Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát đèn chiếu sáng bằng ARM

Tài liệu đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống điều khiển, giám sát đèn chiếu sáng thông minh. Ứng dụng vi điều khiển ARM, công nghệ LoRa và Wifi.

• Tác giả: Nguyễn Nhật Pha
• Người hướng dẫn: GVC. Nguyễn Đình Phú
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông
• Đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Hệ Thống Điều Khiển Và Giám Sát Đèn Chiếu Sáng Trong Khuôn Viên Trường Học Sử Dụng Vi Điều Khiển ARM
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Điều Khiển Đèn Chiếu Sáng Trường Học

Hệ thống điều khiển đèn chiếu sáng bằng vi điều khiển ARM là giải pháp hiện đại giúp tối ưu hóa năng lượng và quản lý hiệu quả. Hiện nay, việc điều khiển đèn tại các trường học thường thực hiện bằng phương pháp thủ công, gây lãng phí thời gian và công sức. Đồ án điều khiển đèn sử dụng công nghệ vi điều khiển ARM cung cấp các tính năng tự động hóa toàn diện. Hệ thống này cho phép điều khiển và giám sát đèn từ xa, giảm chi phí điện năng, cải thiện độ an toàn, và nâng cao chất lượng cơ sở vật chất. Với quy mô quản lý lớn, hệ thống tự động hóa giúp phân công nhiệm vụ hiệu quả hơn, tránh sai sót và nguy cơ cháy nổ do thiết bị hỏng mà không được phát hiện kịp thời.

1.1. Định Nghĩa và Mục Tiêu Của Đồ Án

Đề tài đồ án nhằm thiết kế và thi công hệ thống điều khiển đèn chiếu sáng toàn diện sử dụng vi điều khiển STM32 ARM. Mục tiêu chính là thay thế phương pháp thủ công bằng tự động hóa thông minh. Hệ thống cung cấp các chức năng như điều khiển từ xa qua LoRa, Wifi, hiển thị trên LCD TFT, và ứng dụng Android. Với giải pháp này, các trường học có thể giảm chi phí hoạt động, tăng cường an toàn điện, và cải thiện quản lý tài nguyên.

1.2. Ứng Dụng Thực Tiễn Trong Trường Học

Hệ thống điều khiển có thể áp dụng tại các khu vực khác nhau trong trường học như phòng học, thư viện, sân trường, và các văn phòng. Vi điều khiển ARM cho phép lập trình các kịch bản bật/tắt tự động theo lịch biểu. Cảm biến dòng điện Hall giám sát tiêu thụ điện năng, giúp phát hiện thiết bị bất thường. Đây là giải pháp tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường hiệu quả.

II. Cơ Sở Lý Thuyết và Công Nghệ Sử Dụng

Cơ sở lý thuyết của hệ thống bao gồm các công nghệ truyền thông và điều khiển hiện đại. Vi điều khiển ARM STM32 đóng vai trò trung tâm xử lý tín hiệu và điều khiển các khối chức năng. Cảm biến dòng điện Hall ACS712 đo lường tiêu thụ điện năng thời gian thực. Công nghệ LoRa cung cấp khả năng truyền thông với phạm vi xa, độ tin cậy cao. Giao tiếp Wifi thông qua module ESP8266 cho phép truy cập qua ứng dụng di động. Giao tiếp UART và SPI kết nối giữa các thành phần phần cứng. Kết hợp các công nghệ này tạo nên một hệ thống điều khiển hoàn chỉnh và hiệu quả.

2.1. Vi Điều Khiển ARM và Nguyên Lý Hoạt Động

Vi điều khiển STM32F407VG là bộ vi xử lý chính của hệ thống, cung cấp tốc độ xử lý cao và khả năng tích hợp nhiều giao tiếp. ARM Cortex-M4 xử lý các yêu cầu thời gian thực, điều khiển đèn và cảm biến. STM32F103C8T6 được dùng làm bộ điều khiển phụ để giảm tải. Hệ thống sử dụng lập trình C/C++ để tối ưu hóa hiệu suất.

