Luận văn Thiết kế thiết bị giám sát cảm biến từ xa qua Smartphone (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Thiết kế thiết bị giám sát cảm biến từ xa qua Smartphone (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 THIẾT KẾ THIẾT BỊ GIÁM SÁT CẢM BIẾN TỪ XA QUA SMARTPHONE GVHD: ThS. NGUYỄN VĂN HIỆP SVTH: NGUYỄN GIA BẢO MSSV: 12141013 SVTH: HÀ THANH ĐẠT MSSV: 12141045 S K L 0 0 4 3 5 6 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2016
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 KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ THIẾT BỊ GIÁM SÁT CẢM BIẾN TỪ XA QUA SMARTPHONE (3G, WIFI) GVHD: ThS. Nguyễn Văn Hiệp SVTH: Nguyễn Gia Bảo 12141013 Hà Thanh Đạt 12141045 Tp. Hồ Chí Minh - 07/2016
3. 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 KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ THIẾT BỊ GIÁM SÁT CẢM BIẾN TỪ XA QUA SMARTPHONE (3G, WIFI) GVHD: ThS. Nguyễn Văn Hiệp SVTH: Nguyễn Gia Bảo 12141013 Hà Thanh Đạt 12141045 Tp. Hồ Chí Minh - 07/2016 i
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 Tp. HCM, ngày 7 tháng 7 năm 2016 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Gia Bảo MSSV: 12141013 Hà Thanh Đạt MSSV: 12141045 Chuyên ngành: CNKT Điện Tử - Truyền Thông Mã ngành: 141 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2012 Lớp: 12141DT2B I. TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế thiết bị giám sát cảm biến từ xa qua Smartphone (3G, WIFI) II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: Tài liệu liên quan đến đề tài như datasheet, các trang web về module liên quan, phần mềm lập trình. 2. Nội dung thực hiện:  Nghiên cứu kit Arduino, Module SIM800L, Module wifi ESP8266  Lập trình cho Arduino và Module SIM800L cho môi trường 3G  Lập trình cho Arduino và Module ESP8266 cho môi trường wifi  Lập trình ứng dụng Android  Thiết kế phần cứng  Thi công và cân chỉnh mạch  Chạy thử nghiệm thiết bị  Viết báo cáo  Hoàn thiện sản phẩm III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 01/03/2016 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/07/2016 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. NGUYỄN VĂN HIỆP CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP GV.THS. NGUYỄN VĂN HIỆP GV.TS. NGUYỄN THANH HẢI ii
5. 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 Tp. HCM, ngày 7 tháng 7 năm 2016 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Ngyễn Gia Bảo MSSV: 12141013 Lớp: 12141DT2B Họ tên sinh viên 2: Hà Thanh Đạt MSSV: 12141045 Lớp: 12141DT2B Tên đề tài: Thiết kế thiết bị giám sát cảm biến từ xa qua Smartphone (3G, WIFI) Tuần Nội dung Xác nhận GVHD Tuần 1 Tìm hiểu tính năng, cách lập trình cho Arduino, GVHD module wifi ESP8266, module SIM800L. Tuần 2 Nghiên cứu upload giá tri ̣cảm biến lên Google Spreadsheet s qua mạng internet dùng module wifisdfsfhfhsjSSpre ESP8266 Spreadsheet. Tuần 3 Nghiên cứu upload giá tri ̣ cảm biến lên Google Spreadsheets qua mạng 3G dùng module SIM800L dựa trên phương thức tương tự module wifi Tuần 4+5 Nghiên cứ u về hê ̣điều hành Android. Viết ứ ng duṇ g quản lý, load dữ liêụ từ Google Spreadsheets Viết ứng dụng điều khiển thiết bị qua internet, 3G Tuần 6+7 Viết ứ ng duṇ g biểu diễn dữ liệu load được từ Google Spreadsheets qua các loại biểu đồ Xử lí, xuất file EXCEL Tuần 8 Tính toán, thiết kế mạch nguyên lý Thi công, lắp ráp phần cứ ng Tuần 9+10 Chạy thử nghiệm thiết bị, vá lỗi Đóng hộp thiết bị Tuần 11+12 Viết báo cáo, hoàn thiện sản phẩm Hoàn thành đề tài GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) ThS. Nguyễn Văn Hiệp iii
