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

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 sốngvà 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 minhcó 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 củangười dùng. Chúng tôi đã quyết định chọn “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔHÌNH HỆ THỐNG KIỂM SOÁT THIẾT BỊ TIÊU THỤ ĐIỆN TRONGPHÒNG” làm đề tài cho đồ án tốt nghiệp của chúng tôi.

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH -

MSSV: 16141161 SVTH: Võ Hữu Khiêm

MSSV: 16141183

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

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH o0o

Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1

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

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

 Module WiFi ESP8266 V1

 Cảm biến dòng CT103U 5A/2.5mA

 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

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 09/03/2020

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

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: GVC.ThS Hoàng Ngọc Văn

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

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)

- GVHD tiến hành xét duyệt đề tài

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

gì, nội dung thiết kế, các thông số giới hạn của đề tài

Tuần 3,4,5

(22/3 – 12/4)

- Tìm hiểu các linh kiện sử dụng trong mạch

- Thiết kế sơ đồ nguyên lí

- Tiến hành thi công và kiểm tra mạch thi công

- Xây dựng mô hình, kiểm tra hoạt động của hệ thống

Tuần 14,15,16

(7/6 – 28/6)

- Viết báo cáo hoàn chỉnh

- 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 của quý thầy cô trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, nay thông 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 Bộ môn Điện Tử Công Nghiệp – Y Sinh đã tận tình chỉ bảo chúng em trong suốt quá trình học tập

Quý thầy cô ở các khoa có liên quan đã cung cấp cho chúng em những kiến thức 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 điều kiện 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 phương pháp 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 nghệ thông tin, điện tử, tự động hóa, IoT (Internet of Things) … Đã làm cho đời sống của con người ngày càng hoàn thiện Các thiết bị tự động điều khiển, điện thoại thông 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 sống sinh 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 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 và mong muốn thiết 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 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 MỤCBẢNG 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

A-MSDU Aggregation – MAC Service Data Units

A-MPDU Aggregation – MAC Protocol Data Unit

AES Advanced Encryption Standard

APSD Automatic Power Save Delivery

ARP Address Resolution Protocol

ASCII American Standard Code for Information

Interchange AWS Amazon Web Services

CPU Central Processing Unit

DCE Data Communication Equipment

DTE Data Terminal Equipment

EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only

Memory EUSART Enhanced Universal Asynchronous Receiver

Transceiver FTP File Transfer Protocol

GPIO General - purpose input/output

GPS Global Positioning System

GSM Global System for Mobile Communications

HTML HyperText Markup Language

HTTP HyperText Transfer Protocol

ICMP Internet Control Message Protocol

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IP Internet Protocol

IoT Internet of Things

ISM Industrial Scientific Medical

I2C Inter-Integrated Communication

LAN Local area network

LCD Liquid crystal display

LNA Low-noise amplifier

LPWAN Low-Power Wide Area Network

LSB Least Significant Bit

MCU Multipoint Control Unit

MNO Mobile Network Operator

MIMO Muliple Input, Multiple Output

MRI Magnetic Resonance Imaging

MSB Most Significant Bit

M2M Machine-to-Machine

OSI Open Systems Interconnection

PCB Printed Circuit Board

PIC Peripheral Interface Controller

PLL Phase Locked Loop

POP3 Post Office Protocol 3

PWM Pulse Width Modulation

RISC Reduced Instructions Set Computer

SDIO Secure Digital Input Output

SLA Service level Agreement

SMS Short Message Service

SMTP Simple Mail Transfer Protocol

SNMP Simple Network Management Protocol

SPI Serial Peripheral Interface

SRAM Static random-access memory

STBC Space-time block code

USB Universal Serial Bus

VoIP Voice over Internet Protocol

WPA Wifi Protected Access

W3C World Wide Web Consortium

XML Extensible Markup Language

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 GIỚI THIỆU

Trong xu thế phát triển hiện nay, với sự bùng nổ của các ngành công nghệ thông tin, điện tử, tự động hóa, IoT… Đã làm cho đời sống của con người ngày càng hoàn thiện Các thiết bị tự động điều khiển, điện thoại thông 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 sống sinh 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 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 muốn thiết 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

