Đồ án HCMUTE: Hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị qua Internet

Khám phá đồ án HCMUTE về hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị qua internet, ứng dụng công nghệ hiện đại trong quản lý thiết bị.

• Tác giả: Nguyễn Nhật An
• Người hướng dẫn: GVHD: Phan Văn Hoàn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông
• Đề tài: Hệ Thống Điều Khiển Và Giám Sát Thiết Bị Qua Internet
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ESP8266
• 1.2. Cấu trúc phần cứng của dòng chip ESP8266
• 1.3. Các loại Module ESP8266
• 1.4. GIỚI THIỆU VỀ BOARD ESP8266EX DEVELOPMENT
• 1.5. MÔI TRƯỜNG LẬP TRÌNH CHO ESP8266
• 1.5.1. Giới thiệu các môi trường lập trình cho esp8266
• 1.5.2. Giới thiệu Arduino ide và lập trình cho ESP8266 dùng Arduino IDE
• 1.6. MODULE CẢM BIẾN DÒNG ACS712
• 1.7. CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ ĐỘ ẨM
• 1.8. IC DỒN TÁCH KÊNH CD4052BE
• 1.9. MÀN HÌNH OLED
• 1.9.1. Giới thiệu màn hình OLED
• 1.9.2. Thông số kỹ thuật của màn hình oled
• 1.9.3. Giới thiệu chuẩn giao tiếp i2c
• 1.10. GIỚI THIỆU NGÔN NGỮ THIẾT KẾ WEB
• 1.11. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
• 1.11.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
• 1.11.2. Tính toán và thiết kế mạch
• 1.12. THI CÔNG HỆ THỐNG
• 1.12.1. Thi công bo mạch
• 1.12.2. Lắp ráp và kiểm tra
• 1.12.3. ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
• 1.12.3.1. Đóng gói bộ điều khiển
• 1.12.3.2. Thi công mô hình
• 1.13. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
• 1.13.1. Lưu đồ giải thuật chương trình chính
• 1.13.2. Lưu đồ các chương trình con
• 1.14. THIẾT KẾ GIAO DIỆN VÀ LẬP TRÌNH CHO WEB SERVER
• 1.15. NAT PORT MODEM
• 1.16. TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu tổng quan về hệ thống

Hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị qua Internet tại HCMUTE được thiết kế nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về việc quản lý và điều khiển thiết bị từ xa. Hệ thống điều khiển này sử dụng công nghệ Internet of Things (IoT), cho phép người dùng có thể điều khiển thiết bị thông qua các thiết bị di động hoặc máy tính. Việc ứng dụng công nghệ thông tin trong hệ thống giúp tối ưu hóa quy trình quản lý và giám sát, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả cao. Hệ thống này không chỉ giúp người dùng dễ dàng theo dõi trạng thái hoạt động của thiết bị mà còn cho phép điều khiển thiết bị từ xa một cách nhanh chóng và chính xác.

1.1. Mục tiêu của hệ thống

Mục tiêu chính của hệ thống là thiết kế một hệ thống tự động có khả năng điều khiển và giám sát thiết bị qua web server. Hệ thống cho phép người dùng điều khiển thiết bị từ bất kỳ đâu, miễn là có kết nối Internet. Đặc biệt, hệ thống có khả năng nhận biết trạng thái hoạt động của thiết bị thông qua cảm biến dòng điện, từ đó cung cấp thông tin chính xác về tình trạng hoạt động của thiết bị. Điều này không chỉ giúp người dùng yên tâm hơn khi sử dụng thiết bị mà còn nâng cao tính an toàn trong quá trình vận hành.

II. Cấu trúc phần cứng và phần mềm

Cấu trúc phần cứng của hệ thống bao gồm các linh kiện chính như chip ESP8266, cảm biến dòng ACS712, và màn hình OLED. Chip ESP8266 là một trong những linh kiện quan trọng nhất, cho phép kết nối Internet và thực hiện các lệnh điều khiển từ xa. Cảm biến dòng ACS712 giúp theo dõi dòng điện tiêu thụ của thiết bị, từ đó cung cấp thông tin về trạng thái hoạt động của thiết bị. Màn hình OLED được sử dụng để hiển thị thông tin về nhiệt độ và độ ẩm, giúp người dùng dễ dàng theo dõi các thông số quan trọng. Phần mềm được phát triển trên nền tảng Arduino IDE, cho phép lập trình và điều khiển hệ thống một cách dễ dàng.

2.1. Các loại module ESP8266

Trên thị trường hiện nay có nhiều loại module ESP8266 khác nhau, mỗi loại có những đặc điểm và ứng dụng riêng. Module ESP-12 là một trong những loại phổ biến nhất, được sử dụng rộng rãi trong các dự án IoT. Các module này thường được tích hợp sẵn các linh kiện cần thiết, giúp người dùng dễ dàng trong việc phát triển ứng dụng. Việc lựa chọn module phù hợp sẽ ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và khả năng mở rộng của hệ thống. Do đó, việc tìm hiểu và lựa chọn đúng loại module là rất quan trọng trong quá trình thiết kế và phát triển hệ thống.

III. Thiết kế và lập trình hệ thống

Thiết kế hệ thống bao gồm việc xây dựng sơ đồ khối, tính toán và thiết kế mạch điện. Sơ đồ khối hệ thống được thiết kế để thể hiện mối liên hệ giữa các linh kiện và cách thức hoạt động của hệ thống. Lập trình cho web server là một phần quan trọng, cho phép người dùng tương tác với hệ thống thông qua giao diện web. Giao diện này được thiết kế thân thiện, dễ sử dụng, giúp người dùng có thể dễ dàng điều khiển và giám sát thiết bị. Việc lập trình cũng bao gồm việc xử lý các tín hiệu từ cảm biến và phản hồi trạng thái về cho người dùng.

3.1. Lập trình giao diện web

Giao diện web được thiết kế để cung cấp thông tin rõ ràng và dễ hiểu cho người dùng. Người dùng có thể dễ dàng theo dõi trạng thái hoạt động của thiết bị, cũng như thực hiện các lệnh điều khiển từ xa. Việc lập trình giao diện web sử dụng các công nghệ hiện đại, đảm bảo tính tương thích với nhiều thiết bị khác nhau. Giao diện này không chỉ giúp người dùng dễ dàng quản lý thiết bị mà còn tạo ra trải nghiệm người dùng tốt hơn, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng hệ thống.

IV. Kết quả và đánh giá

Kết quả thực hiện hệ thống cho thấy khả năng điều khiển và giám sát thiết bị qua Internet đạt hiệu quả cao. Hệ thống có thể hoạt động ổn định, cho phép người dùng theo dõi và điều khiển thiết bị từ xa một cách dễ dàng. Đặc biệt, khả năng nhận biết trạng thái hoạt động của thiết bị thông qua cảm biến dòng điện đã giúp người dùng có thể yên tâm hơn khi sử dụng. Tuy nhiên, vẫn còn một số vấn đề cần cải thiện, như tối ưu hóa tốc độ phản hồi và mở rộng khả năng kết nối cho hệ thống.

4.1. Nhận xét về hiệu quả hệ thống

Hệ thống đã chứng minh được tính khả thi và hiệu quả trong việc điều khiển và giám sát thiết bị qua Internet. Việc ứng dụng công nghệ IoT trong hệ thống không chỉ giúp nâng cao tính tiện lợi mà còn tạo ra nhiều cơ hội mới trong việc quản lý thiết bị. Hệ thống có thể được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ quản lý nhà thông minh đến giám sát công nghiệp, mở ra nhiều hướng phát triển trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn của thông số và bố cục đồ án. Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Giới thiệu các linh kiện phần cứng của hệ thống và phần mềm. Chương 3: Thiết Kế và Tính Tóan Thiết kế mạch công suất cho hệ thống, mạch xử lý trung tâm, kết nối các thành phần linh kiện lại với nhau.

Tính toán cầu phân áp cho ngõ ra cảm biến vào mạch xử lý tính hiệu. Thiết kế giao diện và lập trình web server web server. Chương 4: Thi công hệ thống Thi công bo mạch, kiểm tra xử lý nhiễu khi đóng cắt thiết bị AC, đóng hộp cho hệ thống Hình ảnh quá trình thi công và tài liệu hướng dẫn sử dụng. Chương 5: Kết quả, Nhận xét và Đánh giá Trình bày kết quả của hệ thống, những yêu cầu đạt được và chưa đạt được của hệ thống đã thi công.

Từ đó đưa ra nhận xét về nguyên nhân chưa đạt được và cách khắc phục Chương 6: Kết Luận và Hướng phát triển 3 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chương này trình bày tóm gọn lại những gì đã làm được và chưa làm được của cả mô hình so với dự kiến ban đầu. Hướng phát triển sản phẩm trong tương lai. 4 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chương 2.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ESP8266 2.1 Giới thiệu ESP8266 là dòng chip tích hợp Wi-Fi 2.4Ghz có thể lập trình được, rẻ tiền được sản xuất bởi một công ty bán dẫn Trung Quốc: Espressif Systems. Được phát hành đầu tiên vào tháng 8 năm 2014, đóng gói đưa ra thị trường dạng Mô dun ESP-01, được sản xuất bởi bên thứ 3: AI-Thinker.

Có khả năng kết nối Internet qua mạng Wi-Fi một cách nhanh chóng và sử dụng rất ít linh kiện đi kèm. Với giá cả có thể nói là rất rẻ so với tính năng và khả năng ESP8266 có thể làm được. ESP8266 có một cộng đồng các nhà phát triển trên thế giới rất lớn, cung cấp nhiều Module lập trình mã mở giúp nhiều người có thể tiếp cận và xây dựng ứng dụng rất nhanh. Hiện nay tất cả các dòng chip ESP8266 trên thị trường đều mang nhãn ESP8266EX, là phiên bản nâng cấp của ESP8266 Chip ESP8266 được phát triển bởi Espressif để cung cấp giải pháp giao tiếp Wifi cho các thiết bị IoT.

Điểm đặc biệt của dòng ESP8266 là nó được tích hợp các mạch RF như balun, antenna switches, TX power amplifier và RX filter ngay bên trong chip với kích thước rất nhỏ chỉ 5x5mm nên các board sử dụng ESP8266 không cần kích thước board lớn cũng như không cần nhiều linh kiện xung quanh. Mặc dù, ESP8266 được tích hợp với đầy đủ các tính năng về internet với kích thước rất nhỏ gọn nhưng mức giá lại khá khiêm tốn (tầm 2$). Đây là sự lựa chọn tuyệt vời cho những ai triển khai dự án IOT, thiết bị cầm tay, mobile,… 2.2 Cấu trúc phần cứng của dòng chip ESP8266: 5 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 2. 1 Sơ đồ khối của esp8266 ESP8266 là dòng chip Low-power và là một wifi SOC nên cần rất ít linh kiện ngoài (tầm 7 thành phần).

Hoạt động với dãi nhiệt khá rộng -40°C to +125°C (trong công nghiệp), có thể hoạt động tốt trong môi trường công nghiệp. ESP8266 tích hợp vi xử lý Tensilica L106 32-bit (MCU) là dòng chip low-power, 16- bit RSIC, tốc độ clock cao nhất là 160 MHz. Nếu hệ thống hoạt động với Real Time Operation System (RTOS) và Wi-Fi stack thì ta có khoảng 80% khả năng xử lý cho ứng dụng người dùng. ESP8266 hoạt động với mức tiệu thụ năng lượng rất thấp với nhưng công nghệ độc quyền.

