Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện tự động trong nhà

Tài liệu đồ án tốt nghiệp hệ thống nhà thông minh. Báo cáo chi tiết thiết kế, điều khiển thiết bị điện tự động qua app Android, SMS và website.

• Tác giả: Nguyễn Anh Khoa
• Người hướng dẫn: GVC ThS. 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 hệ thống điều khiển các thiết bị điện tự động trong nhà
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ thống Smarthome điều khiển thiết bị điện tự động

Hệ thống Smarthome là một giải pháp hiện đại cho việc điều khiển thiết bị điện tự động trong nhà một cách thông minh và tiết kiệm năng lượng. Đồ án này được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, khoa Điện - Điện tử, tập trung vào thiết kế và lập trình hệ thống điều khiển các thiết bị điện gia đình. Hệ thống sử dụng vi điều khiển STM32F103VET6 kết hợp với các module giao tiếp như Bluetooth HC05, SIM900A, và Ethernet để tạo nên một giải pháp điều khiển tự động hoàn chỉnh. Công nghệ này cho phép người dùng quản lý các thiết bị điện từ xa thông qua điện thoại Android hoặc giao diện web, nâng cao chất lượng cuộc sống và an toàn trong gia đình.

1.1. Khái niệm hệ thống Smarthome

Smarthome hay nhà thông minh là hệ thống tự động hóa gia đình cho phép điều khiển thiết bị điện như đèn, quạt, máy lạnh, cửa thông qua một ứng dụng hoặc giao diện tập trung. Hệ thống này sử dụng công nghệ Internet of Things (IoT) để kết nối các thiết bị, giúp tiết kiệm điện năng, tăng bảo mật và mang lại sự tiện lợi cho người sử dụng.

1.2. Ý nghĩa và ứng dụng thực tế

Đồ án Smarthome điều khiển thiết bị điện tự động có ý nghĩa quan trọng trong đời sống hiện đại. Hệ thống giúp tối ưu hóa sử dụng điện, cải thiện an ninh gia đình thông qua điều khiển từ xa, và tạo môi trường sống thoải mái. Ứng dụng này phù hợp với các chung cư, nhà phố thông minh và các công trình xây dựng hiện đại.

II. Các thành phần chính của hệ thống điều khiển

Hệ thống Smarthome được thiết kế từ nhiều thành phần điện tử quan trọng, mỗi thành phần đóng vai trò thiết yếu trong việc điều khiển thiết bị điện tự động. Vi điều khiển STM32F103VET6 là "trái tim" của hệ thống, xử lý tất cả các lệnh và điều khiển các module giao tiếp. Ngoài ra, hệ thống còn tích hợp các module giao tiếp hiện đại như Bluetooth HC05 cho kết nối không dây, module SIM900A để nhận và gửi tin nhắn SMS, và chuẩn Ethernet để kết nối mạng. Màn hình cảm ứng (touch screen) cung cấp giao diện người dùng trực quan, cho phép người dùng tương tác dễ dàng với hệ thống. Các chuẩn giao tiếp như UART, SPI đảm bảo truyền thông ổn định giữa các linh kiện.

2.1. Vi điều khiển STM32F103VET6

Vi điều khiển STM32F103VET6 là bộ xử lý trung tâm của hệ thống, với kiến trúc ARM Cortex M3 mạnh mẽ. Chip này có khả năng xử lý nhanh, bộ nhớ lớn (256KB Flash, 64KB RAM) phù hợp cho ứng dụng điều khiển tự động. STM32F103VET6 hỗ trợ nhiều giao tiếp (UART, SPI, I2C), cho phép kết nối dễ dàng với các module khác trong hệ thống Smarthome.

2.2. Module giao tiếp và chuẩn UART SPI

Module Bluetooth HC05 cho phép điều khiển Smarthome từ điện thoại Android không dây. Module SIM900A hỗ trợ giao tiếp qua tin nhắn SMS. Chuẩn UART được sử dụng để truyền dữ liệu nối tiếp, còn SPI cho tốc độ truyền cao hơn. Kết hợp các giao tiếp này tạo nên một hệ thống điều khiển đa kênh linh hoạt và hiệu quả.

