Thiết kế và thi công mô hình nhà thông minh

MÔ TẢ MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI: Thiết kế và thi công một mô hình nhà thông minh, là hệ thống có thể điều khiển và giám sát từ xa qua Internet, đồng thời có thể điều khiển thiết bị trực tiếp

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH

GVHD: NGUYỄN TRƯỜNG DUY SVTH: LÂM NGỌC NGA

MSSV: 13141196 SVTH: LÊ NGỌC DIỄM MSSV: 13141032

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2017

S K L0 0 5 6 9 3

Trang 2

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

TP Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 7 năm 2017

BẢNG MÔ TẢ CÔNG VIỆC

Họ tên sinh viên 1: Lâm Ngọc Nga _ MSSV: 13141196 Lớp: 13141DT3B _

Họ tên sinh viên 2: Lê Ngọc Diễm _ MSSV: 13141032 Lớp: 13141DT3B _

Tên đề tài:

1 MÔ TẢ MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI:

Thiết kế và thi công một mô hình nhà thông minh, là hệ thống có thể điều khiển và giám sát từ

xa qua Internet, đồng thời có thể điều khiển thiết bị trực tiếp dùng màn hình cảm ứng chạm ở khu vực trung tâm và các cảm ứng chạm ở các khu vực khác _

2 MÔ TẢ CÔNG VIỆC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI CỦA TỪNG SINH VIÊN:

Họ tên Sinh viên 1: Lâm Ngọc Nga _

Các công việc thực hiện trong đề tài:

1 Tìm hiểu tài liệu, nghiên cứu lập trình cho bộ xử lí trung tâm

2 Tìm hiểu cách giao tiếp cảm biến dòng điện

3 Thiết kế giao diện Web giám sát và điều khiển

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH

Trang 3

ii

Họ tên Sinh viên 2: Lê Ngọc Diễm

Các công việc thực hiện trong đề tài:

1 Đọc tài liệu, nghiên cứu tìm hiểu về các module linh kiện được sử dụng trong

mô hình

3 Tìm hiểu, thiết kế mô hình vòi nước tự động

XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký ghi rõ họ tên)

Trang 4

- Sử dụng kit STM32F103VET6, màn hình giao diện LCD TFT 3.2inch, module ESP8266 và các linh kiện cần thiết liên quan đến đề tài

- Điều khiển thiết bị qua màn hình cảm ứng hoặc điều khiển từ xa qua Internet

- Có hệ thống vòi nước tự động mở đóng

- Có thể giám sát hoạt động của thiết bị qua Internet

2 Nội dung thực hiện:

- Tìm hiểu và tham khảo các tài liệu giáo trình, nghiên cứu các chủ đề, các nội dung

có liên quan đến đề tài

- Viết chương trình cho VĐK nhận tín hiệu điều khiển từ web và điều khiển thiết bị qua web

- Thiết kế giao diện web giám sát thiết bị

- Kết nối mạch phần cứng giữa vi điều khiển STM32F103VET6 với module

ESP8266, tải đèn và động cơ

- Thiết kế, thi công và lập trình các cảm biến (cảm biến hồng ngoại, cảm biến dòng điện)

- Thiết kế, thi công mô hình nhà thông minh hoàn thiện

- Lắp ráp các khối điều khiển vào mô hình

- Chạy thử nghiệm và cân chỉnh hệ thống

- Viết quyển báo cáo đồ án tốt nghiệp

- Báo cáo đồ án tốt nghiệp

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 13/03/2017

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/07/2017

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS Nguyễn Trường Duy

Họ tên sinh viên: Lâm Ngọc Nga MSSV: 13141196

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử Mã ngành: 01

Trang 5

Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH

GVHD Tuần 1

7/3

- Gặp giáo viên hướng dẫn và trao đổi về đề tài đồ

án tốt nghiệp Tuần 2

Trang 7

vi

LỜI CAM ĐOAN

Đề tài này là do chúng tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có

Người thực hiện đề tài

Trang 8

vii

LỜI CẢM ƠN

Nhóm xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Trường Duy, khoa Điện – Điện Tử, trường Đại học Sư phạm Kĩ thuật Tp.HCM Trong suốt thời gian thực hiện đề tài này, cùng với sự hướng dẫn và những lời góp ý của thầy về nội dung và phương pháp nghiên cứu, những lời nhận xét và chia sẻ kinh nghiệm thực tế đã giúp cho nhóm có điều kiện thuận lợi để hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này

Bên cạnh đó nhóm xin cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện – Điện Tử đã giảng dạy, truyền đạt cho chúng em những kiến thức cần thiết để chúng em có tiền đề để thực hiện đồ án tốt nghiệp Nhóm cũng xin cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Điện Tử Công Nghiệp – Y Sinh đã góp ý cho chúng em trong quá trình thực hiện đồ án, các thầy cô luôn làm việc tích cực trong công tác quản lý và thông tin đến sinh viên để việc bảo vệ đồ án luôn đảm bảo đúng tiến độ và hiệu quả

Nhóm cũng xin gửi thật nhiều lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã khích lệ tinh thần, tạo động lực mạnh mẽ để giúp nhóm hoàn thành tốt đề tài

Trân trọng cảm ơn!