6. 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 trước đó. Nhóm thực hiện đề tài Nguyễn Gia Bảo - Hà Thanh Đạt iv
7. LỜI CẢM ƠN  Sau thời gian nghiên cứu và làm việc nghiêm túc, đến nay đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Thiết kế thiết bị giám sát cảm biến từ xa qua Smartphone (3G, WIFI)” đã hoàn thành và đạt được những kết quả theo mục tiêu đề ra. Trong quá trình thực hiện, nhóm thực hiện đề tài gặp không ít khó khăn, vướng mắc nhưng thông qua đó học hỏi được thêm nhiều kinh nghiệm bổ ích và tìm được hướng giải quyết vấn đề tốt hơn. Nhờ sự giúp đỡ tận tình của quý Thầy Cô và các bạn đã tạo mọi điều kiện để nhóm thực hiện đồ án một cách tốt nhất. Nhóm thực hiện đề tài xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Văn Hiệp đã tận tình giúp đỡ, gợi ý hướng giải quyết và khắc phục những vướng mắc, sự cố trong quá trình nghiên cứu. Bên cạnh đó, nhóm thực hiện xin gửi lời cảm ơn đến thầy TS Nguyễn Thanh Hải, Trưởng Bộ môn Điện tử công nghiệp, quý thầy/cô khoa Điện – Điện tử trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM và bạn bè đã giúp đỡ, chia sẻ những kinh nghiệm để nhóm hoàn thành đề tài đúng tiến độ. Cảm ơn đến cha mẹ, gia đình đã động viên và tạo điều kiện để hoàn thành đề tài. Do kinh nghiệm còn hạn chế và thời gian nghiên cứu có hạn nên nhóm thực hiện đề tài không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong quý thầy cô, các bạn thông cảm và cùng đóng góp ý kiến để đề tài ngày càng hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! Nhóm thực hiện đề tài Nguyễn Gia Bảo – Hà Thanh Đạt v
8. MỤC LỤC NỘI DUNG TRANG Trang bìa i Nhiệm vụ đồ án ii Lịch trình iii Phiếu đánh giá iv Cam đoan v Lời cảm ơn vi Mục lục vii Liệt kê hình vẽ ix Liệt kê bảng xii Tóm tắt xiii Chương 1. TỔNG QUAN Error! Bookmark not defined. 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Error! Bookmark not defined. 1.2 MỤC TIÊU Error! Bookmark not defined. 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Error! Bookmark not defined. 1.4 GIỚI HẠN Error! Bookmark not defined. 1.5 BỐ CỤC Error! Bookmark not defined. Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Error! Bookmark not defined. 2.1 LỰA CHỌN GIẢI PHÁP Error! Bookmark not defined. 2.1.1 Giải pháp giám sát cảm biến Error! Bookmark not defined. 2.1.2 Giải pháp điều khiển thiết bị Error! Bookmark not defined. 2.2 GIỚI THIỆU VỀ ANDROID Error! Bookmark not defined. 2.3 GIỚI THIỆU VỀ MẠNG WIFI VÀ 3G Error! Bookmark not defined. 2.4 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP Error! Bookmark not defined. 2.4.1 UART Error! Bookmark not defined. 2.4.2 I2C Error! Bookmark not defined. 2.4.3 ONE WIRE Error! Bookmark not defined. 2.5 Công cụ ThingSpeak Error! Bookmark not defined. 2.5.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined. 2.5.2 Tính năng Error! Bookmark not defined. 2.5.3 Các thuộc tính của một kênh Error! Bookmark not defined. vi