III. Phần mềm và ứng dụng điều khiển

Phần mềm là yếu tố quan trọng giúp hệ thống Smarthome hoạt động hiệu quả. Đồ án sử dụng Keil MDK-ARM để lập trình vi điều khiển STM32F103VET6, đây là môi trường phát triển chuyên nghiệp cho điều khiển tự động. Phía ứng dụng điện thoại, Android Studio được dùng để phát triển ứng dụng điều khiển thiết bị điện thông qua Bluetooth và SMS. Giao diện web được xây dựng bằng Adobe Dreamweaver, cho phép người dùng quản lý thiết bị từ máy tính. Các ứng dụng này được thiết kế với giao diện trực quan, dễ sử dụng, hỗ trợ tự động hóa các chức năng của gia đình. Phần mềm đảm bảo bảo mật dữ liệu và điều khiển từ xa an toàn cho người dùng.

3.1. Lập trình vi điều khiển với Keil MDK ARM

Keil MDK-ARM là nền tảng phát triển chuyên biệt cho lập trình vi điều khiển ARM. Nó hỗ trợ biên dịch, debug, và mô phỏng mã lệnh trước khi nạp vào chip. Với công cụ này, lập trình viên có thể tạo các chương trình điều khiển thiết bị điện với tính ổn định cao, kiểm soát các module giao tiếp (UART, SPI) và thực hiện tự động hóa các quy trình.

3.2. Ứng dụng Android và giao diện web

Ứng dụng Android được lập trình bằng Android Studio, cung cấp giao diện thân thiện cho người dùng điều khiển Smarthome từ điện thoại. Người dùng có thể bật/tắt thiết bị, cài đặt lịch trình tự động hóa. Giao diện web được xây dựng trên nền Ethernet, cho phép truy cập từ máy tính bất kỳ. Cả hai giao diện đều cung cấp truy cập an toàn và điều khiển thiết bị điện hiệu quả.

IV. Quá trình thiết kế chế tạo và thử nghiệm hệ thống

Quá trình phát triển đồ án Smarthome bao gồm các bước: nghiên cứu tài liệu kỹ thuật, thiết kế sơ đồ nguyên lý, lập trình các module giao tiếp, và thiết kế điều khiển tự động cho các thiết bị. Sinh viên đã thiết kế PCB bằng Altium Designer, sau đó in và hàn các mạch. Quá trình thử nghiệm từng bước được tiến hành: thử giao tiếp Bluetooth, SMS, Ethernet riêng lẻ, rồi kết hợp lại thành hệ thống hoàn chỉnh. Kiểm tra mạch điện đảm bảo không có sai sót, lập ráp các khối vào vỏ bảo vệ, và tinh chỉnh các thông số. Các bước này đảm bảo hệ thống điều khiển thiết bị điện tự động hoạt động ổn định, an toàn và đạt yêu cầu đề ra.

4.1. Thiết kế sơ đồ nguyên lý và vẽ PCB

Sơ đồ nguyên lý được thiết kế cẩn thận để kết nối các thành phần điểu khiển thiết bị. Công cụ Altium Designer được sử dụng để vẽ PCB chuyên nghiệp, đảm bảo bố trí hợp lý, giảm nhiễu điện từ. Thiết kế có xem xét các yêu cầu về điện áp, dòng điện, và đảm bảo an toàn cho người sử dụng hệ thống Smarthome.

4.2. Lắp ráp kiểm tra và thử nghiệm hệ thống

Hàn các linh kiện lên PCB được thực hiện cẩn thận để tránh hỏng hóc. Kiểm tra điện áp, dòng điện ở các điểm quan trọng đảm bảo an toàn. Lập ráp các khối (điều khiển, giao tiếp, cấp nguồn) vào hộp chứa. Thử nghiệm từng chức năng: Bluetooth, SMS, Ethernet, màn hình cảm ứng. Cuối cùng, tinh chỉnh hệ thống để điều khiển thiết bị điện tự động hoạt động tối ưu và ổn định.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. - Chương 2: Chương này trình bày về hoạt động điều khiển các thiết bị điện trong nhà, giới thiệu phần cứng, giới thiệu các chuẩn giao tiếp sử dụng trong đề tài. - Chương 3: Chương này trình bày về vấn đề tính toán và thiết kế hệ thống. - Chương 4: Chương này trình bày về vấn đề thi công hệ thống, đóng gói và thi công mô hình, lập trình hệ thống và tài liệu hướng dẫn sử dụng, thao tác.

