Thiết kế và thi công hệ thống quản lí thời gian sử dụng phòng khách sạn

Để hạn chế vấn đề nhân viên gian lận thời gian khách thuê phòng khách sạn, nhóm quyết định thực hiện đề tài “ Thiết kế và thi công hệ thống quản lý thời gian sử dụng phòng khách sạn” để

Nội dung Số 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 DANH MỤC HÌNH XI DANH MỤC BẢNG XIV TÓM TẮT XV

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU 1

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1

1.4 GIỚI HẠN 2

1.5 BỐ CỤC 2

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN 4

2.1.1 Tổng quan về website 4

2.1.2 Tổng quan về webserver 4

2.1.3 Tổng quan về Internet of Things 5

a Giới thiệu 5

b Ứng dụng của IoTs 6

2.1.4 Giới thiệu về MySQL 6

2.1.5 Tổng quan về công nghệ LoRa 7

b Nguyên lý hoạt động 7

c Cấu hình module RF LoRa SX1278 12

2.2 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP 15

2.2.1 Giới thiệu về mạng không dây 15

a Giới thiệu 15

b Nguyên tắc hoạt động 15

2.2.2 Chuẩn giao tiếp UART 16

a Giới thiệu 16

b Các thông số UART 17

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 19

3.1 GIỚI THIỆU 19

3.2 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG 19

3.3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH 20

3.3.1 Khối thu thập dữ liệu 20

a Vai trò 20

b Phân tích lựa chọn linh kiện 20

c Các thông số chính 22

d Sơ đồ nguyên lý 22

3.3.2 Khối xử lý trung tâm 25

a Vai trò 25

b Phân tích lựa chọn linh kiện 25

c Các thông số chính 26

d Sơ đồ nguyên lý 28

3.3.3 Khối nguồn 29

b Tính toán công suất 30

3.4 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TOÀN MẠCH 32

3.5 CÁCH THỨC HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG 33

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 34

4.1 GIỚI THIỆU 34

4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 34

4.2.1 Thi công board mạch 34

4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra 35

4.3 THI CÔNG KHUNG ĐỠ 38

4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 39

4.4.1 Lưu đồ giải thuật 39

a Lưu đồ toàn hệ thống 39

b Lưu đồ chương trình con quá trình kiểm tra dữ liệu và đưa dữ liệu lên webserver 40

4.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển 41

a Giới thiệu phần mềm lập trình Arduino IDE 41

b Giới thiệu phần mềm lập trình và xây dựng Webserver 45

c Viết chương trình hệ thống 45

4.5 TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG 57

4.5.1 Hướng dẫn sử dụng phần cứng 57

4.5.2 Hướng dẫn sử dụng phần mềm 58

a Các bước sử dụng website để quan sát trạng thái phòng 58

b Các bước để thay đổi tên phòng, giá phòng và xem dữ liệu của phòng theo ngày trong tháng 59

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ - NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ 63

5.1 GIAO DIỆN WEBSITE 63

5.2 MẠCH CHẠY THỰC TẾ 65

5.3 GIÁ THÀNH SẢN PHẨM 67

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 68

6.1 KẾT LUẬN 68

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

PHỤ LỤC 70

Hình 2.1 Hệ thống Webserver điển hình 5

Hình 2.2 Kiến trúc một mô hình IoTs điển hình 6

Hình 2.3 Kích thước và sơ đồ chân Module RF LoRa SX1278 8

Hình 2.4 Mô tả truyền điểm – điểm 10

Hình 2.5 Mô tả truyền cố định 11

Hình 2.6 Mô tả truyền broadcast 12

Hình 2.7 Mạch chuyển giao tiếp USB UART SX1278 12

Hình 2.8 Giao diện khi khởi động phần mềm RF_Setting_EN_V2.7 13

Hình 2.9 Giao diện phần mềm RF_Setting_EN_V2.7 13

Hình 2.10 Chuyển sang chế độ sleep cho Module RF LoRa SX1278 13

Hình 2.11 Chọn chế độ Target 14

Hình 2.12 Chọn chế độ Transparent 15

Hình 2.13 Mô hình hệ thống WiFi trong nhà 16

Hình 2.14 Hệ thống truyền dữ liệu bất đồng bộ 17

Hình 2.15 Khung truyền dữ liệu của chuẩn giao tiếp UART 17

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 19

Hình 3.2 Module RF LoRa SX1278 21

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý kết nối module RF LoRa SX1278 và nguồn AC-DC 5V-1A 23

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý kết nối module RF LoRa SX1278 Master với module Node MCU ESP8266 24

Hình 3.5 Ảnh thực tế Node MCU ESP8266 26

Hình 3.7 Giao tiếp giữa Node MCU ESP8266 module RF LoRa SX1278 28

Hình 3.8 Sơ đồ chân AMS1117 30

Hình 3.9 Sơ đồ kết nối IC AMS1117 30

Hình 3.10 Mạch nguồn chuyên dụng 5V-1A 31

Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 32

Hình 4.1 Mạch in sau khi vẽ xong 35

Hình 4.2 Mạch sau khi ủi 36

Hình 4.3 Mạch sau khi ăn mòn 36

Hình 4.4 Mặt sau mạch sau khi hàn linh kiện 37

Hình 4.5 Mặt trước mạch sau khi hàn linh kiện 37

Hình 4.6 Mạch khối xử lý trung tâm sau khi gắn các Module 37

Hình 4.7 Mạch khối trung tâm đóng khung bảo vệ hoàn chỉnh 38

Hình 4.8 Lưu đồ toàn hệ thống 39

Hình 4.9 Lưu đồ chương trình con quá trình kiểm tra và gửi dữ liệu lên webserver 40

