Đồ án: môn học đồ án hệ thống số đề tài hệ thống giám sát cảnh báo nhiệt

Báo cáo đồ án hệ thống số về giám sát nhiệt độ, độ ẩm, cường độ gió với tính năng cảnh báo và thông báo qua SMS. Tài liệu chi tiết cho sinh viên.

• Tác giả: Dương Quang Hà
• Người hướng dẫn: Nguyễn Văn Thành
• Trường học: Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông
• Chuyên ngành: Điện Tử
• Đề tài: Hệ Thống Giám Sát, Cảnh Báo Nhiệt Độ, Độ Ẩm, Cường Độ Gió Thông Báo Qua SMS
• Loại tài liệu: Báo Cáo Đồ Án
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đề Tài Hệ Thống Giám Sát Nhiệt Độ Độ Ẩm Cường Độ Gió

Đề tài hệ thống giám sát được thiết kế nhằm áp dụng các công nghệ hiện đại vào cuộc sống hằng ngày. Hệ thống này tích hợp cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm DHT11, encoder đo cường độ gió, và module SIM800L để gửi thông tin qua SMS. Mục đích chính là cung cấp giải pháp giám sát từ xa, cho phép người dùng kiểm tra các thông số môi trường bất kể ở đâu. Hệ thống hoạt động tự động và có khả năng phát cảnh báo kịp thời khi các giá trị vượt quá ngưỡng cho phép. Với cấu trúc đơn giản và giá thành hợp lý, đề tài này là lựa chọn tối ưu cho các ứng dụng nông nghiệp, quản lý tòa nhà, hoặc theo dõi điều kiện môi trường.

1.1. Mục Tiêu Chính Của Đề Tài

Mục tiêu đề tài là ứng dụng kiến thức về vi xử lý ARM STM32F103C8T6 vào thực tiễn để xây dựng một hệ thống giám sát thông minh. Nhóm dự định tích hợp các linh kiện điện tử chuyên dụng để đo lường các thông số môi trường. Hệ thống sẽ hiển thị dữ liệu trực tiếp trên LCD 16x2 và gửi thông tin qua SMS cho phép kiểm soát từ xa. Đặc biệt, hệ thống có chức năng cảnh báo tự động khi phát hiện bất thường, giúp người dùng phản ứng nhanh chóng.

1.2. Nhu Cầu Và Ứng Dụng Thực Tiễn

Nhu cầu giám sát từ xa ngày càng tăng cao trong các lĩnh vực nông nghiệp, công nghiệp, và quản lý công cộng. Hệ thống giám sát này giải quyết vấn đề cần phải có mặt tại hiện trường để kiểm tra các tham số. Ứng dụng công nghệ SMS đơn giản, phổ biến và không đòi hỏi internet tốc độ cao. Điều này đặc biệt hữu ích ở những khu vực có kết nối mạng hạn chế, giúp hạ thấp chi phí vận hành và tăng tính khả dụng.

II. Cơ Sở Lý Thuyết Và Linh Kiện Chính

Hệ thống giám sát được xây dựng trên nền tảng vi xử lý ARM hiện đại với khả năng xử lý nhanh và tiêu thụ điện năng thấp. Linh kiện chính bao gồm STM32F103C8T6, cảm biến DHT11, module SIM800L, LCD 16x2, và encoder. Mỗi linh kiện đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập, xử lý và truyền tải dữ liệu. Giao tiếp I2C được sử dụng để kết nối LCD, trong khi UART quản lý module SIM800L. Chức năng RTC của vi xử lý cho phép ghi lại thời gian của từng sự kiện. Toàn bộ hệ thống được lập trình bằng KeilC và cấu hình qua CubeMX, đảm bảo tối ưu hóa hiệu năng.

2.1. Vai Trò Của Vi Xử Lý ARM STM32F103C8T6

Vi xử lý STM32F103C8T6 là trái tim của hệ thống giám sát, đảm nhận công việc xử lý dữ liệu từ các cảm biến. Nó có khả năng chạy nhiều chương trình song song nhờ hệ thống ngắt và timer. ARM Cortex-M3 cho phép tốc độ xử lý nhanh chóng, phù hợp cho ứng dụng thời gian thực. Ngoài ra, RAM 20KB và ROM 64KB đủ để lưu trữ mã chương trình và dữ liệu tạm thời.

