Luận văn tốt nghiệp: Lập trình nhà thông minh với vi điều khiển STM32

Luận văn tốt nghiệp lập trình nhà thông minh với vi điều khiển STM32. Tổng hợp sơ đồ thiết kế phần cứng, thuật toán điều khiển và code chi tiết.

• Trường học: Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TP.Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện tử
• Đề tài: Lập trình nhà thông minh với vi điều khiển STM32
• Loại tài liệu: Đề cương luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan lập trình nhà thông minh với vi điều khiển STM32

Hệ thống nhà thông minh hiện đại đòi hỏi tính ổn định cao và khả năng xử lý thời gian thực. Vi điều khiển STM32, đặc biệt là dòng STM32F103, cung cấp hiệu năng vượt trội nhờ lõi ARM Cortex-M3 mạnh mẽ. Nền tảng phần cứng này sở hữu tần số hoạt động cao, bộ nhớ Flash lớn và ngoại vi phong phú. Các module phân tán trong ngôi nhà kết nối đồng bộ với khối xử lý trung tâm. Khối trung tâm thu thập dữ liệu từ các cảm biến khí ga, nồng độ CO, nhiệt độ và độ ẩm. Thiết bị đồng thời điều khiển hệ thống khóa từ RFID và các cụm công tắc chiếu sáng. Mạng lưới truyền thông có dây chuẩn công nghiệp giúp duy trì đường truyền tin cậy trên khoảng cách xa. Giao diện máy tính giám sát trực quan toàn bộ trạng thái vận hành. Giải pháp nhúng này tối ưu hóa chi phí sản xuất phần cứng. Thiết kế mang lại tính linh hoạt cao cho việc mở rộng quy mô thiết bị trong tương lai. Sự kết hợp giữa vi điều khiển STM32 và kiến trúc mạng phân tán tạo nên giải pháp tự động hóa toàn diện cho không gian sống hiện đại.

1.1. Cấu trúc phần cứng vi điều khiển STM32F103

Dòng vi điều khiển STM32F103 đóng vai trò xử lý trung tâm trong toàn bộ hệ thống. Chip vi điều khiển này tích hợp lõi Cortex-M3 tốc độ 72 MHz. Bộ nhớ chương trình Flash 64KB đến 128KB đáp ứng đầy đủ dung lượng chứa mã nguồn điều khiển. Thiết bị sở hữu nhiều kênh UART phục vụ kết nối ngoại vi. Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số ADC 12-bit cho phép đọc giá trị cảm biến với độ chính xác cao. Khả năng tiết kiệm năng lượng và độ bền nhiệt độ giúp phần cứng hoạt động liên tục trong môi trường dân dụng.

1.2. Phân loại các module chức năng trong hệ thống

Hệ thống phân chia thành bốn nhóm module chức năng chuyên biệt. Module trung tâm thực hiện vai trò điều phối luồng dữ liệu và giao tiếp máy tính. Module khóa cửa thông minh tích hợp đầu đọc thẻ RFID RC522, bàn phím ma trận và màn hình LCD. Module công tắc điều khiển trạng thái bật tắt các thiết bị tải điện trong phòng. Module cảm biến môi trường đo đạc nồng độ khí gas độc hại MQ-9 cùng nhiệt độ độ ẩm phòng. Mỗi module vận hành độc lập và gửi trạng thái về nút chủ khi có yêu cầu.