Hình 4.10 Logo phần mềm Arduino 41

Hình 4.11 Giao diện của phần mềm Arduino 42

Hình 4.12 Bước nhập thư viện cho Arduino 42

Hình 4.13 Bước chọn Boards Manager 43

Hình 4.14 Bước install ESP8266 Community 43

Hình 4.15 Chương trình cho Node MCU ESP8266 trên phần mềm Arduino 44 Hình 4.16 Nạp chương trình cho vi điều khiển 44

Hình 4.18 Giao diện đăng nhập khi truy cập web 58

Hình 4.19 Giao diện khi truy cập website 59

Hình 4.20 Chọn View để chuyển sang giao diện hiển thị dữ liệu của phòng theo ngày trong tháng 59

Hình 4.21 Giao diện hiển thị dữ liệu của phòng theo từng ngày trong tháng 60 Hình 4.22 Chọn Edit để thay đổi tên phòng và giá phòng 60

Hình 4.23 Thay đổi tên phòng giá phòng 61

Hình 4.24 Giao diện khi truy cập website 61

Hình 4.25 Chọn biểu tượng calendar để xem dữ liệu của các tháng khác nhau 62

Hình 5.1 Giao diện website khi đăng nhập 63

Hình 5.2 Giao diện website khi tất cả các phòng đang được sử dụng 64

Hình 5.3 Giao diện website khi có 2 phòng đang được sử dụng 64

Hình 5.4 Kết quả hệ thống module thu thập dữ liệu ở mỗi phòng 65

Hình 5.5 Kết quả hệ thống module ở trung tâm 66

Bảng 2.1 Tên và chức năng các chân của Module RF LoRa SX1278 8

Bảng 2.2 Các chế độ hoạt động của Module RF LoRa Sx1278 9

Bảng 3.1 So sánh giữa các giao thức không dây trong mô hình IoTs 20

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật module RF LoRa SX1278 22

Bảng 3.3 Kết nối module RF LoRa SX1278 và module nguồn AC-DC 5V-1A23 Bảng 3.4 Kết nối module RF LoRa SX1278 với module Node MCU ESP826624 Bảng 3.5 Kết nối giữa Node MCU ESP8266 module RF LoRa SX1278 28

Bảng 4.1 Danh sách linh kiện sử dụng trong mạch 35

Bảng 5.1 Danh sách giá các linh kiện sử dụng trong mạch 67

Hiện nay, những hệ thống thông minh đang là xu hướng của thế giới, được

áp dụng vào hầu hết mọi lĩnh vực của cuộc sống như công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ hay thậm chí là quản lý Trong quá trình tìm hiểu lý thuyết lẫn tình hình thực tế, chúng tôi thấy được vấn đề ở lĩnh vực quản lý thời gian sử dụng phòng khách sạn, mô hình quản lý vẫn còn rất thủ công, được thực hiện chủ yếu bằng con người, mặc dù lĩnh vực này thật sự rất phổ biến và xuất hiện khắp mọi nơi Vì vậy,

hệ thống quản lý thời gian sử dụng phòng khách sạn đang ngày càng đòi hỏi sự thay đổi, cải tiến để đáp ứng được xu thế của thời đại

Nhóm thực hiện đề tài sẽ giới thiệu và trình bày hệ thống quản lý thời gian

sử dụng phòng khách sạn, dùng công nghệ Long Range(LoRa) trong truyền nhận

dữ liệu Trong thực tế, có rất nhiều công nghệ truyền dẫn không dây như: hồng ngoại, bluetooth, RF tuy nhiên hầu hết đều truyền trong khoản cách ngắn Trong khi đó, LoRa cung cấp khả năng vượt trội về tầm xa Do đó, đề tài này được thực hiện nhằm đóng góp giải pháp cho việc quản lý thời gian sử dụng phòng khách sạn với tầm kiểm soát xa hơn, rộng hơn

Mô hình gồm có chức năng chính bao gồm:

Chức năng hiển thị trạng thái sử dụng của các phòng, thông qua webserver bằng trình duyệt trên các nền tảng PC hoặc Mobile

Chức năng quản lý dữ liệu thời gian sử dụng và chi phí sử dụng của mỗi phòng theo ngày và theo tháng, đồng thời người dùng có thể truy xuất dữ liệu theo thời gian thực thông qua webserver

Thiết bị sử dụng module Node MCU ESP8266 làm vi điều khiển trung tâm

để điều khiển các module thu phát RF LoRa SX1278

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay, việc đầu tư vào lĩnh vực khách sạn khá dễ dàng và đem lại lợi nhuận rất cao nên nhiều nhà đầu tư rất sẵn sàng rót vốn vào lĩnh vực này Tuy nhiên do thời gian và khoảng cách xa, người chủ khách sạn khó có thể kiểm soát được doanh số kinh doanh có chính xác hay bị gian lận, bởi việc quản lý thời gian khách sử dụng phòng vẫn phải thông qua nhân viên

Để hạn chế vấn đề nhân viên gian lận thời gian khách thuê phòng khách sạn,

nhóm quyết định thực hiện đề tài “ Thiết kế và thi công hệ thống quản lý thời gian sử dụng phòng khách sạn” để giúp chủ khách sạn có thể cập nhật thông tin

thời gian sử dụng của phòng, truy xuất dữ liệu theo thời gian thực thông qua website