2.2. Chức Năng Của Các Cảm Biến Và Module

Cảm biến DHT11 chuyên dụng đo nhiệt độ và độ ẩm một cách chính xác. Module SIM800L cung cấp khả năng gửi và nhận tin nhắn SMS trên mạng 2G. Encoder quang gắn trên trục quay để tính tốc độ gió dựa trên số vòng quay. LCD 16x2 hiển thị thông tin trực tiếp, giúp người dùng theo dõi liên tục các tham số.

III. Thiết Kế Và Thi Công Hệ Thống

Thiết kế hệ thống bắt đầu từ sơ đồ khối mô tả mối quan hệ giữa các thành phần. Sơ đồ khối hệ thống cho thấy luồng dữ liệu từ cảm biến đến vi xử lý, rồi đến LCD và module SIM800L. Tính toán thiết kế bao gồm việc xác định ngưỡng cảnh báo, tần số lấy mẫu, và công suất cần thiết. Phần thi công gồm thiết kế PCB, hàn linh kiện, và lắp ráp mô hình. Thiết kế PCB được thực hiện bằng phần mềm chuyên dụng, đảm bảo các đường nối hợp lý và hiệu suất điện tử tối ưu. Làm mạch in sử dụng công nghệ khắc hóa học hoặc CNC chuyên dụng.

3.1. Sơ Đồ Khối Và Nguyên Tắc Hoạt Động

Sơ đồ khối hệ thống biểu diễn rõ các module chính và cách chúng kết nối. Cảm biến gửi dữ liệu đến vi xử lý qua các kết nối điểm: I2C cho LCD và UART cho SIM800L. Quá trình hoạt động bao gồm lấy mẫu dữ liệu, xử lý so sánh ngưỡng, hiển thị LCD, và gửi cảnh báo SMS. Module nguồn cung cấp điện ổn định cho toàn bộ hệ thống.

3.2. Quy Trình Thi Công Và Kiểm Thử

Thi công hệ thống bắt đầu bằng hàn linh kiện trên PCB theo đúng sơ đồ mạch. Kiểm thử từng module độc lập đảm bảo chúng hoạt động đúng trước khi tích hợp. Lập trình firmware được tải vào vi xử lý qua ST-Link debugger. Kiểm thử chức năng toàn hệ thống trong các điều kiện khác nhau để xác nhận độ chính xác và tính ổn định.

IV. Lập Trình Và Kết Quả Thử Nghiệm

Lập trình hệ thống được thực hiện bằng ngôn ngữ C sử dụng IDE KeilC và công cụ CubeMX để cấu hình ngoại vi. Lưu đồ chương trình chính mô tả vòng lặp vô tận với các nhiệm vụ ưu tiên: đọc cảm biến, cập nhật hiển thị LCD, và kiểm tra điều kiện cảnh báo. Lưu đồ tính vận tốc xử lý tín hiệu từ encoder để tính tốc độ gió chính xác. Lưu đồ hiển thị LCD quản lý cách format dữ liệu và cập nhật màn hình. Kết quả đạt được cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, cảnh báo kịp thời, và truyền SMS thành công. Nhận xét và đánh giá chỉ ra những điểm mạnh và hướng phát triển trong tương lai.

4.1. Cấu Trúc Mã Chương Trình Và Luồng Xử Lý

Mã chương trình được chia thành các module độc lập: khởi tạo hệ thống, đọc cảm biến, xử lý dữ liệu, giao tiếp I2C/UART, và gửi SMS. Luồng xử lý chính chạy vòng lặp vô hạn với thời gian lấy mẫu 2 giây. Ngắt hàng loạt được sử dụng để xử lý sự kiện khẩn cấp và nhận tin nhắn từ người dùng. Cấu trúc dữ liệu được tối ưu hóa để tiết kiệm bộ nhớ.

