LUẬN văn tốt NGHIỆP lập TRÌNH NHÀ THÔNG MINH với VI điều KHIỂN STM32

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ -o0o - ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP LẬP TRÌNH NHÀ THƠNG MINH VỚI VI ĐIỀU KHIỂN STM32 GVHD: SVTH : MSSV : TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG NĂM 2021 LỜI CẢM ƠN Tp Hồ Chí Minh, ngày Sinh viên tháng năm Đề cương luận văn GVHD: MỤC LỤC GIỚI THIỆU 1.1 Tổng quan 1.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.3 Mục tiêu đề tài NỘI DUNG ĐỀ TÀI 2.1 2.1.1 Chuẩn giao tiếp RS485 2.1.2 RFID 2.1.3 Chuẩn giao tiếp One – Wi 2.1.4 Giao thức Microcontroller 2.2 Vi điều khiển module 2.2.1 Vi điều khiển STM32F103 2.2.2 Cảm biến khí CO khí G 2.2.3 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm 2.3 Cơ sở lý thuyết Thiết kế giải thuật điều khiển 2.3.1 Module điều khiển trung 2.3.2 Module điều khiển cơng t 2.3.3 Module khóa cửa 2.3.4 Giao diện máy tính GIẢI PHÁP THỰC HIỆN 3.1 Thiết lập giao tiếp module hệ 3.1.1 Thiết lập giao tiếp m 3.1.2 Thiết lập giao tiếp với mod 3.1.3 Thiết lập giao tiếp với mod Đề cương luận văn 3.1.4 3.2 GVHD: Thiết lập giao tiếp với module cảm biến Lập trình chức cho module khóa cửa sử dụng thẻ từ v 3.2.1 Giao tiếp với module RC522 3.2.2 Điều khiển khóa cửa bàn phím 3.2.3 Giao tiếp với hình LCD 3.2.4 Điều khiển khóa cửa thơng qua giao diệ 3.3 Lập trình chức cho module điều khiển cơng tắc 3.3.1 Các biến trạng thái công tắc 3.3.2 Điều khiển công tắc thông qua giao diện 3.4 Lập trình chức cho module cảm biến 3.4.1 Đọc liệu từ cảm biến MQ-9 3.4.2 Đọc liệu nhiệt độ, độ ẩm p 3.4.3 Giao tiếp với module điều khiển trung t 3.5 Lập trình chức cho module điều khiển trung tâm 3.5.1 Giao tiếp với module khác hệ 3.5.2 Giao tiếp với máy tính 3.5.3 Kiểm tra kênh truyền 3.6 Lập trình giao diện máy tính để thực giao tiếp giữ 3.6.1 Giao tiếp với module điều khiển trung t 3.6.2 Lưu lại lịch sử hoạt động hệ thống 3.6.3 Hiển thị điều khiển trạng thái côn 3.6.4 Hiển thị điều khiển trạng thái khóa c 3.6.5 Hiển thị trạng thái cảm biến 3.7 Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch in cho module 3.7.1 Thiết kế module khóa cửa 3.7.2 Thiết kế module điều khiển công tắc 3.7.3 Thiết kế module điều khiển trung tâm Đề cương luận văn GVHD: DỰ KIẾN KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 4.1 Kết sơ khởi đạt 4.1.1 Giao diện máy tính 4.1.2 Hoạt động hệ thống 4.1.3 Hoàn thiện phần cứng 4.2 Kết dự kiến đạt KẾ HOẠCH THỰC HIỆN TÀI LIỆU THAM KHẢO Đề cương luận văn GVHD: DANH SÁCH HÌNH Hình 2-1: Tín hiệu điện áp chân A, B kết nối RS485 Hình 2-2: Sơ đồ kết nối thiết bị sử dụng kết nối RS485 với trở kháng đặc tính Z0 Hình 2-3: Sơ đồ hệ thống sử dụng giao tiếp RS485 có nối đất Hình 2-4: Cách đặt điện trở đầu cuối RT kết nối RS485 Hình 2-5: Tín hiệu kết nối RS485 thu tương ứng với giá trị điện trở RT khác Hình 2-6: Nguyên lý hoạt động RFID Hình 2-7: Mơ tả cấu trúc nhớ thẻ MIFARE 1K Hình 2-8: Mơ hình Master – Slave chuẩn giao tiếp One-Wire .8 Hình 2-9: Dạng sóng tín hiệu giao tiếp chuẩn One-Wire .9 Hình 2-10: Quy định khoảng thời gian chờ tín hiệu .9 Hình 2-11: Khung liệu giao thức MIN 11 Hình 3-1 : Byte liệu quy định để dùng điều khiển LCD 27 Hình 3-2: Sơ đồ nguyên lý module khóa cửa 40 Hình 3-3: Layout module khóa cửa 41 Hình 3-4: Sơ đồ nguyên lý