Đồ án HCMUTE: Thi công hệ thống điều khiển giám sát thiết bị trong nhà sử dụng công nghệ LoRa

Khám phá đồ án HCMUTE về hệ thống điều khiển giám sát thiết bị trong nhà sử dụng công nghệ LoRa, mang lại hiệu quả và tiện ích cao.

• Tác giả: Lê Đại Minh
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Thu Hà
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông
• Đề tài: Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển, giám sát các thiết bị trong nhà sử dụng công nghệ Lora
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. MỤC TIÊU
• 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.4. GIỚI HẠN
• 1.5. BỐ CỤC
• 2. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG CHÍNH
• 2.1. TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ ĐÃ KHẢO SÁT
• 2.2. LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
• 2.2.1. Module RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU

Tóm tắt

I. Giới thiệu Hệ thống Giám sát Nhà Thông minh LoRa

Đồ án tốt nghiệp này tập trung vào thiết kế và thi công hệ thống điều khiển, giám sát các thiết bị trong nhà sử dụng công nghệ LoRa. Hệ thống nhắm đến việc cung cấp một giải pháp giám sát và điều khiển từ xa hiệu quả, đáng tin cậy cho các thiết bị gia dụng. Công nghệ LoRa được lựa chọn nhờ khả năng truyền dữ liệu tầm xa, tiêu thụ năng lượng thấp, và tính xuyên thấu tốt, phù hợp với môi trường trong nhà. Hệ thống giám sát nhà thông minh LoRa được thiết kế với mục tiêu tối ưu hóa khả năng quản lý và điều khiển các thiết bị điện tử trong nhà, mang lại sự tiện lợi và an toàn cho người sử dụng. Việc sử dụng LoRaWAN làm nền tảng kết nối cho phép mở rộng hệ thống dễ dàng và tích hợp với các thiết bị khác trong tương lai. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm điều khiển ánh sáng, điều hòa nhiệt độ, hệ thống an ninh, và giám sát môi trường trong nhà.

1.1 Ứng dụng LoRa trong Nhà Thông Minh

Đồ án này khảo sát và đánh giá ứng dụng LoRa trong nhà thông minh. LoRa, với khả năng tiết kiệm năng lượng và phạm vi phủ sóng rộng, là một lựa chọn lý tưởng cho việc xây dựng các hệ thống giám sát và điều khiển không dây. Việc tích hợp các cảm biến LoRa cho nhà thông minh (như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, khí gas, chuyển động) sẽ cho phép thu thập dữ liệu thời gian thực từ nhiều điểm trong nhà. Mạng lưới LoRa sẽ đảm bảo truyền tải thông tin ổn định, hiệu quả đến trung tâm điều khiển. Ưu điểm của LoRa nằm ở khả năng hoạt động ổn định trong môi trường nhiều nhiễu, đặc biệt hữu ích trong các tòa nhà lớn hoặc khu dân cư đông đúc. Tuy nhiên, nhược điểm của LoRa cần được xem xét, chẳng hạn như tốc độ truyền dữ liệu có thể không cao bằng các công nghệ khác như WiFi. So sánh LoRa với các công nghệ khác trong nhà thông minh (như Zigbee, Z-Wave, WiFi) là cần thiết để lựa chọn công nghệ tối ưu cho từng ứng dụng cụ thể. Việc lựa chọn LoRa sensor node và LoRaWAN gateway phù hợp cũng sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

1.2 Triển khai Hệ thống Giám sát Nhà LoRa

Phần này tập trung vào triển khai hệ thống giám sát nhà LoRa. Quá trình thiết kế hệ thống giám sát nhà LoRa bao gồm việc lựa chọn các thành phần phần cứng và phần mềm phù hợp. Lập đặt hệ thống giám sát nhà LoRa cần được thực hiện một cách cẩn thận để đảm bảo kết nối ổn định và hiệu quả. Việc bảo trì hệ thống giám sát nhà LoRa cũng là một khía cạnh quan trọng cần được xem xét. Chi phí hệ thống giám sát nhà LoRa là một yếu tố cần cân nhắc trong quá trình thiết kế và triển khai. An ninh hệ thống giám sát nhà LoRa cần được đảm bảo để ngăn chặn các cuộc tấn công trái phép. Tích hợp hệ thống giám sát nhà LoRa với các thiết bị khác sẽ nâng cao tính hữu dụng của hệ thống. Phần cứng hệ thống giám sát nhà LoRa bao gồm các LoRa sensor node, LoRaWAN gateway, và các thiết bị điều khiển. Phần mềm hệ thống giám sát nhà LoRa chịu trách nhiệm thu thập, xử lý và hiển thị dữ liệu. Quản lý năng lượng hệ thống giám sát nhà LoRa là một vấn đề cần quan tâm để đảm bảo hệ thống hoạt động liên tục.