2.2. Công Nghệ LoRa và Truyền Thông Không Dây

LoRa (Long Range) là công nghệ truyền thông dải rộng giúp kết nối các điểm cách xa nhau. Module AS32-TTL-100 hỗ trợ truyền tín hiệu điều khiển với khoảng cách lên đến 1-2km. Giao thức LoRa tiết kiệm năng lượng và hoạt động ổn định. Kết hợp với Wifi ESP8266, hệ thống cung cấp đa kênh điều khiển linh hoạt.

III. Thiết Kế Phần Cứng và Mạch Điện

Thiết kế phần cứng của hệ thống bao gồm nhiều khối chức năng độc lập nhưng có liên kết chặt chẽ. Khối công suất ngõ ra sử dụng rơle điện tử để bật/tắt đèn, điều chỉnh độ sáng qua PWM. Khối cảm biến gồm cảm biến dòng điện Hall và cảm biến ánh sáng giám sát thông số môi trường. Khối truyền thông tích hợp LoRa, Wifi, UART, SPI cho đa kênh liên lạc. Khối hiển thị sử dụng LCD TFT ILI9341 để hiển thị trạng thái hệ thống. Nguồn cấp điện được thiết kế ổn định và an toàn. Tất cả các khối được tối ưu hóa để tiết kiệm điện năng.

3.1. Khối Công Suất và Điều Khiển Đèn

Khối công suất ngõ ra sử dụng rơle 5V điều khiển AC 220V. Mỗi rơle điều khiển một mạch đèn riêng biệt. Tranzistor NPN 2N2222 kích hoạt rơle từ tín hiệu GPIO của vi điều khiển. Diode quenching bảo vệ mạch khỏi xung ngược. Công suất tối đa 16A cho phép điều khiển nhiều đèn cùng lúc.

3.2. Khối Cảm Biến và Thu Thập Dữ Liệu

Cảm biến Hall ACS712-20A đo dòng điện chính xác cao. Tín hiệu analog được chuyển đổi qua ADC 12-bit. Cảm biến ánh sáng LDR phát hiện mức sáng môi trường. Joystick 5 chiều cho phép điều khiển từ bộ điều khiển trung tâm. Các dữ liệu cảm biến được lưu trữ và phân tích thời gian thực.

IV. Lập Trình Hệ Thống và Ứng Dụng

Lập trình hệ thống sử dụng ngôn ngữ C/C++ với IDE STM32CubeMX và Keil uVision. Phần mềm điều khiển vi điều khiển quản lý các chức năng bật/tắt, giám sát cảm biến, và ghi dữ liệu. Giao thức truyền thông được lập trình để xử lý các lệnh từ Wifi, LoRa, và LCD TFT. Ứng dụng Android phát triển bằng Android Studio cho phép người dùng điều khiển từ điện thoại di động. Giao diện người dùng (UI) được thiết kế thân thiện, dễ sử dụng. Hệ thống logging ghi lại tất cả các hoạt động để phục vụ kiểm tra và bảo trì. Thuật toán tối ưu giúp tiết kiệm năng lượng tối đa.

4.1. Lập Trình Vi Điều Khiển ARM

Chương trình chính chạy trên FreeRTOS cho các tác vụ đa luồng. Hàm xử lý ngắt (interrupt) phục vụ các sự kiện cảm biến và nút nhấn. Timer được cấu hình cho PWM điều khiển độ sáng. Hàm giao tiếp xử lý UART, SPI, I2C kết nối với các module ngoài. Bộ quản lý năng lượng tự động chuyển chế độ sleep để tiết kiệm pin.

4.2. Ứng Dụng Di Động và Giao Diện Người Dùng

Ứng dụng Android được phát triển với giao tiếp Wifi/LoRa. Giao diện chính hiển thị danh sách đèn, trạng thái bật/tắt, mức tiêu thụ điện. Nút điều khiển cho phép bật/tắt đèn nhanh chóng. Lịch trình cho phép lập kịch bản tự động theo thời gian. Thống kê năng lượng cung cấp thông tin chi tiết về tiêu thụ điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN − Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Chương này sẽ tìm hiểu về cảm biến dòng điện, chuẩn giao tiếp LoRa, màn Hình LCD TFT, và các chuẩn giao tiếp dữ liệu. Đồng thời tìm hiểu về thiết kế app điều khiển trên Android. − Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán Thiết kế hệ thống, sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý chức năng từng khối và thực hiện tính toán thông số cho các khối. − Chương 4: Thi Công Hệ Thống Thi công bo mạch, thiết kế lưu đồ, giải thuật, chương trình.

Thi công mô Hình hoàn chỉnh. − Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá Trình bày những kết quả đạt được trong thời gian thực hiện, một số Hình ảnh từ hệ thống. Đồng thời đưa ra nhận xét, đánh giá cho toàn hệ thống. − Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển Đưa ra những kết luận sau khi hoàn thiện sản phẩm, các hướng phát triển nâng cấp hệ thống trong tương lai.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Quy trình thực hiện hệ thống Hệ thống điều khiển và giám sát đèn chiếu sáng được điều khiển thông qua khối điều khiển trung tâm sử dụng kit STM32F407VG DISCOVERY có kết nối với wifi thông qua module NodeMCU ESP8266, module LoRa AS32 TTL-100, LCD TFT và Module nút nhấn Joystick. Mô hình được điều khiển bằng nút nhấn trên khối điều khiển trung tâm và khối điều khiển phụ hoặc có thể điều khiển bằng app trên điện thoại Android. Dòng điện sẽ được cảm biến dòng đo thông số, từ thông số dòng điện có thể tính toán ra được đèn tầng nào hoạt động và tầng nào không hoạt động, sau khi qua đo và tính toán những thông số trên sẽ được hiển thị trên màn hình ở bo mạch chính. Những thông tin về dòng điện và tình trạng hoạt động của đèn chiếu sáng sẽ được cập nhập liên tục và hiển thị trên màn hình.

Người dùng có thể theo dõi sự thay đổi dòng điện ở các tầng bằng cách chuyển cần gạt điều khiển. Màn hình sẽ hiển thị trạng thái đang bật hay tắt của thiết bị, giá trị dòng điện và lệnh điều khiển tiếp theo của tầng đang quan sát. Để thuận tiện cho việc giám sát từ mọi nơi người dùng cũng có thể sử dụng app trên điện thoại thông minh, các chức năng tương tự như ở bo mạch chính.2 Giới thiệu về cảm biến dòng điện, nguyên lý đo dòng điện 2.1 Giới thiệu về cảm biến dòng điện Cảm biến dòng điện là một thiết bị phát hiện dòng điện trong dây và tạo ra tín hiệu tỷ lệ với dòng điện đó. Tín hiệu được tạo ra có thể là điện áp hoặc dòng điện hoặc thậm chí là đầu ra kỹ thuật số.

Tín hiệu được tạo ra sau đó có thể được sử dụng để hiển thị dòng điện đo được trong ampe kế hoặc có thể được lưu trữ để phân tích thêm trong hệ thống thu thập dữ liệu hoặc có thể được sử dụng cho mục đích điều khiển. Có hai phương pháp dùng cảm biến dòng điện hiện nay: − Cảm biến dòng điện trực tiếp: Cảm biến dòng điện trực tiếp phụ thuộc vào định luật Ohm. Bằng cách đặt một điện trở shunt sắp xếp với tải hệ thống, một điện áp được tạo ra trên điện trở shunt tỷ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT lệ thuận với dòng tải hệ thống. Điện áp trên shunt có thể được đo bằng các bộ khuếch đại vi sai, ví dụ như các bộ khuếch đại dòng shunt.

Nó thường được thực hiện cho dòng tải <100A. − Cảm biến dòng điện gián tiếp: Cảm biến dòng điện gián tiếp phụ thuộc vào định luật Ampe và Faraday. Bằng cách đặt một vòng dây quanh một dây dẫn mang dòng điện, một điện áp được cảm ứng trên vòng dây tỷ lệ với dòng điện. Phương pháp cảm biến loại này được sử dụng cho dòng tải 100A – 1000A.

Các phương pháp đo dòng điện Một số phương pháp đo dòng điện mà chúng ta có thể kể đến như: − Cảm biến hiệu ứng hall đo dòng điện − Máy biến áp hoặc ampe kìm, (chỉ phù hợp với dòng điện xoay chiều) − Loại biến áp Fluxgate, (phù hợp với dòng điện AC hoặc DC). − Điện trở Shunt, có điện áp tỷ lệ thuận với dòng điện qua nó. − Cảm biến dòng quang, sử dụng giao thoa kế để đo sự thay đổi pha trong ánh sáng do từ trường tạo ra. − Cuộn dây Rogowski, thiết bị để đo dòng điện xoay chiều (AC) hoặc xung dòng tốc độ cao….2 Cảm biến dòng điện Hall Cảm biến Hall đo dòng điện là một loại cảm biến dòng dựa trên hiện tượng Hiệu ứng Hall được phát hiện bởi Edwin Hall vào năm 1879.

Nguyên lý hiệu ứng Hall nói rằng khi một dây dẫn mang dòng điện được đặt trong từ trường, một điện áp sẽ được tạo ra vuông góc với hướng của trường và dòng chảy.1 Hiệu ứng Hall BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Khi một dòng điện không đổi được truyền qua một tấm vật liệu bán dẫn mỏng, sẽ không có sự khác biệt tại các tiếp điểm đầu ra nếu từ trường bằng không. Tuy nhiên, khi có từ trường vuông góc, dòng điện bị biến dạng. Sự phân bố mật độ điện tử không đồng đều tạo ra sự khác biệt rõ rệt trên các đầu ra. Điện áp này được gọi là điện áp Hall.

Nếu dòng điện đầu vào được giữ không đổi, điện áp Hall sẽ tỷ lệ thuận với cường độ của từ trường. Cảm biến hiệu ứng Hall có 2 dạng là vòng hở và vòng kín. Cảm biến vòng hở cung cấp suy hao thấp, thời gian phản hồi nhanh, kích thước nhỏ gọn và cảm biến chính xác, chi phí thấp. Cảm biến vòng kín cung cấp phản ứng nhanh, độ tuyến tính cao và độ lệch nhiệt độ thấp.

Đầu ra hiện tại của cảm biến vòng kín tương đối miễn nhiễm với nhiễu điện.2 Các dạng cảm biến Hall Cảm biến Hall được dựa trên các công nghệ như: mạch điện tử, mạch vòng lặp hở, mạch vòng lặp kín… Chúng có thể được sử dụng để đo dòng điện DC, AC và xung, với sự cách ly điện giữa các mạch sơ cấp và thứ cấp.3 Giới thiệu về LoRa 2.1 Khái niệm về LoRa LoRa là viết tắt của Long Range Radio được nghiên cứu và phát triển bởi Cycleo và sau này được mua lại bởi công ty Semtech năm 2012. Với công nghệ này, chúng ta có thể truyền dữ liệu với khoảng cách lên hàng km mà không cần các mạch khuếch đại công suất; từ đó giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ khi truyền/nhận dữ liệu. Do đó, LoRa có thể được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng thu thập dữ liệu như sensor network trong đó các sensor node có thể gửi giá trị đo đạc về trung tâm cách xa hàng km và có thể hoạt động trong thời gian dài trước khi cần thay pin. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.2 Nguyên lý hoạt động của LoRa LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế gọi là Chirp Spread Spectrum.

Theo nguyên lý này thì dữ liệu sẽ được băm bằng các xung cao tần để tạo ra tín hiệu có dãy tần số cao hơn tần số của dữ liệu gốc. Sau đó tín hiệu cao tần này tiếp tục được mã hoá theo các chuỗi chirp signal (là các tín hiệu Hình sin có tần số thay đổi theo thời gian; có 2 loại chirp signal là up - chirp có tần số tăng theo thời gian và down-chirp có tần số giảm theo thời gian; và việc mã hoá theo nguyên tắc bit 1 sẽ sử dụng up - chirp, và bit 0 sẽ sử dụng down - chirp) trước khi truyền ra anten để gửi đi.3 LoRa Chirp Hình 2.4 Cấu trúc hệ thống LoRa Nguyên lý này giúp giảm độ phức tạp và độ chính xác cần thiết của mạch nhận để có thể giải mã và điều chế lại dữ liệu; hơn nữa LoRa không cần công suất phát lớn mà vẫn có thể truyền xa vì tín hiệu LoRa có thể được nhận ở khoảng cách xa ngay cả độ mạnh tín hiệu thấp hơn cả nhiễu môi trường xung quanh. Nhờ sử dụng chirp signal mà các tín hiệu LoRa với các tỉ lệ chirp khác nhau có thể hoạt động trong cùng 1 khu vực mà không gây nhiễu cho nhau. Điều này cho phép nhiều thiết bị LoRa có thể trao đổi dữ liệu trên nhiều kênh đồng thời.4 Giới thiệu về Wifi và nguyên tắc hoạt động của Wifi 2.1 Giới thiệu về Wifi Wifi là viết tắt của Wireless Fidelity là hệ thống truy cập internet không dây.

Wifi là loại sóng vô tuyến tương tự như sóng điện thoại, truyền Hình và radio. Wifi BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT là công cụ kết nối không thể thiếu trên điện thoại, laptop, máy tính bảng và một số thiết bị thông minh khác như smartwatch.2 Nguyên tắc hoạt động của Wifi Nguyên tắc hoạt động của Wifi: Để tạo được kết nối Wifi nhất thiết phải có các Router (bộ thu phát), Router này lấy thông tin từ mạng Internet qua kết nối hữu tuyến rồi chuyển nó sang tín hiệu vô tuyến và gửi đi, bộ chuyển tín hiệu không dây (adapter) trên các thiết bị di động thu nhận tín hiệu này rồi giải mã nó sang những dữ liệu cần thiết. Quá trình này có thể thực hiện ngược lại, Router nhận tín hiệu vô tuyến từ Adapter và giải mã chúng rồi gởi qua Internet.5 Mô Hình Router (bộ thu phát) và các bộ chuyển tín hiệu không dây 2.5 Các chuẩn giao tiếp cho vi điều khiển 2.1 Chuẩn giao tiếp UART UART không phải là một giao thức truyền thông mà là một mạch vật lý trong bộ vi điều khiển, hoặc một vi mạch độc lập. Mục đích chính của UART là truyền và nhận dữ liệu nối tiếp với ưu điểm là chỉ sử dụng hai dây để truyền dữ liệu.

Trong giao tiếp UART, hai UART giao tiếp trực tiếp với nhau. UART truyền chuyển đổi dữ liệu song song từ một thiết bị điều khiển sang dạng nối tiếp rồi truyền nó nối tiếp đến UART nhận, sau đó chuyển đổi dữ liệu nối tiếp trở lại thành dữ liệu song song cho thiết bị nhận. Chỉ cần hai dây để truyền dữ liệu giữa hai UART. Dữ liệu chảy từ chân Tx của UART truyền đến chân Rx của UART nhận: Hình 2.6 Kết nối chuẩn trong giao tiếp UART UART truyền dữ liệu không đồng bộ, có nghĩa là không có tín hiệu đồng hồ để đồng bộ hóa đầu ra của các bit từ UART truyền đến việc lấy mẫu các bit bởi UART BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT nhận.