- Chương 5: Chương này trình bày về kết quả, nhận xét, đánh giá của đề tài so với yêu cầu đặt ra ban đầu. - Chương 6: Chương này trình bày về kết kết luận và hướng phát triển của đề tài. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.

HOẠT ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ 2. Quá trình điều khiển Các thiết bị điện được điều khiển thông qua việc đóng, ngắt nguồn cấp. Nguồn cấp ở đây được cấp trực tiếp từ bộ điều khiển. Hệ thống này có chức năng nhận dữ liệu (từ bluetooth, sms, ethernet, màn hình cảm ứng) để điều khiển đóng, ngắt triac và hiển thị trạng thái trên màn hình hệ thống, màn hình điện thoại Android, giao diện web.

Các bước điều khiển: - Bước 1: Kết nối bộ điều khiển với điện thoại (nếu điều khiển thông qua Bluetooth hoặc SMS) hoặc kết nối giắc RJ45 vào bộ điều khiển và sử dụng cùng mạng LAN với điện thoại hoặc máy tính bảng (nếu điều khiển bằng Ethernet), cấp nguồn cho bộ điều khiển. - Bước 2: Truy cập phần mềm hoặc địa chỉ IP điều khiển. - Bước 3: Nhấn vào các biểu tượng tương ứng trên màn hình hệ thống, ứng dụng Android hoặc giao diện web để điều khiển thiết bị. Các thiết bị có thể dùng để điều khiển Thiết bị dùng để điều khiển rất đa dạng như điện thoại thông minh, máy tính bảng, máy tính… 2.

GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG Thiết bị đầu vào: Màn hình cảm ứng, module Bluetooth HC05, module SIM900A, switch, cổng Ethernet, mạch nạp STlink, mạch nguồn. Thiết bị đầu ra: Triac, LED. Thiết bị điều khiển trung tâm: Vi điều khiển STM32F103VET106. Các chuẩn truyền dữ liệu: UART, SPI, Bluetooth, SMS, Ethernet.

Vi điều khiển Ngày nay với sự bùng nổ của khoa học – công nghệ, công nghệ bán dẫn phát triển mạnh mẽ nên ngày càng nhiều loại vi điều khiển được sản xuất. Các loại chúng ta thường BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 5 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT thấy như họ ARM, PIC, AVR, 8051. Do yêu cầu hệ thống cũng như tính ổn định, linh hoạt của hệ thống, nhóm chọn nền tảng ARM làm vi xử lý cho hệ thống.

Ở đây nhóm sử dụng phiên bản STM32F103VET6. Giới thiệu Cấu trúc ARM (viết tắt từ Advanced RISC Machine) là một loại cấu trúc vi xử lý 32 bit và 64 bit kiểu RISC được sử dụng rộng rãi trong các thiết kế nhúng. Do có đặc điểm tiết kiệm năng lượng, các bộ CPU ARM chiếm ưu thế trong các sản phẩm điện tử di động vì đa số các thiết bị này đều có yêu cầu tiêu tốn ít năng lượng. Ngày nay, hơn 75% CPU nhúng 32-bit là thuộc họ ARM, điều này khiến ARM trở thành cấu trúc 32-bit được sản xuất nhiều nhất trên thế giới.