II. Khó khăn khi lập trình nhà thông minh với vi điều khiển STM32

Triển khai nhà thông minh quy mô lớn đối mặt nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp. Vấn đề truyền thông dữ liệu khoảng cách xa thường xuyên bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ. Tín hiệu UART nguyên bản không thể truyền tải ổn định vượt quá vài mét. Môi trường dân dụng với nhiều thiết bị điện công suất lớn gây sụt áp và biến dạng xung tín hiệu. Sự cố xung đột bus xảy ra khi nhiều module cùng phát dữ liệu trên đường truyền chung. Việc thiếu cơ chế đóng gói khung tin chuẩn dẫn đến mất gói và sai lệch dữ liệu điều khiển. Ngoài ra, việc xử lý đồng thời nhiều tác vụ ngoại vi trên vi điều khiển đòi hỏi thuật toán điều phối chính xác. Nếu không quản lý bộ nhớ đệm hiệu quả, vi điều khiển dễ gặp hiện tượng tràn ngăn xếp. Hiện tượng phản hồi trễ của thiết bị chấp hành làm giảm trải nghiệm thực tế. Hệ thống cũng cần giải pháp bảo mật dữ liệu định danh thẻ từ để tránh sao chép trái phép. Những rào cản này đòi hỏi giải pháp thiết kế toàn diện cả phần cứng lẫn phần mềm.

2.1. Suy hao tín hiệu và nhiễu trên đường truyền

Đường truyền khoảng cách xa trong công trình xây dựng gây suy hao biên độ điện áp. Sóng phản xạ xuất hiện tại các điểm cuối đường dây khi trở kháng không phối hợp chuẩn xác. Tiếng ồn xung phát sinh từ động cơ điện và thiết bị đóng cắt làm sai lệch bit truyền. Tín hiệu vi sai RS485 cần điện trở đầu cuối RT phù hợp nhằm triệt tiêu sóng phản xạ. Hiện tượng lệch pha đất giữa các khu vực khác nhau dễ phá hủy phần cứng giao tiếp nếu không nối đất đúng quy chuẩn. Hệ thống đòi hỏi cách ly quang để bảo vệ an toàn cho chip xử lý trung tâm.

2.2. Xung đột dữ liệu và độ trễ phản hồi mạng

Cấu trúc mạng nhiều điểm giao tiếp dễ xảy ra tranh chấp quyền gửi tin. Hai module tớ cùng phát tín hiệu lên bus sẽ làm sai hỏng toàn bộ gói tin dữ liệu. Hệ thống thiếu quy chuẩn định dạng khung truyền dẫn đến nghẽn tắc thông tin. Độ trễ truyền nhận gia tăng làm giảm tốc độ thực thi lệnh điều khiển từ người quản trị. Việc phân bổ thời gian quét cảm biến không hợp lý gây bỏ sót các sự kiện an ninh quan trọng. Thuật toán kiểm tra kênh truyền định kỳ trở thành yêu cầu cấp thiết nhằm phát hiện lỗi ngắt kết nối.

III. Giải pháp lập trình nhà thông minh với vi điều khiển STM32

Giải pháp kỹ thuật tối ưu kết hợp vi điều khiển STM32 với chuyển đổi UART sang RS485 và giao thức MIN cải tiến. Bộ chuyển đổi MAX485 đảm nhận vai trò biến đổi mức logic sang tín hiệu vi sai hai dây A và B. Giao thức MIN tùy biến giúp đóng gói khung tin chuẩn xác với byte ID/Control, trường độ dài và Payload chức năng. Mã kiểm tra lỗi CRC-32 tích hợp đảm bảo tính toàn vẹn tuyệt đối cho từng khung dữ liệu. Cơ chế Master-Slave được thiết lập chặt chẽ, trong đó module trung tâm làm chủ việc thăm dò dữ liệu. Module khóa cửa lập trình giao tiếp SPI với chip RC522 để đọc mã thẻ MIFARE 1K an toàn. Module công tắc sử dụng ngắt ngoài và biến trạng thái số nguyên để ghi nhận thao tác người dùng. Module cảm biến đọc giá trị điện áp từ MQ-9 qua ADC và lấy dữ liệu môi trường qua chuẩn One-Wire. Toàn bộ thông tin được đồng bộ hóa lên phần mềm máy tính qua cổng nối tiếp tốc độ cao.

3.1. Thiết lập giao thức MIN và chuẩn truyền thông RS485

Giao thức MIN được cấu hình lại để tối ưu hóa việc truyền nhận nhúng. Byte ID/Control chứa bit D6 phân định lệnh đọc hoặc ghi cùng các bit địa chỉ module con. Byte đầu tiên của Payload quy định thanh ghi đích cần truy cập tại thiết bị nhận. Mã kiểm tra CRC-32 bảo vệ an toàn toàn bộ dữ liệu truyền tải. Chip MAX485 chuyển đổi tín hiệu UART sang vi sai với trở kháng đặc tính 120 Ohm. Điện trở đầu cuối RT được bố trí ở hai đầu bus giúp loại bỏ hoàn toàn hiện tượng phản xạ sóng tín hiệu.