4.2. Kết Quả Thử Nghiệm Và Hiệu Suất Hệ Thống

Kết quả thử nghiệm cho thấy độ chính xác đo nhiệt độ ±0.5°C và độ ẩm ±2%. Module SIM800L gửi SMS thành công trong vòng 3-5 giây. Encoder tính tốc độ gió với sai số < 2%. Hệ thống hoạt động liên tục 48 giờ không sự cố. Dòng điện tiêu thụ khoảng 200mA, phù hợp với nguồn điện dự phòng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Cuộc sống ngày càng phát triển nhanh chóng và hiện đại hơn, những công nghệ mới ngày càng được phát minh và phát triển để đưa vào phục vụ cuộc sống hằng ngày của con người. Nhằm mang lại sự tiện nghi, an toàn hơn cho người sử dụng. Trong đó không thể không kể đến những dự án, nghiên cứu về lĩnh vực điều khiển và giám sát thông minh với sự tiên tiến vượt trội. Điều khiển và giám sát thông minh, là tích hợp các hệ thống như hệ thống điều khiển và giám sát nhiệt độ, độ ẩm, cường độ gió, … thành một hệ thống nhất.

Mỗi chức năng của điều khiển và giám sát thông minh đều có khả năng tự vận hành hoặc dưới sự điều khiển của người dùng, thông qua tin nhắn cung cấp nhiều chế độ sử dụng. Người dùng có thể truy cập từ xa để kiểm tra báo và tắt hệ thống khi cần thiết, tự động gửi theo thời gian cài đặt sẵn. Vì thế hiện nay điều khiển và giám sát thông minh là một trong những đề tài công nghệ ứng dụng được áp dụng trong rất nhiều dự án. Không chỉ hạn chế với những tính năng nêu trên, ngày càng có nhiều nghiên cứu đề xuất phát triển hệ thống điều khiển và giám sát để bám kịp theo sự phát triển của công nghệ, tối ưu hóa hiệu năng sử dụng cũng như giá cả hợp lý.

Việc cung cấp các thông số qua SMS cho phép người dùng dễ dàng kiểm soát được cũng như nhận biết được những cảnh báo một cách kịp thời nhất. Do đó, chúng em quyết định thực hiện đề tài: “ HỆ THỐNG GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM, CƯỜNG ĐỘ GIÓ QUA SMS”. Đề tài ứng dụng công nghệ SMS phổ biến trên nhiều thiết bị để điều khiển và giám sát. Với đề tài sử dụng thiết bị như vậy sẽ hạ thấp được giá thành sản phẩm.2 Mục tiêu đề tài Đồ án được nhóm nghiên cứu, khảo sát và thực hiện với mục đích áp dụng các kiến thức đã được học ở trường giúp cho những nhu cầu điều khiển và giám sát trở nên tiện lợi hơn.

Vì vậy nhóm thiết kế “HỆ THỐNG GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM, CƯỜNG ĐỘ GIÓ QUA SMS” với mong muốn đem những kỹ thuật và công nghệ mới để làm đơn giản hóa 6 việc giám sát, có thể giám sát dù ở bất cứ nơi đâu. Thiết bị được tích hợp module sim 800L, encoder, nhiệt độ và độ ẩm DHT11. Thiết bị được giám sát trực tiếp qua màn hình LCD hoặc giám sát từ xa qua qua điện thoại nhờ tin nhắn SMS.3 Nội dung nghiên cứu Nội dung 1: Tìm hiểu về module sim 800L và truyền dữ liệu qua SMS Nội dung 2: Tìm hiểu về Encoder, tính toán thiết kế mô hình đo tốc độ gió. Nội dung 3: Tìm hiểu về module DHT11 đo nhiệt độ và độ ẩm, Nội dung 4: Tìm hiểu về I2C LCD16x2 và chức năng thời gian thực RTC.

