Hình 2.22: Hình ảnh ESP-01 39 Hình 2.23: Hình ảnh ESP-07 40 Hình 2.24: Hình ảnh ESP-12 40 Hình 2.25: ESP8266 NodeMCU 42 Hình 2.26: Thiết bị IFF thiết bị RFID đại ngày 43 Hình 2.27: Sơ đồ khối hệ thống RFID 44 Hình 2.28: Hoạt động tag reader RFID 46 Hình 2.29: Bàn phím ma trận 4x4 47 Hình 2.30: Relay 5V 49 Hình 2.31: Module LM2596 49 Hình 2.32: Sơ đồ nguyên lý module LM2596 50 Hình 2.33: Truyền liệu qua lại vi điều khiển vi điều khiển với PC 51 Hình 2.34: Bus I2C thiết bị ngoại vi 52 Hình 2.35: Trình tự truyền bit đường truyền 53 Hình 2.36: Điều kiện start stop 54 Hình 2.37: Truyền liệu I2C 54 Hình 2.38: Giao diện kết nối dây chuẩn SPI 55 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống 56 Hình 3.2: Thiết kế mơ hình hộ 58 Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý kết nối cảm biến với STM32F407 59 Hình 3.4: Sơ đồ kết nối cảm biến với Arduino mega 59 Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý kết nối Oled với STM32F407 60 Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý kết nối DS1307 với STM32F407 60 x ... MSSV: 14141046 MSSV: 14141197 HỆ THỐNG IoT ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NGÔI NHÀ Tuần/ngày Tuần Nội dung  Xác nhận GVHD Gặp giảng viên hướng dẫn trao đổi đề tài đồ án tốt nghiệp 19/03-25/03 Tuần  Viết...- Thu thập liệu quy trình thiết kế nhà IoT - Các giải pháp thiết kế hệ thống, mơ hình nhà IoT - Lựa chọn thiết bị việc thiết kế mơ hình nhà IoT (vi điều khiển STM32F407 VGT6, Arduino Mega, Module... - Thiết kế giao điện điều khiển giám sát: Web server, App android, WPF (Windows Presentation Foundation) - Thiết kế, thi công mạch nguồn - Thiết kế, thi công hệ thống điều khiển - Thiết kế, thi