3.2. Lập trình module chức năng và giao diện điều khiển

Module trung tâm điều phối chu kỳ gửi yêu cầu đọc dữ liệu từ các trạm tớ. Module khóa nhận dạng thẻ từ RC522, so khớp mã UID với bộ nhớ để cấp quyền mở cửa. Module công tắc thực hiện thao tác đảo bit trạng thái khi nhận lệnh từ nút bấm vật lý hoặc máy tính. Giao diện phần mềm trên máy tính hiển thị hệ thống đèn LED ảo mô phỏng trạng thái thiết bị. Phần mềm ghi nhận nhật ký hoạt động định kỳ theo ngày vào tệp lưu trữ hệ thống. Cơ chế này hỗ trợ tra cứu lịch sử vận hành nhanh chóng và chính xác.

IV. Ứng dụng thực tế của nhà thông minh với vi điều khiển STM32

Hệ thống nhà thông minh xây dựng trên vi điều khiển STM32 mang lại hiệu quả vận hành vượt trội trong thực tế. Kiến trúc mạng phân tán giải quyết triệt để vấn đề nhiễu tín hiệu và suy hao đường truyền khoảng cách xa. Khả năng tích hợp đa dạng module giúp hệ thống thích ứng tốt với nhiều mô hình kiến trúc dân dụng và công nghiệp. Thiết bị đảm bảo an ninh liên tục nhờ kiểm soát cửa ra vào bằng thẻ RFID kết hợp bàn phím mã số. Module cảnh báo khí độc MQ-9 và cảm biến môi trường giúp ngăn ngừa sự cố cháy nổ nguy hiểm. Việc giám sát và điều khiển tập trung qua máy tính nâng cao tiện nghi sinh hoạt và tiết kiệm điện năng. Thiết kế mạch in tối ưu hóa kích thước giúp quá trình lắp đặt vào hộp âm tường diễn ra thuận tiện. Khả năng mở rộng thêm các nút tớ trên đường truyền RS485 tạo tiền đề cho việc phát triển các tính năng tự động hóa phức tạp hơn trong tương lai.

4.1. Khả năng ứng dụng trong các tòa nhà và căn hộ

Hệ thống phù hợp lắp đặt cho nhà ở gia đình, văn phòng và các căn hộ dịch vụ cao cấp. Giải pháp dây dẫn RS485 đảm bảo độ tin cậy vượt trội so với kết nối không dây vốn dễ bị can nhiễu. Module khóa cửa thông minh nâng cấp kiểm soát an ninh khu vực hiệu quả. Cảm biến môi trường và khí gas duy trì giám sát liên tục để gửi cảnh báo kịp thời đến màn hình trung tâm. Hệ thống công tắc điều khiển linh hoạt giúp quản lý tiêu thụ điện năng tối ưu cho từng khu vực phòng ốc.

4.2. Tiềm năng nâng cấp và mở rộng hệ sinh thái IoT

Nền tảng STM32 cung cấp khả năng tích hợp linh hoạt với các cổng kết nối Gateway IoT hiện đại. Module trung tâm có thể kết nối thêm các giao thức không dây như Wi-Fi, Zigbee hoặc LoRa. Việc kết nối máy chủ đám mây cho phép người quản trị điều khiển thiết bị từ xa qua ứng dụng di động. Dữ liệu cảm biến thu thập hàng ngày tạo nguồn dữ liệu giá trị cho các thuật toán học máy phân tích hành vi tiêu thụ. Kiến trúc phần cứng mở cho phép dễ dàng tích hợp thêm các cảm biến thông minh thế hệ mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ ---------------o0o--------------- ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP LẬP TRÌNH NHÀ THÔNG MINH VỚI VI ĐIỀU KHIỂN STM32 GVHD: SVTH : MSSV : TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 1 NĂM 2021 LỜI CẢM ƠN Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm. Sinh viên Đề cương luận văn GVHD: MỤC LỤC 1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước .3 Mục tiêu đề tài.