II. Kiến trúc và Hoạt động của Hệ thống

Hệ thống được thiết kế dựa trên kiến trúc phân tán, sử dụng NodeMCU ESP8266 làm trung tâm điều khiển và Arduino Uno làm bộ xử lý tại các trạm con. Dữ liệu từ các cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm, khí gas, chuyển động) được thu thập và truyền đến trung tâm qua mạng lưới LoRa. Trung tâm xử lý dữ liệu, điều khiển các thiết bị (đèn, quạt…) và cập nhật thông tin lên giao diện người dùng (Web, WPF, Android). Điều khiển thiết bị nhà thông minh LoRaWAN được thực hiện thông qua các giao diện thân thiện, cho phép người dùng theo dõi trạng thái và điều chỉnh các thông số từ xa. Giám sát từ xa thiết bị nhà thông minh LoRa cung cấp khả năng phản hồi nhanh chóng trước các sự cố, giúp đảm bảo an toàn và tiện nghi cho người sử dụng. Thư viện LoRa cho lập trình nhúng được sử dụng để đơn giản hóa quá trình phát triển và tích hợp hệ thống. Ví dụ mã nguồn LoRa cho hệ thống giám sát nhà có thể được cung cấp để minh họa.

2.1 Mô hình Hệ thống Điều khiển Giám sát

Mô hình hệ thống bao gồm hai phần chính: trung tâm xử lý và các trạm xử lý. Trung tâm xử lý sử dụng module ESP8266 NodeMCU kết nối với mạng internet, cho phép điều khiển và giám sát từ xa qua web, WPF hoặc ứng dụng Android. Module Lora SX1278 đảm nhiệm việc truyền nhận dữ liệu với các trạm xử lý. Các trạm xử lý, sử dụng Arduino Uno, kết nối với các cảm biến LoRa như DHT11 (nhiệt độ, độ ẩm), MQ-2 (khí gas), và HC-SR501 (chuyển động). Dữ liệu thu thập được sẽ được truyền đến trung tâm xử lý qua mạng lưới LoRa. Hệ thống sử dụng giao thức MQTT để đảm bảo truyền tải dữ liệu hiệu quả và an toàn. Điều khiển thiết bị được thực hiện thông qua các module relay, cho phép điều khiển bật/tắt các thiết bị điện. Hệ thống cảnh báo được tích hợp thông qua buzzer hoặc thông báo trên giao diện người dùng, cảnh báo khi có sự cố (cháy, trộm, rò rỉ gas). Độ phủ sóng LoRa trong nhà được đánh giá để đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống.

2.2 Tích hợp và Mở rộng Hệ thống

Hệ thống được thiết kế với khả năng mở rộng và tích hợp linh hoạt. Việc tích hợp hệ thống giám sát nhà LoRa với các thiết bị khác như hệ thống tưới cây tự động, hệ thống điều khiển ánh sáng thông minh, hoặc các thiết bị an ninh khác là hoàn toàn khả thi. Khả năng mở rộng của hệ thống giám sát nhà LoRa phụ thuộc vào việc lựa chọn các cảm biến LoRa và thiết bị ngoại vi phù hợp. Việc khắc phục sự cố hệ thống giám sát nhà LoRa cần được thực hiện một cách hệ thống, bao gồm việc kiểm tra kết nối, phần cứng và phần mềm. Các tiêu chuẩn LoRaWAN cần được tuân thủ để đảm bảo khả năng tương thích và hoạt động ổn định của hệ thống. Hướng dẫn sử dụng hệ thống giám sát nhà LoRa cần được cung cấp rõ ràng và dễ hiểu cho người dùng. Ứng dụng LoRa trong nông nghiệp thông minh và ứng dụng LoRa trong công nghiệp 4.0 cũng là các lĩnh vực có tiềm năng ứng dụng công nghệ này. So sánh LoRa với Zigbee, Z-wave, và WiFi cho thấy LoRa có những lợi thế riêng về phạm vi phủ sóng và tiêu thụ năng lượng, nhưng nhược điểm về tốc độ cần được cân nhắc.

