Đồ án Nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển cho căn hộ dùng công nghệ IoT (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển cho căn hộ dùng công nghệ IoT (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CĂN HỘ DÙNG CÔNG NGHỆ IoT GVHD: ThS. TRƯƠNG NGỌC ANH SVTH: LÊ TRUNG HẢI MSSV: 11241002 SVTH: TRẦN TẤN HUY MSSV: 11241007 S K L 0 0 4 5 2 4 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01/2017
2. 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 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CĂN HỘ DÙNG CÔNG NGHỆ IOT GVHD: ThS. Trương Ngọc Anh SVTH: Lê Trung Hải MSSV: 11241002 SVTH: Trần Tấn Huy MSSV: 11241007 Tp. Hồ Chí Minh – 01/2017
3. TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Tp. HCM, ngày 09 tháng 1 năm 2017 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: LÊ TRUNG HẢI MSSV: 11241002 TRẦN TẤN HUY MSSV: 11241007 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử Mã ngành: 01 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2011 Lớp: 112410 I. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CĂN HỘ DÙNG CÔNG NGHỆ IOT II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: [1] Phạm Thế Quế, “Mạng máy tính”, Học Viện Bưu Chính Viễn Thông, 2006 [2] Phan Vân Hoàn, “Giáo trình vi xử lý nâng cao”, Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM [3] STMicroelectronics, “Datasheet STM32F103xx”, STMicroelectronics, 2014 [4] Espressif Systems IOT Team, “ESP8266 Datasheet”, Espressif Systems, 2015 [5] “Categories: Product Manual DFR Series Module DFRobot” , Robot Wiki,2014 2. Nội dung thực hiện: Nội dung 1: tìm hiểu nhu cầu thực tiễn cũng như công nghệ của đề tài Nội dung 2: tìm hiểu lý thuyết liên quan, các giải pháp thiết kế hệ thống, mô hình điều khiển các thiết bị điện. Nội dung 3: tính toán và thiết kế hệ thống điều khiển Nội dung 4: thiết kế mô hình, giải pháp điều khiển thiết bị, lập trình cho hệ thống Nội dung 5: đánh giá kết quả đã thực hiện được và tiến tới hoàn thiện đề tài Nội dung 6: kết luận về đề tài, đưa ra hướng phát triển trong tương lai III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 3/10/2016 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 09/01/2017 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Trương Ngọc Anh CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP
4. TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Tp. HCM, ngày 06 tháng 1 năm 2017 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: LÊ TRUNG HẢI Lớp: 112410A MSSV: 11241002 Họ tên sinh viên 2: TRẦN TẤN HUY Lớp: 112410B MSSV: 11241007 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CĂN HỘ DÙNG CÔNG NGHỆ IOT Xác nhận Tuần/ngày Nội dung GVHD Tuần 1 Tìm hiểu công nghệ của đề tài đang thực hiện củng như các lý thuyết liên quan. Tuần 2 Tính toán và thiết kế sơ đồ khối của hệ thống. Tuần 3 Tính toán và thiết kế sơ đồ nguyên lý của các board mạch cần trong hệ thống. Cũng như lựa chọn linh kiện cần thiết cho hệ thống. Tuần 4-5 Lập trình cho bảng điều khiển trung tâm trên kit FireBull STM32F103VET6 . Tuần 6 Lập trình cho hệ thống công tắc cảm ứng WI-FI trên test board. Tuần 7 Lập trình cho hệ thống thiết bị chơi nhạc trên test board. Tuần 8-9 Lập trình phần mềm điều khiển trên SmartPhone. Tuần 10 Chạy thử nghiệm toàn hệ thống trên kit, test board, smartphone. Tuần 11 Vẽ mạch in, thi công phần cứng hệ thống. Lắp ráp và kiểm tra. Tuần 12 Đóng gói hệ thống và chạy thử nghiệm toàn hệ thống. Tuần 13-16 Chạy thử nghiệm toàn hệ thống. Đánh giá kết quả đạt được, viết báo cáo.
5. LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. Người thực hiện đề tài LÊ TRUNG HẢI TRẦN TẤN HUY
6. LỜI CẢM ƠN Em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy hướng dẫn Trương Ngọc Anh, cùng lời cám ơn sâu sắc đến các thầy cô trong Khoa Điện-Điện Tử đã tạo những điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đề tài. Em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 112410 đã chia sẻ trao đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài. Cảm ơn đến cha mẹ, Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài LÊ TRUNG HẢI TRẦN TẤN HUY
7. MỤC LỤC Trang bìa i Nhiệm vụ đồ án ii Lịch trình iii Cam đoan iv Lời cảm ơn v Mục lục vi Liệt kê hình vẽ ix Liệt kê bảng vẽ xi Tóm tắt xii CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1 1.1. Đặt vấn đề 1 1.2. Mục tiêu 2 1.3. Nội dung nghiên cứu 3 1.4. Giới hạn 3 1.5. Bố cục 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6 2.1 Giới thiệu về mạng internet 6 2.1.1 Phương thức kết nối mạng 6 2.1.2 Mạng toàn cầu internet 7 2.1.3 Chuẩn giao thức WLAN(Wireless Local Area Network - IEEE 802.11 7 2.1.4 Giao thức UDP 13 2.1.5 Giao thức MQTT 14 2.2 Giới thiệu phần cứng 18 2.2.1 Vi điều khiển 18 2.2.2 Màn hình GLCD TFT 3.2 và điều khiển chip SSD1298 28 2.2.3 Mô - đun WI-FI ESP8266X 29 2.2.4 Mô - đun DFPlayer mini 34 2.2.5 Mô - đun công tắc cảm ứng chạm 39 2.2.6 Mô - đun WI-FI ESP8266 NodeMCU 40 vi
8. CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ. 42 3.1 Giới thiệu 42 3.2 Tính toán và thiết kế hệ thống 43 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối toàn hệ thống 43 3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch 46 A. Tính toán và thiết kế mạch bảng điều khiển trung tâm 46 B. Tính toán và thiết kế mạch công tắc cảm ứng WI-FI 51 C. Tính toán và thiết kế mạch chơi nhạc MP3 WI-FI 52 3.2.3 Sơ đồ nguyên lý của các mạch trong hệ thống 54 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 57 4.1 Giới thiệu. 57 4.2 Thi công hệ thống 57 4.2.1 Thi công bo mạch 57 4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra 61 4.3 Đóng gói và thi công mô hình 63 4.3.1 Đóng gói hệ thống 63 4.3.2 Thi công mô hình 67 4.4 Lập trình hệ thống 67 4.4.1 Lưu đồ giải thuật 67 A. Lưu đồ giải thuật của vi điều khiển ARM trên bộ điều khiển trung tâm 69 B. Lưu đồ giải thuật của module WI-FI ESP8266 trên bộ điều khiển trung tâm 76 C. Lưu đồ giải thuật của hệ thống công tắc điều khiển cảm ứng WI-FI 79 D. Lưu đồ giải thuật của hệ thống chơi nhạc MP3 WI-FI 80 E. Lưu đồ giải thuật trên điện thoại android 81 4.4.2. Phần mềm lập trình cho hệ thống 82 A. Phần mềm lập trình cho vi điều khiển ARM 82 B. Phần mềm lập trình cho module WI-FI ESP8266 86 4.4.3 Phần mềm lập trình cho điện thoại Android 92 4.4.4 Đăng ký và sử dụng Server MQTT (Broker MQTT) 96 4.5 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng, thao tác 101 4.5.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng 101 4.5.2 Quy trình thao tác 107 vii
9. CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 111 5.1 Kết quả đạt được phần lý thuyết. 111 5.2 Kết quả đạt được phần thực hành 112 5.2.1 Bảng điều khiển trung tâm 112 5.2.2. Công tắc điều khiển cảm ứng WI-FI 113 5.2.3. Hộp thiết bị chơi nhạc MP3 WI-FI 115 5.2.4 Phần mềm điều khiển trên điện thoại Android 117 CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. 119 6.1 Kết luận . 119 6.2 Hướng phát triển 120 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHU LỤC viii
10. LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2.1: Mô tả kiến trúc của 802.11 9 Hình 2.2: Mô tả thiết lập dịch vụ mở rộng (ESS). 9 Hình 2.3: Mô tả thiết lập dịch vụ cơ bản độc lập (IBSS). 10 Hình 2.4: 802.11 và mô hình OSI 11 Hình 2.5: Mô tả 3 client kết nối tới Broker 15 Hình 2.6: Mô tả khi Client A publish đến Broker topic “temmperature”, Client B&C subscribe topic “temmperature”. 16 Hình 2.7: Mô tả truyền quá trình dữ liệu bằng UART 18 Hình 2.8: Cấu trúc vi điều khiển Cortex- M3 22 Hình 2.9: Hình dạng thực tế và sơ đồ chân ARM STM32F103VET6 22 Hình 2.10: Kiến trúc của ARM STM32F103xx 23 Hình 2.11: Mạch reset 25 Hình 2.12: Nguồn xung từ bên ngoài 26 Hình 2.13: Mô hình giao tiếp UART với ngoại vi 28 Hình 2.14: Hình ảnh thực tế màn hình TFT 3.2 inch 28 Hình 2.15: Sơ đồ kết nối mạch hoạt động ADS7843 29 Hình 2.16: Hình dạng thực tế và sơ đồ chân mô - đun ESP8266X. 30 Hình 2.17: Sơ đồ khối trong chip ESP8266 30 Hình 2.18: Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân ESP8266-01. 32 Hình 2.19: Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân ESP8266-07 33 Hình 2.20: Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân ESP8266-12 34 Hình 2.21: Sơ đồ kết ESP8266-12 & ESP8266-07 khi upgrade firmware 34 Hình 2.22: Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân mô - đun MP3 DFPlayer mini 35 Hình 2.23: Hình ảnh thực tế công tắc cảm ứng điện dung 40 Hình 2.24: Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân kit Node MCU 41 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thiết bị trong căn hộ dùng công nghệ IoT 43 Hình 3.2: Sơ đồ khối bảng điều khiển trung tâm 44 Hình 3.3: Sơ đồ khối hệ thống chơi nhạc MP3 qua WIFI 44 Hình 3.4: Sơ đồ khối hệ thống công tắc cảm ứng WIFI 45 Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển 46 Hình 3.6: Sơ đồ mạch giao tiếp giữa ARM với TFT LCD 47 Hình 3.7: Sơ đồ kết nối module WIFI ESP8266 với ARM 48 ix
11. Hình 3.8: Hình ảnh thực tế mô - đun WIFI ESP8266-01 48 Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý của 1 bộ ngõ ra công suất 49 Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn của bảng điều khiển trung tâm 51 Hình 3.11: Sơ đồ kết nối mạch công tắc cảm ứng WIFI 52 Hình 3.12: Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân mô – đun DFPlayer mini 52 Hình 3.13: Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân mô – đun WIFI ESP8266 53 Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn của bộ chơi nhạc MP3 WIFI. 54 Hình 3.15: Sơ đồ nguyên lý bộ chơi nhạc MP3 WIFI 54 Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lý bảng điều khiển trung tâm 55 Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lý board công suất 56 Hình 4.1: Sơ đồ mạch in mặt trên. 57 Hình 4.2: Sơ đồ mạch in mặt dưới. 57 Hình 4.3: Sơ đồ bố trí linh kiện mặt trên. 58 Hình 4.4: Sơ đồ bố trí linh kiện mặt dưới 58 Hình 4.5: Sơ đồ mạch in board công suất 58 Hình 4.6: Sơ đồ bố trí linh kiện mạch công suất mặt dưới 59 Hình 4.7: Sơ đồ bố trí linh kiện mạch công suất mặt dưới 59 Hình 4.8: Sơ đồ mạch in thiết bị chơi nhạc MP3 WIFI 60 Hình 4.9: Sơ đồ bố trí linh kiện mặt trên của thiết bị chơi nhạc MP3 WIFI 60 Hình 4.10: Lắp ráp và kiểm tra bảng điều khiển trung tâm 61 Hình 4.11: Lắp ráp và kiểm tra mạch công suất. 61 Hình 4.12: Lắp ráp và kiểm tra mạch MP3 WIFI 62 Hình 5.1: Bảng điều khiển trung tâm 8 kênh công suất 112 Hình 5.2: Công tắc điều khiển cảm ứng WI-FI 2 kênh 114 Hình 5.3: Hộp thiết bị chơi nhạc MP3 WI-FI. 115 Hình 5.4: Phần mềm điều khiển trên điện thoại. 117 Hình 5.5: Phần mềm điều khiển trên điện thoại. 118 x
12. LIỆT KÊ BẢNG Bảng Trang Bảng 2.1: So sánh các đặc điểm của các chuẩn wifi 802.11 13 Bảng 2.2: So tốc độ truyền dẫn dữ liệu của các chuẩn wifi 802.11 13 Bảng 2.3: Các thanh ghi GPIO 25 Bảng 2.4: Chức năng các chân mô - đun MP3 DFPlayer mini 35 Bảng 2.5: Định dạng khung truyền dữ liệu 37 Bảng 2.6: Các lệnh CMD 38 xi
