Điều khiển và giám sát các thiết bị điện trong nhà thông qua mạng internet

BÊN FILE ĐÍNH KÈM ĐẦY ĐỦ CODE , LỘ TRÌNH , FILE LÀM MẠCH NHÉ NÊN ĐẦU TƯ LÀ KO PHÍ CHÚT NÀO ĐÂU CÁC AE ;) Hiện nay Internet đang trở nên cực kỳ phổ biến, có thể nói cuộc sống của con người ngày càng phụ thuộc hầu hết vào Internet: tìm tài liệu , tìm đường đi, tra từ điển, chơi game, xem phim, nghe nhạc,... Hầu hết các hoạt động của chúng ta đều cần sử dụng Internet.Từ đó ta có thể thấy phát triển của internet đóng vai trò rất quan trọng trong cuộc sống của chúng ta.Tuy nhiên đa số chúng ta chỉ có thể làm việc với Internet thông qua nhưng chiếc máy tính hay điện thoại. Hiện nay các giải pháp truy cập Internet rẻ tiền đã cho ta nhiều ý tưởng hơn trong thiết kế ứng dụng. Một trong những số đó là giải pháp điều khiển và giám sát thiết bị qua internet. Chúng ta có thể điều khiển và giám sát thiết bị qua mạng internetLAN hoặc điều khiển tại chỗ một cách dễ dàng và tiện ích

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Đề tài : Điều khiển và giám sát các thiết bị điện trong nhà thông qua mạng internet

GVHD : T.S Phạm Nguyễn Thanh Loan

Nhóm sinh viên thực hiện :

1 Hà Đình Tuyên - Điện tử 06-K55

2 Nguyễn Lê Anh - Điện tử 03-K55

3 Đỗ Tuấn Anh - Điện tử 01-K55

4 Nguyễn Hoàng Phúc - Điện tử 03-K55

5 Đỗ Xuân An - Điện tử 07-K55

6 Bùi Bảo Anh - Điện tử 01-K55

7 Đặng Thế Anh - Điện tử 09-K55

8 Lê Thanh Tuyền - Điện tử 01-K55

9 Hồ Anh Văn - Điện tử 03-K55

Hà Nội, 01/2014

Project name Điều khiển thiết bị điện trong nhà thông qua mạng internet

MỤC LỤC

A.LỜI NÓI ĐẦU 2

B.NỘI DUNG 3

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 4

1.1.MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 4

1.2 NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 4

1.3 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÁC CHƯƠNG 4

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 TỔNG QUÁT VỀ MSP430: 5

2.2.CHUẨN GIAO TIẾP RS232( cổng COM ) 10

CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 13

3.1.SƠ ĐỒ KHỐI 13

3.2 CHỨC NĂNG CÁC KHỐI 14

3.3 THIẾT KẾ CÁC KHỐI 14

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN MỀM 16

4.1 CÁC CHỨC NĂNG CHÍNH CỦA PHẦN MỀM: 16

4.2 CÁCH THỨC TRUYỀN NHẬN DỮ LIỆU: 17

4.3 GIAO DIỆN PHẦN MỀM: 20

C KẾT LUẬN 23

1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 23

2 NHẬN XÉT VỀ KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CỦA NHÓM 23

3 HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 23

D TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

A.LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, thông qua những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới của chúng ta đã và đangngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn rất nhiều Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạtthiết bị ngày càng thông minh, tiện dụng, hiệu quả và thân thiện với môi trường người dùng

Hiện nay Internet đang trở nên cực kỳ phổ biến, có thể nói cuộc sống của con người ngày càng phụ thuộchầu hết vào Internet: tìm tài liệu , tìm đường đi, tra từ điển, chơi game, xem phim, nghe nhạc, Hầu hết cáchoạt động của chúng ta đều cần sử dụng Internet.Từ đó ta có thể thấy phát triển của internet đóng vai trò rấtquan trọng trong cuộc sống của chúng ta.Tuy nhiên đa số chúng ta chỉ có thể làm việc với Internet thông quanhưng chiếc máy tính hay điện thoại Hiện nay các giải pháp truy cập Internet rẻ tiền đã cho ta nhiều ý tưởnghơn trong thiết kế ứng dụng Một trong những số đó là giải pháp điều khiển và giám sát thiết bị qua internet.Chúng ta có thể điều khiển và giám sát thiết bị qua mạng internet/LAN hoặc điều khiển tại chỗ một cách dễdàng và tiện ích