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: Nội dung chính Chương này trình bày về các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài sẽ dùng để thực hiện thiết kế, thi công cho đề tài.  Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán Chương này giới thiệu tổng quan về các yêu cầu của đề tài mà mình thiết kế và các tính toán, thiết kế gồm những phần nào.  Chương 4: Thi công hệ thống Trình bày các mạch đã thiết kế và trình tự lắp ráp thi công mô hình, hướng dẫn cách cài đặt, sử dụng các phần mềm lập trình và trình bày các thao tác hướng dẫn sử dụng hệ thống.

 Chương 5: Kết Luận và Hướng phát triển Chương này trình bày về những kết quả đã được mục tiêu đề ra sau quá trình nghiên cứu thi công. Từ những kết quả đạt được, những hạn chế, từ đó rút ra kết luận và hướng phát triển để giải quyết các vấn đề tồn đọng để đồ án hoàn thiện hơn. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 do an CHƯƠNG 2. NỘI DUNG CHÍNH Chương 2.

NỘI DUNG CHÍNH 2.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ ĐÃ KHẢO SÁT  Đề tài: “Thiết kế và thi công hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị trong nhà kết hợp Wifi và Lora”.  Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Dũy, Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.  Nội dung thực hiện: Điều khiển thiết bị trong nhà thông qua Lora nhưng chỉ dừng lại ở 4 thiết bị đèn.  Đề tài: “Điều khiển thiết bị qua mạng Internet”.

 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phước Hiện, Đại học Bách Khoa TP.  Nội dung thực hiện: Điều khiển thiết bị trong nhà thông qua Zigbee nhưng chỉ dừng lại ở 1 vài thiết bị điện.  Đề tài: “Thiết kế và thi công hệ thống thiết bị điều khiển nhà thông minh”.  Sinh viên thực hiện: Trần Minh Luân – Lâm Thành Đạt, Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.

 Nội dung thực hiện: Điều khiển thiết bị trong nhà thông qua sóng hồng ngoại, điều khiển thiết bị bằng giọng nói, giám sát nhiệt độ. Trong đề tài đồ án tốt nghiệp của nhóm em:“Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển, giám sát các thiết bị trong nhà sử dụng công nghệ Lora” thì hệ thống sẽ được thiết kế bao gồm 1 trung tâm xử lý và 1 trạm xử lý. Trạm xử lý sử dụng board Arduino để điều khiển kết hợp với các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, khí gas, chuyển động. Trung tâm xử lý sử dụng module WiFi ESP8266 NodeMCU để điều khiển, truyền nhận dữ liệu với trạm xử lý thông qua module Lora UART SX1278.

Người dùng có thể điều khiển thiết bị điện bằng cách truy cập vào trang web điều khiển, bất cứ nơi nào có Internet, WiFi hoặc có thể điều khiển bằng WPF, Android. Đặc biệt hệ thống có khả năng giám sát trạng thái hoạt động của thiết bị và giá trị cảm biến trên Websever, WPF, Android hoặc trên LCD, có khả năng báo động khi có khí gas rò rỉ hoặc trộm đột nhập qua chuông báo, cảnh báo trên web. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 do an CHƯƠNG 2. NỘI DUNG CHÍNH 2.2 LÝ THUYẾT LIÊN QUAN 2.1 Module RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Module ESP8266 node MCU tích hợp sẵn chíp CP2102 cao cấp.