1.2 MỤC TIÊU

Thiết kế và thi công được hệ thống có khả năng cập nhật liên tục trạng thái

và thời gian sử dụng phòng thông qua website Đồng thời hệ thống cũng có thể tính được doanh thu từng phòng

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Trong quá trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp với đề tài “ Thiết kế và thi công

hệ thống quản lý thời gian sử dụng phòng khách sạn”, chúng tôi đã tập trung giải quyết và hoàn thành được những nội dung sau:

 Nội dung 1: Kết nối module RF LoRa SX1278 trung tâm ( module RF

LoRa SX1278 master) và bốn module RF LoRa SX1278 từng phòng ( module RF LoRa SX1278 slave)

 Nội dung 2: Kết nối Node MCU ESP8266 với database qua internet để cập

nhật dữ liệu

 Nội dung 3: Nghiên cứu xây dựng webserver để truy cập cũng như quản lý

cơ sở dữ liệu

 Nội dung 4: Thiết kế mô hình hệ thống và giao diện website

 Nội dung 5: Thi công phần cứng, chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống

 Nội dung 6: Viết báo cáo thực hiện

 Nội dung 7: Bảo vệ luận văn

1.4 GIỚI HẠN

Các thông số giới hạn của đề tài bao gồm:

 Có thể quản lý các phòng trong phạm vi bán kính 100m so với bộ vi điều khiển trung tâm

 Số lượng phòng tối đa có thể quản lý là 255 phòng

 Hệ thống chỉ ở mức độ giám sát thời gian sử dụng phòng trên website

 Hệ thống chỉ hoạt động khi được cấp điện và kết nối internet liên tục

 Chỉ có thể truy xuất dữ liệu trong vòng một năm

 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Chương 2, nhóm tổng quát các kiến thức cơ bản để xây dựng được mô hinh này Bao gồm các lý thuyết, khái niệm các chuẩn giao tiếp, các phần mềm ứng dụng, các công cụ cần thiết

 Chương 3: Tính Toán và Thiết Kế

Chương 3 thiết kế sơ đồ khối hệ thống, giải thích chức năng các khối, tính toán và thiết kế mạch và lựa chọn linh kiện Cụ thể, tính toán và kết nối cho các khối điều khiển trung tâm, khối nguồn, khối thu thập và xử lý dữ liệu và khối website

 Chương 4: Thi Công Hệ Thống

Chương 4 trình bày cách cài đặt hệ điều hành, cài đặt thư viện, các phương pháp điều khiển và hiển thị, lưu đồ giải thuật chính, lưu đồ giải thuật con và giải thích Đồng thời trình bày các bước thi công mạch, sơ đồ mạch layout, lắp ráp, kiểm tra sản phẩm, thi công mô hình, hướng dẫn sử dụng

 Chương 5: Kết quả - Nhận Xét – Đánh giá

Chương 5 nêu lên kết quả đã đạt được so với mục tiêu ban đầu về giao diện website, mạch chạy thực tế Đồng thời đưa ra nhận xét và đánh giá về kết quả thực hiện đề tài

 Chương 6: Kết Luận – Hướng Phát Triển

Chương này đưa ra kết luận chung về những gì đã thực hiện đồng thời đúc kết lại ưu khuyết điểm để đưa ra hướng phát triển cho đề tài để có thể ứng dụng tốt trong thực tế

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Ở Chương 2, nhóm sẽ tổng hợp nêu lên những kiến thức được xem là nền tảng để có thể xây dựng được hệ thống này bao gồm: Tổng quan về website và xây dựng hệ thống webserver, hệ thống IoTs ứng dụng trong điều khiển, hệ thống WiFi và ứng dụng của hệ thống vào IoTs, giới thiệu về MySQL và tổng quan về công nghệ truyền không dây LoRa

Về phần mềm nhóm nêu lên các phần kiến thức như: sơ lược về lập trình, các công cụ lập trình

2.1 CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN

2.1.1 Tổng quan về website

World Wide Web (www), hay gọi tắt là web, là một không gian thông tin toàn cầu mà mọi người có thể truy nhập (gửi và nhận thông tin) qua các máy tính hoặc mobile có kết nối với mạng Internet Thuật ngữ này thường được hiểu nhầm

là từ đồng nghĩa với chính thuật ngữ Internet Nhưng web thực ra chỉ là một trong các dịch vụ chạy trên Internet

Đặc điểm tiện lợi của web: Thông tin dễ dàng cập nhật, thay đổi, khách hàng

có thể xem thông tin ngay tức khắc, ở bất kỳ nơi nào, tiết kiệm chi phí in ấn, gửi bưu điện, fax, thông tin không giới hạn muốn đăng bao nhiêu thông tin cũng được, không giới hạn số lượng thông tin, hình ảnh và không giới hạn phạm vi khu vực

sử dụng toàn thế giới có thể truy cập

2.1.2 Tổng quan về webserver

Web Server là một hay nhiều máy tính mà tại đó chứa đựng mã nguồn của trang web, máy tính đó còn phải được cài các chương trình phục vụ web Chính những chương trình này sẽ thiết lập các kết nối để người trình duyệt web có thể truy cập được vào trang web (ví dụ như IIS của Microsoft)

Hình 2.4 Hệ thống Webserver điển hình

Trong đề tài nhóm sử dụng Web Server để đóng vai trò như một máy chủ để

có thể lưu dữ liệu, cập nhật dữ liệu hoạt động của phòng, cũng như truy xuất thời gian hoạt động của mỗi phòng khi người dùng truy cập