- Hệ thống cập nhật dữ liệu trên sever Thingspeak

Công nghệ Lora thực hiện thu phát tín hiệu sử dụng mạch thu phát RF UART Lora E32-TTL-500 hoạt động với tần số 433Mhz sử dụng chip SX1278 của SEMTECH

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

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 cho phép người dùng đưa dữ liệu lên cloud và từ cloud lấy dữ liệu về qua giao thức HTTP

Ứng dụng giao diện đơn giản, trực quan trên điện thoại thông minh chạy trên 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 đòi hỏi người thực hiện phải tham khảo và sử dụng nhiều phương pháp kết hợp chúng 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;

- 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 cứu của 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 khối tổng 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 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 ra hướng 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 liên quan 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 việc cùng 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, giao diện thông minh, quản lý năng lượng, quản lý dữ liệu, truyền dữ liệu, quản

lý tri thức, hệ thống thời gian thực, xử lý phân tán, thiết kế hệ thống và các phần mềm phức tạp

Các hệ thống IoT (như hình 2.1) bao gồm các cấu trúc nhỏ được trang bị vài bộ cảm biến và bộ xử lý được lắp đặt trong một khu vực giới hạn cung cấp dịch vụ ứng dụng cho một số ít người cho đến các hệ thống trải rộng ra liên quan đến hàng triệu cảm biến, xử lý thông tin phân tán phức tạp như hệ thống điều khiển 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 minh nhân 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 bản được hiểu là làm cho mọi thiết bị trở nên thông minh, nghĩa là nó giúp nâng cao mọi khía cạnh của cuộc sống bằng những dữ liệu thu thập

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 sắp hết, 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 các mạng thiết bị đang trở nên phổ biến, nhiều mạng thiết bị ngày càng nhỏ hơn, rẻ hơn và được phát triển phù hợp với thực tế cũng như nhu cầu 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 giúp IoT chuyển từ mạng lưới các thiết bị thụ động sang mạng lưới các thiết bị tích cực, đồng thời có thể tương tác với thế giới thực

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

- Small Devices (Thiết bị thu nhỏ): Như đã được dự đoán từ trước, các thiết 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 càng nhỏ 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 and Solutions 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 truy cập vào Internet Giải pháp IoT giúp các thiết bị thông minh được sàng lọc, kết nối và quản lý dữ liệu một cách cục bộ, còn các thiết bị “chưa thông minh” thì có thể kết nối được thông qua các trạm kết nối

Trạm kết nối (Gateways): Các trạm kết nối sẽ đóng vai trò là một trung gian trực tiếp, cho phép các thiết bị có sẵn này kết nối với điện toán đám mây một cách 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 tầng kết 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

và cũng được kết nối đến mạng lưới viễn thông và cáp được triển khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ

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

Các lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services-Creation and Solutions Layers): Intel đã kết hợp những phần mềm quản lý API hàng đầu (Application Progmraming Interface) là Mashery và Aepona để giúp đưa các sản phẩm và giải pháp IoT ra thị trường một cách chóng và tận dụng được hết giá trị của việc phân tích các dữ liệu từ hệ thống và tài sản đang có sẵn

2.1.4 Ứng dụng

IoT có thể ứng dụng được trong bất kì lĩnh vực nào mà chúng ta muốn Một

số lĩnh vực nổi bật hiện nay được ứng dụng IoT nhiều nhất như:

- Nhà thông minh;

- Quản lý các thiết bị cá nhân: Thiết bị đeo tay để đo nhịp tim huyết áp,

theo dõi sức khỏe;

- Quản lý môi trường, thời tiết;

- Xử lý trong các tình huống khẩn cấp;

- 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 nghệ IoT để cắt giảm hầu hết các công nhân, thay vào đó là các bộ máy tích hợp trí thông minh nhân tạo cho năng suất tăng gấp nhiều lần và độ

chính 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 lĩnh vực trong đời sống, kinh doanh như cải thiện việc gắn kết với khách hàng, tối ưu hóa 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 những thách thức đáng kể về kiểm soát an ninh, bảo mật, tính phức tạp, lo ngại về tính linh 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 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 như sensor network trong đó các sensor node có thể gửi giá trị đo đạc về trung tâm cách xa hàng km và có thể hoạt động trong thời gian dài 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 Theo nguyên 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