9. 2.5.4 ThingHTTP App Error! Bookmark not defined. 2.6 Google Spreadsheets Error! Bookmark not defined. Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Error! Bookmark not defined. 3.1 BÀI TOÁN THIẾT KẾ Error! Bookmark not defined. 3.1.1 Sơ đồ mô tả thiết bị Error! Bookmark not defined. 3.1.2 Hoạt động của thiết bị Error! Bookmark not defined. 3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ Error! Bookmark not defined. 3.2.1 Thiết kế phần cứng Error! Bookmark not defined. 3.2.1 Thiết kế ứng dụng Error! Bookmark not defined. Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Error! Bookmark not defined. 4.1 THI CÔNG PHẦN CỨNG - THIẾT BỊ Error! Bookmark not defined. 4.1.1. Thi công thiết bị Error! Bookmark not defined. 4.1.2 Lắp ráp và kiểm tra Error! Bookmark not defined. 4.1.3 Lập trình cho vi điều khiển Error! Bookmark not defined. 4.2 THI CÔNG ỨNG DỤNG TRÊN ĐIỆN THOẠI Error! Bookmark not defined. 4.2.1 Giao diện bắt đầu ứng dụng Error! Bookmark not defined. 4.2.2 Load dữ liệu từ GoogleSpreadsheets Error! Bookmark not defined. 4.2.3 Điều khiển thiết bị Error! Bookmark not defined. 4.2.4 Thiết lập thiết bị Error! Bookmark not defined. 4.2.5 Biểu đồ Error! Bookmark not defined. 4.3 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM LẬP TRÌNHError! Bookmark not defined. 4.3.1 Arduino IDE Error! Bookmark not defined. 4.3.2 Phần mềm lập trình ứng dụng cho điện thoại: Android Studio Error! Bookmark not defined. 4.4 KẾT QUẢ THỐNG KÊ Error! Bookmark not defined. 4.4.1 Quá trình điều khiển thiết bị Error! Bookmark not defined. 4.4.2 Kết quả giám sát cảm biến Error! Bookmark not defined. 4.5 TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG - THAO TÁC TRÊN THIẾT BỊError! Bookmark not defined. 4.5.1 Hướng dẫn sử dụng Error! Bookmark not defined. 4.5.2 Quy trình thao tác Error! Bookmark not defined. Chương 5. KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁError! Bookmark not defined. 5.1 CẢM BIẾN Error! Bookmark not defined. 5.2 BỘ VI ĐIỀU KHIỂN Error! Bookmark not defined. vii
10. 5.3 MODULE KẾT NỐI MẠNG Error! Bookmark not defined. 5.4 PHẦN MỀM LẬP TRÌNH Error! Bookmark not defined. 5.5 PHẦN MỀM VẼ MẠCH Error! Bookmark not defined. 5.6 NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ Error! Bookmark not defined. Chương 6. KẾT LUẬN - HƯỚNG PHÁT TRIỂNError! Bookmark not defined. 6.1 KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined. 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Error! Bookmark not defined. TÀI LIỆU THAM KHẢO PHU LỤC viii
11. LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2.1 Chiều của dữ liệu cảm biến Error! Bookmark not defined. Hình 2.2 Quy trình gửi nhận dữ liệu giữa Android và Arduino Error! Bookmark not defined. Hình 2.3 Điện áp của các mức logic trong giao tiếp UARTError! Bookmark not defined. Hình 2.4 Truyền 8 bit theo phương pháp song song và nối tiếp Error! Bookmark not defined. Hình 2.5 Mạng I2C với nhiều thiết bị và 2 điện trở kéo lên cho SDA, SCL Error! Bookmark not defined. Hình 2.6 Giản đồ xung của SCL và SDA Error! Bookmark not defined. Hình 2.7 Giản đồ xung khi có REPEAT START Error! Bookmark not defined. Hình 2.8 Giản đồ xung khi có Address Packet Format Error! Bookmark not defined. Hình 2.9 Giản đồ xung định dạng gói dữ liệu trong I2C Error! Bookmark not defined. Hình 2.10 Khung truyền dữ liệu trong chuẩn giao tiếp I2CError! Bookmark not defined. Hình 2.11 Giản đồ xung giao tiếp chuẩn one-wire Error! Bookmark not defined. Hình 2.12 Sơ đồ kết nối one-wire Error! Bookmark not defined. Hình 2.13 Sơ đồ kết nối mode song song Error! Bookmark not defined. Hình 2.14 Thuộc tính của một kênh ThingSpeak Error! Bookmark not defined. Hình 2.15 Google Spreadsheets Error! Bookmark not defined. Hình 