Trong webserver của đề tài thì nhóm sử dụng hosting để tải dữ liệu lên cũng như lưu trữ dữ liệu, một database để chứa tất cả nguồn của trang webserver như là: tên đăng nhập, mật khẩu, thời gian, dữ liệu thời gian sử dụng, doanh thu của phòng theo thời gian hiện tại, theo ngày và theo tháng,

Để làm được điều đó thì cũng cần một chương trình trung gian ở server để nhận dữ liệu từ hệ thống cũng như trích xuất dữ liệu từ database Chương trình ở server nhóm đã lựa chọn PHP, nhóm đã sử dụng ngôn ngữ PHP để lập trình để tiếp nhận dữ liệu từ hệ thống IoTs và thiết lập cơ sở dữ liệu

2.1.3 Tổng quan về Internet of Things

a Giới thiệu

Internet of Things (IoTs) mô tả mạng lưới kết nối vạn vật Khi mà mỗi đồ vật hay cả con người được cung cấp một định danh riêng và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất IoTs phát triển từ

sự kết hợp của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet Nói đơn giản IoTs 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

Hình 2.5 Kiến trúc một mô hình IoTs điển hình

b Ứng dụng của IoTs

IoTs có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: công nghiệp (điều khiển hệ thống máy tự động trong nhà máy, giám sát hệ thống cảm biến trong nhà máy, tự động hóa điều khiển các thiết bị tự động trong nhà máy), quản lí các ngành, phản hồi trong các tinh huống khẩn cấp, quản lí các thiết bị cá nhân, đồng hồ đo thông minh,

tự động hóa ngôi nhà và các thiết bị cần thiết

2.1.4 Giới thiệu về MySQL

MySQL là một Database Server, là hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu quan hệ Trong việc lưu trữ, tìm kiếm, sắp xếp và truy vấn dữ liệu, nó rất nhanh và mạnh

mẽ MySQL Server điều khiển truy cập dữ liệu đa người dùng cùng một thời điểm, cung cấp khả năng truy cập dữ liệu nhanh, bảo đảm cho người sử dụng được cấp quyền truy cập dữ liệu của hệ thống Do vậy, MySQL là đa người dùng, đa luồng MySQL có thể quản lý tới hàng Terabyte dữ liệu, hàng triệu bản ghi, chạy trên nhiều môi trường khác nhau, có giao diện tương đối dễ sử dụng, có thể truy vấn dữ liệu thông qua câu lệnh SQL

MySQL được sử dụng chung với PHP trong những trang web cần sử dụng đến cơ sở dữ liệu

2.1.5 Tổng quan về công nghệ LoRa

a Giới thiệu

LoRa là viết tắt của Long Range Radio được nghiên cứu và phát triển bởi Cycleo và sau này được mua lại bởi công ty Semtech năm 2012 Với công nghệ này, chúng ta có thể truyền dữ liệu với khoảng cách lên hàng km mà không cần các mạch khuếch đại công suất; từ đó giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ khi truyền/nhận dữ liệu Do đó, LoRa có thể được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng thu thập dữ liệu và gửi dữ liệu về trung tâm cách xa hàng km và có thể hoạt động với battery trong thời gian dài trước khi cần thay pin

b Nguyên lý hoạt động

LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế gọi là Chirp Spread Spectrum Có thể hiểu nôm na nguyên lý này là dữ liệu sẽ được băm bằng các xung cao tần để tạo ra tín hiệu có dãy tần số cao hơn tần số của dữ liệu gốc (cái này gọi là chipped); sau đó tín hiệu cao tần này tiếp tục được mã hoá theo các chuỗi chirp signal (là các tín hiệu hình sin có tần số thay đổi theo thời gian; có 2 loại chirp signal là up-chirp có tần số tăng theo thời gian và down-chirp có tần số giảm theo thời gian; và việc mã hoá theo nguyên tắc bit 1 sẽ sử dụng up-chirp, và bit 0 sẽ sử dụng down-chirp) trước khi truyền ra anten để gửi đi

Theo Semtech công bố thì nguyên lý này giúp giảm độ phức tạp và độ chính xác cần thiết của mạch nhận để có thể giải mã và điều chế lại dữ liệu; hơn nữa LoRa không cần công suất phát lớn mà vẫn có thể truyền xa vì tín hiệu LoRa có thể được nhận ở khoảng cách xa ngay cả độ mạnh tín hiệu thấp hơn cả nhiễu môi trường xung quanh

Băng tần làm việc của LoRa từ 430MHz đến 915MHz cho từng khu vực khác nhau trên thế giới:

 430MHz cho châu Á

 780MHz cho Trung Quốc

 433MHz hoặc 866MHz cho châu Âu

 915MHz cho USA

Nhờ sử dụng chirp signal mà các tín hiệu LoRa với các chirp rate khác nhau

có thể hoạt động trong cùng một khu vực mà không gây nhiễu cho nhau Điều này cho phép nhiều thiết bị LoRa có thể trao đổi dữ liệu trên nhiều kênh đồng thời (mỗi kênh cho một chirprate)

Hình 2.3 Kích thước và sơ đồ chân Module RF LoRa SX1278

Bảng 2.1 Tên và chức năng các chân của Module RF LoRa SX1278

1 M0 Ghép với M1 và quyết định bốn chế độ hoạt động

2 M1 Ghép với M0 và quyết định bốn chế độ hoạt động

3 RDX Đầu vào TTL UART, kết nối với đầu ra TXD bên

ngoài ( Node MCU ESP8266)