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

Hình 2 3: Cấu trúc hệ thống Lora

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 Hoa Kỳ

Nhờ sử dụng chirp signal mà các tín hiệu LoRa với các tỉ lệ chirp khác nhau có thể hoạt động trong cùng 1 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 1 tỉ lệ chirp)

2.2.3 LoraWan

a LoraWan là gì?

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

LoRaWAN sử dụng phổ không được cấp phép trong các dải ISM để xác định giao thức truyền thông và kiến trúc hệ thống cho mạng trong khi lớp vật lý LoRa tạo ra các liên kết giao tiếp tầm xa giữa các cảm biến từ xa và các cổng kết hoặc 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 nghĩa khác nhau LoRa đề cập đến một điều chế không dây cho phép giao tiếp với mức tiêu thụ điện năng rất thấp LoRaWAN đề cập đến một giao thức mạng với chip LoRa 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 không cần 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 mềm được đặt trên chip để kích hoạt kết nối mạng

2.2.4 Kiến trúc của hệ thống LoraWAN

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

IP

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 thường có:

- Các cảm biến (được sử dụng để phát hiện thông số thay đổi, ví dụ: nhiệt -

độ, độ ẩm, gia tốc kế, gps);

- LoRa transponder để truyền tín hiệu qua phương thức truyền vô tuyến được cấp bằng sáng chế của LoRa;

- 1 bộ điều khiển vi mô (với bộ nhớ trên bo mạch) có thể có hoặc không;

- Các cảm biến có thể kết nối với chip transponder LoRa hoặc cảm biến có thể là một đơn vị tích hợp với chip transponder LoRa được nhúng bên trong như hình 2.4

Hình 2 4: Một Lora Sensors node của hãng Advantech

2.2.5 Làm thế nào để kết nối LoraWAN?

Đối với người dùng cá nhân, điểm cộng lớn nhất của LoRaWAN là được sử dụng miễn phí nhờ cấu hình mở Tất cả những gì bạn cần là một thiết bị để tận dụng bất kỳ mạng cục bộ nào có bảo mật 128-AES Theo LoRa Alliance, LoRaWAN hiện có mặt ở hơn 100 quốc gia, với hơn 100 nhà khai thác hàng đầu trên toàn thế giới Trong thực tế, lý do lớn nhất cho sự phổ biến của nó là chi phí

rẻ khi quản lý các mạng ở xa

Tùy thuộc vào nơi sinh sống, bạn có thể đăng ký một trong nhiều nền tảng LoRaWAN như sau:

- Things Network: Với gần 60.000 nhà phát triển và hơn 5800 Gateway LoRa, Things Network là cộng đồng LoRaWAN mở lớn nhất trên thế giới Bãi đậu xe thông minh, theo dõi gia súc và tưới tiêu thông minh

là một vài ứng dụng khởi đầu mà người dùng có thể tham khảo

- AWS: Nếu đang sử dụng Things Network, người dùng có thể kết nối với hệ sinh thái IoT của Amazon

- LoRa Server: Nếu muốn kết nối với Google Cloud IoT, LoRa Server cung cấp một trong những lựa chọn thay thế tốt nhất

- Link Labs: Link Labs cung cấp phần cứng cho các giải pháp LoRaWAN

2.2.6 Các quy định đối với LoRa

Các thiết bị LoRa truyền trong dải tần số mở, không cần giấy phép của chính phủ để truyền phát Tức là LoRa hoạt động trong các dải tần số miễn phí giấy phép và người ta không cần giấy phép từ chính phủ hoặc tiểu bang, để truyền trên các tần số mở này

Điều cực kỳ quan trọng là cấu hình chip transponder LoRa để truyền theo tần số chính xác tùy thuộc vào vị trí Không tuân thủ có thể phải chịu các khoản tiền phạt và hình phạt nặng từ chính quyền địa phương của các nước