Người thực hiện đề tài Lâm Ngọc Nga Lê Ngọc Diễm

Trang 9

viii

MỤC LỤC

Trang bìa i

Nhiệm vụ đồ án iii

Lịch trình iv

Cam đoan vi

Lời cảm ơn vii

Mục lục viii

Liệt kê hình vẽ xi

Liệt kê bảng vẽ xiii

Danh mục các từ viết tắt xiv

Tóm tắt xv

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1Đặt vấn đề 1

1.2Mục tiêu 1

1.3Nội dung nghiên cứu 1

1.4Giới hạn 2

1.5 Bố cục 2

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1Mô tả quy trình hoạt động của mô hình nhà thông minh 4

2.2 Giới thiệu phần cứng 4

2.2.1 Giới thiệu về Board STM32F103VET6 4

2.2.2 Màn hình giao diện LCD TFT 320x240 6

2.2.3 Module Wifi ESP8266 V1 8

2.2.9 Tổng quan về internet 13

2.2.10 Giới thiệu phương thức giao tiếp được sử dụng 22

Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 24

3.1Giới thiệu 24

3.2 Tính toán và thiết kế hệ thống 24

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 24

Trang 10

ix

3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch 26

3.2.3 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch 37

3.2.4 Nguyên lý hoạt động của toàn mạch 40

Chương 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 44

4.1 Giới thiệu 44

4.2 Thi công hệ thống 44

4.2.1 Thi công bo mạch 44

4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra 45

4.2.2 Kết quả hình ảnh trên màn hình giao diện Web 46

4.3 Đóng gói và thi công mô hình 49

4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển 49

4.3.2 Thi công mô hình 50

4.4 Lập trình hệ thống 51

4.4.1 Lưu đồ giải thuật 51

4.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển 62

4.4.3 Phần mềm lập trình web 67

4.5 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng, thao tác 68

4.5.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng 68

4.5.2 Quy trình thao tác 71

Chương 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 74

5.1 Kết quả đạt được 74

5.2 Nhận xét đánh giá hệ thống 78

5.2.1 Ưu điểm của hệ thống 78

5.2.2 Nhược điểm của hệ thống 80

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 82

6.1 Kết luận 82

6.2 Hướng phát triển 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC xvi

Trang 11

x

Trang 12

xi

LIỆT KÊ HÌNH VẼ

Hình Trang

Hình 2.1: Kit STM32F103VET6 .5

Hình 2.2: Sơ đồ chân STM32F103VET6 6

Hình 2.3: Màn hình LCD 16x2 7

Hình 2.4: Màn hình GLCD 7

Hình 2.5: Màn hình LCD TFT 3.2inch 7

Hình 2.6: Kích thước màn hình TFT 8

Hình 2.7: Module Wifi ESP8266 V1 9

Hình 2.8: Module Wifi ESP8266 V12 10

Hình 2.9: Module cảm biến chạm TTP223 10

Hình 2.10: Module cảm biến dòng ACS712 11

Hình 2.11: Cấu tạo module cảm biến dòng ACS712 11

Hình 2.12: Module thu phát hồng ngoại V1 12

Hình 2.13: Van nước điện tử Solenoid 10mm 13

Hình 2.14: Hiệu ứng khi có sử dụng CSS 16

Hình 2.15: Giao diện làm việc với cơ sở dữ liệu 18

Hình 2.16: Các bước tạo bảng lưu trữ dữ liệu 20

Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống 25

Hình 3.2: Sơ đồ khối của khối xử lý trung tâm và các chân sử dụng 28

Hình 3.3: Sơ đồ mạch giao tiếp giữa STM32F103VET6 và màn hình cảm ứng 29

Hình 3.4: Sơ đồ mạch giao tiếp giữa STM32F103VET6 và module ESP8266 30

Hình 3.5: Sơ đồ mạch giao tiếp giữa STM32F103VET6 và tải đèn AC, cảm biến dòng 32

Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý tín hiệu cảm biến dòng điện 34

Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý kết nối giữa cảm biến chạm với module Wifi esp8266 V12 35

Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lí của khối tải tại phòng ngủ và nhà bếp 36

Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lí của bộ điều khiển trung tâm 38

Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lí của bộ khối điều khiển tại phòng ngủ và nhà bếp 39

Hình 3.11: Sơ đồ quá trình hoạt động truyền nhận tín hiệu 40

Hình 4.1: Sơ đồ mạch in của khối điều khiển tại phòng ngủ và nhà bếp 44

Hình 4.2: Bộ điều khiển tại phòng ngủ và nhà bếp 45

Hình 4.3: Sơ đồ kết nối của bộ điều khiển trung tâm 46

Trang 13

xii

Hình 4.4: Trang đăng nhập vào giám sát và điều khiển thiết bị 47

Hình 4.5: Trang chủ của hệ thống 47

Hình 4.6: Trang hiển thị thông tin của sinh viên thực hiện đề tài 48

Hình 4.7: Trang giám sát và điều khiển thiết bị ở phòng khách 48

Hình 4.8: Trang giám sát và điều khiển thiết bị ở phòng ngủ 49

Hình 4.9: Trang giám sát và điều khiển thiết bị ở phòng khách 49

Hình 4.10: Mô hình thực tế nhà thông minh 50

Hình 4.11: Lưu đồ hoàn chỉnh của hệ thống chính 51

Hình 4.12: Lưu đồ chương trình con gửi yêu cầu tín hiệu điều khiển 54

Hình 4.13: Lưu đồ chương trình con tách chuỗi và xử lí 55

Hình 4.14: Lưu đồ chương trình con cập nhật dữ liệu sau khi phân tích 57

Hình 4.15: Lưu đồ chương trình của trang hiển thị trạng thái thiết bị 59

Hình 4.16: Lưu đồ chương trình của cập nhật trạng thái thiết bị từ phần cứng 61

Hình 4.17: Đây là cửa sổ giao diện đầu tiên khi bắt đầu lập trình một chương trình 62