4 TDX Đầu ra TTL UART, kết nối với đầu vào TXD bên

ngoài ( Node MCU ESP8266)

5 AUX Để biểu thị trạng thái làm việc của module

Thiết bị nhận nên được đặt ở mode

0 hoặc mode 1

1(Wake-up) 0 1 Thiết bị truyền được

đặt ở mode 1

Thiết bị nhận có thể làm việc ở mode 0, mode 1, mode 2

2 (Power-saving) 1 0 Thiết bị nhận được

đặt ở mode 2

Thiết bị truyền không được phép đặt ở mode này

3 (Sleep) 1 1 Cấu hình thông số

Module RF LoRa SX1278 có ba cách để truyền dữ liệu giữa các module với nhau:

 Truyền điểm – điểm: các module phải được cấu hình cùng kênh và cùng địa chỉ

Hình 2.4 Mô tả truyền điểm – điểm

 Truyền cố định: các module khác kênh, khác địa chỉ có thể truyền nhận dữ liệu với nhau với điều kiện thiết bị truyền phải gửi kèm kênh + địa chỉ của thiết bị nhận khi gửi dữ liệu

Hình 2.5 Mô tả truyền cố định

 Truyền broadcast: một module được cấu hình với địa chỉ là FF FF, module này có thể phát dữ liệu đến tất cả các module có cùng kênh

Hình 2.6 Mô tả truyền broadcast

c Cấu hình module RF LoRa SX1278

Cấu hình Module RF LoRa SX1278 SX1278 chính là cài đặt địa chỉ, số kênh, tốc độ truyền và các cài đặt cần thiết để có thể truyền nhận dữ liệu giữa các module

RF LoRa SX1278 với nhau

Bước 1 Cần phải có mạch chuyển USB-UART để giao tiếp giữa Module RF

LoRa SX1278 và máy tính qua cổng USB, giúp cấu hình với Software hoặc truyền nhận dữ liệu trực tiếp với máy tính dễ dàng

Hình 2.7 Mạch chuyển giao tiếp USB UART SX1278

Ngoài ra chúng ta cũng cần phải có phần mềm cấu hình RF_Setting_EN_V2.7

Hình 2.8 Giao diện khi khởi động phần mềm RF_Setting_EN_V2.7

Hình 2.9 Giao diện phần mềm RF_Setting_EN_V2.7

Trước khi cấu hình, Module RF LoRa SX1278 phải chuyển qua chế độ sleep, ta cần gỡ 2 jump kết nối trên mạch chuyển USB-UART như hình để chân M0, M1 lên mức 1

Hình 2.10 Chuyển sang chế độ sleep cho Module RF LoRa SX1278

Module RF LoRa SX1278 có 32 kênh ( 0 – 31) và 65536 (0-65535) địa chỉ

Địa chỉ cuối 65535 được mặc định là địa chỉ host ( server)

Sau đây là cách cấu hình cho từng hình thức truyền:

 Cấu hình truyền điểm điểm: ở cách truyền này, cả 2 LoRa được đặt cùng địa chỉ và cùng kênh

 Cấu hình truyền cố định: ở cách này thì phải chọn chế độ Target trong mục Transmit mode

Hình 2.11 Chọn chế độ Target

Ở hình thức truyền cố định, khi gửi dữ liệu thì phải kèm theo địa chỉ và kênh module RF LoRa SX1278 cần gửi đến Ví dụ module RF LoRa SX1278 A

có địa chỉ 01 kênh 01 muốn kết nối với module RF LoRa SX1278 B có địa chỉ

02, kênh 02, thì khi module A gửi dữ liệu phải kèm theo địa chỉ và kênh của module B là: 00 02 02 < data>

Đây cũng chính là chế độ mà nhóm thực hiện đồ án chọn, một Module RF LoRa SX1278 sẽ được cấu hình địa chỉ host ( 65535) và đặt ở khối điều khiển trung tâm, các module còn lại sẽ được cấu hình cùng kênh nhưng khác địa chỉ

 Cấu hình truyền broadcast: khi chọn chế độ này thì phải chọn Transparent trong mục Transmit mode

Hình 2.12 Chọn chế độ Transparent

2.2 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP

2.2.1 Giới thiệu về mạng không dây

a Giới thiệu

WiFi là viết tắt của Wireless Fidelity, được gọi chung là mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến, loại sóng vô tuyến này tương tự như sóng truyền hình, điện thoại và radio

WiFi phát sóng trong phạm vi nhất định, các thiết bị điện tử tiêu dùng ngày nay như laptop, smartphone hoặc máy tính bảng có thể kết nối và truy cập internet trong tầm phủ sóng

b Nguyên tắc hoạt động

Để tạo được kết nối WiFi nhất thiết phải có bộ thu phát, thông tin từ mạng internet qua kết nối hữu tuyến rồi chuyển nó sang tín hiệu vô tuyến và gửi đi, bộ chuyển tín hiệu không dây trên các thiết bị di động thu nhận tín hiệu này rồi giải

mã nó sang những dữ liệu cần thiết Quá trình này có thể thực hiện ngược lại, nhận tín hiệu vô tuyến từ adapter và giải mã chúng rồi gửi qua internet

Hình 2.16 Mô hình hệ thống WiFi trong nhà

Tuy nói WiFi tương tự như sóng vô tuyến truyền hình, radio hay điện thoại nhưng nó vẫn khác các loại sóng kia ở mức độ tần số hoạt động