Và thực tế hơn, một trong những ứng dụng đó chính là việc tạo ra được những mạch điện tử thông minh, cótính tự động hóa cao, khả năng giao tiếp được với máy tính thông qua mạng Internet/Lan, đồng thời kết hợpvới việc điều khiển trực tiếp trên board mạch cũng như gián tiếp thông qua giao diện được lập trình và cài đặttrên máy tính đặc biệt là thông qua mạng internet Điều này không chỉ mang lại nhiều lợi ích thiết thực hiệnthời, mà còn góp phần không nhỏ cho việc hiện thực hóa những ý tưởng lớn hơn Nhóm đã được cô Phạm

Nguyễn Thanh Loan giao thực hiện đề tài :“Điều Khiển và Giám Sát Thiết Bị Điện Trong Nhà Thông Qua

Mạng Internet” Mạch có các chức năng như tự động bật, tắt thiết bị thông qua cảm biến, thao tác đóng, ngắt

bằng tay qua contact hoặc điều khiển gián tiếp từ máy tính qua phần mềm trên máy tính kết nối Internet, đồngthời hiển thị trên giao diện của máy tính, …

nhiều, kiến thức chuyên môn chưa thực sự sâu nên đồ án của chúng em không thể tránh khỏi những thiếu xót.Chúng em rất mong được sự đóng góp của cô cùng các bạn sinh viên để đề tài của chúng em được hoàn thiệnhơn

Em xin chân thành cảm ơn!

B.NỘI DUNG CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1.MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Đứng trước những thách thức lớn đó cùng ứng dụng công nghệ thông tin công nghệ cao ngày càng pháttriển mạnh, đồng thời nâng cao tính tự động hóa trong lĩnh vực điều khiển tự động từ xa - một trong nhữngnhân tố quyết định sự phát triển của đất nước công nghiệp hóa hiện đại hóa, nhóm đã thực hiện đề tài “ĐiềuKhiển Và Giám Sát Thiết Bị Điện Trong Nhà Thông Qua Mạng Internet” với mục đích thực hành một trongnhững ứng dụng quan trọng của ngành công nghiệp điều khiển thiết bị từ xa Để thực hiện được điều đó,nhóm thực hiện đã đưa ra một số mục tiêu :

- Xây dựng thuật toán kết nối nhận, gửi và điều khiển thiết bị

- Nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển từ xa thiết bị điện qua mạng internet có tính năng

phản hồi trạng thái hoạt động của thiết bị

tiếp UART

1.2 NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI

Thiết kế và thi công mạch thực hiện các chức năng:

 Bật tắt các thiết bị bằng tay thông qua contact được gắn trên board

o Hiển thị trạng thái thiết bị

o Bật tắt gián tiếp thiết bị thông qua các nút nhấn.

1.3 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÁC CHƯƠNG

Tài liệu được chia thành 5 chương và được sắp xếp như sau :

Chương 1 Giới Thiệu : trình bày tổng quan nội dung chính trong đề tài – những vấn đề mà sẽ được đề cậpđến trong toàn bộ bài viết

Chương 2 Cơ Sở Lý Thuyết : chương này sẽ đi sâu về lý thuyết vi điều khiển, về cảm biến cũng như tìm hiểunhững linh kiện cần thiết làm cơ sở để thực hiện mạch đồ án

Chương 3 Thiết Kế Phần Cứng : cung cấp các thông tin bao gồm sơ đồ khối, chức năng các khối và nhữngtính toán cụ thể để thiết kế phần cứng cho mạch

Chương 4 Thiết Kế Phần Mềm : tập trung nghiên cứu thiết kế giao diện và cách thức trao đổi dữ liệu với vixử

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 TỔNG QUÁT VỀ MSP430 :

MSP 430 là họ vi điều khiển cấu trúc RISC 16-bit được sản xuất bởi công ty Texas Instruments.MSP là chữ

viết tắt của “MIXED SIGNAL MICROCONTROLLER”.Là dòng vi điều khiển siêu tiết kiệm năng lượng,

sử dụng nguồn thấp, khoảng điện áp nguồn cấp từ 1.8V – 3.6V.

MSP 430 kết hợp các đặc tính của một CPU hiện đại và tích hợp sẵn các module ngoại vi Đặc biệt Chíp MSP 430 là giải pháp thích hợp cho những ứng dụng yêu cầu trộn tín hiệu

Hình 1 Hình ảnh của kit launchpad MSP430

2.1.1 Những đặc tính của dòng MSP 430 bao gồm:

 Điện áp nguồn: 1.8V – 3.6 V.