CPU ARM được tìm thấy khắp nơi trong các sản phẩm thương mại điện tử, từ thiết bị cầm tay (điện thoại di động, máy đa phương tiện, máy trò chơi cầm tay, máy tính bảng) cho đến các thiết bị ngoại vi máy tính (ổ đĩa cứng, bộ định tuyến để bàn). Một nhánh nổi tiếng của họ ARM là các vi xử lý Xscale của Intel. Lịch sử phát triển Việc thiết kế ARM được bắt đầu từ năm 1983 trong một dự án phát triển của công ty máy tính Acorn. Nhóm thiết kế, dẫn đầu bởi Roger Wilson và Steve Furber, bắt đầu phát triển một bộ vi xử lý có nhiều điểm tương đồng với Kỹ thuật MOS 6502 tiên tiến.

Acorn đã từng sản xuất nhiều máy tính dựa trên 6502, vì vậy việc tạo ra một chip như vậy là một bước tiến đáng kể của công ty này. Nhóm thiết kế hoàn thành việc phát triển mẫu gọi là ARM1 vào năm 1985, và vào năm sau, nhóm hoàn thành sản phẩm “thực” gọi là ARM2. ARM2 có tuyến dữ liệu 32-bit, không gian địa chỉ 26-bit tức cho phép quản lý đến 64 Mbyte địa chỉ và 16 thanh ghi 32- bit. Một trong những thanh ghi này đóng vai trò là bộ đếm chương trình với 6 bit cao nhất và 2 bit thấp nhất lưu giữ các cờ trạng thái của bộ vi xử lý.

Có thể nói ARM2 là bộ vi xử lý 32-bit khả dụng đơn giản nhất trên thế giới, với chỉ gồm 30.000 transistor (so với bộ vi xử lý lâu hơn bốn năm của Motorola là 68000 với khoảng 68. Sự đơn giản như vậy có được nhờ ARM không có vi chương trình (mà chiếm khoảng ¼ đến 1/3 trong 68000) và cũng giống như hầu hết các CPU BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 6 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT vào thời đó, không hề chứa cache. Sự đơn giản này đưa đến đặc điểm tiêu thụ công suất thấp của ARM.

Thế hệ sau, ARM3, được tạo ra với 4KB cache và có chức năng được cải thiện tốt hơn nữa. Vào những năm cuối thập niên 80, hãng máy tính Apple Computer bắt đầu hợp tác với Acorn để phát triển các thế hệ lõi ARM mới. Công việc này trở nên quan trọng đến nỗi Acorn nâng nhóm thiết kế trở thành một công ty mới gọi là Advanced RISC Machines. Advanced RISC Machines trở thành công ty ARM Limited khi công ty này được đưa ra sàn chứng khoán London và NASDAQ năm 1998.

Kết quả sự hợp tác này là ARM6. Mẫu đầu tiên được công bố vào năm 1991 và Apple đã sử dụng bộ vi xử lý ARM 610 dựa trên ARM6 làm cơ sở cho PDA hiệu Apple Newton. Vào năm 1994, Acorn dùng ARM 610 làm CPU trong các máy vi tính RiscPC của họ. Trải qua nhiều thế hệ nhưng lõi ARM gần như không thay đổi kích thước.000 transistors trong khi ARM6 chỉ tăng lên đến 35.

Ý tưởng của nhà sản xuất lõi ARM là sao cho người sử dụng có thể ghép lõi ARM với một số bộ phận tùy chọn nào đó để tạo ra một CPU hoàn chỉnh, một loại CPU mà có thể tạo ra trên những nhà máy sản xuất bán dẫn cũ và vẫn tiếp tục tạo ra được sản phẩm với nhiều tính năng mà giá thành vẫn thấp. Thế hệ thành công nhất có lẽ là ARM7TDMI với hàng trăm triệu lõi được sử dụng trong các máy điện thoại di động, hệ thống video game cầm tay, và Sega Dreamcast. Trong khi công ty ARM chỉ tập trung vào việc bán lõi IP, cũng có một số giấy phép tạo ra bộ vi điều khiển dựa trên lõi này. Hãng DEC cũng bán giấy phép về lõi cấu trúc ARM và sản xuất ra thế hệ Strong ARM.