Sóng WiFi truyền nhận dữ liệu ở tần số 2,5GHz đến 5GHz Tần số cao này cho phép nó mang nhiều dữ liệu hơn nhưng phạm vi truyền của nó bị giới hạn; còn các loại sóng khác, tuy tần số thấp nhưng có thể truyền đi được rất xa

Kết nối WiFi sử dụng chuẩn kết nối 802.11 trong thư viện IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), chuẩn này bao gồm 4 chuẩn nhỏ a/b/g/n

2.2.2 Chuẩn giao tiếp UART

Hình 2.17 Hệ thống truyền dữ liệu bất đồng bộ

b Các thông số UART

Hình 2.18 Khung truyền dữ liệu của chuẩn giao tiếp UART

Dưới đây là các thông số thường có của UART:

Baud Rate (tốc độ baud): Khi truyền nhận không đồng bộ để hai đối tượng hiểu được nhau thì cần quy định một khoảng thời gian cho một bit truyền nhận, nghĩa là trước khi truyền thì tốc độ phải được cài đặt đầu tiên Theo định nghĩa thì tốc độ baud là số bit truyền trong một giây

Frame (khung truyền): Do kiểu truyền thông nối tiếp này rất dễ mất dữ liệu nên ngoài tốc độ, khung truyền cũng được cài đặt từ ban đầu để tránh bớt sự mất mát dữ liệu này Khung truyền quy định số bit trong mỗi lần truyền, các bit báo hiệu như start, stop, các bit kiểm tra như parity, và số bit trong một data

Start Bit: Là bit bắt đầu trong khung truyền Bit này nhằm mục đích báo cho thiết bị nhận biết quá trình truyền bắt đầu

Data: Dữ liệu cần truyền Data không nhất thiết phải 8 bit Trong UART bit LSB được truyền đi trước, bit MSB được truyền đi sau

Parity Bit: Là bit kiểm tra dữ liệu được truyền có chính xác không Có 2 loại

parity: chẵn (even parity), lẻ (odd parity) Parity chẵn là bit parity thêm vào để số

lượng số 1 trong data và parity là chẵn Parity lẻ là bit parity thêm vào để số lượng

số 1 trong data và parity là lẻ Bit Parity là không bắt buộc nên có thể dùng hoặc

không

Stop Bit: là bit báo cáo kết thúc khung truyền, có thể có 1 hoặc 2 bit stop

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

3.1 GIỚI THIỆU

Đề tài này yêu cầu thiết kế hệ thống để thu thập dữ liệu thời gian sử dụng

ở mỗi phòng, từ vi xử lý đưa dữ liệu hiển thị lên website Ở chương này sẽ tập trung tính toán phần công suất và thiết kế các khối, để lựa chọn linh kiện và thiết bị phù hợp cho hệ thống Thiết kế giao diện giám sát mô hình hoạt động Các yêu cầu đặt ra cho mô hình như sau:

 Thu thập dữ liệu thời gian sử dụng, thời gian phòng hoạt động và không hoạt động, chuyển chế độ và đáp ứng kịp thời khi thay đổi dữ liệu

 Dữ liệu truyền đến server nhanh chóng và đầy đủ và chính xác

 Kết cấu chắc chắn, gọn nhẹ, giao diện điều khiển đơn giản, dễ dàng sử dụng

 Phù hợp với điều kiện kinh tế

3.2 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG

Sau một thời gian khảo sát và tìm hiểu các yêu cầu đề tài, dựa trên các yêu cầu của một hệ thống quản lý thời gian sử dụng phòng khách sạn, sơ đồ khối toàn

hệ thống được trình bày như hình sau:

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống

Chức năng của các khối như sau:

Khối xử lý trung tâm: chức năng chính là xử lý, trao đổi dữ liệu từ các

module trong khối thu thập dữ liệu và đưa dữ liệu thu thập đã được xử lý lên khối website

Khối thu thập dữ liệu: có chức năng thu thập dữ liệu và gửi dữ liệu về khối

xử lý trung tâm, nhận dữ liệu từ vi điều khiển sau đó chuyển đổi thành sóng RF để truyền đi và ngược lại

Khối website: là hệ thống website có chức năng hiển thị dữ liệu, thông qua

database có thể truy xuất dữ liệu thu thập được

Khối nguồn: đây là khối cung cấp nguồn vào cho toàn bộ hệ thống bao gồm

khối xử lý trung tâm, các module khối thu thập dữ liệu

3.3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH

3.3.1 Khối thu thập dữ liệu

a Vai trò

Khối thu thập dữ liệu có chức năng thu thập dữ liệu, giao tiếp và gửi dữ liệu

về khối xử lý trung tâm để xử lý và hiển thị

b Phân tích lựa chọn linh kiện

Các công nghệ không dây được sử dụng phổ biến hiện nay bao gồm: Bluetooth, Zigbee, LoRa,… Các so sánh về hiệu năng hoạt động giữa công nghệ LoRa và các công nghệ không dây phổ biến khác sử dụng trong lĩnh vực IoTs như Bluetooth, ZigBee, WiFi, trình bày dưới bảng sau

Bảng 3.1 So sánh giữa các giao thức không dây trong mô hình IoTs

DSSS ( Direct Spread Spectrum Sequence)

OFDM ( Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

CSS ( Chirp Spread Spectrum)

