BÀI tập lớn môn FPGA và ỨNG DỤNG thiết kế vườn thông minh điều khiển qua FPGA và đồng bộ trên app điện thoại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA BÀI TẬP LỚN MÔN FPGA VÀ ỨNG DỤNG Thiết kế vườn thông minh điều khiển qua FPGA và đồng bộ trên app điện thoại Giảng viên[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA

BÀI TẬP LỚN MÔN FPGA VÀ ỨNG DỤNG Thiết kế vườn thông minh điều khiển qua FPGA và đồng bộ

trên app điện thoại

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Đại Dương

Danh sách thành viên nhóm 16:

1 Trần Trọng Dũng 20181431

4 Ninh La Văn Cảnh 20181347

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 LỰA CHỌN PHẦN CỨNG 1

1.1 Mục tiêu 1

1.2 Thông tin phần cứng 1

1.2.1 Kit FPGA DE2 1

1.2.2 Cảm biến LM35 2

1.2.3 Cảm biến photodiode quang 3

1.2.4 Cảm biến độ ẩm đất 3

1.2.5 ADC0809 4

1.2.6 ESP8266 5

1.2.7 Blynk 7

1.3 Sơ đồ nguyên lý 9

1.3.1 Khối ADC 10

1.3.2 Khối LCD 11

1.3.3 Khối truyền nhận UART 11

1.3.4 Khối Led 7 thanh 12

CHƯƠNG 2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 13

CHƯƠNG 3 KẾT LUẬN 14

3.1 Kết luận 14

3.2 Hướng phát triển 14

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1:Kit FPGA DE2 1

Hình 1 2: Cảm biến nhiệt độ LM35 2

Hình 1 3: Cảm biến photodiode quang 3

Hình 1 4: Cảm biến độ ẩm đất 3

Hình 1 5: Module chuyển đổi LM393 4

Hình 1 6: ADC0809 5

Hình 1 7: ESP8266 6

Hình 1 8: Sơ đồ chân esp8266 8

Hình 1 9: Sơ đồ nguyên lý 10

Hình 1 10: Sơ đồ khối 10

Hình 1 11: Khối ADC 10

Hình 1 12: Nguyên lý chuyển đổi ADC 11

Hình 1 13: Khối LCD 11

Hình 1 14: Khối UART 12

Hình 1 15: Sơ đồ truyền nhận 12

Hình 1 16: Khối Led 7 thanh 13

DANH MỤC BẢNG

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Cách mạng công nghiệp 4.0 mở ra thì mang lại rất nhiều cơ hội và tương lai cho rất nhiều lĩnh vực, không ngoại trừ nông nghiệp Các mô hình như là nông trại thông minh, vườn thông minh, … được phổ biến rất nhiều Tuy nhiên cũng gặp khá nhiều thách thức như là vấn đề bảo mật, tính đồng bộ cũng như khả năng kiểm soát các thông số môi trường Trong báo cáo này, chúng em xây dựng một

số thiết bị đo lường các thông số trong môi trường ảnh hưởng đến vườn thông minh, như là độ ẩm, nhiệt độ và ánh sáng Việc tìm hiểu một cách tổng quát về các dòng cảm biến đang được sử dụng phổ biến hiện nay cũng được thực hiện, qua đó các loại cảm biến phù hợp được lựa chọn đưa vào thiết bị Một thiết bị mẫu cũng được xây dựng để chạy thử và đánh giá tính khả thi của giải pháp Ngoài ra thì chúng em cũng tìm cách đồng bộ việc kiểm soát các thông số này trên ứng dụng điện thoại để có thể dễ theo dõi cũng như cảnh báo khi tính hướng xấu xảy ra

CHƯƠNG 1 LỰA CHỌN PHẦN CỨNG 1.1 Mục tiêu

 Làm quen và sử dụng KIT FPGA

 Đọc và xử lý tín hiệu từ đầu ra của các cảm biến LM35, LM393 và photodiode quang

 Hiện thị nhiệt độ và độ ẩm lên LCD và hiển thị ánh sáng qua Led

1.2 Thông tin phần cứng

1.2.1 Kit FPGA DE2

Kit FPGA DE2 với 33216 Logic Element

Hình 1 1:Kit FPGA DE2

Đặc điểm Kit FPGA DE2:

Kit DE2 có rất nhiều tính năng cho phép có thể thiết kế thực hiện một khối lượng lớn các hệ thống , mạch chức năng từ đơn giản đến phức tạp, có các tính năng được cung cấp sẵn trên kid như:

- Altera Cyclone II 2C35 FPGA

- Altera Serial Configuration device – EPCS 16

- USB blatster dung để lặp tình hệ thống từ pc, hỗ trợ các chế độ JTAG cũng như điều khiển trực tiếp khi sử dụng NIOS II

- 512 – Kbyte SRAM

- 8 – Mbyte SDRAM

- 4 – Mbyte bộ nhớ FLASH

- Khe cắm SD card

- 4 phím nhấn PushButton KEY [3:0]

- 18 Swith

- 18 đèn ledr và 9 đèn ledg

- 2 nguồn clock là 50M và 27 M

- Chip giải mã âm thanh 24 bits với các jack cắm line-in, line-out và microphone

- VGA DAC

- TV decoder (NTSC/PAL) với TV-in(Video-in)

- Cổng 10/100 ethenet

- Bộ điều khiển usb host/slave

- Rs-232 với cổng kết nối 9 chân

- Cổng ps/2 giao tiếp với choột và keyboard

- Cổng hồng ngoại

- 40 chân đế mở rộng

1.2.2 Cảm biến LM35

Hình 1 2: Cảm biến nhiệt độ LM35

Cảm biến nhiệt độ LM35 có điện áp Analog đầu ra tuyến tính theo nhiệt độ thường được sử dụng để đo nhiệt độ của môi trường hoặc theo dõi nhiệt độ của thiết bị, , cảm biến có kiểu chân TO-92 với chỉ 3 chân rất dễ giao tiếp và sử dụng

LM35 là cảm biến đo nhiệt độ với điện áp đầu ra tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ LM35 không yêu cầu bất kỳ hiệu chuẩn bên ngoài nào để cung cấp độ chính xác điển hình là ± ¼ °C ở nhiệt độ phòng và ± ¾ °C trong phạm vi nhiệt độ từ -55 °C đến 150 °C

Chi phí phù hợp với đề tài

Vì thiết bị LM35 chỉ lấy 60 μA, nên sai số nhiệt độ dòng thấp và phụ hợp các ứng dụng điều khiển từ xa năng lượng thấp

Bảng 1-1 Thông số kỹ thuật cảm biến LM35

1 Điện áp hoạt động 4-20 VDC

2 Công suất tiêu thụ 60 μA

3 Khoảng đo -55 – 150°C

4 Điện áp tuyến tính theo nhiệt độ 10mV/°C

7 Kích thước sản phẩm 4.3x4.3mm

2

1.2.3 Cảm biến photodiode quang

Hình 1 3: Cảm biến photodiode quang

Cảm biến ánh sáng Photodiode là một module rất nhạy cảm với cường độ ánh sáng môi trường xung quanh, thường được sử dụng để phát hiện độ sáng môi trường xung quanh và cường độ ánh sáng, định hướng, gây ra chỉ có ánh sáng trực tiếp ở phía trước của bộ cảm biến, tìm kiếm cho các hiệu ứng ánh sáng tốt hơn, chính xác hơn

Đặc điểm:

 Điều chỉnh độ nhạy (màu xanh trong điều chỉnh chiết áp kỹ thuật số FIG)

 Điện áp: 3.3- 5V

 Output hình thức: DO đầu ra chuyển mạch kỹ thuật số (0 và 1) và đầu ra analog AO

 Kích thước: 3.2cm x 1.4cm

1.2.4 Cảm biến độ ẩm đất

Bộ sản phẩm gồm một cảm biến độ ẩm đất và một module chuyển đổi với ngõ ra Analog - Digital Cảm biến độ ẩm đất được hoạt động với 2 chế độ ngõ ra (Analog & Digital), trạng thái đầu ra mức thấp (0V), khi đất thiếu nước đầu ra sẽ

là mức cao (5V)

1.2.4.1 Cảm biến độ ẩm đất

Hình 1 4: Cảm biến độ ẩm đất

4

Hai đầu đo của cảm biến được cắm vào đất để phát hiện độ ẩm Dùng dây nối giữa cảm biến và module chuyển đổi Thông tin về độ ẩm đất sẽ được đọc về và gởi tới module chuyển đổi