module điều khiển công tắc 42 Hình 3-5: Layout module điều khiển công tắc 43 Hình 3-6: Sơ đồ nguyên lý module điều khiển trung tâm .44 Hình 3-7: Layout module điều khiển trung tâm 45 Hình 4-1: Kết thiết kế giao diện máy tính 46 Hình 4-2: Kết hoạt động hệ thống 46 Hình 4-3: Kết hoạt động hệ thống 47 Hình 4-4: Kết hoạt động hệ thống 47 Hình 4-5: Kết thi cơng module khóa cửa 48 Hình 4-6: Kết thi cơng module điều khiển công tắc 49 Hình 4-7: Kết thi cơng module điều khiển trung tâm 50 Đề cương luận văn GVHD: GIỚI THIỆU 1.1 Tổng quan Nhà thông minh lĩnh vực IoT(Internet of Things) Nó hệ thống cho phép người dùng giám sát, điều khiển thiết bị nhà điện thoại, máy tính, máy tính bảng,…, giúp tự động hóa thiết bị nhà đèn, cơng tắc, cửa, điều hịa, vịi phun, máy bơm,… thiết khác mà không cần đến can thiệp trực tiếp người Bằng cách nhà thơng minh giúp tối ưu hóa hiệu sử dụng nhà, giúp người dùng tự sinh hoạt nhà mà cần phải trực tiếp điều hành thiết bị Từ đặc điểm nhà thông minh Mục tiêu mà đề tài đặt xây dựng mơ hình nhà thơng minh mà module hệ thống vừa tự thực chức cách độc lập, vừa thực chức thơng qua điểu khiển người dùng Trong trình hoạt động liệu hệ thống thu thập sử dụng cho mục đích mở rộng chức sau Ngồi em cịn đặt mục tiêu thực xây dựng khả phản ứng hệ thống với thói quen người dùng, từ tăng cường tiện nghi cho nhà trải nghiệm người dùng 1.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước Nhà thơng minh dần trở thành “tiêu chuẩn” mẫu nhà đại Để bắt kịp xu nhu cầu ngày tăng, công ty, tổ chức dần đẩy nhanh tiến trình nghiên cứu, phát triển trang thiết bị phục vụ cho nhà thơng minh Theo ngày có nhiều tài liệu, viết đề tài nhà thơng minh Theo tìm hiểu từ số viết diễn đàn stackoverflow.com, github.com số nghiên cứu sinh viên nước đề tài nghiên cứu đa phần theo mơ hình sử dụng vi điều khiển để điều khiển module khác từ vi điều khiển đưa liệu lên web-app android-app Trong thực tế việc thu thập điều khiển liệu thực phạm vi nhà khiến đường dây kết nối từ cảm biến, module tới vi điều khiển lên tới khoảng cách hàng chục mét hầu hết chuẩn kết nối trang bị dịng vi điều khiển có khoảng cách truyền tối ưu từ 1-2 mét Vì Đề cương luận văn GVHD: việc xây dựng hệ thống theo mơ khiến hệ thống khơng hoạt động hoạt động không ổn định 1.3 Mục tiêu đề tài Từ nhận xét trên, mục tiêu đặt cho đề tài là:  Các module hệ thống hoạt động cách độc lập  Các module hệ thống giao tiếp với cách mượt mà liệu nhận có tính tin cậy cao  Module điều khiển trung tâm thực chức điều khiển thu thập liệu từ module khác  Giao diện máy tính giúp người dùng giao tiếp với hệ thống  Hệ thống phản hồi yêu cầu người dùng với độ trễ thấp NỘI DUNG ĐỀ TÀI 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.1 Chuẩn giao tiếp RS485 a Truyền dẫn cân Hệ thống truyền dẫn cân gồm có hai dây tín hiệu A,B khơng có dây mass Sở dĩ gọi cân tín hiệu dây ngược với tín hiệu dây Nghĩa dây phát mức cao dây phải phát mức thấp ngược lại Hình 2-1: Tín hiệu điện áp chân A, B kết nối RS485 Đề cương luận văn GVHD: b Mức tín hiệu Với hai dây A, B truyền dẫn cân bằng, tín hiệu mức cao TTL quy định áp dây A lớn dây B tối thi ểu 200mV, tín hiệu mức thấp TTL quy định áp dây A nhỏ dây B tối thiểu 200mV Nếu điện áp VAB mà nằm khoảng -200mV < VAB< 200mV tín hiệu lúc xem rơi vào vùng bất định Điện