Số liệu ở Bảng 3.1 cho thấy, công nghệ LoRa rất phù hợp với các ứng dụng

có vùng phủ sóng tầm xa hoặc môi trường có vật cản như môi trường khách sạn LoRa cho phép truyền thông tin tới nhiều thiết bị với tốc độ cao, các thiết bị có thể kết nối với nhau ở phạm vi rất rộng và đặc biệt các thiết bị LoRa có thể duy trì kết nối và chia sẻ dữ liệu trong thời gian dài

Với giá thành thấp cùng với những ưu điểm của công nghệ LoRa, nhóm đã quyết định chọn module RF LoRa SX1278 cho khối thu thập dữ liệu

Hình 3.2 Module RF LoRa SX1278

Các module ngoại vi được sử dụng trong khối thu thập và xử lý dữ liệu bao gồm 5 module thu-phát sóng RF LoRa SX1278 Trong đó, một module RF LoRa SX1278 kết nối với khối xử lý trung tâm, đóng vai trò là LoRa Master, nhận lệnh điều khiển từ khối xử lý trung tâm; đồng thời module RF LoRa SX1278 Master này cũng giao tiếp với 4 module RF LoRa SX1278 qua sóng RF 4 module LoRa

ở các phòng đóng vai trò là các module RF LoRa SX1278 Slave LoRa Master sẽ gửi dữ liệu cho 4 module RF LoRa SX1278, đợi phản hồi và trả về kết quả cho

khối xử lý trung tâm

c Các thông số chính

Các thông số chính của module RF LoRa SX1278 được trình bày ở bảng sau

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật module RF LoRa SX1278

Chuẩn giao tiếp UART

Độ dài chuỗi khi nhận Gói dữ liệu 256 bytes

Khoảng cách truyền tối đa trong

điều kiện lý tưởng

 Một module RF LoRa SX1278 kết nối với mạch nguồn và module Node MCU ESP8266, đóng vai trò là LoRa trung tâm ( LoRa Master)

 Năm module RF LoRa SX1278 kết nối với mạch nguồn, đóng vai trò là các LoRa ở 4 phòng ( LoRa Slave) để thu thập dữ liệu thời gian hoạt động của các phòng

Chân RXD và TXD của mỗi module RF LoRa SX1278 đóng vai trò Slave được nối với nhau Khi LoRa Slave nhận được data từ sóng RF điều khiển bởi LoRa Master, nó sẽ truyền qua chân TX Chân TX nối chung với chân RX, nên khi đó LoRa nhận được tín hiệu UART, nó sẽ phát sóng RF ngược lại và LoRa Master sẽ nhận được phản hồi từ LoRa Slave

Kết nối module RF LoRa SX1278 với khối nguồn

Cách kết nối module RF LoRa SX1278 và module nguồn AC-DC 5V-1A được trình bảy ở bảng sau

Bảng 3.3 Kết nối module RF LoRa SX1278 và module nguồn AC-DC 5V-1A

Chân VCC của module RF LoRa SX1278 nối vào ngõ ra +DC của module nguồn và dây GND Node MCU ESP8266 nối vào ngõ ra -DC của module nguồn Chân M0 và M1 của module RF LoRa SX1278 nối GND, vì module hoạt động ở chế độ phát truyền liên tục nên cần ở trạng thái 00

Kết nối module RF LoRa SX1278 với module Node MCU ESP8266

Module RF LoRa SX1278 kết nối với mạch nguồn và module Node MCU ESP8266, đóng vai trò là LoRa trung tâm ( LoRa Master) Module này sẽ nhận tín hiệu điều khiển từ ESP8266, gửi tín hiệu đi dưới dạng sóng RF cho các module

RF LoRa SX1278 Slave, nhận phản hồi Đồng thời gửi dữ liệu phản hồi cho module Node MCU ESP8266 qua hai chân RX, TX Cách kết nối module RF LoRa SX1278 với module Node MCU ESP8266 được trình bày ở bảng sau

Bảng 3.4 Kết nối module RF LoRa SX1278 với module Node MCU ESP8266

RF LoRa SX1278 Node MCU ESP8266

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý kết nối module RF LoRa SX1278 Master với module

Node MCU ESP8266

Cách nối dây cho Node MCU ESP8266 vào module RF LoRa SX1278 như sau:

Module Node MCU ESP8266 cấp nguồn cho module RF LoRa SX1278 hoạt động thông qua hai chân VCC và GND

Chân D5, D6 đóng vai trò là TX, RX của Node MCU ESP8266 dùng để giao tiếp với LoRa SX1278

Chân D1, D2 set mode hoạt động cho LoRa Master

Chân D7 của module Node MCU ESP8266 nối vào chân AUX của module

RF LoRa SX1278 để có thể xác định một quá trình truyền nhận giữa LoRa Master

và LoRa Slave đã hoàn thành hay chưa

Thiết lập cả hai module Node MCU ESP8266 và module RF LoRa SX1278

b Phân tích lựa chọn linh kiện

Để phù hợp yêu cầu của đề tài và sự phổ biến trên thị trường, nhóm đã chọn được 2 kit như sau: Raspberry Pi và Node MCU ESP8266 Trong đó, Node MCU ESP8266 là nền tảng IoTs mở, được phát triển dựa trên Chip WiFi ESP8266 bên trong của Module giúp dễ dàng kết nối chỉ với vài thao tác Với kích thước nhỏ gọn, linh hoạt thì module có thể dễ dàng kết nối với các thiết bị ngoại vi, hoàn thiện các dự án hay sản phẩm một cách nhanh chóng và đơn giản nhất