Hình 4.18: Sử dụng phần mềm keil C lập trình và chế độ chạy debug 63

Hình 4.19: Màn hình hiển thị đầu tiên của phần mềm Arduino IDE 64

Hình 4.20: Đây là cửa sổ giao diện soạn thảo chương trình dùng Subline text 68

Hình 4.21: Màn hình trang chủ của giao diện trên LCD 69

Hình 4.22: Giao diện phòng khách của mô hình trên LCD 69

Hình 4.23: Giao diện phòng ngủ của mô hình trên LCD 70

Hình 4.24: Giao diện phòng bếp của mô hình trên LCD 71

Hình 4.25: Lưu đồ hướng dẫn thao tác điều khiển 72

Hình 5.1: Kết quả mô phỏng dạng sóng tại ngõ ra mạch xử lí tín hiệu 75

Hình 5.2: Kết quả mô phỏng dạng sóng tại ngõ ra mạch xử lí tín hiệu 76

Hình 5.3: Mạch thi công thực tế chuyển đổi tín hiệu áp tương tự sang tín hiệu số 77

Hình 5.4: Tìm kiếm, lựa chọn thiết bị cần sử dụng trong phần mềm Eagle 77

Hình 5.5: Giao diện điều khiển ở bộ xử lí trung tâm 79

Trang 14

xiii

LIỆT KÊ BẢNG

Bảng 2.1: Thông số kĩ thuật STM32F103VET6 5

Bảng 2.2: Một số thông số kĩ thuật của cảm biến dòng ACS712 12

Bảng 2.3: Một số thẻ HTML cơ bản thường được dùng 15

Bảng 2.4: Một số thuộc tính cơ bản trong CSS 17

Bảng 3.1: So sánh thông số hoạt động của một số loại vi điều khiển 27

Bảng 3.2: So sánh thông số kĩ thuật của một vài module truyền nhận không dây phổ biến 31

Bảng 3.3: Giá trị các điện trở, biến trở đã sử dụng 34

Bảng 3.4: Dòng tiêu thụ cực đại của các thiết bị 36

Bảng 3.5: Mô tả các thông số trong nội dung chính của gói tin 42

Bảng 5.1: Thống kê thời gian thao tác và khả năng hoạt động của hệ thống 80

Trang 15

UART: Universal Asynchronous serial Reveiver and Transmitter

CPU: Central Processing Unit

RISC: Reduced Instructions Set Computer

I2C: Inter-Intergrated Circuit

SPI: Serial Peripheral Interface bus

CAN: Controller Area Network

USB: Universal Serial Bus

SDIO: Secure digital input output

ADC: Analog-to-digital converter

DAC: Digital -to- analog converter,

DMA: Direct Memory Access

IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers

PCB: Polychlorinated biphenyls

TTTB: Trạng thái thiết bị

TTTĐ: Trạng thái tác động

CSDL: Cơ sở dữ liệu

Trang 16

xv

TÓM TẮT

Hiện nay với sự phát triển của khoa học công nghệ, đã làm cho cuộc sống của con người trở nên hiện đại hơn Cùng với xu hướng phát triển của khoa học kĩ thuật ngày càng mạnh mẽ trên toàn thế giới, một bộ phận người yêu công nghệ đã biết hoặc đã được trải nghiệm những tiện ích từ nhà thông minh

Nhóm thực hiện đề tài thiết kế và thi công mô hình nhà thông minh, với mục tiêu điều khiển các thiết bị từ xa từ Internet, thay đổi các công tắc cơ sang ứng dụng các công tắc cảm ứng điện trở và điện dung, đồng thời thiết kế và thi công một vài hệ thống bật tắt thiết bị tự động

Giải pháp sử dụng màn hình GLCD cùng với cảm ứng điện trở làm chức năng hiển thị trạng thái các thiết bị, ứng dụng cảm ứng điện trở làm công tắc bật tắt thiết bị Sử dụng sóng Wifi để truyền nhận tín hiệu điều khiển từ Internet Ngoài ra nhóm đưa ra giải pháp sử dụng các module cảm ứng điện dung thay thế cho các công tắc cơ

Các thiết bị trong ngôi nhà được điều khiển từ xa qua Internet, ứng dụng cảm biến chạm thay thế cho các công tắc cơ truyền thống giúp người dùng dễ dàng điều khiển thiết

bị hơn Các hệ thống tự động giúp tiết kiệm năng lượng

Tóm lại, nhà thông minh là hệ thống nhà kết hợp các thiết bị điện tử và kỹ thuật truyền phát không dây có tác dụng tự động hóa hoàn toàn hoặc bán tự động hóa hoạt động của các thiết bị trong ngôi nhà, giúp cuộc sống dễ dàng và tiện nghi hơn, bằng chứng là các hoạt động sinh hoạt hằng ngày đang dần theo xu hướng tự động hay được thực hiện dễ dàng từ xa Tất cả các thiết bị trong ngôi nhà của người dùng cũng có thể giám sát, điều khiển và quản lý từ xa, ngay khi người dùng không có ở nhà và còn các thiết bị còn hoạt động tự động mà không cần tác động điều khiển của người dùng