Dữ liệu LoRaWAN được truyền ở định dạng kỹ thuật số dưới dạng byte Giới hạn thực tế cho việc truyền tải trọng dữ liệu đáng tin cậy trong các điều kiện khác nhau là 100 byte Mặc dù có thể vượt lên trên một chút, tối đa

100 byte là một quy tắc hoạt động tốt

Các mạng LoRaWAN đã được thử nghiệm thành công, với các tin nhắn

100 byte được gửi cứ sau 7 giây trong một khoảng thời gian dài Tuy nhiên, trong thực tế, bất cứ điều gì thường xuyên hơn truyền một lần một phút không được khuyến khích sử dụng Có thể một gateway duy nhất xử lý đồng thời hàng ngàn node LoRa

2.2.7 Ưu điểm và nhược điểm của LoRaWAN

a Ưu điểm

- Cảm biến công suất thấp và vùng phủ sóng rộng được đo bằng km;

- Hoạt động trên tần số miễn phí (không có giấy phép), không có chi phí cấp phép trả trước để sử dụng công nghệ;

- Công suất thấp là do tuổi thọ pin dài cho các thiết bị Pin cảm biến có thể tồn tại trong 2 năm hay 5 năm (Lớp A và Lớp B);

- Thiết bị gateway LoRa đơn được thiết kế để chăm sóc hàng ngàn thiết

bị đầu cuối hoặc node;

- Nó dễ dàng để triển khai do kiến trúc đơn giản của nó;

- Nó được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng M2M/IoT;

- Kích thước tải trọng tốt hơn (100 byte), so với SigFox là 12 byte;

- Mở: một liên minh mở và một tiêu chuẩn mở Công nghệ mở so với đối thủ SigFox;

- Không giới hạn số lượng tin nhắn hàng ngày tối đa (so với giới hạn SigFox là 140/ngày);

- LoRaWAN có lợi ích là liên minh với cách tiếp cận mở thay vì độc quyền (SigFox);

- Tầm xa cho phép các giải pháp như ứng dụng thành phố thông minh;

- Băng thông thấp làm cho nó lý tưởng cho việc triển khai IoT thực tế với ít dữ liệu hơn việc truyền dữ liệu không đổi;

- Chi phí kết nối thấp;

- Không dây, dễ cài đặt và triển khai nhanh;

- Bảo mật: một lớp bảo mật cho mạng và một lớp cho ứng dụng có mã hóa AES;

- Giao tiếp hai chiều đầy đủ;

- Được hỗ trợ bởi những tập đoàn lớn như CISCO, IBM và 500 công ty thành viên khác của Liên minh LoRa

b Nhược điểm

- Không dành cho tải trọng dữ liệu lớn, tải trọng giới hạn ở 100 byte

- Không cho giám sát liên tục (trừ các thiết bị Class C);

- Không phải là ứng cử viên lý tưởng cho các ứng dụng thời gian thực đòi hỏi độ trễ thấp hơn và yêu cầu thiết bị ràng buộc;

- Tăng cường mạng lưới LoRaWAN: Sự phát triển của các công nghệ LPWAN, và đặc biệt là LoRaWAN, đặt ra những thách thức cùng tồn tại khi việc triển khai các gateway vào khu vực đô thị;

- Nhược điểm của tần số mở là bạn có thể bị nhiễu tần số đó và tốc độ

dữ liệu có thể thấp (Đối với GSM hoặc tần số được cấp phép, bạn có thể truyền trên tần số đó mà không bị nhiễu Các nhà khai thác GSM

sử dụng tần số nhất định phải trả phí cấp phép lớn cho chính phủ để sử dụng các tần số đó LoRa hoạt động trên các tần số mở và không cần trạng thái giấy phép)

2.3 TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY BẰNG WIFI[5]

2.3.1 Khái niệm

WiFi là phương thức kết nối không dây sử dụng sóng vô tuyến, được triển khai trên hầu hết các thiết bị điện tử thông minh hiện nay để có thể kết nối với nhau và kết nối Internet WiFi được triển khai với mục đích truyền dữ liệu không

dây tốc độ cao, không cần đấu nối dây hay cáp mạng, triển khai hạ tầng mạng một cách nhanh chóng

WiFi hiện tại đang sử dụng chuẩn kết nối IEEE 802.11

2.3.2 Nguyên lý hoạt động

Mạng Internet sẽ được các ISP (Internet Services Provider – nhà cung cấp dịch vụ internet) truyền đến bộ giải mã tín hiệu số (Modem), thông qua bộ định tuyến (Router) hay chúng ta thường gọi là “bộ phát wifi” chuyển tín hiệu hữu tuyến thành kết nối vô tuyến và đưa đến các thiết bị di động không dây thông qua chuẩn kết nối WiFi

Các thiết bị không dây tiếp nhận sóng WiFi thông qua một thiết bị chuyển đổi tín hiệu gọi là Adapter (card WiFi) được cài đặt trực tiếp trên các thiết bị Tín hiệu vô tuyến sẽ được giải mã ngay trên thiết bị, từ đây người dùng có thể trực tiếp truy cập Internet như bình thường (như hình 2.5)

Hình 2 5: Nguyên lý hoạt động của WiFi

2.3.3 Một số chuẩn kết nối WiFi phổ biến

- Chuẩn 802.11a: Tần số 5 GHz, tốc độ xử lý 54 Mbps

- Chuẩn 802.11b: Tần số 2.4 GHz, tốc độ xử lý 11 Mbps, đây là chuẩn kết nối yếu nhất

- Chuẩn 802.11g: Tần số 2.4 GHz, tốc độ xử lý 54 Mbps

- Chuẩn 802.11n: Tần số 2.4 GHz, tốc độ xử lý 300 Mbps

2.4 CHUẨN GIAO TIẾP UART

2.4.1 Giới thiệu[6]

UART là một mạch tích hợp được sử dụng trong việc truyền dẫn dữ liệu nối tiếp giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi Rất nhiều vi điều khiển hiện nay

đã được tích hợp UART, vì vấn đề tốc độ và độ điện dụng của UART không thể

so sánh với các giao tiếp mới hiện nay nên các dòng PC và Laptop đời mới không còn tích hợp cổng UART Như các bạn đã biết giao tiếp SPI và I2C có 1 dây truyền dữ liệu và 1 dây được sử dụng để truyền xung clock (SCL) để đồng

bộ trong giao tiếp Với UART thì không có dây SCL, vấn đề được giải quyết khi

mà việc truyền UART được dùng giữa 2 vi xử lý với nhau, đồng nghĩa với việc mỗi vi xử lý có thể tự tạo ra xung clock cho chính nó sử dụng với sơ đồ giao tiếp (như hình 2.6)

Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng chuẩn UART để thực hiện việc giao tiếp giữa module LoRa và module Wifi với vi điiều khiển

Tx Peripheral Rx

GND

Rx

Tx Microcontroller GND

Hình 2 6: Giao tiếp UART

Để bắt đầu cho việc truyền dữ liệu bằng UART, một START bit được gửi

đi, sau đó là các bit dữ liệu và kết thúc quá trình truyền là STOP bit

2.4.2 Sơ đồ UART[7]

UART có sơ đồ bao gồm hai thành phần là thiết bị gửi và thiết bị thu Phần thiết bị gửi bao gồm ba khối là thanh ghi giữ truyền, thanh ghi dịch chuyển và logic điều khiển Tương tự, phần thiết bị thu bao gồm một thanh ghi giữ, thanh ghi thay đổi và logic điều khiển

Hai phần này thường được cung cấp bởi một bộ tạo tốc độ baud Trình tạo này được sử dụng để tạo tốc độ khi phần máy phát và phần máy thu phải truyền hoặc nhận dữ liệu (như hình 2.7)

Thanh ghi giữ trong thiết bị gửi bao gồm byte dữ liệu được truyền Các thanh ghi thay đổi trong thiết bị gửi và nhận di chuyển các bit sang phải hoặc trái cho đến khi một byte dữ liệu được truyền hoặc nhận Một logic điều khiển đọc (hoặc) ghi được sử dụng để biết khi nào nên đọc hoặc viết

Máy phát tốc độ baud giữa thiết bị gửi và thiết bị nhận tạo ra tốc độ dao động từ 110 bps đến 230400 bps Thông thường, tốc độ truyền của vi điều khiển

TRANSMIT HOLD REGISTER

CONTROL LOGI C BAUD RATE

GENERATOR

Transmitter Receiver

Hình 2 7: Sơ đồ khối UART

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

- Baund rate (tốc độ baund): Khoảng thời gian dành cho 1 bit được truyền Phải được cài đặt giống nhau ở gửi và nhận

- Frame (khung truyền): Khung truyền quy định về số bit trong mỗi lần truyền

- Start bit : Là bit đầu tiên được truyền trong 1 Frame Báo hiệu cho thiết bị nhận có một gói dữ liệu sắp đc truyền đến Bit bắt buộc

- Data: Dữ liệu cần truyền Bit có trọng số nhỏ nhất LSB được truyền trước sau đó đến bit MSB

- Parity bit : Kiểm tra dữ liệu truyền có đúng không

- Stop bit : Là 1 hoặc các bit báo cho thiết bị rằng các bit đã được gửi xong Thiết bị nhận sẽ tiến hành kiểm tra khung truyền nhằm đảm bảo tính đúng đắn của dữ liệu Đây là bit bắt buộc

2.4.4 Các ứng dụng của UART[8]

UART thường được sử dụng trong các bộ vi điều khiển cho các yêu cầu chính xác và chúng cũng có sẵn trong các thiết bị liên lạc khác nhau như giao tiếp không dây, thiết bị GPS, module Bluetooth và nhiều ứng dụng khác

Các tiêu chuẩn truyền thông như RS422 và TIA được sử dụng trong UART ngoại trừ RS232 Thông thường, UART là một IC riêng được sử dụng trong giao tiếp nối tiếp UART

2.4.5 Ưu điểm và nhược điểm của UART[8]

Những ưu và nhược điểm của UART bao gồm những điều sau đây:

- Nó chỉ cần hai dây để truyền dữ liệu;

- Tín hiệu CLK là không cần thiết;

- Nó bao gồm một bit chẵn lẻ để cho phép kiểm tra lỗi;

- Sắp xếp gói dữ liệu có thể được sửa đổi vì cả hai mặt được sắp xếp;

- Kích thước khung dữ liệu tối đa là 9 bit;

- Nó không chứa một số hệ thống phụ;

- Tốc độ truyền của UART phải ở mức 10% của nhau

Trên đây là tất cả về tổng quan về máy phát thu không đồng bộ vạn năng (UART) là một trong những giao diện cơ bản mang lại sự giao tiếp đơn giản, hiệu quả và chi phí phải chăng giữa các vi điều khiển cũng như PC

2.5 MODULE WIFI ESP8266 V1

2.5.1 Giới thiệu[9]

ESP8266 là một chip tích hợp cao - SoC, có khả năng xử lý và lưu trữ tốt, cung cấp khả năng vượt trội để trang bị thêm tính năng wifi cho các hệ thống khác hoặc đóng vai trò như một giải pháp độc lập

Module wifi ESP8266 V1 cung cấp khả năng kết nối mạng wifi đầy đủ và khép kín, bạn có thể sử dụng nó để tạo một web server đơn giản hoặc sử dụng như một access point

Module này có đủ khả năng xử lý và lưu trữ trên mạch mạnh mẽ mà cho phép nó được tích hợp với các cảm biến và các thiết bị ứng dụng cụ thể khác thông qua GPIOs của nó với phát triển tối thiểu lên phía trước và nạp tối thiểu trong thời gian chạy mức độ cao của hội nhập trên chip cho phép mạch điện bên ngoài tối thiểu, bao gồm cả các module front-end, được thiết kế để chiếm diện tích PCB tối thiểu Các ESP8266 hỗ trợ APSD cho các ứng dụng VoIP và giao diện đồng tồn tại Bluetooth, nó có chứa một RF tự hiệu chuẩn cho phép nó hoạt động trong mọi điều kiện hoạt động, và không yêu cầu phần RF bên ngoài

2.5.2 Đặc điểm[9]

a Thông số kỹ thuật:

- Wifi 802.11 b/g/n;

- Wi-Fi Direct (P2P), soft-AP;

- Chuẩn điện áp hoạt động 3.3V;

- Chuẩn giao tiếp nối tiếp UART với tốc độ Baud lên đến 115200;

- Tích hợp giao thức TCP/IP stack;

- Wifi 2.4 GHz, hỗ trợ WPA/WPA2;

- Có 3 chế độ hoạt động: Client, Access Point, Both Client;

- Công suất đầu ra 19.5 dBm trong chế độ 802.11b;

- Dòng rò <10 uA;

- Bộ nhớ 1 MB flash;

- A-MPDU và A-MSDU tập hợp và 0.4 ms khoảng bảo vệ;

- Khởi động và truyền tải các gói dữ liệu trong <2 ms;

- Chế độ chờ tiêu thụ điện năng <1.0 mW (DTIM3)

b Tính năng:

- SDIO 2.0, SPI, UART;

- 32 pin QFN (Chip ESP8266);

- Tích hợp bộ xử lý RISC, trên chip bộ nhớ và giao diện bộ nhớ bên ngoài;

- Tích hợp bộ vi xử lý MAC/baseband;

- Hỗ trợ các chuẩn bảo mật như: OPEN, WEP,WPA_PSK,WPA2_PSK, WPA_WPA2_PSK;

- Làm việc như các máy chủ có thể kết nối với 5 máy con

c Sơ đồ chân (như hình 2.8) và các chức năng:

Hình 2 8: Sơ đồ chân ESP8266 V1

- URXD (RX): Dùng để nhận tín hiệu trong giao tiếp UART với vi điều khiển

- VCC: Đầu vào 3.3V

- GPIO 0: Kéo xuống thấp cho chế độ upload bootloader

- RST: Chân reset cứng của module, tác động mức thấp để reset

- GPIO 2: Thường được dùng như một cổng TX trong giao tiếp UART

để gỡ lỗi

- CH-PD: Kích hoạt chip, sử dụng cho Flash Boot và cập nhật lại module, nối với mức cao

- GND: nối với mass

- UTXD (TX): Dùng để truyền tín hiệu trong giao tiếp UART với vi điều khiển

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

a Khái niệm

Là tập lệnh chuẩn được hỗ trợ bởi hầu hết các thiết bị di động như điện thoại di động, GSM modem mà có hỗ trợ gửi và nhận tin nhắn tin nhắn dưới dạng SMS và điều khiển cuộc gọi Là một lệnh thiết lập được sử dụng để giao tiếp giữa DTE (dữ liệu của các thiết bị đầu cuối) chẳng hạn như máy vi tính và DCE (dữ liệu giao tiếp thiết bị)

Để giao tiếp module ta sử dụng truyền các lệnh AT qua RS232 ở tốc độ baud 115200

AT+CIPMUX=

0(chế độ kết nối đơn kênh)

AT+CIPSEND = 5

>hello

AT+CIPCLOSE Đóng kết nối

2.6 VI ĐIỀU KHIỂN PIC

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

Từ năm 1971 bộ vi xử lý đầu tiên ra đời đã mở ra một thời đại mới trong công nghệ điện tử và tin học, nó đã ảnh hưởng sâu sắc đến mọi lĩnh vực khoa học công nghệ Các hệ thống được thiết kế dựa trên nền tảng của bộ vi xử lý có khả năng mà các hệ thống điện tử thông thường không thể thực hiện được

Khi xử dụng vi xử lý phải thiết kế một hệ thống gồm có: vi xử lý, bộ nhớ, các ngoại vi Yêu cầu điều khiển càng cao thì hệ thống càng phức tạp, nếu yêu cầu điều khiển đơn giản thì hệ thống vi xử lý cũng phải có đầy đủ các khối trên (như hình 2.9)