3.1 Sơ đồ mô tả hệ thống Error! Bookmark not defined. Hình 3.2 Sơ đồ khối phần cứng thiết bị Error! Bookmark not defined. Hình 3.3 Module cảm biến DHT11 Error! Bookmark not defined. Hình 3.4 Sơ đồ kết nối cảm biến DHT11 với vi điều khiểnError! Bookmark not defined. Hình 3.5 Arduino Pro Mini Error! Bookmark not defined. Hình 3.6 Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân PC817 Error! Bookmark not defined. Hình 3.7 Relay Error! Bookmark not defined. Hình 3.8 Module WiFi ESP8266 v7 Error! Bookmark not defined. Hình 3.9 Sơ đồ chân module WIFI ESP8266 v7 Error! Bookmark not defined. Hình 3.10 Flasher và firmware cần chuẩn bị Error! Bookmark not defined. Hình 3.11 Sơ đồ kết nối USBtoCOM với ESP8266 để flash firmware . Error! Bookmark not defined. Hình 3.12 Giao diện công cụ flasher firmware Error! Bookmark not defined. Hình 3.13 Sơ đồ kết nối ESP8266 v7 với Arduino UNO . Error! Bookmark not defined. ix
12. Hình 3.14 Module SIM800L Error! Bookmark not defined. Hình 3.15 Sơ đồ nguồn dùng LM1117 – ADJ cấp nguồn 3.3V Error! Bookmark not defined. Hình 3.16 Module nguồn LM2596 5V – 3A Error! Bookmark not defined. Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch thiết bị WiFi Error! Bookmark not defined. Hình 3.18 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch thiết bị 3G Error! Bookmark not defined. Hình 3.19 Giao diện tạo Google Form Error! Bookmark not defined. Hình 3.20 Giao diện đăng nhập tài khoản Google Error! Bookmark not defined. Hình 3.21 Giao diện tạo mới một Google Form Error! Bookmark not defined. Hình 3.22 Cung cấp thông số cho Google Form Error! Bookmark not defined. Hình 3.23 Một Google Form hoàn chỉnh Error! Bookmark not defined. Hình 3.24 Các entry của Form Error! Bookmark not defined. Hình 3.25 Trang chủ ThingSpeak Error! Bookmark not defined. Hình 3.26 Giao diện điền thông tin để tạo mới tài khoản ThingSpeak Error! Bookmark not defined. Hình 3.27 Tạo mới một kênh ThingSpeak Error! Bookmark not defined. Hình 3.31 Thiết kế giao diện thiết lập thiết bị WiFi Error! Bookmark not defined. Hình 3.32 Thiết kế giao diện thiết lập thiết bị 3G Error! Bookmark not defined. Hình 3.33 Thiết kế giao diện vẽ biểu đồ Error! Bookmark not defined. Hình 4.1 Sơ đồ bố trí linh kiện Error! Bookmark not defined. Hình 4.2 Mặt TOP mạch in thiết bị Error! Bookmark not defined. Hình 4.3 Mặt BOTTOM mạch in thiết bị Error! Bookmark not defined. Hình 4.4 Thiết bị sử dụng WiFi (ESP8266 v7) Error! Bookmark not defined. Hình 4.5 Thiết bị sử dụng 3G (SIM800L) Error! Bookmark not defined. Hình 4.6 Bên trong hộp nhôm bảo vệ thiết bị Error! Bookmark not defined. Hình 4.7 Bên ngoài hộp nhôm bảo vệ thiết bị Error! Bookmark not defined. Hình 4.8 Lưu đồ giải thuật của thiết bị Error! Bookmark not defined. Hình 4.9 Lưu đồ giải thuật hàm con thiết lập WiFi Error! Bookmark not defined. Hình 4.10 Lưu đồ giải thuật hàm con thiết lập 3G Error! Bookmark not defined. Hình 4.12 Lưu đồ giải thuật hàm con CHECK Error! Bookmark not defined. Hình 4.13 Giao diện chính của ứng dụng Error! Bookmark not defined. Hình 4.14 Giao diện hiển thị sheet dữ liệu Error! Bookmark not defined. Hình 4.15 Giao diện điều khiển thiết bị Error! Bookmark not defined. x
