Thiết kế và thi công hệ thống kiểm soát thiết bị tiêu thụ điện trong phòng

Là sinh viên khoa Điện - Điện tửtrường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh, bằng những kiến thức đãhọc và mong muốn thiết kế được một mô hình hệ thống giám sát khách ra vàophòng thôn

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

MSSV: 16141161 SVTH: Võ Hữu Khiêm MSSV: 16141183

Tp Hồ Chí Minh - 08/2020

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

-ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH

HỆ THỐNG KIỂM SOÁT THIẾT BỊ TIÊU THỤ ĐIỆN TRONG PHÒNG

GVHD: GVC.ThS Hoàng Ngọc Văn SVTH: Lê Tấn Học

MSSV: 16141161 SVTH: Võ Hữu Khiêm MSSV: 16141183

Tp Hồ Chí Minh - 08/2020

TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG KIỂM SOÁT

THIẾT BỊ TIÊU THỤ ĐIỆN TRONG PHÒNG.

II NHIỆM VỤ

1 Các số liệu ban đầu:

 Vi điều khiển PIC 18F4550, PIC 16F886

 Sever và app Android

2 Nội dung thực hiện:

 Sử dụng vi điều khiển PIC 18F4550 làm khối điều khiển trung tâm, kết hợp với các PIC 16F886 để thu thập và xử lí thông tin tại các Sensor Nodes

 Giao tiếp và truyền dữ liệu bằng Internet thông qua Module WiFi ESP8266 V1

 Tạo ứng dụng giám sát trực quan trên điện thoại thông minh chạy trên hệ điều hành Android thông qua lập trình Android Studio

 Thi công mô hình

 Viết báo cáo

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 25/07/2020

GVC.ThS Hoàng Ngọc Văn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Bộ Môn Điện Tử Công Nghiệp

Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 02 năm 2020

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP(Bản lịch trình này được đóng vào cuốn báo cáo)

Họ tên sinh viên: Lê Tấn Học

Họ tên sinh viên: Võ Hữu Khiêm

Lớp: 16141DT1A

MSSV: 16141161MSSV: 16141183

Tên đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Mô Hình Hệ Thống Kiểm Soát Thiết Bị Tiêu Thụ Điện Trong Phòng

Tuần 1 Gặp GVHD để nghe phổ biến yêu cầu làm đồ án,

(9/3 – 15/3) tiến hành chọn đồ án

- GVHD tiến hành xét duyệt đề tài

Tuần 2 - Viết tóm tắt yêu cầu đề tài đã chọn: đề tài làm cái

(16/3 – 22/3) gì, nội dung thiết kế, các thông số giới hạn của đề

tàiTuần 3,4,5 - Tìm hiểu các linh kiện sử dụng trong mạch

(22/3 – 12/4) - Thiết kế sơ đồ nguyên lí

Tuần 6,7,8,9 Lập trình vi điều khiển điều khiển và giao tiếp

(13/4 – 10/5) với các module trong mạch

Tuần 10,11 Thiết kế App Android, truyền nhận dữ liệu từ

(11/5 – 24/5) server với App và với Esp8266

Tuần 12,13 - Tiến hành thi công và kiểm tra mạch thi công

(25/5 – 7/6) - Xây dựng mô hình, kiểm tra hoạt động của hệ

thống

Tuần 14,15,16 - Viết báo cáo hoàn chỉnh

(7/6 – 28/6) - Làm slide, báo cáo với GVHD

GV HƯỚNG DẪN(Ký và ghi rõ họ và tên)

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian học tập vừa qua, được sự chỉ dẫn, giúp đỡ tận tình củaquý thầy cô trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, naythông qua đề tài KLTN này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:

Quý thầy cô trong Khoa Điện – Điện tử, đặc biệt là các thầy cô thuộc Bộmôn Điện Tử Công Nghiệp – Y Sinh đã tận tình chỉ bảo chúng em trong suốtquá trình học tập

Quý thầy cô ở các khoa có liên quan đã cung cấp cho chúng em những kiếnthức cần thiết của một sinh viên, những kinh nghiệm và vốn sống hữu ích

Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điềukiện cho em học tập, nghiên cứu trong một môi trường chuyên nghiệp năng động

và sáng tạo suốt thời gian qua

Đồng thời, nhóm cũng xin cám ơn các thành viên trong lớp 16141DT1A đã

có những ý kiến đóng góp, bổ sung, giúp nhóm hoàn thành tốt đề tài

Ngoài ra, nhóm cũng đã nhận được sự chỉ bảo của các anh (chị) đi trước.Các anh (chị) cũng đã hướng dẫn và giới thiệu tài liệu tham khảo và các phươngpháp nghiên cứu bổ ích trong việc thực hiện nghiên cứu

Đặc biệt, nhóm chúng em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy ThS

HOÀNG NGỌC VĂN đã góp ý, hướng dẫn và chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu

giúp cho chúng em hoàn thành và thực hiện tốt đề tài KLTN này

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Trân trọng

Nhóm thực hiện đồ án

Lê Tấn Học Võ Hữu Khiêm

TÓM TẮT

Trong xu thế phát triển hiện nay, với sự bùng nổ của các ngành công nghệthông tin, điện tử, tự động hóa, IoT (Internet of Things) … Đã làm cho đời sốngcủa con người ngày càng hoàn thiện Các thiết bị tự động điều khiển, điện thoạithông minh hay các cảm biến giám sát đã ngày càng xâm lấn vào trong đời sống

và thậm chí là được ứng dụng nhiều vào việc kinh doanh sản xuất, cuộc sốngsinh hoạt hàng ngày của mỗi con người Do đó một chiếc điện thoại thông minh

có thể giám sát từ xa và hỗ trợ cho công việc quản lí một số ngành dịch vụ chẳnghạn như khách sạn đã trở thành hiện thực Là sinh viên khoa Điện - Điện tửtrường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh, bằng những kiến thức đãhọc và mong muốn thiết kế được một mô hình hệ thống giám sát khách ra vàophòng thông qua việc sử dụng điện đáp ứng được nhu cầu quản lí hiện đại của

người dùng Chúng tôi đã quyết định chọn “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ

HÌNH HỆ THỐNG KIỂM SOÁT THIẾT BỊ TIÊU THỤ ĐIỆN TRONG PHÒNG” làm đề tài cho đồ án tốt nghiệp của chúng tôi.

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN I TÓM TẮT II MỤC LỤC III DANH MỤC HÌNH VII

DANH MỤC BẢNG ix

CÁC TỪ VIẾT TẮT X CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 GIỚI THIỆU 1