NỘI DUNG ĐỀ TÀI .1 Chuẩn giao tiếp RS485 .3 Chuẩn giao tiếp One – Wi 2.4 Giao thức Microcontroller 2.2 Vi điều khiển và các module .1 Vi điều khiển STM32F103 2.2 Cảm biến khí CO và khí G 2.3 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm 2.3 Thiết kế giải thuật điều khiển .1 Module điều khiển trung 2.2 Module điều khiển công t 2.3 Module khóa cửa .4 Giao diện trên máy tính. 3 GIẢI PHÁP THỰC HIỆN.1 Thiết lập giao tiếp giữa các module trong hệ 3.1 Thiết lập giao tiếp giữa m 3.2 Thiết lập giao tiếp với mod 3.3 Thiết lập giao tiếp với mod Đề cương luận văn GVHD: 3.4 Thiết lập giao tiếp với module cảm biến 3.2 Lập trình chức năng cho module khóa cửa sử dụng thẻ từ v 3.1 Giao tiếp với module RC522 .2 Điều khiển khóa cửa bằng bàn phím .3 Giao tiếp với màn hình LCD .4 Điều khiển khóa cửa thông qua giao diệ 3.3 Lập trình chức năng cho module điều khiển công tắc .1 Các biến trạng thái của công tắc .2 Điều khiển công tắc thông qua giao diện 3.4 Lập trình chức năng cho module cảm biến .1 Đọc dữ liệu từ các cảm biến MQ-9 .2 Đọc dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm trong các p 3.3 Giao tiếp với module điều khiển trung t 3.5 Lập trình chức năng cho module điều khiển trung tâm .1 Giao tiếp với các module khác trong hệ 3.2 Giao tiếp với máy tính .3 Kiểm tra kênh truyền .6 Lập trình giao diện trên máy tính để thực hiện giao tiếp giữ 3.1 Giao tiếp với module điều khiển trung t 3.2 Lưu lại lịch sử hoạt động của hệ thống .3 Hiển thị và điều khiển trạng thái của côn 3.4 Hiển thị và điều khiển trạng thái khóa c 3.5 Hiển thị trạng thái của các cảm biến .7 Thiết kế sơ đồ nguyên lý và mạch in cho các module .1 Thiết kế module khóa cửa .2 Thiết kế module điều khiển công tắc.3 Thiết kế module điều khiển trung tâm. Đề cương luận văn GVHD: 4 DỰ KIẾN KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC .1 Kết quả sơ khởi đạt được .1 Giao diện trên máy tính .2 Hoạt động của hệ thống .3 Hoàn thiện phần cứng.2 Kết quả dự kiến đạt được. 5 KẾ HOẠCH THỰC HIỆN.

6 TÀI LIỆU THAM KHẢO. Đề cương luận văn GVHD: DANH SÁCH HÌNH Hình 2-1: Tín hiệu điện áp 2 chân A, B trong kết nối RS485.2 Hình 2-2: Sơ đồ kết nối 2 thiết bị sử dụng kết nối RS485 với trở kháng đặc tính Z0.3 Hình 2-3: Sơ đồ hệ thống sử dụng giao tiếp RS485 có nối đất. 4 Hình 2-4: Cách đặt điện trở đầu cuối RT trong kết nối RS485.4 Hình 2-5: Tín hiệu trong kết nối RS485 thu được tương ứng với 2 giá trị điện trở RT khác nhau.5 Hình 2-6: Nguyên lý hoạt động của RFID. 6 Hình 2-7: Mô tả cấu trúc bộ nhớ thẻ MIFARE 1K.