13. Hình 4.16 Giao diện thiết lập cài đặt thiết bị Error! Bookmark not defined. Hình 4.17 Giao diện thiết lập cài đặt thiết bị WiFi Error! Bookmark not defined. Hình 4.18 Giao diện thiết lập cài đặt thiết bị 3G Error! Bookmark not defined. Hình 4.19 Giao diện chọn ngưỡng giá trị để vẽ biểu đồ . Error! Bookmark not defined. Hình 4.20 Biểu đồ line Error! Bookmark not defined. Hình 4.21 Biểu đồ tròn thể hiện giá trị cảm biến Error! Bookmark not defined. Hình 4.22 Giao diện download JRE Error! Bookmark not defined. Hình 4.23 Giao diện download arduino IDE Error! Bookmark not defined. Hình 4.24 Thư mục gốc Arduino IDE chứa driver Error! Bookmark not defined. Hình 4.25 Giao diện Arduino IDE Error! Bookmark not defined. Hình 4.26 Giao diện download Android Studio Error! Bookmark not defined. Hình 4.27 Giao diện bắt đầu cài đặt Android Studio Error! Bookmark not defined. Hình 4.28 Giao diện chọn thành phần cài đặt Android Studio Error! Bookmark not defined. Hình 4.29 Giao diện quá trình cài đặt Android Studio Error! Bookmark not defined. Hình 4.30 Giao diện quá trình cài đặt các thành phần Android StudioError! Bookmark not defined. Hình 4.31 Giao diện tạo mới một project Android StudioError! Bookmark not defined. Hình 4.32 Giao diện đặt tên và vị trí lưu trữ project Error! Bookmark not defined. Hình 4.33 Giao diện chọn thiết bị android muốn lập trìnhError! Bookmark not defined. Hình 4.34 Giao diện chọn activity cho ứng dụng Error! Bookmark not defined. Hình 4.35 Giao diện đặt tên cho activity, layout, title Error! Bookmark not defined. Hình 4.36 Giao diện thiết lập cài đặt thiết bị Error! Bookmark not defined. Hình 4.39 Quy trình vận hành thiết bị Error! Bookmark not defined. Hình 5.1 Dung lượng bộ nhớ cài đặt ứng dụng Error! Bookmark not defined. Hình 5.2 Quyền ứng dụng cần được truy cập Error! Bookmark not defined. Hình 5.3 Dung lượng bộ nhớ RAM tiêu tốn khi chạy ứng dụng Error! Bookmark not defined. xi
14. LIỆT KÊ BẢNG Bảng Trang Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật cơ bản của Arduino Pro Mini Error! Bookmark not defined. Bảng 3.2 Các loại lệnh AT Error! Bookmark not defined. Bảng 3.3 Chức năng, cú pháp, kết quả trả về của tập lệnh AT cho module WiFi Error! Bookmark not defined. Bảng 3.4 Chức năng, cú pháp và kết quả, chú thích của lệnh AT dùng cho SIM . Error! Bookmark not defined. Bảng 3.5 Dòng tiêu thụ dự tính toàn thiết bị Error! Bookmark not defined. Bảng 4.1 Thời gian đáp ứng điều khiển thiết bị (đơn vị: giây) Error! Bookmark not defined. Bảng 5.1 Kích cỡ chương trình arduino Error! Bookmark not defined. xii
15. TÓM TẮT Nắm bắt được tình hình thực tế, đề tài “Thiết kế thiết bị giám sát cảm biến từ xa qua Smartphone (3G, WIFI)” ra đời với mong muốn ứng dụng sự phát triển của internet, của điện thoại thông minh, của Google hỗ trợ vào việc giám sát cảm biến từ xa. Sản phẩm của đề tài sẽ có thể đọc giá trị của cảm biến, đưa những giá trị này lên GoogleSpreasheets để giám sát và lưu trữ lâu dài, giúp người dùng có thể quan sát từ xa ở bất kì nơi nào thông qua máy tính hoặc ngay trên chiếc điện thoại thông minh có cài ứng dụng giám sát cảm biến IOTSensor. Ứng dụng trên điện thoại có chức năng điều khiển thiết bị, biểu diễn dữ liệu giám sát bằng sheets và 2 loại biểu đồ, xuất file EXCEL chứa dữ liệu cảm biến, lưu vào bộ nhớ điện thoại. Thiết bị sẽ đọc giá trị cảm biến, xử lí và tải lên trên Google Spreadsheets. Dữ liệu này có thể truy cập bất cứ lúc nào và bất cứ nơi đâu thông qua điện thoại hoặc máy tính. Điều này không có nghĩa là nó không có tính bảo mật. Vì Google Spreadsheets thuộc tài khoản Google của người dùng nên