1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 1

1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 1

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

1.5 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

1.6 BỐ CỤC QUYỂN BÁO CÁO 3

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 TỔNG QUAN VỀ IOT 5

2.1.1 Khái niệm[1] .5

2.1.2 Đặc tính cơ bản [2] 5

2.1.3 Cấu phần của hệ thống IoT[3] .6

2.1.4 Ứng dụng 7

2.1.5 Lợi ích mang lại và thách thức 8

2.2 GIỚI THIỆU VỀ LORA [4] 8

2.2.1 Khái niệm Lora 8

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của LoRa 8

2.2.3 LoraWan 9

2.2.4 Kiến trúc của hệ thống LoraWAN 11

2.2.5 Làm thế nào để kết nối LoraWAN? 12

2.2.6 Các quy định đối với LoRa 12

2.3 TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY BẰNG WIFI[5] .14

2.3.1 Khái niệm 14

2.3.2 Nguyên lý hoạt động 15

2.3.3 Một số chuẩn kết nối WiFi phổ biến 15

2.4 CHUẨN GIAO TIẾP UART 16

2.4.1 Giới thiệu[6] .16

2.4.2 Sơ đồ UART[7] .16

2.4.3 Các thông số cơ bản trong truyền nhận UART:[7] .17

2.4.4 Các ứng dụng của UART[8] .18

2.4.5 Ưu điểm và nhược điểm của UART[8] .18

2.5 Module wifi ESP8266 v1 18

2.5.1 Giới thiệu[9] .18

2.5.2 Đặc điểm[9] .19

2.5.3 Tập lệnh AT của ESP8266 (Attention Command)[10] .20

2.6 VI ĐIỀU KHIỂN PIC 21

2.6.1 Giới thiệu về vi xử lí và vi điều khiển[11] .21

2.6.2 PIC 18F4550[11] .22

2.6.3 PIC 16F886[12] .24

2.6.4 Ngôn ngữ lập trình Vi điều khiển[13] .27

2.7 Mạch thu phát RF UART Lora E32-TTL-500 28

2.7.1 Sóng RF 28

2.7.2 Mạch thu phát RF UART LORA E32-TTL-500[14] .28

2.8 Cảm biến dòng CT103U 5A/2.5mA 31

2.8.1 Cảm biến dòng[15] .31

2.8.2 Cảm biến dòng điện CT103U 5A/2.5mA 33

2.9 LCD 20x4 và LCD 16x2 33

2.9.1 Khái niệm 33

2.9.2 Thông số kỹ thuật 34

2.10 Hệ Thống server 35

2.10.1 Thingspeak[16] .35

2.10.2 Tạo Server Thingspeak[17] .35

2.11 ANDROID APP 38

2.11.1 Ngôn Ngữ Lập Trình JAVA 38

2.11.2 Ngôn Ngữ Lập Trình XML 39

2.12 MẠCH NGUỒN HẠ ÁP LM2576 40

2.12.1 Giới thiệu 40

2.12.2 IC LM 2576 40

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 41

3.1 GIỚI THIỆU 41

3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 41

3.2.1 Yêu cầu hệ thống 41

3.2.2 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 42

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 51

4.1 GIỚI THIỆU 51

4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 51

4.2.1 Thi công bo mạch 51

4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra 55

4.3 THI CÔNG MÔ HÌNH 55

4.3.1 Thi công mô hình 55

4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 57

4.4.1 Lưu đồ hoạt động 57

4.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển 66

4.4.3 Phần mềm lập trình cho điện thoại Android 70

4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC 75

4.5.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng 75

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 79

5.1 GIỚI THIỆU 79

5.2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 79

5.3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 81

5.3.1 Cấp nguồn và kết nối Wifi cho board mạch điều khiển pic 18 81

5.3.2 Kết nối cảm biến vào các chân ADC mạch điều khiển pic 16 82

5.3.3 Kết nối Master với các Slave 83

5.3.4 Đăng nhập ứng dụng trên điện thoại và thực hiện giám sát trạng

thái các phòng 84

5.4 NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ 85

5.4.1 Nhận xét 85

5.4.2 Đánh giá 85

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

PHỤ LỤC 90

DANH MỤC HÌNH Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Hình 2.1: Minh họa hệ thống IoT 5

Hình 2 2: Mô hình kiến trúc IoT 7

Hình 2 3: Cấu trúc hệ thống Lora 9

Hình 2 4: Một Lora Sensors node của hãng Advantech 11

Hình 2 5: Nguyên lý hoạt động của WiFi 15

Hình 2 6: Giao tiếp UART 16

Hình 2 7: Sơ đồ khối UART 17

Hình 2 8: Sơ đồ chân ESP8266 V1 20

Hình 2 9: Sơ đồ khối hệ thống vi xử lý 22

Hình 2 10: Vi điều khiển PIC 18F4550 23

Hình 2 11: Sơ đồ chân vi điều khiển PIC 18F4550 23

Hình 2 12: Vi điều khiển PIC 16F886 25

Hình 2 13: Sơ đồ chân của vi điều khiển PIC 16F886 26

Hình 2 14: Mạch thu phát RF UART LORA E32-TTL-500 29

Hình 2 15: Sơ đồ mạch giao tiếp RF bằng UART 31

Hình 2 16: Cấu tạo bộ biến dòng 32

Hình 2 17: Cảm biến dòng điện CT103U 5A/2.5mA 33

Hình 2 18: Hình ảnh thực tế LCD 20x4 và 16x2 34

Hình 2 19: Trang chủ Thingspeak 36

Hình 2 20: Giao diện tạo tài khoản Thingspeak 36

Hình 2 21: Giao diện tạo Channels Thingspeak 37

Hình 2 22: Giao diện thẻ API Keys 38

Hình 2 23: IC LM2576 40

Hình 2 24: Biểu tượng phần mềm CCS 66

Hình 2 25: Giao diện môi trường lập trình CCS 67

Chương 3: Tính toán thiết kế Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống 42