13. TÓM TẮT Ngày nay, dưới sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật đã làm cho cuộc sống con người ngày càng tốt hơn, tiện nghi hơn. Công nghệ về điều khiển thông minh cũng phát triển theo, chúng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống và trong công nghiệp. Các dự án về ngôi nhà thông minh ứng dụng công nghệ IoT đang được quan tâm xây dựng rất nhiều và đang trở thành xu thế của xã hội hiện đại. Do giá thành vẫn còn cao nên việc triển khai vẫn còn hạn chế. Hiện nay ở nước ta, công nghệ IoT chưa phổ biến rộng rãi, được sử dụng chủ yếu là ở các khu đô thị sang trọng, nhà ở mắc tiền. Bên cạnh đó các sản phẩm này có chi phí lắp đặt cao, chưa tiết kiệm kinh phí điều khiển và giao diện điều khiển chưa thân thiện với người dùng. Do đó, để khắc phục những nhược điểm trên mà vẫn đảm bảo hạ giá thành sản phẩm nhóm quyết định thiết kế, thi công hệ thống IoT cho căn hộ, sử dụng vi xử lý trung tâm là ARM STM32F103VET6 và module WIFI ESP8266. Người dùng có thể điều khiển thiết bị bằng smartphone chạy hệ điều hành Android 4.0 trở lên, hoặc ngay trên hệ thống bảng điều khiển trung tâm để điều khiển thiết bị, phát nhạc mp3 phục vụ nhu cầu giải trí. Sản phẩm gồm một hộp điều khiển trung tâm hổ trợ điều khiển 8 ngõ ra công suất nối đến các thiết bị điện dân dụng, một hộp công tắc điều khiển cảm ứng kết nối WLAN đến hộp điều khiển trung tâm, và một hộp thiết bị chơi nhạc MP3 WIFI. Kèm theo một phần mềm điều khiển trên smartphone android. xviii
14. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ “Internet of things” (IoT) đang trở thành một chủ đề ngày càng được nhắc đến nhiều trong các cuộc nói chuyện kể cả ở các công sở và những nơi khác. IoT không chỉ có khả năng ảnh hưởng đến cách chúng ta sống mà còn ảnh hưởng đến cách chúng ta làm việc. Nhưng thật ra chính xác IoT là gì và những tác động của nó đến cuộc sống của bạn như thế nào, nếu có ? Có rất nhiều vấn đề phức tạp xung quanh “Internet of things” nhưng ở đây chỉ nêu những điểm cơ bản nhất. Đã có rất nhiều buổi hội thảo công nghệ và chính sách liên quan nhưng rất nhiều người chỉ đang cố gắng nắm về nền tảng của nó. Internet băng thông rộng ngày càng phổ biến hơn, chi phí thì giảm xuống, nhiều thiết bị hơn với khả năng phát wifi và cảm biến bên trong, giá thành công nghệ giảm xuống, điện thoại thông minh tràn ngập. Tất cả những thứ đó đang tạo ra “cơn bão hoàn hảo” cho IoT. “Internet of things” thực chất đây là khái niệm của mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc mạng lưới thiết bị kết nối Internet viết tắt là IoT. Đây là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sư tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính. IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet. Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện công việc nào đó. Như vậy có thể tạm hiểu, Internet of Things là khi tất cả mọi thứ đều được kết nối với nhau qua mạng Internet, người dùng (chủ) có thể kiểm soát mọi đồ vật của mình qua mạng mà chỉ bằng một thiết bị thông minh, chẳng hạn như điện thoại, máy tính bảng, PC hay thậm chí chỉ bằng một chiếc đồng hồ thông minh nhỏ bé trên tay. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 1
15. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Ngày nay trên thế giới, thì xu hướng IoT đang được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực từ công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ, dân dụng . Có thể kể ra một số ứng dụng của IoT như sau: - Quản lý chất thải. - Quản lý và lập kế hoạch quản lý đô thị. - Quản lý môi trường. - Mua sắm thông minh. - Quản lý các thiết bị cá nhân. - Đồng hồ thông minh. - Nhà thông minh (SmartHome). Xuất phát từ tình hình thực tế cũng như nhu cầu về kỹ thuật tự động, nhóm đã lên ý tưởng và chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CĂN HỘ DÙNG CÔNG NGHỆ IOT”. 1.2. MỤC TIÊU Đồ án được nghiên cứu, khảo sát và thực hiện với mục đích áp dụng những kiến thức đã được học trong nhà trường để thiết kế, tạo ra một hệ thống điều khiển cho căn hộ dùng công nghệ IoT. Mục tiêu đặt ra là thiết kế một hệ thống có ứng dụng công nghệ IoT, mọi thiết bị công suất, cảm biến, báo trộm . Đều có thể điều khiển và giám sát thông qua internet. Để tăng tính tiện nghi, nên hệ thống cần phải có tính năng cho phép điều khiển thiết bị công suất bằng nhiều cách chẳng hạn như : Điều khiển trên điện thoại bằng phần mềm điều khiển được viết trên Android. Điều khiển trên bảng điều khiển trung tâm, được đặt trong căn hộ. Điều khiển trên một hệ thống công tắc rời . Hệ thống bảng điều khiển trung tâm có chức năng kết nối không dây (WI-FI). Các hệ thống mở rộng củng có chức năng kết nối không dây (WI-FI). BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 2
16. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Hệ thống sau khi hoàn thành phải ứng dụng được vào thực tế. Đặt biệt hệ thống phải chạy ổn định, hạn chế lỗi tới mức thấp nhất, nếu có trục trặc thì phải có phương pháp khắc phục. Chẳng hạn như đường truyền internet bị mất kết nối thì phải khắc phục ra sao để hệ thống vẫn tiếp tục hoạt động tốt. 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Nghiên cứu tính khả thi và khả năng ứng dụng thực tiễn cho căn hộ. Tìm hiểu các vấn đề liên quan đến IoT. Nghiên cứu và thiết kế hệ thống, lựa chọn các linh kiện cần thiết cho hệ thống. Tìm hiểu và viết phần mềm điều khiển, giám sát trên điện thoại android. Để thực hiện một hệ thống điều khiển tự động, người nghiên cứu phải mất thời gian nghiên cứu trên lý thuyết, thiết kế, thi công mạch và sau đó lập trình sẽ gây tốn thời gian và công sức. Chính vì vậy, người nghiên cứu cần phải có kiến thức về điều khiển tự động, am hiểu về các dòng vi điều khiển để có lựa chọn phù hợp với yêu cầu thiết kế sẽ làm tăng hiệu quả của việc nắm bắt kỹ thuật, tiết kiệm thời gian và chi phí trong việc nghiên cứu. Với đề tài “NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CĂN HỘ DÙNG CÔNG NGHỆ IOT”, nhóm sẽ thực hiện các nội dung sau đây: Nội dung 1: tìm hiểu nhu cầu thực tiễn cũng như công nghệ của đề tài. Nội dung 2: tìm hiểu lý thuyết liên quan, các giải pháp thiết kế hệ thống, mô hình điều khiển các thiết bị điện. Nội dung 3: tính toán và thiết kế hệ thống điều khiển. Nội dung 4: thiết kế mô hình, giải pháp điều khiển thiết bị, lập trình cho hệ thống. Nội dung 5: đánh giá kết quả đã thực hiện được và tiến tới hoàn thiện đề tài. Nội dung 6: kết luận về đề tài, đưa ra hướng phát triển trong tương lai. 1.4. GIỚI HẠN Để thực thi một hệ thống điều khiển thiết bị cho căn hộ dùng công nghệ IoT hoàn chỉnh rất phức tạp và rất tốn kém. Để đáp ứng việc điều khiển toàn bộ các thiết bị này đòi hỏi phải có một lượng thời gian, kiến thức nhất định. Bên cạnh đó còn là vấn đề tài BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 3
17. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN chính. Trong đề tài này nhóm xin đưa các giới hạn như sau : Điều khiển bật / tắt 8 thiết bị. Sử dụng màn hình GLCD nhỏ với kích thước 320x240. Bảng điều khiển trung tâm sử dụng chuẩn truyền thông wifi để giao tiếp với router wifi. Công tắc cảm ứng và bộ phát Mp3 kết nối với bảng điều khiển trung tâm qua chuẩn truyền thông wifi và sử dụng giao thức UDP để giao tiếp. Công tắc cảm ứng chỉ có thể điều khiển bật / tắt hai thiết bị. Chỉ có thể điều khiển play/pause/next/prive/volume cho thiết bị phát MP3. Chỉ có phần mềm điều khiển trên điện thoại android. Sử dụng server MQTT được cung cấp miễn phí. Không nghiên cứu về phần bảo mật. 1.5. BỐ CỤC Chương 1: Tổng quan Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Thiết kế và tính toán Chương 4: Thi công hệ thống Chương 5: Kết quả nhận xét đánh giá . Chương 6: Kết luận hướng phát triển Chương 1: Tổng quan Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. Chương 2: Cơ sở lý thuyết BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 4
18. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương này sẽ giới thiệu tổng quát về mạng, giao thức kết nối và trình bày sơ lược về ARM STM32F103VET6, module wifi ESP8266, giao thức MQTT Chương 3: Thiết kế và tính toán Chương này chúng ta đặt ra yêu cầu cho sản phẩm, lựa chọn phương án thực hiện tính toán và thiết kế đi đến thi công thành sản phẩm hoàn thiện. Chương 4: Thi công hệ thống Chương này sẽ thể hiện quá trình thi công, hình ảnh minh họa cho kết quả đạt được. Chương 5: Kết quả nhận xét đánh giá . Chương này sẽ thể hiện quá trình thi công, hình ảnh minh họa cho kết quả đạt được, đưa ra nhận xét cho mỗi phần. Chương 6: Kết luận hướng phát triển Chương này chúng ta sẽ đánh giá kết quả đã làm được, đưa ra hướng dẫn sử dụng và hướng phát triển đề tài. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 5
19. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 GIỚI THIỆU VỀ MẠNG INTERNET Nội dung phần này được tham khảo tại tài liệu số [1]. Ngày nay, mạng internet không còn xa lạ với chúng ta nữa. Nó ngày càng lan rộng và kết nối tất cả các vùng miền của nước ta và toàn cầu. Thông qua mạng internet chúng ta có thể nâng cao hiểu biết, thực hiện các công việc hàng ngày để phục vụ cho nhu cầu của cuộc sống như: xem phim, nghe nhạc, mua sắm, điều khiển từ xa Ứng dụng internet trong điều khiển thiết bị từ xa ngày càng phát triển và áp dụng nhiều trong cuộc sống. Ví dụ trước khi trở về nhà từ cơ quan, bạn chỉ cần bấm vào nút “Về nhà” trên web server hoặc điện thoại di động, bình nóng lạnh sẽ bật, hệ thống quạt thông gió, điều hòa nhiệt độ sẽ khởi động để khi bạn về đến nhà, tất cả đã sẵn sàng phục vụ. Để tạo nên ứng dụng như vậy người thiết kế cần phải có kiến thức về mạng, am hiểu về phần cứng và có khả năng lập trình. 2.1.1 Phương thức kết nối mạng Phương thức kết nối mạng được sử dụng chủ yếu trong liên kết mạng, có hai phương thức chủ yếu là: Phương thức điểm - điểm: các đường truyền riêng biệt được thiết lập để nối các cặp máy tính lại với nhau. Mỗi máy tính có thể truyền và nhận trực tiếp dữ liệu hoặc có thể làm trung gian như lưu trữ những dữ liệu mà nó nhận được rồi sau đó chuyển tiếp dữ liệu đi cho một máy khác để dữ liệu đó đạt tới đích. Phương thức đa điểm: tất cả các trạm phân chia chung một đường truyền vật lý. Dữ liệu được gửi đi từ một máy tính sẽ có thể được tiếp nhận bởi tất cả các máy tính còn lại, bởi vậy cần chỉ ra địa chỉ đích của dữ liệu để mỗi máy tính căn cứ vào đó BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 6
20. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT kiểm tra xem dữ liệu có phải dành cho mình không nếu đúng thì nhận còn nếu không thì bỏ qua. 2.1.2 Mạng toàn cầu internet Mạng toàn cầu Internet là một tập hợp gồm hàng vạn mạng trên khắp thế giới. Mạng Internet bắt nguồn từ một thử nghiệm của Cục quản lý các dự án nghiên cứu tiên tiến (Advanced Research Projects Agency–ARPA) thuộc bộ quốc phòng Mỹ đã kết nối thành công các mạng máy tính cho phép các trường đại học và các công ty tư nhân tham gia vào các dự án nghiên cứu. Về cơ bản, Internet là một liên mạng máy tính giao tiếp dưới cùng một bộ giao thức TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol). Giao thức này cho phép mọi máy tính trên mạng giao tiếp với nhau một cách thống nhất giống như một ngôn ngữ quốc tế mà mọi người sử dụng để giao tiếp với nhau hàng ngày. Số lượng máy tính kết nối mạng và số lượng người truy cập vào mạng Internet trên toàn thế giới ngày càng tăng lên nhanh chóng, đặc biệt từ những năm 90 trở đi. Mạng Internet không chỉ cho phép chuyển tải thông tin nhanh chóng mà còn giúp cung cấp thông tin, nó cũng là diễn đàn và là thư viện toàn cầu đầu tiên. 2.1.3 Chuẩn giao thức WLAN (Wireless Local Area Network) - IEEE 802.11 IEEE 802.11 giao thức là một công nghệ truy cập mạng để cung cấp kết nối giữa các trạm không dây và cơ sở hạ tầng mạng có dây. Bằng cách triển khai các giao thức và công nghệ liên quan IEEE 802.11, bạn cho phép người dùng di động để đi đến những nơi khác nhau - phòng họp, hành lang, hành lang, nhà ăn, phòng học, vv - và vẫn có quyền truy cập vào dữ liệu mạng. Ngoài ra, vượt ra ngoài nơi làm việc của công ty, bạn cho phép truy cập vào Internet và thậm chí cả các trang web của công ty có thể được cung cấp thông qua mạng không dây công cộng "điểm nóng". Sân bay, nhà hàng, trạm xe lửa, và các khu vực trong toàn thành phố có thể được cấu hình để cung cấp dịch vụ này. Phần này cung cấp một cái nhìn sâu sắc về cách thức IEEE 802.11 trình, bao gồm kiến trúc, các giao thức liên quan, và các công nghệ. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 7
21. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT a. Kiến trúc IEEE 802.11 Các kiến trúc logic 802.11 chứa một số thành phần chính: trạm (STA), điểm truy cập không dây (AP), độc lập với dịch vụ cơ bản thiết lập (IBSS), cơ bản dịch vụ đặt (BSS), hệ thống phân phối (DS), và thiết lập dịch vụ mở rộng (ESS). Một số thành phần của 802.11 logic bản đồ kiến trúc trực tiếp với các thiết bị phần cứng, chẳng hạn như Stas và các AP không dây. Cố vấn kỹ thuật này không có chứa một card adapter, PC Card, hoặc một thiết bị nhúng để cung cấp kết nối không dây. Các chức năng AP không dây như là một cầu nối giữa Stas không dây và các mạng xương sống hiện cho truy cập mạng. Một IBSS là một mạng không dây, bao gồm ít nhất hai Stas, được sử dụng mà không có quyền truy cập vào một DS có sẵn. Một IBSS cũng đôi khi được gọi là một hoc mạng không dây quảng cáo. Một BSS là một mạng không dây, bao gồm một AP không dây duy nhất hỗ trợ một hoặc nhiều khách hàng không dây. Một BSS cũng đôi khi được gọi là một mạng không dây cơ sở hạ tầng. Tất cả Stas trong một BSS giao tiếp thông qua AP. Các AP cung cấp kết nối tới mạng LAN có dây và cung cấp cầu nối chức năng khi một STA khởi truyền thông khác STA hoặc một nút trên DS. Một ESS là một tập hợp của hai hay nhiều điểm truy cập không dây kết nối với mạng có dây giống như định nghĩa một phân đoạn mạng logic duy nhất được bao bọc bởi một bộ định tuyến (còn được gọi là subnet). Các AP của nhiều BSS được nối với nhau bằng DS. Điều này cho phép cho di động, vì Stas có thể di chuyển từ một BSS để BSS khác. AP có thể được kết nối với nhau có hoặc không dây; Tuy nhiên, hầu hết thời gian họ được kết nối với dây điện. DS là thành phần logic được sử dụng để kết nối BSS. DS cung cấp dịch vụ phân phối để cho phép chuyển vùng của Stas giữa BSS. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 8
22. S K L 0 0 2 1 5 4