Giúp người sử dụng có thể lập trình sẵn trên bo mạch mà không cần bất cứ một công cụ nào khác, tất cả chân của ESP8266 được đưa ra ngoài để linh động trong quá trình thiết kế và chạy thử. Module ESP8266 là Module phát triển dựa trên nền chip Wifi SOC ESP8266 với thiết kế dễ dàng sử dụng vì tích hợp sẵn mạch nạp sử dụng chip 2102 trên board, bên trong ESP8266 có sẵn một lõi vi xử lí vì thể có thể trực tiếp lập trình trên nó mà không cần một con vi xử lí gián tiếp nào khác. Nhìn chung thì Module ESP8266 node MCU cũng có các chân GPIO như vi điều khiển, cũng có bộ nhớ SRAM, thanh ghi lưu trữ, các chân giao tiếp theo chuẩn SDIO, SPI, GPIO, I2C, tích hợp ADC 10 bit nên ở đây nhóm chúng em sử dụng Module ESP8266 NodeMCU để làm khối điều khiển trung tâm.  Thông số kỹ thuật Module RF thu phát Wifi ESP8266 NODEMCU  IC chính ESP8266 Wifi SoC.

 Chip nạp CP2102.  Nguồn cấp 5VDC.  GPIO giao tiếp mức logic 3. Nguyên lí: Để truyền dẫn dữ liệu qua Wifi chúng cần kết nối module Wifi ESP8266.

Nguyên lý hoạt động cấp nguồn 3.3v cho cả hai chân EN và VCC để module vào chế độ hoạt động. Để gửi dữ liệu qua Wifi ta cần kết nối module với hai chân TxD, RxD của module UART hoặc IC có giao tiếp UART để nhận lệnh AT từ IC hoặc module UART. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 do an CHƯƠNG 2. NỘI DUNG CHÍNH Bảng 2.1: Sơ lược về chức năng của các chân Module ESP8266 NodeMCU.

Pin Chức năng Tên 1 ADC 10 bit A0 2 RESERVED RSV 3 RESERVED RSV 4 Chân I/O GPIO10 SD3 5 Chân I/O GPIO09 SD2 6 MOSI SD1 7 Chân Mass (GND) GND 8 MISO SD0 9 SCLK CLK 10 Chân Mass (GND) GND 11 Chân VCC (3.3V) VCC 12 EN EN 13 Reset hệ thống RST 14 Chân Mass (GND) GND 15 Cấp nguồn cho ESP (5V) VIN 16 Chân I/O GPIO16 D0 17 Chân I/O GPIO05 D1 18 Chân I/O GPIO04 D2 19 Chân I/O GPIO0 D3 20 Chân I/O GPIO02 D4 21 Chân VCC (3.3V 22 Chân Mass (GND) GND 23 Chân I/O GPIO14 D5 24 Chân I/O GPIO12 D6 25 Chân I/O GPIO13 D7 26 Chân I/O GPIO15 D8 27 Chân UART RX 28 Chân UART TX 29 Chân Mass (GND) GND 30 Chân VCC (3.3V  Giới thiệu về ESP8266 V12E ESP8266 là một module SOC với bộ xử lý 32 bit, dựa trên giao thức TCP/IP, có thể lưu trữ ứng dụng hoặc xử lý các kết nối WiFi từ bộ xử lý tích hợp trên chip, có BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 do an CHƯƠNG 2. NỘI DUNG CHÍNH khả năng tạo kết nối giống như một máy chủ hoặc một cầu nối trung gian. Module ESP8266 là module Wifi giá rẻ và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng liên quan đến Internet và Wifi cũng như các ứng dụng truyền nhận sử dụng thay thế cho các module RF khác. ESP8266 là một chip tích hợp cao, được thiết kế cho nhu cầu của một thế giới kết nối mới, thế giới Internet of thing (IOT).

ESP8266 cung cấp một giải pháp kết nối mạng WiFi đầy đủ và khép kín, cho phép nó có thể lưu trữ các ứng dụng hoặc để giảm tải tất cả các chức năng kết nối mạng WiFi từ một bộ xử lý ứng dụng. Mỗi module WiFi được tích hợp sẵn một firmware với các tập lệnh AT, tuy nhiên đã có thêm nhiều phiên bản firmware hỗ trợ nhiều ngôn ngữ, trong đó có LUA và Arduino. Chính vì thế chúng ta thể dùng bất kì board Arduino nào để điều khiển thu phát thông qua giao tiếp nối tiếp. Đặc biệt ESP8266 là một sản phẩm công nghệ hấp dẫn, có hiệu năng lớn và một cộng đồng phát triển lớn, ngày càng hùng hậu trên khắp thế giới.2: Wifi ESP8266  Các khối chính bên trong module ESP8266 bao gồm:  Khối xử lý gồm có CPU, thanh ghi Register, khối tuần tự và gia tốc.