Hình 3 2: Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm PIC 18f4550 44

Hình 3 3: Sơ đồ nguyên lý mỗi khối xử lý trung tâm PIC 16f886 44

Hình 3 4: Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến 46

Hình 3 5: Dạng sóng trước và sau khi lắp tụ với tải phi tuyến 46

Hình 3 6:Mạch thu-phát Lora giao tiếp vi điều khiển pic 16 và pic 18 47

Hình 3 7: Module wifi ESP8266 V1 giao tiếp với PIC 18F4550 47

Hình 3 8: LCD 20x4 và LCD 16x2 giao tiếp với vi điều khiển 48

Hình 3 9: Mạch hạ áp 12VDC - 5V 49

Hình 3 10: Sơ đồ nguyên lý mạch gửi 50

Hình 3 11: Sơ đồ nguyên lý mạch nhận 50

Chương 4: Thi công hệ thống Hình 4 1: Sơ đồ mạch in mạch gửi (mặt trên - dưới) 51

Hình 4 2: Sơ đồ mạch in mạch nhận (mặt trên - dưới) 52

Hình 4 3: Mạch nhận (mặt trên - dưới) 53

Hình 4 4: Mạch gửi (mặt trên - dưới) 54

Hình 4 5: Mạch nhận đã hàn linh kiện (mặt trên - dưới) 54

Hình 4 6: Mạch gửi đã hàn linh kiện (mặt trên - dưới) 54

Hình 4 7: Mô hình thực tế (mặt trước - sau) 56

Hình 4 8: Lưu đồ chương trình chính khối điều khiển trung tâm pic 18 57

Hình 4 9: Lưu đồ chương trình con khởi tạo hệ thống 58

Hình 4 10:Lưu đồ chương trình con nhận dữ liệu từ các phòng 59

Hình 4 11:Lưu đồ chương trình con gửi dữ liệu qua esp 60

Hình 4 12: Lưu đồ chương trình chính khối điều khiển pic 16 tầng 1 61

Hình 4 13: Lưu đồ chương trình chính khối điều khiển pic 16 tầng 2 62

Hình 4 14: Lưu đồ chương trình chính khối điều khiển pic 16 tầng 3 63

Hình 4 15: Lưu đồ chương trình chính khối điều khiển pic 16 tầng 4 64

Hình 4 16: Lưu đồ hoạt động chương trình chính trên App Android 65

Hình 4 17: Giao diện màn hình đầu của Android Studio 71

Hình 4 18: Một project bình thường của Android Studio 71

Hình 4 19: Lưu đồ quy trình thao tác, lắp đặt cho người sử dụng 76

Hình 4 20: Màn hình đã kết nối tới wifi 77

Hình 4 21: Màn hình chờ lệnh và hoạt động 77

Hình 4 22: Màn hình kết quả hiển thị trạng thái 78

Chương 5: Kết quả_nhận xét_đánh giá Hình 5 1: Màn hình thông báo kết nối wifi thất bại 81

Hình 5 2: Màn hình lúc hệ thống kết nối server 82

Hình 5 3: Kết nối cảm biến với mạch điều khiển pic 16 tầng 1 82

Hình 5 4: Giá trị dòng điện đo được từ cảm biến và đồng hồ ampe kìm 83

Hình 5 5: Kết nối tín hiệu giữa mạch điều khiển pic 16 và mạch điều khiển pic 18 84

Hình 5 6: Màn hình giám sát trạng thái trên điện thoại 84

DANH MỤC BẢNG Chương 2: Cơ sở lý thuyết Bảng 2 1: Các tập lệnh AT cơ bản 21

Bảng 2 2: Thông số kỹ thuật PIC 18F4550 23

Bảng 2 3: Thông số kỹ thuật PIC 16F886 25

Bảng 2 4: Thông số RF UART LORA E32-TTL-500 29

Bảng 2 5: Các chế độ làm hoạt động của RF UART LORA E32-TTL-500 30

Bảng 2 6: Các chân của LCD 34

Chương 3: Tính toán thiết kế Bảng 3.1:Tính toán dòng điện sử dụng trong mạch điều khiển pic 16 48

Bảng 3.2: Tính toán dòng điện sử dụng trong mạch điều khiển pic 18 49

Chương 4: Thi công hệ thống Bảng 4.1: Danh sách các linh kiện 4 mạch gửi 51

Bảng 4.2: Danh sách các linh kiện mạch nhận 52

CÁC TỪ VIẾT TẮT

Interchange

Memory

Transceiver

IoT Internet of Things

SPI Serial Peripheral Interface

và hỗ trợ cho công việc quản lí một số ngành dịch vụ chẳng hạn như khách sạn

đã trở thành hiện thực Là sinh viên khoa Điện - Điện tử trường đại học Sư Phạm

Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh, bằng những kiến thức đã học chúng tôi mong muốnthiết kế được một mô hình hệ thống giám sát khách ra vào phòng thông qua việc

sử dụng điện đáp ứng được nhu cầu quản lí hiện đại của người dùng Vì vậy

chúng tôi đã quyết định chọn “Thiết kế và thi công mô hình hệ thống kiểm

soát thiết bị tiêu thụ điện trong phòng” làm đề tài cho đồ án tốt nghiệp của

chúng tôi

1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

Đề tài “Thiết kế và thi công mô hình hệ thống kiểm soát thiết bị tiêu

thụ điện trong phòng” được thực hiện có chức năng:

- Người dùng giám sát, kiểm tra ở bất cứ nơi đâu có mạng internet hay 3G/4G có hoạt động thiết bị trong phòng hay không, qua hoạt động sử dụngđiện tại các phòng bằng App trên điện thoại android

- Hệ thống cập nhật dữ liệu trên sever Thingspeak

1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI

Đề tài “Thiết kế và thi công mô hình hệ thống kiểm soát thiết bị tiêu

thụ điện trong phòng” sử dụng vi điều khiển PIC 18F4550 làm khối điều khiển

trung tâm, kết hợp với các PIC 16F886 để thu thập và xử lí thông tin tại cácSensor Nodes

Chương 1: Tổng quan

Công nghệ Lora thực hiện thu phát tín hiệu sử dụng mạch thu phát RFUART Lora E32-TTL-500 hoạt động với tần số 433Mhz sử dụng chip SX1278của SEMTECH

Giao tiếp và truyền dữ liệu bằng Internet thông qua Module WiFi ESP8266V1

Cảm biến dòng CT103U 5A/2.5mA nhận tín hiệu dòng điện từ thiết bị điện

để đưa đến vi điều khiển

Sever, cơ sở dữ liệu thời gian thực xây dựng trên dịch vụ Thingspeak chophép người dùng đưa dữ liệu lên cloud và từ cloud lấy dữ liệu về qua giao thứcHTTP

Ứng dụng giao diện đơn giản, trực quan trên điện thoại thông minh chạytrên hệ điều hành Android thông qua lập trình Android Studio

Việc thực hiện một đề tài tương đối hoàn chỉnh và có nhiều ứng dụng thực tế đòihỏi người thực hiện phải tham khảo và sử dụng nhiều phương pháp kết hợpchúng lại để tìm ra một hướng đi riêng, một kinh nghiệm cho riêng mình Các

phương pháp tương đối hay và bổ ích mà nhóm đã áp dụng như sau:

- Khảo sát các hệ thống vi điều khiển thiết bị đã có trên thị trường

- Phân tích và tổng hợp các lý thuyết có liên quan như ngôn ngữ lập trình C, Java, NodeJS

- Tham khảo luận văn, tài liệu khóa trước, các đề tài nghiên cứu khoa học đã được nghiệm thu

- Tham khảo ý kiến, góp ý từ giáo viên hướng dẫn, anh chị, các bạn

đã và đang làm những đề tài liên quan

- Thực nghiệm trên mô hình và đánh giá kết quả

Đối tượng nghiên cứu của đề tài:

- Vi điều khiển PIC 18F4550, PIC 16F886;

- Module WiFi ESP8266 V1;

- Mạch thu phát RF UART Lora E32-TTL-500;

Chương 1: Tổng quan

- Cảm biến dòng CT103U 5A / 2.5mA;

- Web server Thingspeak lưu dữ liệu;

- App Andoid tương tác giữa người dùng với hệ thống

Phạm vi nghiên cứu của đề tài:

- Nghiên cứu trong lĩnh vực lập trình trên PIC;

- Nghiên cứu phần mềm hỗ trợ lập trình trên PIC là CCS;

- Nghiên cứu phần mềm hỗ trợ lập trình App Android là Android Studio thông qua ngôn ngữ Java;

- Cách kết nối vật lý giữa Esp8266 V1, mạch thu phát RF UART Lora E32-TTL-500 , cảm biến dòng CT103U, LCD với PIC;

- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các cảm biến cần sử dụng;

- Nghiên cứu xây dựng Server qua NodeJS;

- Nghiên cứu cách kết nối, truyền, nhận dữ liệu của Esp8266 V1, Server, app Android, Lora và PIC

Nội dung chính của đề tài được trình bày với năm chương như sau:

Chương 1 Tổng quan: Trong chương này nêu ra được tình hình nghiên

cứu hiện nay, lý do và mục tiêu chọn đề tài, đối tượng và phạm vi nghiên cứucủa đề tài, phương pháp nghiên cứu và giới hạn của đề tài

Chương 2 Cơ sở lý thuyết: Các lý thuyết chính liên quan đến các thành

phần phần cứng và phần mềm cả hệ thống

Chương 3 Tính toán thiết kế: Trong chương 3 mục đích là tính toán thiết

kế phần cứng, linh kiện cho hệ thống với những yêu cầu đặt ra Từ sơ đồ khốitổng quát và sơ đồ khối chi tiết để tiến hành lựa chọn các linh kiện cho các khối

Chương 4 Thi công hệ thống: Trình bày về quá trình thi công phần cứng,

phần mềm và đánh giá ưu nhược điểm của hệ thống

Chương 5 Kết quả - nhận xét - đánh giá: Đưa ra các kết quả của quá

trình nghiên cứu Nhận xét và đánh giá mô hình sản phẩm

Chương 1: Tổng quan

Chương 6 Kết luận và hướng phát triển: Đưa ra các kết luận về những

vấn đề mà trong quá trình nghiên cứu đã đạt được và chưa đạt được Đưa rahướng phát triển đề tài trong tương lai

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

2.1 TỔNG QUAN VỀ IOT

2.1.1 Khái niệm[1]

Internet of Things (IoT) là một khái niệm rộng lớn và khó hình dung vì liênquan đến rất nhiều nguyên tắc, công nghệ và các lĩnh vực khác nhau Về cơ bản,IoT mô tả các hệ thống cảm biến nối mạng và các đối tượng thông minh làm việccùng nhau để tạo ra một môi trường thông minh, hữu dụng và lập trình được.Công nghệ IoT bao gồm cảm biến, mạch, hệ thống nhúng truyền thông, giaodiện thông minh, quản lý năng lượng, quản lý dữ liệu, truyền dữ liệu, quản lý trithức, hệ thống thời gian thực, xử lý phân tán, thiết kế hệ thống và các phần mềmphức tạp

Các hệ thống IoT (như hình 2.1) bao gồm các cấu trúc nhỏ được trang bịvài bộ cảm biến và bộ xử lý được lắp đặt trong một khu vực giới hạn cung cấpdịch vụ ứng dụng cho một số ít người cho đến các hệ thống trải rộng ra liên quanđến hàng triệu cảm biến, xử lý thông tin phân tán phức tạp như hệ thống điềukhiển một thành phố thông minh

Hình 2.1: Minh họa hệ thống IoT

2.1.2 Đặc tính cơ bản[2]

Những vấn đề quan trọng nhất của hệ thống IoT bao gồm trí thông minhnhân tạo, kết nối, cảm biến và các thiết bị nhỏ nhưng mang tính cơ động cao,chúng được mô tả sơ lược như bên dưới:

- AI (Artifical Intelligence - Trí tuệ nhân tạo): Hệ thống IoT về cơ bảnđược hiểu là làm cho mọi thiết bị trở nên thông minh, nghĩa là nó giúpnâng cao mọi khía cạnh của cuộc sống bằng những dữ liệu thu thập

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

được, thông qua các thuật toán tính toán nhân tạo và kết nối mạng.Một ví dụ đơn giản như hộp đựng gạo của bạn, khi biết rằng gạo sắphết, hệ thống tự động đặt một đơn hàng mới cho nhà cung cấp

- Connectivity (Kết nối): Là một đặc trưng cơ bản của IoT, hiện nay cácmạng thiết bị đang trở nên phổ biến, nhiều mạng thiết bị ngày càngnhỏ hơn, rẻ hơn và được phát triển phù hợp với thực tế cũng như nhucầu của người dùng

- Sensor (Cảm biến): IoT sẽ mất đi sự quan trọng của mình nếu không

có các cảm biến Các cảm biến hoạt động giống như một công cụ giúpIoT chuyển từ mạng lưới các thiết bị thụ động sang mạng lưới cácthiết bị tích cực, đồng thời có thể tương tác với thế giới thực

- Active Engagement (Thực hiện tích cực): Ngày nay, phần lớn cáctương tác của những công nghệ kết nối xảy ra 1 cách thụ động IoTđược cho là sẽ đem đến những hệ thống mang tích tích cực về nộidung, sản phẩm cũng như các dịch vụ gắn kết

- Small Devices (Thiết bị thu nhỏ): Như đã được dự đoán từ trước, cácthiết bị ngày càng được tối ưu với mục đích nâng cao độ chính xác,khả năng mở rộng cũng như tính linh hoạt Nó được thiết kế ngày càngnhỏ hơn, rẻ hơn và mạnh mẽ hơn theo thời gian

2.1.3 Cấu phần của hệ thống IoT[3]

Kiến trúc IoT (như hình 2.2) được đại diện cơ bản bởi bốn phần: Vạn vật(Things), trạm kết nối (Gateways), hạ tầng mạng và điện toán đám mây(Network and Cloud) và các lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services-creation andSolutions Layers)

Vạn vật (Things): Ví dụ xe hơi, thiết bị cảm biến, thiết bị đeo và điện thoại

di động đang được kết nối trực tiếp thông qua băng tần mạng không dây và truycập vào Internet Giải pháp IoT giúp các thiết bị thông minh được sàng lọc, kếtnối và quản lý dữ liệu một cách cục bộ, còn các thiết bị “chưa thông minh” thì cóthể kết nối được thông qua các trạm kết nối

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Trạm kết nối (Gateways): Các trạm kết nối sẽ đóng vai trò là một trung giantrực tiếp, cho phép các thiết bị có sẵn này kết nối với điện toán đám mây mộtcách bảo mật và dễ dàng quản lý

Hình 2 2: Mô hình kiến trúc IoT

Hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud): Cơ sở hạ tầngkết nối Internet bao gồm thiết bị định tuyến, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp, thiếp

bị lặp và nhiều thiết bị khác có thể kiểm soát lưu lượng dữ liệu lưu thông vàcũng được kết nối đến mạng lưới viễn thông và cáp được triển khai bởi các nhàcung cấp dịch vụ

Trung tâm dữ liệu/hạ tầng điện toán đám mây bao gồm một hệ thống lớncác máy chủ (Server), hệ thống lưu trữ và mạng ảo hóa được kết nối

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

- Quản lý giao thông;

- Lĩnh vực mua sắm thông minh;

- Đồ dùng sinh hoạt hằng ngày: Như máy pha cà phê, bình nước nóng lạnh, máy điều hòa;

- Tự động hóa: Các công xưởng sản xuất xe hơi đã áp dụng công nghệIoT để cắt giảm hầu hết các công nhân, thay vào đó là các bộ máy tíchhợp trí thông minh nhân tạo cho năng suất tăng gấp nhiều lần và độchính xác cao hơn

2.1.5 Lợi ích mang lại và thách thức

Những lợi ích mà IoT đem lại được dàn trải hầu hết đến các tất cả các lĩnhvực trong đời sống, kinh doanh như cải thiện việc gắn kết với khách hàng, tối ưuhóa công nghệ, giảm sự hao phí, tăng cường việc thu thập dữ liệu

Mặc dù IoT mang lại khá nhiều lợi ích ấn tượng, nó cũng gặp phải nhữngthách thức đáng kể về kiểm soát an ninh, bảo mật, tính phức tạp, lo ngại về tínhlinh hoạt cũng như việc phải tuân thủ các tiêu chuẩn.[2]

2.2 GIỚI THIỆU VỀ LORA [4]

2.2.1 Khái niệm Lora

LoRa là viết tắt của Long Range Radio được nghiên cứu và phát triển bởiCycleo và sau này được mua lại bởi công ty Semtech năm 2012 Với công nghệnày, chúng ta có thể truyền dữ liệu với khoảng cách lên hàng km mà không cầncác mạch khuếch đại công suất; từ đó giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ khitruyền/nhận dữ liệu Do đó, LoRa có thể được áp dụng rộng rãi trong các ứngdụng thu thập dữ liệu như sensor network trong đó các sensor node có thể gửigiá trị đo đạc về trung tâm cách xa hàng km và có thể hoạt động trong thời giandài trước khi cần thay pin (như hình 2.3)