- Chế độ hoạt động: 270 μA tại 1MHz, 2,2 V.A tại 1MHz, 2,2 V

- Chế độ chờ: 0.7 μA tại 1MHz, 2,2 V.A

- Chế độ tắt (RAM vẫn được duy trì): 0.1 μA tại 1MHz, 2,2 V.A

 Thời gian đánh thức từ chế độ Standby nhỏ hơn 1μA tại 1MHz, 2,2 V.s

- Tần số nội lên tới 16 MHz với 4 hiệu chỉnh tần số +- 1%

- Thạch anh 32 KHz

- Tần số làm việc lên tới 16 MHz

- Bộ cộng hưởng

- Nguồn tạo xung nhịp bên ngoài

- Điện trở bên ngoài

 Giao diện truyền thông nối tiếp:

- Hỗ trợ truyền thông nối tiếp nâng cao UART, tự động dò tìm tốc độ Baud

- Bộ mã hóa và giải mã IrDA (Infrared Data Associatio)

- Chuẩn giao tiếp động bộ SPI

- Chuẩn giao tiếp I2C

quét kênh, điều khiển chuyển đổi dữ liệu

- MSP430F2232: 8KB + 256B Flash Memory 512B RAM

- MSP430F2252: 16KB + 256B Flash Memory 512B RAM

- MSP430F2272: 32KB + 256B Flash Memory 1KB RAM

- MSP430F2234: 8KB + 256B Flash Memory 512B RAM

- MSP430F2254: 16KB + 256B Flash Memory 512B RAM

- MSP430F2274: 32KB + 256B Flash Memory 1KB RAM

MSP430 được sử dụng và biết đến đặc biệt trong những ứng dụng về thiết bị đo có sử dụng hoặc không sử dụng LCD với chế độ nguồn nuôi rất thấp Với chế độ nguồn nuôi từ khoảng 1,8 đến 3,6v

và 5 chế độ bảo vệ nguồn.Với sự tiêu thụ dòng rất thấp trong chế độ tích cực thì dòng tiêu thụ là 200uA, 1Mhz, 2.2v; với chế độ standby thì dòng tiêu thụ là 0.7uA Và chế độ tắt chỉ duy trì bộ nhớRam thì dòng tiêu thụ rất nhỏ 0.1uA.MSP430 có ưu thế về chế độ nguồn nuôi Thời gian chuyển chế độ từ chế độ standby sang chế độ tích cực rất nhỏ (< 6us) Và có tích hợp 96 kiểu hình cho hiểnthị LCD 16 bit thanh ghi, 16 bit RISCCPU

2.1.2.Sơ đồ chân của MSP430:

Chip MSP430 có kích thước nhỏ gọn , chỉ với 20 chân đối với kiểu chân DIP.Bao gồm 2 port I/O (hay GPIO general purprose input/ output : cổng nhập xuất chung).

Port 1 : có 8 chân từ P1.0 đến P1.7 tương ứng với các chân từ 2-7 và 14 , 15

Port 2 : cũng gồm có 8 chân P2.0 – P2.7 ứng với các chân 8 – 13 , 18,19

2.1.2.1 Chức năng của từng chân

- Chân số 1 là chân cấp nguồn Vcc( ký hiệu trên chip là DVcc mức 3,3V , nếu cấp nguốn cao quá mức này

thì chip có thể hoạt động sai hay cháy chip, dung một IC ổn áp

- Chân 20 là chân nối cực âm (0V)

- Chân reset : là chân số 16 RST, reset nhằm cho chương trình chạy lại từ đầu

- Mạch dao động : hỗ trợ thạch anh ngoại vi cho phép lên tới 32,768 kHz, và tín hiệu này được mắc trên 2chân 18 và 19 Nhưng msp430 lại hỗ trợ thạch anh nội có thể lên đến 16Mhz, tùy vào cách khai báo trong lậptrình

- Port I/O :

Port 1 : có 8 chân từ P1.0 đến P1.7 tương ứng với các chân từ 2-7 và 14 , 15

Port 2 : cũng gồm có 8 chân P2.0 – P2.7 ứng với các chân 8 – 13 , 18,19

Trong chế độ nhập (input) thì cả 2 port đều có 1 mạch điều khiển điện trở kéo dương – gọi là PULL UP nhưng giá trị của điện trở này rất lớn khoảng 47K nên gọi là WEAK PULL UP RESISTAN

- Ngoài chức năng I/O thì trên mỗi pin của các port đều là những chân đa chức năng

2.1.2.2 Hệ thống định thời ( Clock)

- Bộ định thời phụ tần số thấp: Hoạt động ở chế độ sẵn sang sử dụng nguồn cực thấp.

- Bộ định thời chính ( Master Clock) tốc độ cao: Hoạt động xử lý tín hiệu hiệu suất cao

2.1.2.3 Các vùng địa chỉ

MSP430 được thiết kế theo cấu trúc Von-Neumann có một vùng địa chỉ được chia thành nhiều vùng như

là thanh ghi hàm đặc biệt ( SFRs), những ngoại vi, RAM, bộ nhớ Flash/ROM

2.1.2.4 Flash/ROM

Địa chỉ bắt đầu của Flash/ROM phụ thuộc vào độ lớn của Flash/ROM và còn tùy thuộc vào từng họ viđiều khiển Địa chỉ kết thúc của Flash/ROM là 0x1FFFFh Flash/ROM có thể sử dụng cho cả mã chươngtrình và dữ liệu Những bảng Byte hoặc Wordcó thể được tồn trử và sử dụng ngay trong Flash/ROM màkhông cần copy vào RAM trước khi sử dụng chúng.Những bảng véc tơ được ánh xạ đến 16 Word phía trêncủa vùng địa chỉ Flash/ROM với ưu tiên ngắt cao nhất ở vùng địa chỉ cao nhất của Flash/ROM.

2.1.2.5 RAM

RAM bắt đầu ở địa chỉ 0200h và giới hạn cuối cùng tùy thuộc vào kích thước của RAM

RAM có thể sử dụng cho cả mã chương trình và dữ liệu

2.1.2.6 Các module ngoại vi

Trong vùng không gian địa chỉ của MSP430 có 2 vùng địa chỉ dành cho những Mô đun ngoại vi Vùngđịa chỉ từ 0100 đến 01FFh sử dụng dành riêng cho những mô đun ngoại vi 16 Bít Vùng địa chỉ từ 010 đến0FFh sử dụng dành riêng cho những mô đun ngoại vi 8 Bít

2.1.2.7 Thanh ghi hàm đặc biệt

SFRs liên quan nhiều đến sự cho phép những tính năng của một số mô đun ngoại vi và dùng để truyềnnhững tín hiệu ngắt từ ngoại vi SFRs nằm ở 16 Byte thấp của vùng địa chỉ và được tổ chức bằng Byte SFRschỉ có thể được truy cập bởi chỉ thị Byte

2.1.2.8 Tổ chức bộ nhớ

Byte thì dùng để định vị trí của địa chỉ lẽ hoặc chẳn, còn Wordthì chỉ sử dụng cho địa chỉ chẵn Vì vậy khi

sử dụng những chỉ lệnh Từ thì chỉ có địa chỉ chẵn thì được sử dụng.Byte thấp của một Word luôn là số chẵn,Byte cao thì ở một số lẽ kế tiếp

Bit, Byte, Word trong cấu trúc nhớ của MSP430-Module MSP430G2553 sẽ nhận các ký tự từ module Ethernet, phân tích các ký tự và đưa ra quyết định đóng mở rơ le tương ứng

2.2.CHUẨN GIAO TIẾP RS232( cổng COM )

Chuẩn RS232 sử dụng phương thức truyền không đối xứng, sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệnh giữa mộtdây tín hiệu và đất.Mức điện áp được sử dụng giao động -15v đến +15v Mức logic 1 tương đương với điện

áp từ -3v đến 15v, mức logic 0 tương đương với điện áp từ 3v đến 15v Tốc độ làm truyền nhận khoảng20KPS và phụ thuộc vào khoảng cách Công suất phát tương đối thấp nhờ vào trở kháng đầu vào hạn chế.Chuẩn RS232 loại 9 chân:

Giao diện chuẩn RS232 loại 9 chân ( cổng COM)

DCD : Phát hiện sóng mang

Hình : Giao diện cổng COM

Các máy tính thường có 1 hoặc 2 cổng nối tiếp theo chuẩn RS232, được gọi là cổng COM Chúng được dùng ghép nối cho chuột, modem, thiết bị đo lường…Khi cần dùng nhiều cổng hơn ta có thể lắp đặt các card

mở rộng trên đó có thêm một đến hai cổng Com Có hai dạng cổng COM: cổng COM 25 chân và cổng COM

9 chân

Ưu điểm giao diện nối tiếp RS232:

Khả năng chống nhiễu của các cổng nối tiếp cao

Thiết bị ngoại vi có thể tháo lắp ngay cả khi máy tính đang được cấp điện

Các mạch điện đơn giản có thể nhận được điện áp nguồn nuôi qua cổng nối tiếp

Hình: Thứ tự các chân cổng COM

Bảng 1.1: Chức năng các chân cổng COM

Những đặc điểm cần lưu ý trong chuẩn RS232:

Trong chuẩn RS232, các giới hạn trên đối với mức logic 0 và logic 1 là ±12V Chuẩn RS232 ngày nay đang được áp dụng còn cố định trở kháng tải trong phạm vi từ 3000 đến 7000

Mức logic 1 có điện áp nằm trong khoảng –3V đến –12V, mức logic 0 từ +3V đến +12V

Trở kháng tải phải lớn hơn 3000 nhưng phải nhỏ hơn 7000

Tốc độ truyền/nhận dữ liệu cực đại là 100kbps (ngày nay có thể đạt được 200 kbps)

Các lối vào phải có điện dung nhỏ hơn 2500pF

Độ dài của cáp nối giữa máy tính và thiết bị ngoại vi ghép nối qua cổng nối tiếp RS232 không thể vượt quá

15 m nếu không sử dụng Modem

Đầu cuối dữ liệu sẵn sàng,được kích hoạt bởi bộ nhận khimuốn truyền dữ liệu

Dữ liệu sẵn sàng, được kíchhoạt bởi bộ truyền khi nó sẵnsàng nhận dữ liệu

Yêu cầu gửi, bộ truyền đặtđường này lên mức hoạt độngkhi sẵn sàng truyền dữ liệu

Xóa để gửi, bộ nhận đặt đườngnày lên mức hoạt động đểthông báo cho bộ truyền là nó

sẵn sàng nhận dữ liệu

Báo chuông, cho biết là bộnhận đang nhận tín hiệu rungchuông

Các giá trị tốc độ truyền dữ liệu chuẩn là : 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 28800

…… 56600, 115200 bps

Vì cổng COM hiện nay không còn phổ biến do tốc độ truyền thấp và xuất hiện chuẩn USB giao tiếp tốt hơn.Vì thế mà nhiều mainboard hiện nay không còn tích hợp cổng COM trên đó.Những laptop hiện nay đượcsản xuất rất hiếm có máy nào được tích hợp cổng COM.Và vì vậy,trong đề tài này sử dụng một cable chuyển USB sang COM

CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

3.1.SƠ ĐỒ KHỐI

- Khối cảm biến :

Sử dụng Adapter biến đổi điện xoay chiều 220v thành điện áp 1 chiều 5v Sau đó sử dụng modulde AMS1117 biến đổi điện áp 5v thành 3.3V để đưa vào vi xử lý :

 3.3V : có dòng qua thiết bị ( bật )

 0v : không có dòng qua thiết bị ( tắt )

- Khối điều khiển:

o Là thành phần chính trong hệ thống, thực hiện quá trình lấy tín hiệu từ khối cảm biến

o Xuất tín hiệu hiển thị ra khối hiển thị

o Giao tiếp máy tính, truyền nhận tín hiệu qua cổng COM

o Tương tự 1 công tắc 3 cực : Sử dụng rơ le hoặc tranzito Khi tín hiệu điều khiển từ vi xử lý đi ratích cực 3.3V hoặc = 0 V => tranzitor thông hoặc đóng => điều khiển rơ le thay đổi trạng thái

- Điều khiển đèn tương tự mô hình đèn cầu thang, dùng công tắc cơ và rơ le điều khiển = vi xử lý

 Điều khiển cơ: Công tắc tắt bật bình thường = tay

Điều khiển bằng rơ le: Điều khiển tự động thông qua vi xử lý

- Khối giao diện giao tiếp máy tính : nhận tín hiệu từ khối điều khiển và hiển thị trạng thái thiết bị, đồng thời có thể gián tiếp điều khiển thông qua hệ thống nút nhấn trên giao diện

3.3 THIẾT KẾ CÁC KHỐI

 Khối cảm biến dòng:

Module phản hồi dùng cảm biến ACS712 làm nhiệm vụ nhận biết dòng điện đi

vào thiết bị, đưa tín hiệu về hệ thống qua Vout

 Công tắc 3 điểm