Tính năng tiết kiệm năng lượng với 3 chế độ hoạt động – active mode, sleep mode và deep sleep mode. Do không hỗ trợ bộ nhớ Flash nên các board sử dụng ESP8266 phải gắn thêm chip Flash bên ngoài và thường là Flash SPI để ESP8266 có thể đọc chương trình ứng dụng với chuẩn SDIO hoặc SPI. QSPI flash ngoài – 512 KiB – 4 MiB* (có thể lên tới 16 MiB) Tích hợp 50KB RAM để lưu dữ liệu ứng dụng khi chạy. 6 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Có đầy đủ các ngoại vi chuẩn để giao tiếp như GPIO, Slave SDIO, SPI, I2C, I²S interfaces với DMA (dùng chung với GPIO), UART, PWM, 10-bit ADC.

Tích hợp các mạch RF để truyền nhận dữ liệu ở tần số 2.11b/g/n Wi-Fi Hỗ trợ các hoạt động truyền nhận các IP packages ở mức hardware như Acknowledgement, Fragmentation và Defragmentation, Aggregation, Frame Encapsulation v. 2 Sơ đồ mạch nguyên lý esp8266 2.3 Các loại Module ESP8266 ESP8266 cần ít nhất thêm 7 linh kiện nữa mới có thể hoạt động, trong đó phần khó nhất là Antena. Đòi hỏi phải được sản xuất, kiểm tra với các thiết bị hiện đại. Do đó, trên 7 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP thị trường xuất hiện nhiều Module và Board mạch phát triển đảm đương hết để người dùng đơn giản nhất trong việc phát triển ứng dụng.

Sau đây là một số Module và Board phát triển phổ biến: Bảng 2. 1 So sánh các thông số 8 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 2. 3 Các phiên bản modele esp8266 Trong đó module ESP-12 là được sử dụng nhiều nhất. 9 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2.2 GIỚI THIỆU VỀ BOARD ESP8266EX DEVELOPMENT Là board đã ra chân của module esp8266ex được tích hợp thêm các linh kiện khác như: led, công tắc, chân cắm, chíp nạp, nguồn 3,3V-5V, bộ nhớ flash ngoài,.

5 Board esp8266ex development Thông số phần cứng 32-bit RISC CPU: Tensilica Xtensa LX106 hoạt động ở tần số 80 MHz. Hổ trợ bộ nhớ Flash ngoài từ 512KiB đến 4MiB. Bộ nhớ chương trình có dung lượng 64KBytes RAM. Bộ nhớ dữ liệu có dung lượng 96KBytes RAM.

Bộ nhớ khởi động hệ thống 64KBytes boot ROM. 10 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chuẩn wifi EEE 802.4 GHz Tích hợp TR switch, balun, LNA, khuếch đại công suất và matching network Hổ trợ WEP, WPA/WPA2, Open network Tích hợp giao thức TCP/IP Hổ trợ nhiều loại anten 16 chân GPIO Hổ trợ SDIO 2.0, 2 UART, 4 SPI, 2 I²C, 4 PWM, I²S với DMA 1 ADC 10-bit Dải nhiệt độ hoạt động rộng : -40C ~ 125C 2.3 MÔI TRƯỜNG LẬP TRÌNH CHO ESP8266 2.1 Giới thiệu các môi trường lập trình cho esp8266 a. Sử dụng firmware có sẵn giao tiếp AT command Trong môi trường này chúng ta sẽ nạp một firmware có sẵn được cung cấp bởi Espressif để ESP8266 hoạt động như một Wifi module độc lập. Nhiệm vụ của chúng ta là lập trình 1 MCU bên ngoài giao tiếp với ESP8266 để cấu hình cho kết nối Wifi và truyền/nhận dữ liệu từ mạng Wifi.