Để kết nối các khối trên tạo thành một hệ thống vi xử lý đòi hỏi người thiết

kế phải rất hiểu biết về tất cả các thành phần vi xử lý, bộ nhớ, các thiết bị ngoại

vi Hệ thống tạo ra khá phức tạp, chiếm nhiều không gian, mạch in, và vấn đề chính là đòi hỏi người thiết kế hiểu thật rõ về hệ thống Một lý do nữa là vi xử lý thường xử lý dữ liệu theo byte hoặc word trong khi đó các đối tượng điều khiển trong công nghiệp thường điều khiển theo bit Chính vì sự phức tạp nên các nhà chế tạp đã tích hợp bộ nhớ và một số thiết bị ngoại vi cùng với vi xử lý tạo thành một IC gọi là vi điều khiển – Microcontroller

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

2.6.2 PIC 18F4550[11]

PIC 18F4550 (hình 2.10) là một vi xử lý cơ bản đa chức năng, có thể lập trình cũng như kết nối dễ dàng Điểm riêng biệt của PIC 18F4550 là nó là một trong những PIC hỗ trợ toàn thể cho USB, nghĩa là có USB gắn trong có sẵn các chân đầu ra để kết nối trực tiếp với máy tính mà không cần mạch kéo hay bất cứ mạch gắn ngoài nào

Bên cạnh đó, bộ điều khiển trung tâm cũng như các thiết bị ngõ ra được lắp đặt trong một hộp điều khiển để đảm bảo việc hệ thống vận hành được an toàn

và tốt hơn

Hình 2 10: Vi điều khiển PIC 18F4550

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

Bảng 2 2: Thông số kỹ thuật PIC 18F4550

Điện áp hoạt động 5V

Điện áp vào (đề nghị) 7V – 12V

Điện áp vào (giới hạn) 6V – 20V

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA

Dòng ra tối đa (5V) 500 mA

Dòng ra tối đa (3,3V) 50 mA

Flash Memory 32 KB trong đó 0,5 KB được sử dụng bởi

Bootloader

 Một số chức năng của PIC 18F4550:

 Chức năng các port I/O:

- Port A gồm các tín hiệu từ RA0 đến RA6

- Port B gồm các tín hiệu từ RB0 đến RB7

- Port C gồm các tín hiệu từ RC0 đến RC7

- Port D gồm các tín hiệu từ RD0 đến RD7

- Port E gồm các tín hiệu từ RE0 đến RE3

 Chức năng truyền dữ liệu không đồng bộ EUART:

- Có 1 ngõ nhận dữ liệu là RX

- Có 1 ngõ phát dữ liệu là TX

 Chức năng ngắt:

- Có 2 ngõ nhận tín hiệu ngắt cứng là INT1, INT2

 Chân PGD (I/O): Vào ra dữ liệu của ICSP

 Chân PGC (I): Lối vào Clock của ICSSP

 Có 1 ngõ vào reset có tên là MCLR (master clear)

 Có 4 chân cấp nguồn: VDD cấp nguồn dương, VSS nối với 0V

Bên cạnh đó, PIC 18f4550 còn rất nhiều tính năng nổi trội mà chúng tôi không sử dụng đến như ADC, truyền dữ liệu SPI, I2C, CCP, TIMER…

2.6.3 PIC 16F886[12]

PIC 16F886 (hình 2.12) là một vi điều khiển 8 bit dựa trên CMOS FLASH

mạnh mẽ nhưng dễ lập trình này, 2 Bộ so sánh, 11 kênh của bộ chuyển đổi Tương tự sang số (A/D) 10 bit, 1 chức năng CCP và 1 chức năng CCP nâng cao, một cổng nối tiếp đồng bộ có thể được định cấu hình là 3 dây giao diện ngoại vi nối tiếp SPI hoặc bus 2 dây tích hợp liên mạch I2C và một máy phát thu không đồng bộ phổ quát nâng cao EUSART Tất cả các tính năng này làm cho nó lý tưởng cho các ứng dụng A/D cấp cao hơn trong các ứng dụng ô tô, công nghiệp, thiết bị hoặc tiêu dùng