dây tín hiệu so với mass bên phía thu phải nằm khoảng –7V đến +12V c Cặp dây xoắn Như tên gọi nó, cặp dây xoắn (Twisted-pair wire) đơn giản cặp dây có chiều dài xoắn lại với Sử dụng cặp dây xoắn giảm thiểu nhiễu, truyền khoảng cách xa với tốc độ cao Trở kháng đặc tính cặp dây xoắn: Phụ thuộc vào hình dáng chất liệu cách điện dây mà có trở kháng đặc tính (Characteristic impedence -Zo), điều thường rõ nhà sản xuất Theo khuyến cáo trở kháng đặc tính đường dây vào khoảng từ 100 - 120Ω Hình 2-2: Sơ đồ kết nối thiết bị sử dụng kết nối RS485 với trở kháng đặc tính Z0 d Điện áp kiểu chung Tín hiệu truyền dẫn gồm hai dây khơng có dây mass nên chúng c ần tham chiếu đến điểm chung, điểm chung lúc mass hay mức điện áp cho phép Điện áp kiểu chung (Common-mode voltage -VCM) mặt toán học phát biểu giá trị trung bình hai điện áp tín hiệu tham chiếu với mass hay điểm chung Đề cương luận văn GVHD: e Vấn đề nối đất Tín hiệu hai dây tham chiếu đến điểm chung đất (Ground) cần xem xét kỹ lưỡng Lúc nhận xác định tín hiệu cách tham chiếu tín hiệu với đất nơi nhận, đất nơi nhận nơi phát có chênh lệch điện vượt qua ngưỡng cho phép tín hiệu thu bị sai phá hỏng thiết bị Điều cho thấy mạng RS485 gồm hai dây có tới ba mức điện áp xem xét Do đất vật dẫn điện khơng hồn hảo nên có điện trở xác định, gây chênh lệch điện từ điểm tới điểm kia, đặc biệt vùng có nhiều sấm sét, máy móc tiêu thụ dịng lớn, chuyển đổi lắp đặt có nối đất Chuẩn RS485 cho phép chênh lệch điện đất lên tới 7V, lớn 7V không Như đất điểm tham chiếu không đáng tin tưởng cách tốt cho việc truyền tín hiệu lúc ta thêm dây thứ ba, nối mass nguồn cung cấp để dùng làm điện áp tham chiếu Hình 2-3: Sơ đồ hệ thống sử dụng giao tiếp RS485 có nối đất f Điện trở đầu cuối Điện trở đầu cuối (Terminating Resistor) đơn giản điện trở đặt hai điểm tận kết thúc đường truyền Giá trị điện trở đầu cuối lí tưởng giá trị trở kháng đặc tính đường dây xoắn, thường vào khoảng 100 120Ω Hình 2-4: Cách đặt điện trở đầu cuối RT kết nối RS485 Nếu điện trở đầu cuối không phù hợp với giá trị trở kháng đặc tính đường dây nhiễu xảy có phản xạ xuất đường truyền, nhiễu mức độ nhỏ khơng mức độ lớn làm tín hiệu bị sai Đề cương luận văn GVHD: 3.7 Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch in cho module 3.7.1 Thiết kế module khóa cửa Hình 3-2: Sơ đồ nguyên lý module khóa cửa 40 Đề cương luận văn GVHD: Hình 3-3: Layout module khóa cửa 41 Đề cương luận văn GVHD: 3.7.2 Thiết kế module điều khiển cơng tắc Hình 3-4: Sơ đồ nguyên lý module điều khiển công tắc 42 Đề cương luận văn GVHD: Hình 3-5: Layout module điều khiển công tắc 43 Đề cương luận văn GVHD: 3.7.3 Thiết kế module điều khiển trung tâm Hình 3-6: Sơ đồ nguyên lý module điều khiển trung tâm 44 Đề cương luận văn GVHD: Hình 3-7: Layout module điều khiển trung tâm 45 Đề cương luận văn GVHD: DỰ KIẾN KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 4.1 Kết sơ khởi đạt 4.1.1 Giao diện máy tính Hình 4-1: Kết thiết kế giao diện máy tính 4.1.2 Hoạt động hệ thống Hình 4-2: Kết hoạt động hệ thống 46 Đề cương luận văn GVHD: Hình 4-3: Kết hoạt động hệ thống Hình 4-4: Kết hoạt động hệ thống 47 Đề cương luận văn GVHD: 4.1.3 Hồn thiện phần cứng Module khóa cửa Hình 4-5: Kết thi cơng module khóa cửa 48 Đề cương luận văn GVHD: Module điểu khiển cơng tắc Hình 4-6: Kết thi