Lập trình trực tiếp trên chip ESP8266 Trong môi trường này chúng ta sẽ lập trình ra một firmware cho ESP8266 sử dụng bộ thư viện SDK được cung cấp bởi Espressif. Chúng ta sẽ theo mô hình này cho các ứng dụng muốn dùng ES8266 để điều khiển thiết bị trực tiếp mà không cần một external MCU điều khiển; hoặc chúng ta cần các tính năng mà firmware chuẩn chưa cung cấp. Sử dụng các firmware thư viện từ cộng đồng phát triển 11 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ngoài 2 thư viện SDK chuẩn do Espressif cung cấp, cộng đồng phát triển của ESP8266 cũng góp phần tạo ra các thư viện cũng như môi trường lập trình khác thân thiện hơn giúp cho nhiều người không chuyên về ngôn ngữ C vẫn có thể tiếp cận và sử dụng module ESP8266 một cách dễ dàng hơn. Hai ngôn ngữ đang được hỗ trợ mạnh mẽ nhất trong cộng đồng là Adruino và MicroPython.

2 Ưu và nhược điểm của từng phương pháp Điểm mạnh Điểm yếu Firmware Đơn giản, nhanh gọn Hạn chế bởi các lệnh AT với AT Sử dụng firwmare có sẵn, ổn command được cung cấp. Cần 1 MCU ngoài để điều khiển. Tốc độ đáp ứng không tối ưu. Khả năng sử dụng phần Lập trình C phức tạp, tốn thời cứng cao.

gian nghiên cứu. Lập trình Không cần MCU ngoài Độ ổn định của chương trình tùy trưc tiếp Có thể tối ưu tốc độ truyền thuộc vào khả năng của người lập dùng SDK dữ liệu. Sử dụng được ngôn ngữ Giới hạn bởi bộ thư viện được cấp cao (Arduino, Python) cung cấp. Sử dụng Không cần MCU ngoài Khả năng tối ưu phần cứng, tốc các bộ thư (trường hợp Arduino độ truyền dữ liệu không cao.

viện khác ESP8266) Tốn bộ nhớ chương trình và thời Đơn giản và nhanh hơn lập gian thực thi cho các bộ thư viện trình trực tiếp như MicroPython. 12 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Dựa vào bảng đánh giá này nên mô hình lập trình trên arduino ide là phù hợp nhất với dự án thực tế này cũng như khả năng lập trình của bản thân.2 Giới thiệu Arduino ide và lập trình cho ESP8266 dùng Arduino IDE Môi trường phát triển tích hợp Arduino IDE là một ứng dụng đa nền tảng được viết bằng Java và được dẫn xuất từ IDE cho ngôn ngữ lập trình xử lý các dự án lắp ráp. Phần mềm này bao gồm mô ̣t trình soạn thảo mã với các tính năng như làm nổi bật cú pháp, khớp dấu ngoặc khối chương trình thụt đầu dòng tự động và cũng có khả năng biên dịch và tải lên các chương trình vào board mạch với một nhấp chuột duy nhất. Một chương trình hoặc mã viết cho Arduino được gọi là “sketch”.

Chương trình Arduino được viết bằng C hoặc C++. Arduino IDE đi kèm với một thư viện phần mềm được gọi là “writing” từ dự án lắp ráp ban đầu cho hoạt động đầu vào/đầu ra phổ biến trở lên dễ dàng nhiều hơn. Người sử dụng chỉ cần định nghĩa hai hàm để thực hiện một chương trình điều hành theo chu kỳ. Khi chúng ta bật điện bảng mạch Arduino, reset hay nạp chương trình mới hàm setup() sẽ được gọi đến đầu tiên.

Sau khi xử lý xong hàm setup() arduino sẽ nhảy tới hàm loop() và lặp vô hạn hàm này cho đến khi tắt điện board mạch arduino. Chu trình này có thể mô tả như sau: Hình 2. 6 Chu trình hoạt động của Arduino ide Như mô tả trong hình, chúng ta có thể sử dụng các lệnh quen thuộc trong Adruino IDE.