bất kì ai cũng có thể xem nhưng chỉ có người dùng mới có khả năng chỉnh sửa cơ sở dữ liệu. Việc tải lên dữ liệu này sẽ thông qua công cụ hỗ trợ là ThingSpeak và bằng các module kết nối mạng như ESP8266 cho WiFi và SIM800L cho 3G. Vì thiết bị không thể truy cập trực tiếp vào Google Spreadsheets để thay đổi các giá trị của sheet nên ta phải sử dụng công cụ hỗ trợ là ThingSpeak để làm đối tượng trung gian cho việc tải lên dữ liệu đến Google Spreadsheets. Với chức năng điều khiển tải, thiết bị sẽ một lần nữa thông qua công cụ hỗ trợ là ThingSpeak để thực hiện việc điều khiển tải tại chỗ. Ý tưởng điều khiển thực hiện thông qua việc cập nhật và tải về dữ liệu của một trường trên ThingSpeak. Các đối tượng thực hiện việc gửi nhận dữ liệu ở đây là arduino (thiết bị) và android (điện thoại). Thành công trong việc cập nhật dữ liệu theo thời gian định sẵn và điều khiển tải thông qua ứng dụng, đề tài cần được phát triển hơn về tốc độ đáp ứng và mở rộng ứng dụng sang Smartwatch. xiii
16. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương 1. TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Chúng ta đang ở trong thời đại bùng nổ của Internet of Things (IoT) - Mạng lưới vạn vật kết nối Internet: nơi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả chúng có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính. Ngày nay, từ những thiết bị di động thông minh đến các vật dụng nhỏ nhất trong nhà đều được kết nối internet. Sẽ thật tiện lợi, khi mà một thiết bị, một đối tượng cần được giám sát tự thân nó trả về tình trạng “sức khỏe”, đem các yếu tố cần được giám sát đến cho người dùng một cách chủ động. Sẽ thật hữu ích và an toàn khi người ta không cần tác động tới thiết bị nữa, những thông số cần giám sát sẽ được đều đặn đo đạc, tải lên và lưu trữ trên một kho dữ liệu uy tín, bền vững và bảo mật như Google. Nắm bắt được tình hình thực tế, đề tài “Thiết kế thiết bị giám sát cảm biến từ xa qua Smartphone (3G, WIFI)” ra đời với mong muốn ứng dụng sự phát triển của internet, của điện thoại thông minh, của Google hỗ trợ vào việc giám sát cảm biến từ xa. Sản phẩm của đề tài sẽ có thể đọc giá trị của cảm biến, đưa những giá trị này lên GoogleSpreasheets để giám sát và lưu trữ lâu dài, giúp người dùng có thể quan sát từ xa ở bất kì nơi nào thông qua máy tính hoặc ngay trên chiếc điện thoại thông minh có cài ứng dụng giám sát cảm biến IoTSensor. Ứng dụng trên điện thoại có chức năng điều khiển thiết bị, biểu diễn dữ liệu giám sát bằng sheets và 2 loại biểu đồ, xuất file EXCEL chứa dữ liệu cảm biến, lưu vào bộ nhớ điện thoại. 1.2 MỤC TIÊU Thiết bị sẽ đọc dữ liệu từ cảm biến, xử lí, tải lên và lưu trữ trên ứng dụng GoogleSpreadsheets. Ngoài ra, nó còn phải có khả năng điều khiển tải tại chỗ thông qua mạng WiFi hoặc 3G, cho nên, sẽ có 2 thiết bị độc lập, một dùng WiFi, một dùng 3G để đảm bảo tính thích ứng linh hoạt với môi trường hoạt động. Kèm theo thiết bị là một ứng dụng điều khiển trên điện thoại android. Ứng dụng này phải có giao diện hiển thị BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 1
17. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN dữ liệu cảm biến mà nó thu thập và phần phụ trợ là biểu diễn dữ liệu dưới dạng biểu đồ, giao diện điều khiển tải và giao diện chức năng thiết lập thông số ban đầu cho thiết bị. 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU NỘI DUNG 1: Giới thiệu, đưa ra vấn đề cần giải quyết, xây dựng ý tưởng. NỘI DUNG 2: Tìm hiểu và phân tích lý thuyết liên quan, chọn giải pháp. NỘI DUNG 3: Thiết kế và thi công thiết bị. NỘI DUNG 4: Kết quả nghiên cứu thực hiện. NỘI DUNG 5: Đánh giá kết quả thực hiện. 1.4 GIỚI HẠN Thiết bị có 2 ngõ kết nối cảm biến tương tự, 2 ngõ ra điều khiển, sử dụng nguồn điện DC từ adaptor mà không sử dụng pin. Thiết bị có 2 mô hình độc lập, một dùng WiFi, một dùng 3G Thiết bị thi công có kích thước 6 x 10 (cm) Loại cảm biến chỉ cho phép cảm biến tương tự sử dụng nguồn 5VDC. 1.5 BỐ CỤC Chương 1: Tổng Quan Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Giới thiệu, phân tích lý thuyết, lựa chọn giải pháp. Trình bày cơ sở dữ liệu, đám mây lưu trữ và các chuẩn giao tiếp, kết nối mạng sử dụng trong đề tài. Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán Trình bày sơ đồ khối, yêu cầu chức năng từng khối. Thiết kế sơ đồ nguyên lý, tính toán lựa chọn module, linh kiện cho quá trình xây dựng thiết bị. Thiết kế giao diện cho ứng dụng. Chương 4: Thi Công Hệ Thống Trình bày quá trình thi công phần cứng thiết bị: sơ đồ bố trí linh kiện, sơ đồ mạch in. Lập trình vi điều khiển, lập trình ứng dụng. Hướng dẫn thao tác với từng phần cứng. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 2
18. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá Trình bày những kết quả của đồ án đã thực hiện được, đánh giá và so sánh kết quả với yêu cầu đặt ra ban đầu. Chương 6: Kết Luận - Hướng Phát Triển Nêu bật những ưu, khuyết điểm của đề tài, những kiến thức và kinh nghiệm đã thu được trong quá trình thực hiện đề tài. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 3
19. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 LỰA CHỌN GIẢI PHÁP 2.1.1 Giải pháp giám sát cảm biến Thiết bị sẽ đọc giá trị cảm biến, xử lí và tải lên trên Google Spreadsheets. Dữ liệu này có thể truy cập bất cứ lúc nào và bất cứ nơi đâu thông qua điện thoại hoặc máy tính. Điều này không có nghĩa là nó không có tính bảo mật. Vì Google Spreadsheets thuộc tài khoản Google của người dùng nên bất kì ai cũng có thể xem nhưng chỉ có người dùng mới có khả năng chỉnh sửa cơ sở dữ liệu. Việc tải lên dữ liệu này sẽ thông qua công cụ hỗ trợ là ThingSpeak và bằng các module kết nối mạng. Để cập nhật giá trị của sheet trên Google Spreadsheet, phải dùng biểu mẫu (Form). Song, thiết bị không thể gửi trực tiếp giá trị cảm biến lên 1 form, vì vậy, ta phải dùng ThingSpeak làm trung gian. ThingSpeak là một công cụ miễn phí để xây dựng các dự án IoT, hỗ trợ tốt cho người dùng và không cần phải tạo và thuê tên miền như các công cụ truyền thống. Tất cả đều miễn phí. Ta có thể qua sát được dữ liệu thu thập từ cảm biến một cách trực quan và dễ dàng thông qua máy tính và ngay cả trên điện thoại. Chiều của dữ liệu cảm biến được mô tả như sau: Hình 2.1 Chiều của dữ liệu cảm biến 2.1.2 Giải pháp điều khiển thiết bị Thiết bị sẽ một lần nữa thông qua công cụ hỗ trợ là ThingSpeak để thực hiện việc điều khiển tải tại chỗ. Ý tưởng điều khiển thực hiện thông qua việc cập nhật và tải về dữ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 4
20. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT liệu của một trường trên ThingSpeak. Các đối tượng thực hiện việc gửi nhận dữ liệu ở đây là arduino (thiết bị) và android (điện thoại). Hình 2.2 Quy trình gửi nhận dữ liệu giữa Android và Arduino Điều khiển thiết bị dựa trên việc cập nhật giá trị của trường (field) trên ThingSpeak. Để việc điều khiển trực quan hơn, ta cần thấy được sự phản hồi từ thiết bị là đã điều khiển được hay chưa. Android và arduino sẽ thay phiên thực hiện chức năng gửi – tải dữ liệu của field trong từng trường hợp. Muốn có được sự trực quan này, việc điều khiển cần dựa trên dữ liệu của 2 trường: Field điều khiển (field 1): chứa giá trị điều khiển, android có chức năng gửi lên giá trị cho field này, còn arduino sẽ tải dữ liệu về và thực hiện điều khiển tương ứng. Field hiện tại (field 2): cho biết trạng thái của thiết bị. Android sẽ hiển thị trạng thái của thiết bị dựa trên việc tải về dữ liệu của trường này, tất nhiên arduino sẽ đảm nhận chức năng gửi lên dữ liệu. 2.2 GIỚI THIỆU VỀ ANDROID Android là một hệ điều hành dựa trên nền tảng Linux được thiết kế dành cho các thiết bị di động có màn hình cảm ứng như điện thoại thông minh và máy tính bảng. Android có mã nguồn mở và Google phát hành mã nguồn theo Giấy phép Apache. Chính mã nguồn mở cùng với một giấy phép không có nhiều ràng buộc đã cho BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 5
21. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT phép các nhà phát triển thiết bị, mạng di động và các lập trình viên nhiệt huyết được điều chỉnh và phân phối Android một cách tự do. Ngoài ra, Android còn có một cộng đồng lập trình viên đông đảo chuyên viết các ứng dụng để mở rộng chức năng của thiết bị, bằng một loại ngôn ngữ lập trình Java có sửa đổi. Ngày nay, điện thoại android đã có gần như mọi chức năng của một chiếc máy tính. Chính vì sự tiện dụng và di động nên nhóm thực hiện quyết định lập trình ứng dụng trên android. Sử dụng phần mềm Android Studio và các mã nguồn mở trên GitHub. 2.3 GIỚI THIỆU VỀ MẠNG WIFI VÀ 3G Wi-Fi viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11, là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến giống như điện thoại di động, truyền hình và radio. Hệ thống này hoạt động ở một số sân bay, quán café, thư viện hoặc khách sạn. Hệ thống cho phép truy cập Internet tại những khu vực có sóng của nó và hoàn toàn không cần đến cáp nối. Ngoài các điểm kết nối công cộng (hotspots), WiFi có thể được thiết lập ngay tại nhà riêng. Tên gọi 802.11 bắt nguồn từ viện IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Viện này tạo ra nhiều chuẩn cho nhiều giao thức kỹ thuật khác nhau, và nó sử dụng một hệ thống số nhằm phân loại chúng; 4 chuẩn thông dụng của WiFi hiện nay là 802.11a/b/g/n. Các sóng vô tuyến sử dụng cho WiFi gần giống với các sóng vô tuyến sử dụng cho thiết bị cầm tay, điện thoại di động và các thiết bị khác. Nó có thể chuyển và nhận sóng vô tuyến, chuyển đổi các mã nhị phân 1 và 0 sang sóng vô tuyến và ngược lại. Tuy nhiên, sóng WiFi có một số khác biệt so với các sóng vô tuyến khác ở chỗ: Chúng truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz hoặc 5 GHz. Tần số này cao hơn so với các tần số sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay và truyền hình. Tần số cao hơn cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn. Chúng dùng chuẩn 802.11: Chuẩn 802.11b là phiên bản đầu tiên trên thị trường. Đây là chuẩn chậm nhất và rẻ tiền nhất, và nó trở nên ít phổ biến hơn so với các chuẩn khác. 802.11b phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz, nó có thể xử lý đến 11 megabit/giây, và nó sử dụng mã CCK (complimentary code keying). BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 6
22. S K L 0 0 2 1 5 4