1.2.4.2 Module chuyển đổi

Hình 1 5: Module chuyển đổi LM393

Module chuyển đổi có cấu tạo chính gồm một IC so sánh LM393, một biến trở ,

4 điện trở dán 100 ohm và 2 tụ dán Biến trở có chức năng định ngưỡng so sánh với tín hiệu độ ẩm đất đọc về từ cảm biến Ngưỡng so sánh và tín hiệu cảm biến

sẽ là 2 đầu vào của IC so sánh LM393 Khi độ ẩm thấp hơn ngưỡng định trước, ngõ ra của IC là mức cao (1), ngược lại là mức thấp (0)

Đặc điểm

 Điện áp hoạt động: 3.3V-5V

 Kích thước PCB: 3cm * 1.6cm

 Led báo hiệu

 Led đỏ báo nguồn

 Led xanh báo mức độ ẩm ở pin DO

1.2.5 ADC0809

Hình 1 5: ADC0809

ADC0809 là một thiết bị CMOS tích hợp với một bộ chuyển đổi từ tương tự sang số 8 bit, bộ chọn 8 kênh và một bộ logic điều khiển tương thích Bộ chuyển

đổi AD 8bit này dùng phương pháp chuyển đổi xấp xỉ tiếp Bộ chọn kênh có thể truy xuất bất kỳ kênh nào trong các ngõ vào tương tự một cách độc lập

ADC0809 loại trừ khả năng cần thiết điều chỉnh điểm 0 bên ngoài và khả năng điều chỉnh tỉ số làm tròn ADC0809 dễ dàng giao tiếp với các bộ vi xử lý

Thông số kỹ thuật:

Độ phân giải 8bit

Tổng sai số chưa chỉnh định: 1/2LSB, 1LSB

Nguồn cung cấp: +5V

Điện áp ngõ vào: 0-5V

Tần số xung clock: 10kHz-1280 kHz

Nhiệt độ hoạt động: -40 ~ 85oC

1.2.6 ESP8266

6

Hình 1 7: ESP8266

ESP8266 là một hệ thống trên chip (SoC), do công ty Espressif của Trung Quốc sản xuất Nó bao gồm bộ vi điều khiển Tensilica L106 32-bit (MCU) và bộ thu phát Wi-Fi Nó có 11 chân GPIO (Chân đầu vào / đầu ra đa dụng) và một đầu vào analog, có nghĩa là bạn có thể lập trình nó giống như với Arduino hoặc vi điều khiển khác Bản thân chip ESP8266 có 17 chân GPIO, nhưng 6 trong số các chân này (6-11) được sử dụng để giao tiếp với chip nhớ flash trên bo mạch Ngoài ra nó có kết nối Wi-Fi, vì vậy bạn có thể sử dụng nó để kết nối với mạng Wi-Fi, kết nối Internet, lưu trữ máy chủ web với các trang web thực

ESP8266 có thể được dùng làm module Wifi bên ngoài, sử dụng firmware tập lệnh AT tiêu chuẩn bằng cách kết nối nó với bất kỳ bộ vi điều khiển nào sử dụng UART nối tiếp hoặc trực tiếp làm bộ vi điều khiển hỗ trợ Wifi, bằng cách lập trình một chương trình cơ sở mới sử dụng SDK được cung cấp

Các chân GPIO cho phép IO Analog và Digital, cộng với PWM, SPI, I2C, v.v

ESP8266 có nhiều ứng dụng khi nói đến IoT Đây chỉ là một số chức năng mà chip này được sử dụng

Các tính năng của chip ESP8266EX bao gồm:

 Bộ xử lý: Lõi vi xử lý L106 32-bit RISC dựa trên Tiêu chuẩn Tensilica Xtensa Diamond, hoạt động ở tần số 80 MHz và SRAM trên chip

 Bộ nhớ nội: Bộ nhớ nội của ESP8266EX bao gồm SRAM và ROM ESP8266EX có thể truy xuất các bộ nhớ này thông qua các interface iBus, dBus, và AHB Kích thước SRAM nhỏ hơn 36kB khi ESP8266EX hoạt động ở chế độ station ROM của ESP8266EX không lập trình được nên chương trình được lưu trong Flash ngoại

 Flash ngoại: ESP8266EX sử dụng flash ngoại để lưu trữ chương trình và boot trực tiếp chương trình từ bus SPI Kích thước flash ngoại mặc định sẽ khác nhau với từng loại module ESP8266, như ESP-01 có kích thước flash ngoại là 1MB, ESP-12E có kích thước flash ngoại là 16MB Nếu chương trình sử dụng kích thước lớn hơn kích thước mặc định thì bộ flash ngoại với kích thước lớn hơn phải được sử dụng tuy nhiên kích thước flash ngoại tối đa về mặt lý thuyết cho phép là 16 MB Kích thước bộ nhớ flash nhỏ nhất có thể là 512 kB (tắt chế độ OTA) hoặc 1 MB (bật chế độ OTA)

 IEEE 802.11 b/g/n Wi-Fi:

o Tích hợp TR switch, balun, LNA, bộ khuếch đại công suất và mạng kết hợp

o Xác thực WEP hoặc WPA/WPA2 hoặc mạng mở không có

password

 17 chân GPIO: Các chân có thể được dồn kênh cho các chức năng I²C, I2S, UART, PWM, IR - điều khiển từ xa,…

 2 hardware timer 23 bit: FRC1 và FRC2

 3 SPI: general Slave/Master SPI, Slave SDIO/SPI và general Slave/Master HSPI

 I²C: Hỗ trợ 1 I²C hoạt động được ở cả chế độ master và slave Vì các GPIO đều có thể được cấu hình ở chế độ cực máng hở nên các GPIO đều

có thể được cấu hình cho các chân SDA hay SCL của I²C bằng phần mềm

 Giao diện I²S với DMA (sử dụng chung chân với GPIO)

 UART: Hỗ trợ 2 UART là UART0 và UART1 UART0 sử dụng GPIO3 (RX) và GPIO1 (TX) UART1 sử dụng GPIO2 (TX) và GPIO8 (TX) Tuy nhiên GPIO8 được dùng để kết nối bộ nhớ flash của chip nên UART1 chỉ

sử dụng được GPIO2 để truyền dữ liệu

 ADC 10 bit

Sơ đồ chân của module ESP-01:

1 GND, chân đất (0 V)

2 GPIO 2 (General-purpose input/output No 2)

3 GPIO 0 (General-purpose input/output No 0)

4 RX, nhận bit dữ liệu X, cũng là GPIO3

5 VCC, chân điện áp (+3.3 V; có thể chịu được điện áp đến 3.6 V)

6 RST, Reset

7 CH_PD, Chip tắt nguồn (Chip power-down)

8 TX, truyền bit dữ liệu X, cũng là GPIO1

Hình 1 8: Sơ đồ chân esp8266

1.2.7 Blynk

8

Blynk được thiết kế cho Internet of Things Nó có thể điều khiển các thiết bị phần cứng từ xa, hiển thị dữ liệu cảm biến, lưu trữ dữ liệu, … và nhiều điều thú

vị khác

Có ba thành phần chính trong nền tảng:

Blynk App - cho phép tạo giao diện cho sản phẩm của bạn bằng cách kéo thả các widget khác nhau mà nhà cung cấp đã thiết kế sẵn

Blynk Server - chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu trung tâm giữa điện thoại, máy tính bảng và phần cứng Bạn có thể sử dụng Blynk Cloud của Blynk cung cấp hoặc tự tạo máy chủ Blynk riêng của bạn Vì đây là mã nguồn mở, nên bạn có thể dễ dàng intergrate vào các thiết bị và thậm chí có thể sử dụng Raspberry Pi làm server của bạn

Library Blynk – support cho hầu hết tất cả các nền tảng phần cứng phổ biến - cho phép giao tiếp với máy chủ và xử lý tất cả các lệnh đến và đi

Bây giờ hãy tưởng tượng: mỗi khi bạn nhấn một nút trong ứng dụng Blynk, yêu cầu sẽ chuyển đến server của Blynk, server sẽ kết nối đến phần cứng của bạn thông qua library Tương tự thiết bị phần cứng sẽ truyền dữ liệu ngược lại đến server