công module điều khiển công tắc 49 Đề cương luận văn GVHD: Module điều khiển trung tâm Hình 4-7: Kết thi công module điều khiển trung tâm 4.2 Kết dự kiến đạt Ngoài kết đạt trên, đề tài số nội dung chưa hoàn thành sau:  Lưu mật khẩu, lưu thẻ RFID mới, kiểm tra trạng thái thực cửa module khóa cửa  Kiểm tra trạng thái thực tế công tắc thi công module relay cho module điều khiển công tắc 50 Đề cương luận văn GVHD: Những nội dung dự kiến em thực hoàn thành trước bước vào học kì 202 KẾ HOẠCH THỰC HIỆN Hiện em hồn thành việc lập trình cho module kể hoạt động thiết lập giao tiếp module giao tiếp người dùng hệ thống Bên cạnh em có kế hoạch thêm số điểm vào đề tài sau: Lập trình feedback cho module điều khiển cơng tắc lắp thêm cảm biến đóng/mở cửa cho module khóa cửa, thêm chức thêm người dùng module khóa cửa Thi cơng mạch in cho module cảm biến Kiểm tra tình trạng đường truyền thơng qua việc kiểm tra kết nối tới module Thay chuẩn kết nối RS485 chuẩn kết nối không dây khác Thêm module lượng mặt trời, Xây dựng database server để đưa liệu hệ thống lên Bằng cách em sử dụng trình duyệt web ứng dụng điện thoại để điều khiển thu thập liệu Lập trình hệ thống cảnh báo theo thói quen người dùng: Đóng, mở cửa, tắt đèn, Thời gian thực luận văn: tháng Kế hoạch: Nội dung 1.1 1.2 Lập trình feedback cho module điều khiển cơng tắc Lập trình cảm biến đóng/mở cửa cho module khóa cửa, thêm chức thêm người dùng 2.1 Thi công mạch in cho module cảm biến 3.1 Lập trình kiểm tra tình trạng đường truyền thơng qua việc kiểm tra kết nối tới module 4.1 Tìm hiểu chuẩn khơng dây sử dụng hệ thống 4.2 chuẩn không dây chọn Lập trình cho module hệ thống giao tiếp 5.1 Xây dựng giải thuật điều khiển cho module lượng mặt trời 5.2 Lập trình cho module lượng mặt trời 51 Đề cương luận văn 5.3 6.1 GVHD: Thiết kế thi cơng phần cứng Tìm hiểu phương pháp xây dựng server database raspberry 6.2 Tiến hành xây dựng 6.3 Test với hệ thống 7.1 Lập trình hệ thống cảnh báo theo thói quen người dùng: Đóng, mở cửa, tắt đèn,… TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] NXP Semiconductors, “RC522 Datasheet”, www.alldatasheet.com [2] Thành Nhân, “Khái niệm giao tiếp truyền thông RS485”, www.bkaii.com.vn [3] Ken Tindell, “MIN Protocol”, https://github.com/min-protocol/min/wiki [4] “ISO/IEC 13239:2002”, https://www.iso.org/standard/37010.html [5] sieunhatthanh, “Chuẩn giao tiếp One-Wire”, https://snt.com.vn/blog/chuan- giao-tiep-1-wire-chuan-bus-one-wire [6] Saurabh Jain, “Home Automation Using STM32”, https://github.com/jainsaurabh2803/HOME-AUTOMATION-USING-STM32 [7] Adiya Dubey, “STM32 Bluetooth Based Home Automation”, https://github.com/Aditya-11/STM32-Bluetooth-Based-Home-Automation 52 ... kế để thực giao tiếp vi điều khiển PC vi điều khiển vi điều khiển khác Trong thực tế, có nhiều ứng dụng cần giao tiếp từ xa vi điều khiển module khác vi điều khiển vi điều khiển khác ví dụ đọc... trợ Các dòng vi điều khiển STMicroelectronics hỗ trợ lập trình thư vi? ??n Std Hal Bộ thư vi? ??n Std thư vi? ??n xây dựng từ cấu trúc phần cứng dịng vi điều khiển STMFxxx cho phép người lập trình dễ dàng... khớp với CheckSum tính tốn phía thu  Byte thêm vào sử dụng kỹ thuật Byte Stuffing phải có giá trị 0x55 2.2 Vi điều khiển module 2.2.1 Vi điều khiển STM32F103C8T6 STM32F103C8T6 vi điều khiển