Hoạt động ở tần số 233 MHz mà CPU này chỉ tiêu tốn khoảng 1 watt công suất (những đời sau còn tiêu tốn ít công suất hơn nữa). Sau những kiện tụng, Intel cũng được chấp nhận sản xuất ARM và Intel đã nắm lấy cơ hội này để bổ sung vào thế hệ già cỗi i960 của họ bằng Strong ARM. Từ đó, Intel đã phát triển cho chính họ một sản phẩm chức năng cao gọi tên là Xscale. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 7 CHƯƠNG 2.

Các đặc tính cấu trúc ARM Cấu trúc ARM bao gồm các đặc tính của RISC như sau:  Cấu trúc nạp/lưu trữ.  Không cho phép truy xuất bộ nhớ không thẳng hàng (bây giờ đã cho phép trong lõi ARM V6).  Tập lệnh trực giao.  File thanh ghi lớn gồm 16 x 32-bit.

 Chiều dài mã máy cố định là 32 bit để dễ giải mã và thực hiện pipeline, để đạt được điều này phải chấp nhận giảm mật độ mã máy.  Hầu hết các lệnh đều thực hiện trong vòng một chu kỳ đơn. So với các bộ vi xử lý cùng thời như Intel 80286 và Motorola 68020, trong ARM có một số tính chất khá độc đáo như sau:  Hầu hết tất cả các lệnh đều cho phép thực thi có điều kiện, điều này làm giảm việc phải viết các tiêu đề rẽ nhánh cũng như bù cho việc không có một bộ dự đoán rẽ nhánh.  Trong các lệnh số học, để chỉ ra điều kiện thực hiện, người lập trình chỉ cần sửa mã điều kiện.

 Có một thanh ghi dịch đóng thùng 32-bit có thể sử dụng với chức năng hoàn hảo với hầu hết các lệnh số học và việc tính toán địa chỉ.  Có các kiểu định địa chỉ theo chỉ số rất mạnh.  Có hệ thống con thực hiện ngắt hai mức ưu tiên đơn giản nhưng rất nhanh, kèm theo cho phép chuyển từng nhóm thanh ghi. Giới thiệu về ARM Cortex M3 STM32F103  Cortex là gì? Dòng ARM Cortex là một bộ xử lí thế hệ mới đưa ra một kiến trúc chuẩn cho nhu cầu đa dạng về công nghệ.

Không giống như các chip ARM khác, dòng Cortex là một lõi xử lí hoàn thiện, đưa ra một chuẩn CPU và kiến trúc hệ thống chung. Dòng Cortex gồm có 3 phân nhánh chính: dòng A dành cho các ứng dụng cao cấp, dòng R dành cho các ứng dụng thời gian thực như các đầu đọc và dòng M dành cho các ứng dụng vi điều BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 8 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT khiển và chi phí thấp. STM32 được thiết kế dựa trên dòng Cortex-M3, dòng Cortex- M3 được thiết kế đặc biệt để nâng cao hiệu suất hệ thống, kết hợp với tiêu thụ năng lượng thấp, CortexM3 được thiết kế trên nền kiến trúc mới, do đó chi phí sản xuất đủ thấp để cạnh tranh với các dòng vi điều khiển 8 và 16-bit truyền thống.

Bộ vi xử lí Cortex – M3 Lõi trung tâm Cortex-M3 dựa trên kiến trúc Harvard, được đặc trưng bằng sự tách biệt giữa vùng nhớ chứa dữ liệu và chương trình do đó có các bus riêng để truy cập (hình 2. Đặc tính này khác với dòng ARM7 dựa trên kiến trúc Von Neumann sử dụng chung vùng nhớ để chứa dữ liệu và chương trình, do đó dùng chung bus cho việc truy xuất. Vì có thể đọc cùng lúc lệnh và dữ liệu từ bộ nhớ, bộ vi xử lý Cortex-M3 có thể thực hiện nhiều hoạt động song song, tăng tốc thực thi ứng dụng. Lõi Cortex có cấu trúc đường ống gồm 3 tầng: Instruction Fetch, Instruction Decode và Instruction Execute.

Khi gặp một lệnh nhánh, tầng decode chứa một chỉ thị nạp lệnh suy đoán có thể dẫn đến việc thực thi nhanh hơn.