 Khối giao tiếp Interface gồm có SDIO, SPI, GPIO, I2C.  Các khối SRAM, PMU.  Các khối thu phát sóng Wifi như RF balun, RF receive.  Tổng quan:  ESP8266 là dòng chip Low-power và là một Wifi SOC nên cần rất ít linh kiện ngoài (tầm 7 thành phần).

Hoạt động trong dải nhiệt -40°C đến +125°C.  32-bit RISC CPU: Tensilica Xtensa LX106 hoạt động với 80 MHz.  64 KiB instruction RAM, 96 KiB data RAM. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 do an CHƯƠNG 2.

NỘI DUNG CHÍNH  QSPI flash ngoài – 512 KiB – 4 MiB (có thể lên tới 16 MiB).  WEP hoặc WPA/WPA2 authentication, open networks.  SPI, I2C…  I2S interfaces với DMA (dùng chung với GPIO).  Đặc điểm:  Tích hợp vi xử lý 32 bit.

 Có khối chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số ADC 10 bit.  Có khối khuếch đại công suất và mạch phối hợp trở kháng.  Hỗ trợ các chức năng cho cả Android và iOS.  Hỗ trợ UART, I2C, I2S , PWM, GPIO, SPI.

 Công suất ở chế độ ngủ < 5uA.  Nhiệt độ làm việc khoảng 40C.  Công suất tiêu thụ ở chế độ Standby <10mW.2: Các thông số cơ bản về module ESP8266. Phân loại Tên Giá trị Thông số Wifi Giao thức Wifi 802.11 b/g/n Vùng tần số 2.5GHz Thông số phần Bus vào ra UART/HSPI/I2C/I2S/ cứng GPIO/PWM Điện áp 3.6V Dòng điện Average value: 80mA Nhiệt độ -40°~125° Kích thước module 16mm*21.2mm*3mm Giao thức ngoại vi N/A Nhiệt độ xung quanh Nhiệt độ bình thường BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 do an CHƯƠNG 2.

NỘI DUNG CHÍNH Thông số phần Cấu hình người dùng AT Instruction Set, Cloud mềm Server, Android/iOS App Chế độ Wifi station/softAP/SoftAP+station Mã hóa WEP/TKIP/AES Bão mật WPA/WPA2 Nâng cấp firmware UART / OTA / tải và viết firmware thông qua máy chủ Phát triển phần mềm Supports Cloud Server Development Cả hai CPU và tốc độ flash có thể được tăng lên gấp đôi khi ép xung trên một số thiết bị. CPU có thể được chạy ở 160MHz và flash có thể được tăng tốc lên từ 40MHZ đến 80MHz.2 GIỚI THIỆU ARDUNIO UNO R3 Arduino là một hệ thống nhúng khép kín với các thiết bị ngoại vi, bộ xử lý và bộ nhớ. Ngày nay, phần lớn hệ thống nhúng được lập trình để ứng dụng trong các thiết bị điện tử tiêu dùng, bao gồm cả máy móc, điện thoại, thiết bị ngoại vi, xe hơi, đồ dùng điện lạnh trong gia đình… Do đó, còn có tên gọi khác là “Bộ điều khiển nhúng”. Nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình, cái đầu tiên mà người ta thường nói tới chính là dòng Arduino UNO.

Hiện dòng mạch này đã phát triển tới thế hệ thứ 3 (R3).3: ARDUINO UNO R3 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 do an CHƯƠNG 2. NỘI DUNG CHÍNH  Thông số kỹ thuật Arduino UNO R3  Mạch Arduino UNO R3 với thiết kế tiêu chuẩn sử dụng vi điều khiển Atmega328.  Mạch Arduino UNO R3 có 14 chân Digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA.

Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối).