CHƯƠNG 1: LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1.1 Lí do chủ quan Một số thiết bị điều khiển từ xa như remote dùng sóng RF thì còn nhiều bất cập do chúng hạn chế về khoảng cách truyền. Thông qua quá trình tìm hiểu và định hướng phát triển của giảng viên cho sinh viên thực hiện là phát triển một thiết bị điều khiển được các thiết bị từ xa dùng một tín hiệu hiện đại hơn là việc dùng sóng RF đó là sóng WiFi. Mặt khác đề tài còn xuất phát từ thói quen sử dụng điện thoại của người dùng hằng ngày và nhu cầu điều khiển mọi thứ bằng điện thoại thông minh thông qua Internet ngày càng được tin dùng. 1 Mạch điều khiển bằng sóng RF 1.2 Lí do khách quan Hệ thống truyền thông cũng như tốc độ truyền ngày càng cải thiện, các Modem, Router phát sóng WiFi như TP-LINK, D-LINK,… Được các nhà cung cấp dịch vụ cung cấp càng ngày càng mạnh mẽ tích hợp nhiều chức năng hơn.
Tuy nhiên ở cấp độ nghiên cứu và phát triển đề chúng em không đề cập quá nhiều về chức năng cụ thể từng loại. Bên cạnh đó Chip ESP12 hay board ESP8266 do EspressIf System sản xuất được tích hợp mã nguồn mở, thuận lợi cho học tập và nghiên cứu. 9 c Khóa Luận Tốt Nghiệp Nguyễn Hoàng Nhật Minh CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN HỆ THỐNG 2.1 Sơ đồ khối hệ thống 2. 1 Sơ đồ khối chung của hệ thốn Khối “Người Điều Khiển” Người sử dụng trực tiếp điều khiển toàn bộ hệ thống, đưa ra yêu cầu thay đổi giá trị tần số và trạng thái quay của động cơ hoặc nhấn trực tiếp nút nhấn tại tủ điều khiển Can thiệp trực tiếp vào các sự cố có thể xảy ra đối với các mạch điều khiển cũng như ngắt thiết bị điều khiển kịp thời khi có vấn đề xảy ra với hệ thống.
Khối “Smart Phone” Còn được gọi là HMI (Human Machine Interface) của hệ thống, nó là giao điện điều khiển, quan sát trạng thái của các nút nhấn và giá trị tần số thay đổi thông qua ứng dụng “Blynk” được lập trình bằng phần mềm Arduino IDE. Khối “Sever” Là trung tâm điều hành xử lý các sự kiện trên ứng dụng Blynk và gửi tín hiệu về ESP12. Khối “ESP12” Chíp Wifi giúp thụ nhận tín hiệu Wifi từ các Router cấp phát cho và là nơi xuất tiến hiệu điều khiển ra các chân để đưa tới các thiết bị chấp hành. 10 c Khóa Luận Tốt Nghiệp Nguyễn Hoàng Nhật Minh Là thiết bị quan trong nhất trong hệ thống để làm cầu nối từ ứng dụng Blynk qua VFD.
Khối “VFD” Viết tắt của biến tân là “Variable Frequency Drive” thiết bị thay đổi tần số, nhận lệnh điều hành của các thiết bị cấp trên là ESP12. Xuất mức điện áp quy đổi sang tần số để chạy tải. Khối “Đối Tượng” Là động cơ có thể là đồng bộ hay không đồng bộ, nơi nhận tín hiệu từ biến tần để chạy các thiệt bị tùy thuộc vào mục đích của người điều khiển. Khối “Nút Nhấn” Nút Nhấn ở đây là nút nhấn trực tiếp tại tủ điều khiển, có chức năng tương tự như nút nhấn trên ứng dụng Blynk.
11 c Khóa Luận Tốt Nghiệp Nguyễn Hoàng Nhật Minh 2.2 Lưu đồ giải thuật Hình 2. 2 Lưu đồ giải thuật điều khiển biến tần bằng ESP12E qua Blynk 12 c Khóa Luận Tốt Nghiệp Nguyễn Hoàng Nhật Minh Hình 2. 3 Lưu đồ giải thuật điều khiển biến tần bằng nút nhấn cơ 13 c Khóa Luận Tốt Nghiệp Nguyễn Hoàng Nhật Minh Hình 2. 4 Lưu đồ giải thuật điều khiển biến tần và hẹn thời gian bằng timer 14 c Khóa Luận Tốt Nghiệp Nguyễn Hoàng Nhật Minh Ta sẽ chia ra làm hai phần Phần 1: Điều khiển qua app blynk :khi bắt đầu chương trình ta đảm bảo smartphone và ESP8266 phải kết nối cùng 1 wifi sau đó bật app blynk trên smartphone , app sẽ đưa ta tới bảng điều khiển nút ảo mà ta đã tạo trước đó.
Bảng điều khiển ta gồm có : 1 nút quay thuận , 1 nút quay nghịch , 1 khung nhập tốc độ tần số (0 – 50 Hz) và 1 đèn báo kết nối wifi. Nhấn 1 nút bất kì thì khi đó ESP8266 sẽ nhận tín hiệu qua wifi điều khiển đến biến tần và làm cho động cơ chạy. Nếu động cơ chưa chạy thì ESP8266 sẽ gửi tín hiệu mà ta đã thực hiện cho tới khi làm động cơ chạy. Khi động cơ đã chạy lúc này biến tần sẽ gửi tín hiệu về cho ESP8266 biết và hiển thị trạng thái hoạt động của biến tần của ta trên bảng điều khiển ảo của blynk.
Mặc khác , ta có thể điều khiển theo yêu cầu khác nếu muốn. Phần 2: Điều khiển thông qua nút nhấn : trên bảng điều khiển ta gồm có 1 nút quay thuận , 1 nút quay nghịch và 1 nút xoay ( điều chỉnh tốc độ ) được kết nối trực tiếp qua biến tần và động cơ. Ta nhấn nút hoặc vặn nút điều chỉnh , lúc này biến tần nhận tín hiệu điện từ thao tác ta thực hiện và truyền tín hiệu điện đến động cơ , làm nó họat động và đồng thời biến tần hiển thị trạng thái hoạt động của động cơ trên màn hình của biến tần. Mặt khác ta có thể điều khiển theo yêu cầu mà ta muốn.
Phần 3: Đầu tiên , ta thiết lập thứ trong tuần và giờ/phút theo yêu cầu mong muốn , sau khi thiết lập dữ liệu sẽ được truyền đến I2C để lưu thứ , giờ , phút vào eeprom của nó. Sau khi lưu thời gian ta thiết lập ,dữ liệu sẽ hiển thị trên thiết bị xuất ( laptop,HMI,…) , lúc này DS3231 sẽ xét thời gian thực RTC mà nó đã nạp xét với thời gian ta thiết lập. Lúc này xảy ra 2 trường hợp: Nếu “thứ” thiết lập khác “thứ” ngoài thực tế thì không có tín hiệu truyền đến ESP để điều khiển động cơ. Nếu “thứ “ thiết lập đúng “thứ” ngoài thực tế nhưng khác giờ phút hiện tại thì tín hiệu sẽ quay lại việc truyền dữ liệu vào I2C lại đến khi nó đúng giờ phút thực tế.
Khi đúng giờ phút hoạt động thì tín hiệu sẽ được gửi đến ESP để điều khiển động cơ theo thời gian ta đã đặt. 15 c Khóa Luận Tốt Nghiệp Nguyễn Hoàng Nhật Minh PHẦN 2: PHÂN TÍCH PHẦN CỨNG, PHẦN MỀM VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CHƯƠNG 3: PHẦN CỨNG 3.1 Giới thiệu về ESP8266 Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua V3 CH340 là phiên bản NodeMCU sử dụng IC nạp giá rẻ CH340 từ Lolin với bộ xử lý trung tâm là module Wifi SoC ESP8266, kit có thiết kế dễ sử dụng và đặc biệt là có thể sử dụng trực tiếp trình biên dịch của Arduino để lập trình và nạp code, điều này khiến việc sử dụng và lập trình các ứng dụng trên ESP8266 trở nên rất đơn giản. Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua V3 CH340 được dùng cho các ứng dụng cần kết nối, thu thập dữ liệu và điều khiển qua sóng Wifi, đặc biệt là các ứng dụng liên quan đến IoT. Sơ lượt về dòng ESP8266 Một số module ESP8266 và tính năng nổi bật ESP8266 NodeMCU CH340 Hình 3.
1 ESP8266 NodeMCU CH340 Tình năng: Tích hợp 2 nút nhấn IC chính: ESP8266 Wifi SoC.0, SPI, UART Phiên bản firmware: NodeMCU Lua 16 c Khóa Luận Tốt Nghiệp Nguyễn Hoàng Nhật Minh Chip nạp và giao tiếp UART: CH340 GPIO tương thích hoàn toàn với firmware Node MCU. Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc Vin. GIPO giao tiếp mức 3.3VDC Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash. Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino.
Kích thước: 59 x 32mm ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 Hình 3. 2 ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 Tính năng: Tích hợp 2 nút nhấn Tích hợp chip chuyển USB-UART: CP2102 SDIO 2.0, SPI, UART Tích hợp TCP/IP protocol stack Hỗ trợ: Wi-Fi Direct (P2P), soft-AP Tương thích các chuẩn wifi : 802.1 Tổng quan về chip ESP12E Chip ESP12E được phát triển bởi Expressif để cung cấp giải pháp giao tiếp bằng WiFi cho các thiết bị IoT. Đặc biệt hơn chip còn tích hợp các mạch RF, anten switches, TX power amplifier và RX filter bên trong chip với kích thước rất nhỏ chỉ 5x5mm nên các board sử dụng ESP12 không cần kích thước qua lớn cũng đủ cho việc điều khiển cũng như nhiều linh kiện hổ trợ khác xung quanh. 17 c Khóa Luận Tốt Nghiệp Nguyễn Hoàng Nhật Minh Hình 3.2 Thông số kỹ thuật và sơ đồ nguyên lý Thông số kỹ thuật.
Tương thích với chuẩn WiFi: 802.11 b/g/n với tần số 2.4GHz và hổ trợ bảo mật WPA/WPA2 Hỗ trợ: Wi-Fi Direct (P2P), soft-AP Tích hợp TCP/IP protocol stack, Tích hợp TR switch, balun, LNA, power amplifier and matching network Tích hợp bộ nhân tần số, ổn áp, DCXO và các thiết bị quản lí dòng áp. Dòng rò < 10uA SDIO 1.0, SPI, UART, I2C STBC, 1x1 MIMO, 2x1 MIMO A-MPDU & A-MSDU aggregation & 0.4ms guard interval Dòng tiêu thụ ở chế độ Standby < 1.0mW (DTIM3) Các chuẩn giao tiếp và các thông số khác SDIO 2.0, SPI, UART, I2C 32-pin QFN package Tích hợp RF switch, balun, 24dBm PA, DCXO, và PMU Tích hợp bộ xử lí RISC, bộ nhớ on-chip và giao diện bộ nhớ ngoài Tích hợp bộ xữ lí MAC/ baseband On-chip low-dropout linear regulators for alt internal supplies Tích hợp WEP, TKIP, AES, và kỹ thuật WAPI 18 c Khóa Luận Tốt Nghiệp Nguyễn Hoàng Nhật Minh 3.3 Chức năng của chip ESP12E trong mạch chính Là bộ kết nối với router internet của hộ gia đình để giao tiếp với điện thoại thông qua chuẩn WiFi tích hợp. Là cầu nối giữa mạch điều khiển với sever thông qua đó có thể dễ dàng điều khiển thiết bị như động cơ, đèn, quạt bằng điện thoại thông minh.2 Module chuyển đổi UART TTL sang Modbus 485 3.1 Sơ lược về module Được thiết kế để thực hiện chức năng chuyển đổi hai giao tiếp UART và Modbus thông qua cổng TX và RX. Nhằm mục đích giao tiếp các thiết bị có ngõ vào là truyền thông Modbus.
Giao tiếp được với nhiều dòng vi điều khiển có giao tiêp UART như Arduino, ESP8266,… Hình 3. 4 Module chip Max485 Đặc tính IC MAX485 tích hợp trên board, thực hiện nhiệm vụ như một bộ chuyễn đổi tín hiệu, xử lý bằng các cổng logarit. INPUT: gồm 4 chân DE, RE, DI, RO OUTPUT: gồm 4 chân A, B, VCC, GND Kích thước: 44 x 14mm Điện áp hoạt động: 3 - 5VDC. Điện áp giao tiếp TTL: 3 - 5VDC.
Khoảng cách truyền RS485 khoảng 800m khi sử dụng dây bus chuyên dụng cho RS485 Chuẩn chân cắm TTL 2. 19 c Khóa Luận Tốt Nghiệp Nguyễn Hoàng Nhật Minh Có đèn led thông báo trạng thái truyền nhận RX và TX. Hoạt động ở nhiệt độ từ -40 độ đến +80 độ Module giao tiếp tốt với các driver khác nhau như USB 485, ESP12E Hình 3.