Người thực hiện đề tài

Lâm Ngọc Nga Lê Ngọc Diễm

Trang 17

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 1

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Xã hội ngày càng phát triển, chất lượng cuộc sống ngày càng được cải thiện và nâng cao hơn Đi cùng với những tiến bộ đó, chúng ta không thể không kể đến sự phát triển vượt bậc của khoa học kĩ thuật Đặc biệt là những ứng dụng của nó đã làm cho cả thế giới thay đổi, văn minh hơn, hiện đại hơn và thông minh hơn Trong đó, vai trò của các bộ điều khiển thông minh chiếm một vị trí thiết yếu, chúng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống và trong công nghiệp Ở Việt Nam, trong những năm gần đây thì các bộ điều khiển các thiết bị điện dân dụng trong nhà đang dần được chú ý, đã có những dự án về “ngôi nhà thông minh” hay các đề tài về điều khiển thiết

bị điện trong nhà được tìm hiểu và quan tâm

Ngôi nhà thông minh là ngôi nhà có các điều kiện kĩ thuật đảm bảo cuộc sống tốt nhất của con người Đó là một quá trình tích hợp của các hệ thống như hệ thống điều khiển và giám sát môi trường: hệ thống điều khiển đảm bảo nhiệt độ, hệ thống đảm bảo ánh sáng, mạch đóng ngắt, điều khiển cửa ra vào, giám sát cảnh báo cháy thành một hệ thống thống nhất

Xuất phát từ những thực tiễn nói trên, nhóm quyết định thực hiện đề tài: “Thiết

kế và thi công mô hình nhà thông minh”

1.2 MỤC TIÊU

Mục tiêu mà nhóm thực hiện sẽ bao gồm các nội dung chính như sau:

Thiết kế và thi công được mô hình nhà thông minh giúp điều khiển từ xa hệ thống đèn, quạt,… thông qua Internet, đồng thời có thể điều khiển thiết bị trực tiếp dùng cảm ứng chạm

Thiết kế và thi công hệ thống vòi nước thông minh

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Tìm hiểu và tham khảo các tài liệu giáo trình, nghiên cứu các chủ đề, các nội dung có liên quan đến đề tài

Trang 18

Viết chương trình cho VĐK nhận tín hiệu điều khiển từ web và điều khiển thiết

bị qua web

Thiết kế giao diện web giám sát thiết bị

Kết nối mạch phần cứng giữa vi điều khiển STM32F103VET6 với module ESP8266, tải đèn và động cơ

Thiết kế, thi công và lập trình các cảm biến (cảm biến hồng ngoại, cảm biến dòng điện)

Thiết kế, thi công mô hình nhà thông minh hoàn thiện

Lắp ráp các khối điều khiển vào mô hình

Chạy thử nghiệm và cân chỉnh hệ thống

Viết quyển báo cáo đồ án tốt nghiệp

Báo cáo đồ án tốt nghiệp

1.4 GIỚI HẠN

Sử dụng vi điều khiển STM32F103VET6 làm bộ xử lí trung tâm điều khiển và giám sát toàn bộ thiết bị trong nhà thông qua module ESP8266

Điều khiển và giám sát thiết bị qua màn hình cảm ứng hoặc qua Internet

Hệ thống có thể được điều khiển trực tiếp trong nhà dùng cảm ứng chạm

Trang 19

Ở chương này ta giới thiệu phần cứng, lựa chọn linh kiện thiết bị được sử dụng

và giới thiệu khái quát về chức năng, thông số kĩ thuật của các linh kiện đó, chuẩn giao tiếp sử dụng

Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế

Ở chương này ta trình bày sơ đồ khối của hệ thống, giải thích các khối, quy trình hoạt động và tính toán các thông số cần thiết của hệ thống Trình bày và giải thích sơ đồ nguyên lí

Chương 4: Thi Công Hệ Thống

Ở chương này ta tiến hành thi công hệ thống, lưu đồ giải thuật, viết chương trình và thiết kế giao diện cho web

Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá

Ở chương này ta trình bày kết quả đã đạt được, nhận xét đánh giá về hệ thống,

về các khối cảm biến, hình ảnh thực tế và hoạt động của thiết bị Đưa các thông số đạt được của thiết bị Trình bày kết quả của giao diện web và giải thích

Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển

Ở chương cuối ta trình bày những kết luận rút ra được sau quá trình tìm hiểu và thực hiện đề tài, kết luận về khả năng hoạt động của thiết bị trên thực tế Qua đó đưa ra những kiến nghị và đề xuất hướng phát triển của đề tài

Trang 20

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 MÔ TẢ QUY TRÌNH HOẠT ĐỘNG MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH

Quy trình hoạt động củahệ thốngđược mô tả cơ bản như sau:

Các thiết bị trong ngôi nhà được giám sát và điều khiển từ 3 nơi khác nhau: từ

xa qua Internet, từ bộ xử lí trung tâm đặt tại phòng khách và từ bộ điều khiển tại nơi đặt thiết bị

Ban đầu, sau khi cấp nguồn cho hệ thống, ta tiến hành lấy trạng thái thiết bị từ các phòng, từ cơ sở dữ liệu trên web đồng thời kết hợp với các tín hiệu điều khiển ở bộ

xử lí trung tâm Sau đó bộ xử lí trung tâm sẽ phân tích, tính toán tín hiệu điều khiển trạng thái thiết bị hiện tại Cuối cùng, tiến hành gửi lệnh điều khiển các thiết bị ở phòng khách, phòng ngủ, phòng bếp và cập nhật trạng thái thiết bị mới vào cơ sở dữ liệu Hệ thống tự lặp lại chu trình tổng hợp và điều khiển thiết bị

Ngoài ra hệ thống còn có bộ vòi nước hoạt động mở đóng tự động khi người dùng đưa tay lại gần vòi nước

2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG

2.2.1 Giới thiệu về Board STM32F103VET6

a Tổng quan về Board STM32F103VET6

Dòng ARM cortex là một bộ xử lí thế hệ mới đưa ra một kiến trúc chuẩn cho nhu cầu đa dạng về công nghệ hiện nay Dòng Cortex bao gồm 3 phân nhánh chính: dòng A dành cho những ứng dụng cao cấp, dòng R dành cho các ứng dụng thời gian thực và dòng M dành cho các ứng dụng vi điều khiển và chi phí thấp STM32 được thiết kế dựa trên dòng Cortex-M3, được thiết kế đặc biệt để nâng cao hiệu suất hệ thống và tiêu thụ năng lượng thấp

Trung tâm của bộ xử lý Cortex là một CPU kiến trúc RISC 32-bit

Trang 21

Hình 2.1 Kit STM32F103VET6[1]

Đối với kit STM32F103VET6 có cấu hình như sau:

Bảng 2.1 Thông số kĩ thuật STM32F103VET6

Trang 22

Hình 2.2 Sơ đồ chân STM32F103VET6[2]

Các ngoại vi: 2 bộ I2C, 5 bộ USART, 3 bộ SPI, 1 CAN, 1 USB 2.0, 1 SDIO

11 Timers, 3 bộ chuyển đổi ADC 12 bit, 3 bộ chuyển đổi DAC 12 bit

12 kênh DMA, hỗ trợ các ngoại vi: Timers, ADCs, DAC, SDIO, I2Cs, USARTs

2.2.2 Màn hình giao diện LCD TFT 320x240

Ngày nay, thiết bị hiển thị LCD (Liquid CryStal Display) được sử dụng rất nhiều trong các ứng dụng của vi điều khiển LCD có rất nhiều ưu điểm so với các dạng hiển thị khác, ví dụ như Led đơn, Led 7 đoạn… Nó có khả năng hiển thị kí tự đa dạng, trực quan (chữ, số và kí tự đồ họa)

Ngoài thị trường hiện đang có khá nhiều LCD với đủ chủng loại, tương ứng với chức năng càng cao thì giá thành càng đắt, cách thức giao tiếp cũng trở nên phức tạp hơn

Một vài chủng loại màn hình LCD như:

Trang 23

Do nhu cầu cần sử dụng để thiết kế giao diện điều khiển đẹp, hoàn chỉnh và tiện lợi nên thiết bị hiển thị được chọn là màn hình cảm ứng LCD TFT 3.2inch

Màn hình TFT có kích thước dài và rộng là 320x240

Trang 24

Hình 2.6 Kích thước màn hình TFT[1]

Chip sử dụng điều khiển màn hình TFT có tên là ILI9328 có mã thiết bị là 0x9328

IC hỗ trợ điều khiển màn hình cảm ứng điện trở là ADS7843

- Giao tiếp màn hình cảm ứng dùng 4 dây

- Chuyển đổi tỉ lệ với đơn vị met

- Nguồn cung cấp 2.7v đến 5v

- Giao tiếp với vi điều khiển theo chuẩn truyền SPI

2.2.3 Module Wifi ESP8266 V1

Các ứng dụng nổi bật của Wifi gồm:

- Giám sát và điều khiển thiết bị từ xa qua Internet

- Hỗ trợ cho các ứng dụng IOT

b Module Wifi ESP8266

Trang 25

Hình 2.7 Module Wifi ESP8266

Hiện nay trên thị trường có khá nhiều phiên bản của module ESP8266, tuy nhiên do nhu cầu đơn giản là truyền nhận dữ liệu lên cơ sở dữ liệu nên trong đề tài này nhóm chọn sử dụng module ESP8266 v1, giao tiếp với vi điều khiển qua phương thức UART

ESP8266 là một dòng chip tích hợp Wifi 2.4GHz có thể lập trình được

Tính năng:

- Mạch nhỏ, gọn (24.75mm x 14.5mm)

- Điện áp làm việc là 3.3v

- Tích hợp sẵn anten trên module

- Có 2 led báo hiệu: led nguồn và led TXD

- Có các chế độ: Access point, Station và Access point + Station

- Khoảng cách giữa các chân 2.54mm

b Một số thông số kĩ thuật

Trang 26

Hỗ trợ chuẩn wifi 802.11 b/g/n

Hoạt động ở 3 chế độ: Station/SotfAP/station+SotfAP

Network protocols: TCP/UDP/HTTP/FTP

CPU: Vi điều khiểnTensilica L106 32bit – 80MHz

Ngoại vi giao tiếp: 16 GPIO / 10-bit ADC / SPI / HSPI / SDIO / I2C / I2S / UART / IR Remote Control

Điện áp hoạt động: 3.0V – 3.6V

Dòng điện trung bình: 80mA

Bộ nhớ: 64KB boot ROM, 64 KB instruction RAM và 96 data RAM

Power Mode: Normal – Sleep mode – Deep sleep mode

Hình 2.8.Module ESP8266 V12

2.2.5 Cảm biến chạm

Hình 2.9 Module cảm biến chạm TTP223

Trang 27

Điện áp hoạt động: 3 – 5VDC

Thời gian khởi động sau khi cấp nguồn của module: nhỏ hơn 0.5s

Sau khi khởi động xong, module sẽ vô hiệu hóa khi không có tác động chạm

Tự khởi động ngay khi có tác động bề mặt

Sử dụng trong các ứng dụng đơn giản, dễ sử dụng, chi phí thấp

Cảm biến có ngõ ra digital, khi không có tác động chạm ngõ ra mức 0, khi có tác động chạm ngõ ra lên mức 1

2.2.6 Cảm biến đo dòng điện

a Giới thiệu

Hình 2.10 Module cảm biến dòng ACS712

Cảm biến dòng điện ACS712 là IC cảm biến dòng tuyến tính Cảm biến xuất ra một tín hiệu tương tự, điện áp ngõ ra thay đổi tuyến tính theo sự thay đổi của dòng điện được lấy mẫu thứ cấp Tụ ( Cf theo sơ đồ ) được dùng với mục đích chống nhiễu

Hình 2.11 Cấu tạo module cảm biến dòng ACS712[3]

Trang 28

b Thông số kĩ thuật

Bảng 2.2 Một số thông số kĩ thuật của cảm biến dòng ACS712[3].

Đường tín hiệu analog có độ nhiễu thấp

Độ nhạy đối với các loại module

 ACS 712-05B (5Ampe): 180 – 190 mV/A

 ACS 712-20A (20Ampe): 96 – 104 mV/A

 ACS 712-30A (30Ampe): 64 – 68 mV/A

2.2.7 Module thu phát hồng ngoại V1

Hình 2.12 Module thu phát hồng ngoại V1

Module sử dụng cặp thu phát hồng ngoại 5mm Ứng dụng trong việc phát hiện vật cản, tự tránh chướng ngại vật…

Trang 29

Khoảng cách phát hiện vật cản trong điều kiện tối ưu từ 2 - 30cm Khoảng cách cho kết quả tốt trong điều kiện thực tế là 2-10 cm Điều chỉnh khoảng cách bằng cách thay đổi giá trị của biến trở tinh chỉnh

2.2.8 Van nước điện tử Solenoid 10mm

Hình 2.13 Van nước điện tử Solenoid 10mm

Van nước điện tử Solenoid 10mm có tiết diện ống vào ra là 10mm thích hợp để đóng ngắt các thể tích nhỏ, chính xác, sử dụng cho các máy pha chế, chiết rót rượu,…

Trang 30

Internet là “một hệ thống thông tin toàn cầu” có thể được truy cập công cộng giữa các mạng máy tính được liên kết với nhau

TCP/IP là bộ giao thức cho phép kết nối các hệ thống mạng không đồng nhất với nhau

Ngày nay TCP/IP được dùng rộng rãi trong mạng cục bộ cũng như mạng toàn cầu TCP/IP được xem như giản lược của mô hình tham chiếu OSI với 4 tầng như sau:

- Tầng liên kết (Datalink Layer)

- Tầng Mạng (Internet Layer)

- Tầng Giao Vận (Transport Layer)

- Tầng ứng dụng (Application Layer)

Phương thức hoạt động của bộ giao thức TCP/IP:

Khi truyền dữ liệu, quá trình tiến hành từ tầng trên xuống tầng dưới (tầng ứng dụng truyền xuống tầng liên kết), qua mỗi tầng dữ liệu được thêm vào thông tin điều khiển gọi là Header

Khi nhận dữ liệu thì quá trình này sẽ xảy ra ngược lại Dữ liệu được truyền từ tầng dưới lên tầng trên (tầng liên kết truyền lên tầng ứng dụng) và qua mỗi tầng thì phần Header tương ứng sẽ được lấy đi và khi đến tầng cuối cùng thì dữ liệu không còn phần Header nữa

b Ngôn ngữ HTML

HyperText Markup Language (HTML), ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản, được

sử dụng để tạo một website, trên một website có thể chứa nhiều trang

Nó dùng để định dạng bố cục, các thuộc tính liên quan đến cách hiển thị của một đoạn text và được hiển thị trên một chương trình đặc biệt gọi là Browser Hiện nay có khá nhiều Browser như Chrome, Cốc Cốc, Firefox… Tất cả các Browser đều

có điểm chung là giúp người dùng thao tác với website và nó đều có khả năng biên dịch những đoạn mã HTML, CSS và Javacript

HTML có cấu trúc rất đơn giản và logic, bố cục từ trên xuống, từ trái sang phải Bao gồm hai phần chính là HEAD và BODY

Trang 31

Tập tin HTML được lưu với phần mở rộng là html

Các website viết bằng HTML đều tuân theo cấu trúc:

- Mọi trang HTML đều phải khai báo DOCTYPE (định nghĩa chuẩn văn bản) ngay từ dòng đầu tiên

- Thẻ <html> và </html>: cho trình duyệt biết đây là mở đầu và kết thúc của trang HTML

- Thẻ <head>: chứa tiêu đề và các thông tin khai báo, các thông tin ẩn

- Thẻ <body>: sẽ hiển thị nội dung của website Đây là phần thông tin mà người dùng sẽ nhìn thấy khi trình duyệt đọc các đoạn code HTML

Mọi kí tự nằm giữa dấu <! và > sẽ được xem là thẻ comment, trình duyệt sẽ

bỏ qua, không xử lí và không hiển thị

Bảng 2.3 Một số thẻ HTML cơ bản thường được dùng:

<div> Được sử dụng để định nghĩa một khu vực trong tài liệu của bạn Khi

sử dụng thẻ <div> bạn có thể nhóm các khu vực lớn của các phần tử HTML với nhau và định dạng chúng với CSS

<ul> Xác định danh sách không thứ tự

<li> Xác định danh sách item

<a> Xác định một liên kết

<button> Xác định một nhút nhấn

<p> Xác định một đoạn văn bản

c Ngôn ngữ CSS

Trang 32

CSS, Cascading Style Sheets, là ngôn ngữ dùng để tìm và định dạng lại các phần tử được tạo ra bởi ngôn ngữ HTML Sử dụng HTML để định dạng các phần tử cho website như việc tạo ra các đoạn văn bản, các tiêu đề, bảng… và CSS sẽ giúp các phần tử HTML thay đổi cấu trúc rất nhiều như đổi màu sắc cho trang, đổi màu chữ, thêm các hiệu ứng cho đoạn văn bản…

Cấu trúc một đoạn CSS bao gồm 4 phần:

Trang 33

và gia strij của thuộc tính phải được cách nhau bởi dấu hai chấm “:”, sử dụng dấu chấm phẩy “;” để kết thúc khai báo một thuộc tính Một vùng chọn được sử dụng

nhiều thuộc tính và không giới hạn số lượng thuộc tính

Tập tin CSS được lưu với phần mở rộng là css

Bảng 2.4 Một số thuộc tính cơ bản trong CSS

width Chiều dài của đối tượng

height Chiều cao của đối tượng

background Chèn ảnh nền hoặc màu nền cho website

margin Khoảng cách giữa hai đối tượng

box-shadow Thuộc tính chèn bóng đổ cho đối tượng

float Cố định đối tượng về một phía

font-size Cỡ chữ tính theo pixel

color Màu chữ

d Ngôn ngữ PHP

PHP (Personal Home Page) là ngôn ngữ lập trình kịch bản (scripting language),

mã nguồn mở, được dùng phổ biến để tạo ra các ứng dụng web Một đoạn code PHP được đặt trong cặp thẻ: <?php và ?>

Trang 34

- Mã lệnh của chương trình cần được đặt trong cặp thẻ <?php và ?>

- Sử dụng dấu chấm phẩy ; để kết thúc một câu lệnh

- Văn bản cần được đặt trong cặp dấu nháy đơn hay cặp dấu ngoặc đơn Tập tin PHP được lưu với phần mở rộng là php

e Quản lí cơ sở dữ liệu

PhpMyAdmin là một công cụ nguồn mở miễn phí được viết bằng PHP dùng để

xử lí quản trị của MySQL thông qua một trình web Có thể thực hiện nhiều tác vụ như tạo, sửa đổi hoặc xóa bỏ CSDL, bảng, các trường hoặc bản ghi, thực hiện báo cáo SQL, hoặc quản lí người dùng và cấp phép

Các thao tác thường dùng có thể được thực hiện thông qua giao diện người dùng mà vẫn có khả năng thực hiện trực tiếp bất kỳ câu lệnh SQL nào bằng

phpMyAdmin

SQL ( Structed Query Language) Ngôn ngữ truy vấn có cấu trúc: là ngôn ngữ theo chuẩn ANSI để định nghĩa và xử lí dữ liệu trong một cơ sở dữ liệu quan hệ Các

phát biểu SQL dùng để truy tìm và cập nhật dữ liệu trong một cơ sở dữ liệu

MySQL là một trong những hệ thống quản lí CSDL mã nguồn mở quan hệ SQL

sử dụng trên web phổ biến nhất hiện nay

Hình 2.15 Giao diện làm việc với cơ sở dữ liệu

Trang 35

Trên màn hình hiển thị được chia thành 3 phần cần chú ý:

Phần 1, danh sách các CSDL mặc định và do người dùng đã tạo trong MySQL

Phần 2, danh sách các thông số về MySQL đang được người dùng sử dụng Phần 3, gồm các thẻ sau:

- Databases: quản lí các CSDL, bao gồm các công việc như: tạo mới, xóa, sửa…

- Export: cho phép lưu trữ dữ liệu vào ổ cứng dưới dạng file text

- Import: chèn các tập tin SQL từ bên ngoài vào CSDL hiện tại

- Settings: tùy chỉnh các cấu hình cho phpMyAdmin của người dùng

f Tạo bảng trong CSDL

Bảng là một dụng cụ giúp việc quản lí CSDL của người dùng trở nên dễ dàng hơn Bảng dùng để lưu trữ mọi dữ liệu mà người dùng muốn Thông qua bảng, người dùng có thể theo dõi các dữ liệu của mình, bên cạnh đó người dùng còn có thể quản lí CSDL như việc tạo mới, thêm, xóa, sửa các bảng trong CSDL

Trang 36

Bước 2:

Mục Name: khai báo tên table muốn tạo (ví dụ: dtcn)

Mục Number of columns: khai báo số cột trong table (ví dụ: 4)

Bước 3: Nhấn nút Go

Hình 2.16 Các bước tạo bảng lưu trữ dữ liệu

Sau đó một cửa sổ mới hiện ra, ở đây ta khai báo các trường trong bảng

và chọn Save

- Cách 2: dùng câu lệnh php với cú pháp sau:

CREATE TABLE ten_bang(

Trang 37

g Các cú pháp lệnh sử dụng cho cơ sở dữ liệu

Người dùng có thể thêm, cập nhật, truy xuất dữ liệu trong các bảng

Để thêm (insert into) dữ liệu vào bảng, ta có 2 cú pháp để thực hiện:

Cú pháp 1: INSERT INTO table_name VALUES (value1,value2,value3); Trong đó:

- table_name là tên của bảng mà ta muốn chèn thêm dữ liệu vào

- value1, value2, value3 lần lượt là giá trị của cột 1, cột 2, cột 3 của bảng

mà ta muốn thêm dữ liệu

Chú ý: phải điền đầy đủ số value trong bảng, điều thiếu sẽ không chạy được và

bị lỗi

Cú pháp 2: INSERT INTO table_name (column1,column2,column3)

VALUES (value1,value2,value3);

Trong đó:

- table_name là tên của bảng mà ta muốn chèn thêm dữ liệu vào

- column1 column2, column3 lần lượt là tên tương ứng của cột 1, cột 2, cột 3 trong bảng

- value1, value2, value3 lần lượt là giá trị của cột 1, cột 2, cột

Để chỉnh sửa (update) dữ liệu trong bảng, ta sử dụng cú pháp sau:

UPDATE table_name

SET column_name1=value1, column_name2=value2

WHERE column_name=value;

Dữ liệu được cập nhật theo hàng trong một bảng

Có nghĩa là sau khi thực khi lệnh này, giá trị của cột column1 sẽ được cập nhật thành value1, giá trị của cột column2 sẽ được cập nhật thành value2 trong bảng table_name tại những hàng mà cột column_name có giá trị là value

Để lấy (truy xuất) dữ liệu từ một bảng nào đó, ta có 2 cú pháp:

Trang 38

Cú pháp 1: SELECT * FROM name_table;

Cú pháp này sẽ lấy tất cả dữ liệu của bảng có tên là name_table

Dấu (*) có nghĩa là sẽ chọn hết các cột của bảng

Cú pháp 2: SELECT name_column1, name_column2 FROM name_table;

Cú pháp này sẽ lấy tất cả dữ liệu có trong 2 cột có tên là name_column1 và name_column2 trong bảng name_table

2.2.10 Giới thiệu phương thức giao tiếp được sử dụng

Truyền thông nối tiếp không đồng bộ (UART)

UART là viết tắt của cụm từ Universal Asynchronous Receiver – Transmitter Thường 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

Như 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 lí với nhau, đồng nghĩa với việc mỗi vi xử lí có thể tự tạo ra xung clock cho chính nó sử dụng

Các thông số cơ bản trong truyền nhận UART

- Baud rate ( tốc độ baud ): 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

Trang 39

- 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 phải có

Trang 40

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 24

Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

3.1 GIỚI THIỆU

Với đề tài thiết kế mô hình nhà thông minh để điều khiển các thiết bị trong nhà Theo đó, các thiết bị phải được điều khiển một cách thông minh và tiện lợi cho người sử dụng Thứ nhất là các thiết bị có thể điều khiển qua màn hình cảm ứng được đặt ở trung tâm ngôi nhà Thứ hai là điều khiển ở bất cứ đâu nếu ta muốn thông qua trình duyệt web Thứ ba là ta có thể điều khiển trực tiếp thông qua cảm ứng chạm tại vị trí đặt thiết bị Hệ thống có thể kiểm tra trạng thái thiết bị trong toàn bộ ngôi nhà để nắm bắt và kiểm soát

nó một cách tối ưu nhất

Ngoài ra còn có hệ thống vòi nước thông minh, có chức năng tự động mở van nước khi người dùng đưa tay đến gần vòi nước

Các nội dung thiết kế sẽ được trình bày bao gồm:

- Thiết kế sơ đồ khối

- Lựa chọn, bố trí linh kiện

- Lắp ráp các khối, bố trí mô hình

- Thiết kế giao diện hiển thị

- Thiết kế chương trình điều khiển

3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

Sơ đồ khối hoàn chỉnh của hệ thống được thể hiện qua hình sau:

Định dạng
Số trang	114
Dung lượng	14,19 MB