Nhóm quyết định chọn kit Node MCU ESP8266 cho khối xử lý trung tâm, dựa trên ưu điểm về tiết kiệm tài nguyên, tiếp cận dễ dàng cũng như giá thành thấp hơn

Hình 3.5 Ảnh thực tế Node MCU ESP8266

 Điện áp vào: 5V thông qua cổng micro USB

 Số chân I/O: 11 (tất cả các chân I/O đều có Interrupt/PWM/I2C/One-wire, trừ chân D0)

 Số chân Analog Input: 1 (điện áp vào tối đa 3.3V)

 Bộ nhớ Flash: 4MB

 Giao tiếp: Cable Micro USB

 Lập trình trên các ngôn ngữ: C/C++, Micropython, Node MCU – Lua

Sơ đồ chân Node MCU ESP8266 như sau

Hình 3.6 Sơ đồ chân Node MCU ESP8266

Node MCU có tổng cộng 13 chân GPIO tuy nhiên một số chân được dùng cho những mục đích quan trọng khác vì vậy chúng ta phải lưu ý khi sử dụng như sau:

 Tất cả các GPIO đều có trở kéo lên nguồn bên trong (ngoại trừ GPIO16 có trở kéo xuống GND) Người dùng có thể cấu hình kích hoạt hoặc không kích hoạt trở kéo này

 GPIO1 và GPIO3: hai GPIO này được nối với TX và RX của bộ UART0, Node MCU nạp code thông qua bộ UART này nên tránh sử dụng 2 chân GPIO này

 GPIO0, GPIO2, GPIO15: đây là các chân có nhiệm vụ cấu hình mode cho ESP8266 điều khiển quá trình nạp code nên bên trong Node MCU (có tên gọi là strapping pins) có các trở kéo để định sẵn mức logic cho chúng như sau: GPIO0: HIGH, GPIO2: HIGH, GPIO15: LOW Vì vậy khi muốn sử dụng các chân này ở vai trò GPIO cần phải thiết kế một nguyên lý riêng để tránh xung đột đến quá trình nạp code

 GPIO9, GPIO10: hai chân này được dùng để giao tiếp với External Flash của ESP8266 vì vậy cũng không thể dùng được (đã test thực nghiệm) Như vậy, các GPIO còn lại: GPIO 4, 5, 12, 13, 14, 16 có thể sử dụng bình thường

d Sơ đồ nguyên lý

Kết nối giữa module Node MCU ESP8266 và LoRa SX1278 dựa theo chuẩn kết nối UART, chỉ cần kết nối chân TX, RX của module Node MCU ESP8266 lần lượt với chân RX, TX của module RF LoRa SX1278 để truyền nhận dữ liệu Dữ liệu thu được từ các module RF LoRa SX1278 sẽ được chuyển qua cho ESP8266

xử lý Ở đây, chỉ có module RF LoRa SX1278 Master kết nối với module ESP8266

để nhận tín hiệu điều khiển và trao đổi dữ liệu

Bảng 3.5 Kết nối giữa Node MCU ESP8266 module RF LoRa SX1278

RF LoRa SX1278 Node MCU ESP8266

Cách nối dây cho Node MCU ESP8266 vào module RF LoRa SX1278 như sau: Chân 3.3V, GND của Node MCU ESP8266 cấp nguồn cho LoRa SX1278 hoạt động

Chân D5, D6 đóng vai trò là TX, RX của Node MCU ESP8266, giao tiếp với LoRa SX1278 thông qua hai chân RXD, TXD của LoRa SX1278

Chân D1, D2 có chức năng set mode 00 cho LoRa hoạt động nên nối với hai chân M0 và M1 của LoRa

Chân D7 của module Node MCU ESP8266 nối vào chân AUX của module

RF LoRa SX1278 để có thể xác định một quá trình truyền nhận giữa 2 LoRa Master

và LoRa Slave đã hoàn thành hay chưa

Thiết lập cả hai module Node MCU ESP8266 và module RF LoRa SX1278

3.3.3 Khối nguồn

a Tính chọn nguồn

Nguồn điều khiển cung cấp cho toàn bộ ngoại vi, các ngoại vi gồm:

 1 module ESP8266 Node MCU sử dụng nguồn 5V, dòng tối đa 800mA

 5 module RF LoRa SX1278 sử dụng nguồn 5V, dòng tối đa 120mA

Suy ra ta chọn nguồn 5V để cấp cho toàn bộ hệ thống Trên module Node MCU ESP8266 có tích hợp sẵn IC ổn áp AMS 1117 để tạo mức điện áp 3,3V

Hình 3.8 Sơ đồ chân AMS1117

Hình 3.9 Sơ đồ kết nối IC AMS1117

Các chân GND và Vin nối với nguồn đầu vào và tạo ra nguồn 3.3V ở Vout cấp cho mạch

b Tính toán công suất

Nguồn công suất là khối nguồn cung cấp cho mỗi module ở vị trí riêng biệt nên cần một nguồn cung cấp với dòng điện ổn định và kích thước nhỏ gọn

Ở đây ta cần 5 nguồn riêng biệt cho:

 4 module RF LoRa SX1278 ở 4 phòng riêng biệt

 1 module RF LoRa SX1278 Master và 1 module ESP8266 ở trung tâm

Theo lý thuyết dòng vào của module RF LoRa SX1278 khi module ở chế

độ truyền sóng tối đa là 120mA

Do đó điện năng tiêu thụ theo lý thuyết của 1 module RF LoRa SX1278 là