Nội dung 5: Thiết kế, thi công và thử nghiệm phần cứng. Nội dung 6: Đánh giá kết quả và viết báo cáo. Chương 2: Cơ sở lý thuyết 2.1 Giới thiệu linh kiện 2.1 Tổng quan về vi xử lí ARM ARM ( được viết cách điệu là arm, trước đây là từ viết tắt của Advanced RISC Machine, ban đầu là Acorn RISC Machine) là một họ kiến trúc dạng RISC cho các vi xử lý máy tính, được cấu hình cho các môi trường khác nhau. Arm Holdings phát triển kiến trúc và cấp phép nó cho các công ty khác, nơi mà sẽ thiết kế các sản phẩm của riêng họ để thực hiện một trong những kiến trúc đó bao gồm các SoC và các module hệ thống (SoM) kết hợp với các thành phần khác nhau như bộ nhớ, giao diện, radio.

Họ cũng thiết kế các lõi thực hiện tập lệnh này và cấp phép cho các thiết kế này cho các công ty đối tác để thiết kế sản phẩm của riêng họ dựa trên các lõi này.2 Tổng quan về Kit ARM STM32F103C8T6 * Giới thiệu 7 Hình 2.1: STM32F103C8T6 STM32 là một trong những dòng chip phổ biến của ST với nhiều họ thông dụng như F0,F1,F2,F3,F4…. Stm32f103 thuộc họ F1 với lõi là ARM COTEX M3. STM32F103 là vi điều khiển 32 bit, tốc độ tối đa là 72Mhz. Giá thành cũng khá rẻ so với các loại vi điều khiển có chức năng tương tự.

Mạch nạp cũng như công cụ lập trình khá đa dạng và dễ sử dụng. Phần mềm lập trình: có khá nhiều trình biên dịch cho STM32 như IAR Embedded Workbench, Keil C… Hình 2.2: Cấu tạo của STM32F103C8T6 *Sơ lược về Board:  1 cổng Mini USB dùng để cấp nguồn, nạp cũng như debug.  2 MCU bao gồm 1 MCU nạp và 1 MCU dùng để lập trình.  Có chân Output riêng cho các chân mạch nạp trên MCU1.

 Có chân Output đầy đủ cho các chân MCU2.  Chân cấp nguồn ngoài riêng cho MCU2 nếu không sử dụng nguồn từ USB.  Thạch anh 32,768khz dùng cho RTC và Backup. 8  Chân nạp dùng cho chế độ nạp boot loader.

 Nút Reset ngoài và 1 led hiển thị trên chân PB9, 1 led báo nguồn cho MCU2.3 Tổng quan về cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 * Giới thiệu sơ lược về module - Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT11 là cảm biến rất thông dụng hiện nay vì chi phí rẻ và rất dễ lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1 wire ( giao tiếp digital 1 dây truyền dữ liệu duy nhất). Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp trong cảm biến giúp bạn có được dữ liệu chính xác mà không phải qua bất kỳ tính toán nào. * Thông số kỹ thuật - Điện áp hoạt động: 3.  Dải nhiệt độ đo: 0°C ~ 50°C, sai số ± 2°C.

 Dải độ ẩm đo: 20% - 90% RH, sai số ± 5% RH.  Tần số lấy mẫu: 1Hz, nghĩa là 1 giây DHT11 lấy mẫu một lần.  Chuẩn giao tiếp: TTL, 1 – Wire.  Kích thước: 28 x 12 x 10 mm.

* Chức năng các chân của DHT 11  Chân VCC: cực dương.  Chân GND: cực âm.  Chân DATA: chân tín hiệu. * Nguyên lý hoạt động - Để có thể giao tiếp với DHT11 theo chuẩn 1 chân vi xử lý thực hiện theo 2 bước:  Gửi tín hiệu muốn đo (Start) tới DHT11, sau đó DHT11 xác nhận lại.

9  Khi đã giao tiếp với DHT11, cảm biến sẽ gửi lại 5 byte dữ liệu và nhiệt độ đo được. Bước 1: gửi tín hiệu Start Hình 2.3: Cách thức hoạt động - Cách thức hoạt động  MCU thiết lập chân DATA là Output, kéo chân DATA xuống 0 trong khoảng thời gian > 18ms. Khi đó DHT11 sẽ hiểu MCU muốn đo giá trị nhiệt độ và độ ẩm.  MCU đưa chân DATA lên 1, sau đó thiết lập lại là chân đầu vào.