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của LoRa

LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế gọi là Chirp Spread Spectrum Theonguyên lý này thì 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 (công việc này gọi là chipped); sau

đó tín hiệu cao tần này tiếp tục được mã hoá theo các chuỗi chirp signal (là các

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

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 dụngdown - chirp) trước khi truyền ra anten để gửi đi

Hình 2 3: Cấu trúc hệ thống LoraTheo Semtech công bố thì nguyên lý này giúp giảm độ phức tạp và độchính xác cần thiết của mạch nhận để có thể giải mã và điều chế lại dữ liệu; hơnnữa 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 nhiễumôi trường xung quanh

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

- 430MHz cho châu Á;

- 780MHz cho Trung Quốc;

- 433MHz hoặc 866MHz cho châu Âu;

- 915MHz cho Hoa Kỳ

Nhờ sử dụng chirp signal mà các tín hiệu LoRa với các tỉ lệ chirp khácnhau có thể hoạt động trong cùng 1 khu vực mà không gây nhiễu cho nhau Điềunày cho phép nhiều thiết bị LoRa có thể trao đổi dữ liệu trên nhiều kênh đồngthời (mỗi kênh cho 1 tỉ lệ chirp)

2.2.3 LoraWan

a LoraWan là gì?

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

LoRaWAN là giao thức mạng năng lượng thấp, diện rộng (LPWA) đượcphát triển bởi Liên minh LoRa, kết nối không dây hoạt động với internet trongcác mạng khu vực, quốc gia hoặc toàn cầu, nhắm mục tiêu các yêu cầu chính củaInternet of Things (IoT) như thiết bị thông tin liên lạc hai chiều, dịch vụ bảo mậtđầu cuối, di động và nội địa hóa

LoRaWAN sử dụng phổ không được cấp phép trong các dải ISM để xácđịnh giao thức truyền thông và kiến trúc hệ thống cho mạng trong khi lớp vật lýLoRa tạo ra các liên kết giao tiếp tầm xa giữa các cảm biến từ xa và các cổng kếthoặc riêng tư ở bất cứ đâu bằng phần cứng và phần mềm.

b Các tính năng chính của hệ thống LoRaWAN

- Tầm xa (>5 km ở khu vực đô thị, >10 km ở khu vực ngoại ô, >80 km

- Hoạt động không cần giấy phép

c Sự khác biệt giữa LoRa và LoRaWAN là gì ?

Cả hai thuật ngữ thường được sử dụng đồng nghĩa, nhưng chúng có ý nghĩakhác nhau LoRa đề cập đến một điều chế không dây cho phép giao tiếp với mứctiêu thụ điện năng rất thấp LoRaWAN đề cập đến một giao thức mạng với chipLoRa để liên lạc Nó dựa trên trạm gốc, có thể theo dõi 8 tần số với một số yếu

tố trải rộng và gần 43 kênh

Có thể sử dụng điều chế LoRa như điểm - điểm hoặc mạng sao mà khôngcần LoRaWAN Cũng có thể sử dụng LoRaWAN như một mạng với các liên kết

vô tuyến khác, nhưng điều này sẽ không thực sự thiết thực

Về cơ bản, LoRa là lớp vật lý: chip LoRaWAN là lớp MAC: phần mềmđược đặt trên chip để kích hoạt kết nối mạng

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

2.2.4 Kiến trúc của hệ thống LoraWAN

Kiến trúc mạng LoRaWAN được triển khai theo cấu trúc liên kết hình ngôisao–ngôi sao (so với cấu trúc liên kết Mesh, ví dụ: Zibgee) Các mạngLoRaWAN được đặt trong cấu trúc liên kết sao có các trạm cơ sở chuyển tiếp dữliệu giữa các node cảm biến và Network Server Giao tiếp giữa các node cảmbiến và các trạm cơ sở đi qua kênh không dây sử dụng lớp vật lý LoRa, trong khikết nối giữa các Gateway và máy chủ trung tâm được xử lý qua mạng dựa trênIP

End nodes truyền trực tiếp đến tất cả các Gateway trong phạm vi sử dụng

LoRa

Gateway chuyển tiếp tin nhắn giữa các thiết bị đầu cuối và Network Server

trung tâm sử dụng IP

End nodes thường là cảm biến nhúng công nghệ LoRa Các node thườngcó:

Hình 2 4: Một Lora Sensors node của hãng Advantech