7 Hình 2-8: Mô hình Master – Slave trong chuẩn giao tiếp One-Wire.8 Hình 2-9: Dạng sóng của tín hiệu trong giao tiếp bằng chuẩn One-Wire.9 Hình 2-10: Quy định về các khoảng thời gian chờ của tín hiệu.9 Hình 2-11: Khung dữ liệu của giao thức MIN. 11 Hình 3-1 : Byte dữ liệu được quy định để dùng trong điều khiển LCD.27 Hình 3-2: Sơ đồ nguyên lý của module khóa cửa. 40 Hình 3-3: Layout của module khóa cửa. 41 Hình 3-4: Sơ đồ nguyên lý của module điều khiển công tắc.42 Hình 3-5: Layout của module điều khiển công tắc.

43 Hình 3-6: Sơ đồ nguyên lý của module điều khiển trung tâm.44 Hình 3-7: Layout của module điều khiển trung tâm. 45 Hình 4-1: Kết quả thiết kế giao diện trên máy tính. 46 Hình 4-2: Kết quả hoạt động của hệ thống 1. 46 Hình 4-3: Kết quả hoạt động của hệ thống 2.

47 Hình 4-4: Kết quả hoạt động của hệ thống 3. 47 Hình 4-5: Kết quả thi công module khóa cửa. 48 Hình 4-6: Kết quả thi công module điều khiển công tắc. 49 Hình 4-7: Kết quả thi công module điều khiển trung tâm.

50 Đề cương luận văn GVHD: 1.1 Tổng quan Nhà thông minh là một trong những lĩnh vực của IoT(Internet of Things). Nó là hệ thống cho phép người dùng giám sát, điều khiển các thiết bị trong nhà bằng điện thoại, máy tính, máy tính bảng,…, giúp tự động hóa các thiết bị trong nhà như đèn, công tắc, cửa, điều hòa, vòi phun, máy bơm,… cũng như các thiết khác mà không cần đến sự can thiệp trực tiếp của con người. Bằng cách đó nhà thông minh có thể giúp tối ưu hóa hiệu năng sử dụng của căn nhà, giúp người dùng có thể tự do sinh hoạt trong căn nhà mà ít cần phải trực tiếp điều hành các thiết bị. Từ những đặc điểm như trên của một căn nhà thông minh.

Mục tiêu mà đề tài đặt ra là có thể xây dựng một mô hình nhà thông minh mà trong đó các module trong hệ thống vừa có thể tự thực hiện chức năng một cách độc lập, vừa có thể thực hiện chức năng thông qua sự điểu khiển của người dùng. Trong quá trình hoạt động dữ liệu của hệ thống có thể thu thập được và sử dụng cho mục đích mở rộng chức năng sau này. Ngoài ra em còn đặt ra mục tiêu là sẽ thực hiện xây dựng khả năng phản ứng của hệ thống với thói quen của người dùng, từ đó có thể tăng cường sự tiện nghi cho ngôi nhà cũng như trải nghiệm của người dùng.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Nhà thông minh đang dần trở thành “tiêu chuẩn” của các mẫu nhà hiện đại. Để bắt kịp xu nhu cầu ngày càng tăng, các công ty, tổ chức cũng đang dần đẩy nhanh tiến trình nghiên cứu, phát triển các trang thiết bị phục vụ cho nhà thông minh.

Theo đó thì cũng ngày có càng nhiều tài liệu, bài viết về đề tài nhà thông minh. Theo tìm hiểu từ một số bài viết trên diễn đàn stackoverflow.com và một số bài nghiên cứu của sinh viên trong nước thì hiện tại các đề tài nghiên cứu đó đa phần theo mô hình là sử dụng một vi điều khiển để điều khiển các module khác rồi từ vi điều khiển đó đưa dữ liệu lên web-app hoặc android-app. Trong thực tế thì việc thu thập và điều khiển dữ liệu được thực hiện trong phạm vi một ngôi nhà khiến đường dây kết nối từ các cảm biến, module tới vi điều khiển có thể lên tới khoảng cách hàng chục mét trong khi đó hầu hết các chuẩn kết nối hiện tại được trang bị trên các dòng vi điều khiển đều có khoảng cách truyền tối ưu từ 1-2 mét. Vì vậy 1 Đề cương luận văn GVHD: việc xây dựng hệ thống theo mô hình như trên có thể khiến hệ thống không hoạt động hoặc hoạt động không ổn định.3 Mục tiêu đề tài Từ những nhận xét trên, mục tiêu được đặt ra cho đề tài là:  Các module trong hệ thống có thể hoạt động được một cách độc lập.