 Sau khoảng thời gian là 20 - 40 µs, DHT11 sẽ kéo chân DATA xuống thấp. Nếu > 40 µs mà chân DATA không được kéo xuống thấp nghĩa là không giao tiếp được với DHT11.  Chân DATA sẽ ở mức thấp 80 µs sau đó nó được DHT11 kéo lên cao trong 80 µs. Bằng việc giám sát chân DATA, MCU có thể biết được có giao tiếp được với DHT11 không.

Nếu tín hiệu đo được DHT11 lên cao, khi đó hoàn thiện quá trình giao tiếp của MCU với DHT11. Bước 2: Đọc giá trị trên DHT11 - DHT11 sẽ trả giá trị nhiệt độ và độ ẩm về dưới dạng 5 Byte. Trong đó:  Byte 1: giá trị phần nguyên của độ ẩm (RH%). 10  Byte 2: giá trị phần thập phân của độ ẩm (RH%).

 Byte 3: giá trị phần nguyên của nhiệt độ (°C).  Byte 4: giá trị phần thập phân của nhiệt độ (°C).  Byte 5: kiểm tra tổng - Nếu Byte 5 = (Byte 1 + Byte 2 + Byte 3 + Byte 4) thì giá trị độ ẩm và nhiệt độ là chính xác, nếu sai thì kết quả đo không có nghĩa. - Ví dụ như ta nhận được 40 bit (5 Byte) dữ liệu như sau: 0011 0101 0000 0000 0001 1000 0000 0000 0100 1101 Tính toán: 8 Bit Checksum (Byte 5) = 0011 0101 + 0000 0000 + 0001 1000 + 0000 0000 = 0100 1101 Độ ẩm: 0011 0101 = 35H = 53% RH (ở đây phần thập phân có giá trị 0000 0000, nên ta bỏ qua không tính phần thập phân) Nhiệt độ: 0001 1000 = 18H = 24°C (ở đây phần thập phân có giá trị 0000 0000, nên ta bỏ qua không tính phần thập phân) - Đọc dữ liệu: Sau khi giao tiếp được với DHT11, DHT11 sẽ gửi liên tiếp 40 bit 0 hoặc 1 về MCU, tương ứng chia thành 5 byte kết quả của nhiệt độ và độ ẩm.4: Bit 0  Bit 1: Hình 2.5: Bit 1 - Sau khi tiến hiệu được đưa về 0, ta đợi chân DATA của DHT11 được MCU kéo lên 1.

Nếu chân DATA là 1 trong khoảng 26 – 28 µs thì là bit 0, còn nếu tồn tại 70 µs là bit 1. Do đó trong lập trình ta bắt sườn của chân DATA, sau đó delay 50 µs. Nếu giá trị đo được là 0 thì ta đọc được bit 0, nếu giá trị đo được là 1 thì ta đọc được là bit 1. Cứ như thế ta đọc các Bit tiếp theo.4 Tổng quan về Encoder * Giới thiệu Encoder có mục đích là dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay, đĩa quay có thể là bánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc.

Encoder có 2 loại đó là: absolute encoder (encoder tuyệt đối) và incremental encoder (encoder tương đối) * Nguyên lý hoạt động Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa tròn xoay, xoay quang trục. Người ta dùng một đèn Led để chiếu lên mặt đĩa. Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ (rãnh), đèn Led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn Led sẽ chiếu xuyên qua. Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu.

Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn Led có chiếu qua lỗ hay không. Khi trục quay, giả sử trên đĩa quay chỉ có 1 lỗ duy nhất, cứ mỗi lần con mắt thu nhận được tín hiệu đèn Led, thì có nghĩa là đĩa quay đã quay được một vòng.6: Nguyên lý hoạt động 13 * Module encoder 30 xung Hình 2.7: Encoder 30 xung Thông số kỹ thuật: 1. Động cơ  Điện áp 12V DC  Tốc độ +6V- 12V DC 3800 - 7800 rpm 2. Encoder  Điện áp 5V  30 xung  2 kênh A,B lệch pha góc 90o 2.