Đồ án: Xây dựng hệ thống giám sát, điều khiển thiết bị điện | ĐH SPKT

Đồ án xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị điện từ xa thông qua ứng dụng. Chi tiết về thiết kế mạch, lập trình vi điều khiển và app.

• Tác giả: Phan Trung Hiếu
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Văn Hiệp
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông
• Đề tài: Xây dựng ứng dụng hệ thống giám sát, điều khiển các thiết bị điện
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị điện từ xa

Hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị điện từ xa là một giải pháp công nghệ hiện đại cho phép người dùng theo dõi và kiểm soát các thiết bị điện từ một vị trí khác nhau. Công nghệ này kết hợp các thành phần điện tử, vi điều khiển và ứng dụng di động để tạo ra một nền tảng tích hợp. Hệ thống này ứng dụng rộng rãi trong các tòa nhà thông minh, nhà máy, trường học và cơ quan. Việc sử dụng giám sát từ xa không chỉ nâng cao hiệu suất công việc mà còn tiết kiệm năng lượng điện. Những ứng dụng này sử dụng giao tiếp ESP32, relay 12V, vi điều khiển 5V và 3.3V để điều khiển các thiết bị như đèn, quạt và máy lạnh.

1.1. Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Điều khiển từ xa là quy trình quản lý các thiết bị điện thông qua các tín hiệu không dây hoặc kết nối mạng. Hệ thống này bao gồm các linh kiện điều khiển như relay, vi điều khiển và cảm biến. Giám sát thiết bị cho phép người dùng kiểm tra trạng thái hoạt động theo thời gian thực. Công nghệ này giúp tối ưu hóa tiêu thụ điện năng và cải thiện an toàn hoạt động của các thiết bị.

1.2. Ứng dụng thực tế trong cuộc sống

Ứng dụng hệ thống điều khiển được sử dụng rộng rãi trong nhà thông minh, nơi người dùng có thể bật/tắt đèn, quạt, máy lạnh từ điện thoại. Tại các cơ quan và trường học, hệ thống này giúp quản lý năng lượng hiệu quả. Các công ty sử dụng công nghệ giám sát để kiểm soát máy móc và thiết bị trong môi trường sản xuất.

II. Kiến trúc và các thành phần của hệ thống

Hệ thống điều khiển điện từ xa bao gồm ba phần chính: phần cứng, phần mềm và giao diện người dùng. Phần cứng gồm vi điều khiển (microcontroller), relay, cảm biến và các linh kiện điện tử khác. Phần mềm bao gồm code lập trình cho vi điều khiển và ứng dụng Android để điều khiển. Giao diện người dùng được thiết kế trên màn hình Nextion hoặc ứng dụng di động. Hệ thống sử dụng nguồn điện 220V cho thiết bị, relay 12V và vi điều khiển 5V, 3.3V. Kiến trúc này đảm bảo an toàn, hiệu quả và dễ sử dụng.

2.1. Phần cứng Hardware

Vi điều khiển ESP32 là thành phần trung tâm, xử lý các tín hiệu điều khiển. Relay được sử dụng để chuyển đổi các thiết bị điện công suất cao. Các cảm biến giám sát nhiệt độ, độ ẩm và trạng thái thiết bị. Mô hình được thiết kế với kích thước 30cm x 15cm x 7cm, phù hợp cho các ứng dụng thực tế. Giao diện kết nối giữa các linh kiện được thiết kế cẩn thận để đảm bảo an toàn điện.

2.2. Phần mềm và giao diện ứng dụng

Lập trình Android được sử dụng để phát triển ứng dụng điều khiển trên điện thoại. Màn hình Nextion cung cấp giao diện trực quan cho người dùng. Code lập trình được viết để xử lý các lệnh điều khiển và nhận phản hồi từ cảm biến. Giao diện ứng dụng được thiết kế thân thiện, dễ sử dụng với các nút điều khiển rõ ràng.

III. Quy trình thiết kế và thi công hệ thống

Quá trình xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, cần thiết kế sơ đồ mạch điều khiển chi tiết và chọn các linh kiện phù hợp. Tiếp theo, tiến hành thiết kế giao diện ứng dụng và lập trình Android để điều khiển. Sau đó, thi công mạch điện và kiểm tra kết nối giữa các thành phần. Thi công phần cứng cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo an toàn điện. Cuối cùng, kiểm tra toàn bộ hệ thống, khắc phục lỗi và tối ưu hóa hiệu suất. Việc tuân theo các tiêu chuẩn kỹ thuật là rất quan trọng.

3.1. Thiết kế sơ đồ mạch và chọn linh kiện

Thiết kế mạch điều khiển bắt đầu với việc vẽ sơ đồ chi tiết các kết nối giữa relay, vi điều khiển và cảm biến. Chọn các linh kiện chất lượng cao đảm bảo độ tin cậy và tuổi thọ. Cần tính toán công suất để đảm bảo relay có thể chịu tải của thiết bị điện. Sơ đồ mạch phải tuân theo các tiêu chuẩn an toàn điện.

3.2. Thi công và kiểm tra hệ thống

Thi công mạch bao gồm焊接các linh kiện, nối dây và lắp ráp theo sơ đồ thiết kế. Kiểm tra hệ thống bằng cách đo điện áp, dòng điện và kiểm tra các kết nối. Test từng chức năng của ứng dụng điều khiển để đảm bảo hoạt động chính xác. Khắc phục lỗi phần mềm và phần cứng nếu phát hiện.

IV. Lợi ích và hướng phát triển tương lai

Ứng dụng giám sát và điều khiển từ xa mang lại nhiều lợi ích to lớn cho người sử dụng và xã hội. Hệ thống giúp tiết kiệm năng lượng điện bằng cách kiểm soát chính xác thời gian hoạt động thiết bị. Tăng cường an toàn bằng việc giám sát liên tục các thiết bị điện. Cải thiện hiệu suất công việc trong các cơ quan và nhà máy. Hướng phát triển tương lai bao gồm tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) để tự động điều khiển dựa trên điều kiện môi trường. Sử dụng Internet of Things (IoT) để kết nối nhiều thiết bị trong một mạng lưới. Phát triển các ứng dụng cloud để giám sát từ bất kỳ đâu trên thế giới.

4.1. Những lợi ích chính của hệ thống

Tiết kiệm chi phí điện là lợi ích lớn nhất khi có thể điều khiển chính xác thời gian sử dụng thiết bị. Nâng cao an toàn bằng khả năng giám sát 24/7 tình trạng các thiết bị điện. Tăng sự tiện lợi cho người dùng khi có thể điều khiển từ bất kỳ vị trí nào. Giảm công sức quản lý thủ công các thiết bị điện.

4.2. Xu hướng phát triển kỹ thuật mới

Công nghệ AI và học máy sẽ cho phép hệ thống tự động học thói quen của người dùng. Cloud computing sẽ giúp lưu trữ và phân tích dữ liệu từ hệ thống. 5G và IoT sẽ mở rộng khả năng kết nối và tốc độ truyền dữ liệu. Năng lượng tái tạo sẽ được tích hợp để vừa điều khiển vừa lưu trữ năng lượng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan. Giới thiệu chọn đề tài, nội dung nghiên cứu, mục đích, giới hạn mục tiêu đồ án. Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Trình bày các khái niệm lý thuyết cơ bản về mạng, database và những thiết bị được sử dụng để làm mạch điều khiển.

Chương 3: Tính Toán Thiết Kế. Trình bày việc thiết kế phần mềm, mạch điều khiển, tính toán dòng điện, điện áp tiêu thụ của mạch dung để điều khiển thiết bị. Chương 4: Thi Công Hệ Thống. Chương này trình bày việc thi công hệ thống bao gồm những phần: xây dựng, ứng dụng điều khiển, xây dựng ứng dụng trên điện thoại, thi công phần cứng.

Chương 5: Kết Quả, phân tích và thống kê. Chương này trình bày những kết quả thực tế mà hệ thống thực hiện được, từ đó có những nhận xét và đánh giá ổn định về hệ thống. Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển. Đưa ra những phát triển trong tương lai.

Giới thiệu về hệ thống giám sát, điều khiển các thiết bị điện. Hiện nay, tại các trường học, công ty, văn phòng, chung cư lớn chúng ta thường bắt gặp những hệ thống các thiết bị điện thường được điều khiển và giám sát rất thủ công vì vậy gây ra rất nhiều bất tiện. Hệ thống giám sát, điều khiển các thiết bị điện được trang bị để giám sát các hoạt động bật tắt của các thiết bị điện trong trường học, văn phòng, là một phần của hệ thống để đảm bảo an toàn điện và giám sát toàn bộ các hệ thống các thiết bị điện tại các khu vực trong trường học, văn phòng,…  Chức năng của hệ thống giám sát, điều khiển các thiết bị điện. - Hệ thống thực hiện chức năng kiểm soát, quản lý lưu trữ những thông tin cần thiết về hệ thống thiết bị điện tòa nhà và các khu vực quan trọng.

- Hệ thống giám sát, điều khiển các thiết bị điện là một hệ thống điện tử được thiết kế nhằm quản lý, kiểm soát sự hoạt động của hệ thống các thiết bị điện, đảm bảo an toàn, an ninh cho các trường học, văn phòng, ngân hàng,. - Giải pháp có thể kết hợp sử dụng hệ thống nhận diện thẻ, mã PIN, vân tay, khuôn mặt,… theo từng mục đích quản lý. - Với những lợi ích và cách thức dễ dàng sử dụng. Để quản lý hệ thống thì chỉ cần thông qua màn hình HMI hoặc app trên điện thoại di động khi được kết nối với Internet thì các công việc sẽ trở nên tiện lợi và nhanh chóng hơn cho người dùng rất nhiều.

 Tiện ích của hệ thống giám sát, điều khiển các thiết bị điện Để thay cho việc làm thủ công là tới tận nơi bật tắt các thiết bị điện thì giờ đây người dùng có thể điều khiển bật tắt các thiết bị điện ở bất cứ nơi đâu chỉ cần có WiFi/3G trên nền tảng ứng dụng của điện thoại di động. Cải thiện và áp dụng các công nghệ tự động để tiết kiệm thời gian trong việc bật tắt các thiết bị với việc xây dựng hệ thống có chức năng cài đặt thời gian bật tắt theo ý muốn. Theo như đề tài ta cần tìm hiểu các kiến thức như sau: - Tổng quan về hệ điều hành Android. - Tổng quan về WiFi.

- Tổng quan về Firebase. - Tổng quan về MQTT (Message Queue Telemetry Transport). HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID. Khái niệm Android.

Android là hệ điều hành mở trên điện thoại di động (và hiện nay là cả trên một số đầu phát HD, HD Player, TV) phát triển bởi Google và dựa trên nền tảng 4 Linux. Trước đây, Android được phát triển bởi công ty liên hợp Android ( sau đó được Google mua lại vào năm 2005). Các nhà phát triển viết ứng dụng cho Android dựa trên ngôn ngữ Java. Sự ra mắt của Android vào ngày 5 tháng 11 năm 2007 gắn với sự thành lập của liên minh thiết bị cầm tay mã nguồn mở, bao gồm 78 công ty phần cứng, phần mềm và viễn thông nhằm mục đính tạo nên một chuẩn mở cho điện thoại di động trong tương lai.

Android được viết dựa trên ngôn ngữ Java, Kotlin, bộ cộng cụ Android SDK cung cấp các công cụ và bộ thư viện các hàm API cần thiết để phát triển ứng dụng cho nền tảng Android. 1 CÁC PHIÊN BẢN CỦA HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID 2. ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA ANDROID Ưu điểm - Hệ điều hành có khả năng tùy biến cao - Kho ứng dụng phong phú - Dễ dàng sử dụng - Sự phổ biến trong tầm giá - Tính tương thích Nhược điểm - Vì mã nguồn mở nên khả năng tùy biến cao nhưng rất dễ bị nhiễm mã độc - Khó kiểm soát chất lượng ứng dụng - Các phiên bản không được hỗ trợ lâu dài - Khả năng phân mảnh cao 2. CÁCH THỨC TRUYỀN NHẬN DỮ LIỆU WIFI.

5 Wi-Fi là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến, giống như điện thoại di động, truyền hình và radio. 2 CÁC THIẾT BỊ KẾT NỐI WIFI Các chuẩn kết nối WiFI: - Wifi hay mạng 802.11 có 6 chuẩn thông dụng nhất đó là 802.11b: Đây là phiên bản đầu tiên trên thị trường. Chuẩn này có tốc độ truyền chậm và ít phổ biến hơn so với các chuẩn khác.11b phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz, nó có thể xử lý đến 11 Mbit/s và sử dụng mã CCK (complimentary code keying).11g: Cũng phát ở tần số 2.4 GHz, nhưng nhanh hơn so với chuẩn 802.11b, tốc độ xử lý đạt 54 Mbit/s.11g nhanh hơn vì nó sử dụng mã OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing), một công nghệ mã hóa hiệu quả hơn.11a: Phát ở tần số 5 GHz và có thể đạt đến 54 Mbit/s. Nó cũng sử dụng mã OFDM.11n: Phát ở tần số 2.4 GHz, nhưng nhanh hơn so với chuẩn 802.11a, tốc độ xử lý đạt 300 Mbit/s.11ac: phát ở tần số 5 GHz - Chuẩn 802.11ad: phát ở tần số 60 GHz.

WiFi có thể hoạt động trên cả ba tần số và có thể nhảy qua lại giữa các tần số khác nhau một cách nhanh chóng. Việc nhảy qua lại giữa các tần số giúp giảm thiểu sự nhiễu sóng và cho phép nhiều thiết bị kết nối không dây cùng một lúc. CƠ SỞ DỮ LIỆU TRỰC TUYẾN FIREBASE. Firebase được thành lập bởi Tamplin và Lee.

Hai nhà sáng lập này đã dựa vào một dịch vụ API chat trực tuyến vào trang web được cung cấp bởi Envolve, các nhà phát triển sử dụng Envolve để đồng bộ hóa dữ liệu các trạng thái trò chơi trong thời gian thực lên trang web. Dựa vào yếu tố này Tamplin và Lee đã quyết 6 định tách riêng hệ thống chat và kiến trúc thời gian thực để thành lập một cơ sở dữ liệu firebasse riêng biệt vào tháng 4 năm 2012. Vào ngày 21 tháng 10 năm 2014 Google đã mua lại Firebase. Firebase là một dịch vụ API (giao diện lập trình ứng dụng) để lưu trữ và đồng bộ dữ liệu giữa hai hay nhiều thiết bị với nhau.

Firebase hoạt động dựa trên nền tảng đám mây được cung cấp bởi Google nhằm giúp đỡ các lập trình viên phát triển nhanh ứng dụng bằng cách đơn giản hóa các thao tác ứng dụng với cơ sở dữ liệu. Google FireBase là gì: Đó là một dịch vụ cơ sở dữ liệu thời gian thực hoạt động trên nền tảng đám mây được cung cấp bởi Google nhằm giúp các lập trình phát triển nhanh các ứng dụng bằng cách đơn giản hóa các thao tác với cơ sở dữ liệu. 3 CÁC DỊCH VỤ FIREBASE 2. Các chức năng chính của Firebase.

Firebase Analytics: Là một giải pháp miễn phí và phân tích không giới hạn. Quản lý hành vi người dùng và các biện pháp từ một bảng điều khiển duy nhất. Firebase Develop: Xây dựng ứng dụng tốt hơn và hoạt động tốt hơn. Quan trọng trong tiết kiệm thời gian phát triển chất lượng cao, ứng dụng có ít lỗi.

- Cloud Messaging là một giải pháp tin nhắn đa nền tảng đáng tin cậy miễn phí. Mỗi tin nhắn dung lượng đến 4KB trong ứng dụng client. - Firebase Authentication hầu hết các ứng dụng cần xác thực quyền. Giúp ứng dụng lưu dữ liệu an toàn sử dụng trong các đám mây.

- Firebase Realtime Database cơ sở dữ liệu đám mây NoSQL đồng bộ hóa. Dữ liệu được đồng bộ hóa trên tất cả các client trong thời gian thực, và luôn có sẵn khi ứng dụng offline. 7 - Firebase Storage được xây dựng cho các nhà phát triển ứng dụng, để lưu trữ và phục vụ nội dung do người dùng tạo ra, chẳng hạn như hình ảnh hoặc video. - Firebase Hosting nhanh chóng và an toàn lưu trữ tĩnh cho ứng dụng website.

- Firebase Test Lab cung cấp các thiết bị vật lý và cho phép chạy thử nghiệm mô phỏng môi trường sử dụng thực tế - Firebase Crash Reporting thông tin toàn diện và hành động để giúp chuẩn đoán và sửa chữa các vấn đề trong ứng dụng. Firebase Grow - Notifications cho phép gửi và duy trì tin nhắn của người dùng. Sử dụng là miễn phí và không giới hạn. - Remote Config cập nhật ứng dụng không cần triển khai một phiên bản mới.

Cài đặt nhanh chóng dễ dàng. - App Indexing trợ giúp người dùng khám phá và tái tham gia với các ứng dụng của bạn bằng cách hiển thị có liên quan nội dung trong ứng dụng trong kết quả tìm kiếm của Google. - Dynamic Links là các URL thông minh tự động thay đổi hành vi để cung cấp tốt nhất trên các nền tảng khác nhau. Liên kết động có thể tồn tại trong ứng dụng quá trình cài đặt và đưa người dùng tới nội dung có liên quan cho dù họ là một người dùng mới hoặc một khách hàng lâu năm.

- Invites giới thiệu ứng dụng và chia sẻ. - AdWords tự động liên kết AdWords với người dùng mà bạn xác định trong căn cứ Firebase Analytics. Cải thiện nhắm mục tiêu quảng cáo và tối ưu hóa hiệu suất chiến dịch của bạn. Ưu nhược điểm Firebase.

Ưu điểm - Xây dựng ứng dụng nhanh chóng mà không tốn thời gian, nhân lực để quản lý hệ thống và cơ sơ sở hạ tầng phía sau: Firebase cung cấp cho bạn chức năng như phân tích, cơ sở dữ liệu, báo cáo hoạt động và báo cáo các sự cố lỗi để bạn có thể dễ dàng phát triển, định hướng ứng dụng của mình vào người sử dụng nhằm đem lại các trải nghiệm tốt nhất cho họ. 8 - Uy tín chất lượng đảm bảo từ Google: Firebase được google hỗ trợ và cung cấp trên nền tảng phần cứng với quy mô rộng khắp thế giới, được các tập đoàn lớn và các ưng dụng với triệu lượt sử dụng từ người dùng. - Quản lý cấu hình và trải nghiệm các ứng dụng của Firebase tập trung trong một giao diện website đơn giản, các ứng dụng này hoạt động độc lập nhưng liên kết dữ liệu phân tích chặt chẽ.