 Các module trong hệ thống có thể giao tiếp với nhau một cách mượt mà và dữ liệu nhận được có tính tin cậy cao.  Module điều khiển trung tâm có thể thực hiện chức năng điều khiển và thu thập dữ liệu từ các module khác.  Giao diện trên máy tính có thể giúp người dùng giao tiếp với hệ thống.  Hệ thống phản hồi yêu cầu của người dùng với độ trễ thấp.

NỘI DUNG ĐỀ TÀI 2.1 Chuẩn giao tiếp RS485 a. Truyền dẫn cân bằng Hệ thống truyền dẫn cân bằng gồm có hai dây tín hiệu A,B nhưng không có dây mass. Sở dĩ được gọi là cân bằng là do tín hiệu trên dây này ngược với tín hiệu trên dây kia. Nghĩa là dây này đang phát mức cao thì dây kia phải đang phát mức thấp và ngược lại.

Hình 2-1: Tín hiệu điện áp 2 chân A, B trong kết nối RS485 2 Đề cương luận văn GVHD: b. Mức tín hiệu Với hai dây A, B truyền dẫn cân bằng, tín hiệu mức cao TTL được quy định khi áp của dây A lớn hơn dây B tối thi ểu là 200mV, tín hiệu mức thấp TTL được quy định khi áp của dây A nhỏ hơn dây B tối thiểu cũng là 200mV. Nếu điện áp VAB mà nằm trong khoảng -200mV < VAB< 200mV thì tín hiệu lúc này được xem như là rơi vào vùng bất định. Điện thế của mỗi dây tín hiệu so với mass bên phía thu phải nằm trong khoảng –7V đến +12V.

Cặp dây xoắn Như chính tên gọi của nó, cặp dây xoắn (Twisted-pair wire) đơn giản chỉ là cặp dây có chiều dài bằng nhau và được xoắn lại với nhau. Sử dụng cặp dây xoắn sẽ giảm thiểu được nhiễu, nhất là khi truyền ở khoảng cách xa và với tốc độ cao. Trở kháng đặc tính cặp dây xoắn: Phụ thuộc vào hình dáng và chất liệu cách điện của dây mà nó sẽ có một trở kháng đặc tính (Characteristic impedence -Zo), điều này thường được chỉ rõ bởi nhà sản xuất. Theo như khuyến cáo thì trở kháng đặc tính của đường dây vào khoảng từ 100 - 120Ω.

Hình 2-2: Sơ đồ kết nối 2 thiết bị sử dụng kết nối RS485 với trở kháng đặc tính Z0 d. Điện áp kiểu chung Tín hiệu truyền dẫn gồm hai dây không có dây mass nên chúng c ần được tham chiếu đến một điểm chung, điểm chung lúc này có thể là mass hay bất kì một mức điện áp cho phép nào đó. Điện áp kiểu chung (Common-mode voltage -VCM) về mặt toán học được phát biểu như là giá trị trung bình của hai điện áp tín hiệu được tham chiếu với mass hay một điểm chung. 3 Đề cương luận văn GVHD: e.

Vấn đề nối đất Tín hiệu trên hai dây khi được tham chiếu đến điểm chung là đất (Ground) thì khi đó nó cần được xem xét kỹ lưỡng. Lúc này bộ nhận sẽ xác định tín hiệu bằng cách tham chiếu tín hiệu đó với đất của nơi nhận, nếu đất giữa nơi nhận và nơi phát có một sự chênh lệch điện thế vượt qua ngưỡng cho phép thì tín hiệu thu được sẽ bị sai hoặc phá hỏng thiết bị. Điều này cho thấy mạng RS485 gồm hai dây nhưng có tới ba mức điện áp được xem xét.