Tính năng, đặc điểm

 Cung cấp API & giao diện người dùng tương tự cho tất cả các thiết bị và phần cứng được hỗ trợ

 Kết nối với server bằng cách sử dụng:

o Wifi

o Bluetooth và BLE

o Ethernet

o USB (Serial)

o GSM

 Các tiện ích trên giao diện được nhà cung cấp dễ sử dụng

 Thao tác kéo thả trực tiếp giao diện mà không cần viết mã

 Dễ dàng tích hợp và thêm chức năng mới bằng cách sử dụng các cổng kết nối ảo được tích hợp trên blynk app

 Theo dõi lịch sử dữ liệu

 Thông tin liên lạc từ thiết bị đến thiết bị bằng Widget

 Gửi email, tweet, thông báo realtime

 Được cập nhật các tính năng liên tục

1.3 Sơ đồ nguyên lý

Hình 1 6: Sơ đồ nguyên lý

Hình 1 7: Sơ đồ khối

10

1.3.1 Khối ADC

Hình 1 8: Khối ADC

Cách hoạt động của khối:

Cấp 3 thông số cảm biến gửi lần lượt vào các kênh 0,1,2 của ADC sau khi ADC

xử lí chuyển đổi điện áp từ cảm biến cấp sẽ mã hóa tạo ra 8 bits một kênh

Ơ đây ta cần lựa chọn các kênh để đo được byte dang 8 bits chuyển đổi ra khối điều khiển

Để ADC chuyển đổi được cần xung phù hợp là 460 theo datasheet và có các chân vào điều khiển nó như hình ảnh nguyên lí chuyển đổi:

Hình 1 9: Nguyên lý chuyển đổi ADC

1.3.2 Khối LCD

Hình 1 10: Khối LCD

Gồm 2 đầu vào chứa thông số của nhiệt độ và độ ẩm

Tương tự cũng như thế sẽ có 2 đầu ra cho nhiệt độ và độ ẩm

1.3.3 Khối truyền nhận UART

Hình 1 11: Khối UART

12

Hình 1 12: Sơ đồ truyền nhận

Theo lý thuyết để đồng bộ giữa app điện thoại và khối chấp hành thì sẽ có 2 luồng tín hiệu là truyền từ trên xuống dưới và truyền từ dưới lên trên liên tục Tuy nhiên sẽ có nhiều lúc xảy ra mâu thuẫn giữa truyền và nhận nên chúng em quyết định gửi và nhận theo dạng ngắt, tức là không phải lúc nào cũng gửi và lúc nào cũng nhận Khi nào nhấn điều khiển trên app thì mới gửi xuống và khi nào nhấn nút trên thiết bị thì mới gửi lên Và để luôn cập nhật dữ liệu của nhiệt độ, độ

ẩm và ánh sang thì chúng em thêm đường truyền lên được gửi liên tục

1.3.4 Khối Led 7 thanh

Hình 1 13: Khối Led 7 thanh

Có 2 chế độ là tự động( auto) và điều khiển( control)

Khi kết nối esp8266 thì sẽ là chế độ điều khiển

Còn chế độ auto sẽ có 2 trường hợp:

 Trường hợp 1: nhấn auto ở trên app

 Trường hợp 2: mất kết nối wifi hoặc rút esp8266 ra

CHƯƠNG 2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

Hình 2 1: Kết quả

Sau khi hoàn thiện chương trình và nạp code cho kit FPGA DE2, thì giá trị đo được khá là ổn định và chính xác

14

CHƯƠNG 3 KẾT LUẬN

3.1 Kết luận

Với mục tiêu đặt ra cho thiết kế thì chúng em đã hoàn thành được các mục tiêu sau:

 Đọc được giá trị từ cảm biến

 Hiển thị được nhiệt độ và độ ẩm trên LCD

 Hiển thị được độ sáng qua Led

 Điều khiển được các thông số qua phần cứng FPGA cũng như là điều khiển được qua app điện thoại

3.2 Hướng phát triển

Trên cơ sở các kết quả đạt được, nhóm chúng em đặt ra những hướng phát triển cho đề tài như sau:

 Cải thiện độ chính xác của thiết bị

 Mở rộng, đo thêm những thông số khác

 Phát triển thêm hê thống cảnh báo khi nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng vượt qua mức quy định của vườn