Đề tài Bảng điện tử hiển thị thông tin thời tiết

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU KHOA CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT NÔNG NGHIỆP CÔNG NGHỆ CAO BÁO CÁO ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG Tên đề tài: BẢNG ĐIỆN TỬ HIỂN THỊ THÔNG TIN THỜI TIẾT Trình độ đào tạo: Đại Học Chính Quy Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Chuyên ngành: Điều Khiển và Tự Động Hóa Giáo viên hướng dẫn: ThS. Lưu Hoàng Sinh viên thực hiện 1: Võ Đình Huy - 16031543 Sinh viên thực hiện 2: Lê Công Thành – 16031542 Lớp: DH16TD Bà Rịa Vũng Tàu, tháng 6 năm 2020 Dinh Huy TRƯỜNG ĐẠI HỌC BRVT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CNKT – NN – CNC Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Họ tên sinh viên 1: Võ Đình Huy MSSV:16031543 Họ tên sinh viên 2: Lê Công Thành MSSV:16031542 Lớp: DH16TD Chuyên ngành: Điều Khiển Và Tự Động Hóa I. Tên đề tài: BẢNG ĐIỆN TỬ HIỂN THỊ THÔNG TIN THỜI TIẾT II. Tên đề tài: - hiển thị thông tin lên bảng led ma trận. - lấy dữ liệu thời tiết từ internet. - nhập thông tin tùy ý từ webserver. III. Giảng viên hướng dẫn: Ths. Lưu Hoàng IV. Ngày giao đề tài: 2/2019 V. Ngày hoàn thành: 06/2020 Bà Rịa - Vũng Tàu, ngày 11 tháng 6 năm 2020 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN CHÍNH Ths. Lưu Hoàng Võ Đình Huy PHÒNG ĐÀO TẠO - KHCN TRƯỞNG KHOA ĐH BRVT – Nghiên cứu khoa học SVTH: Võ Đình Huy – Lê Công Thành 3 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên em xin gởi lời cảm ơn đến Thầy Lưu Hoàng - Giảng viên bộ môn Điện - Điện Tử, đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, giảng giải cho em trong lựa chọn đề tài cũng như trong quá trình thực hiện đề tài. Trong quá trình thực hiện đồ án cũng đã xảy ra nhiều khó khăn, thiếu sót nhưng được sự hỗ trợ và góp ý của Thầy nên nhóm đã hoàn thành được đồ án. Trong suốt thời gian được theo học tại trường Đại học Bà Rịa Vũng Tàu, em đãnhận được nhiều sự quan tâm và giúp đỡ từ Thầy Cô và bạn bè. Cảm ơn Hiệu Trưởng, cùng các quý thầy cô trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu đã hỗ trợ tận tình về trang thiết bị, phần mềm, cơ sở vật chất tạo điều kiện hoàn thành đồ án. Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn tới quý Thầy Cô, những người đã truyền lại cho em rất nhiều kinh nghiệm và kiến thức quý báu, những sự giúp đỡ ấy đã tiếp thêm động lực cho em vững bước trên con đường mình đã chọn. Và đặc biệt là Thầy, Cô khoa Điện - Điện tử đã truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm cũng như tạo những điều kiện tốt nhất để em hoàn thành đề tài. Xin cảm ơn các bạn cùng khóa, cùng khoa đã động viên, khích lệ, ủng hộ về nhiều mặt góp phần làm nên thành công của đồ án này. Cảm ơn Đại Học Bà Rịa Vũng Tàu! Xin chân thành cảm ơn! ĐH BRVT – Nghiên cứu khoa học SVTH: Võ Đình Huy – Lê Công Thành 4 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ 3 CHƯƠNG I TỔNG QUAN ................................................................................. 9 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ .......................................................................................... 9 1.2 MỤC TIÊU ............................................................................................... 9 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .................................................................. 10 1.4 GIỚI HẠN .............................................................................................. 10 1.5 BỐ CỤC ................................................................................................. 10 CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................... 12 2.1 Các chuẩn giao tiếp ................................................................................ 12 2.1.1 Chuẩn giao tiếp wifi .......................................................................... 12 2.1.2 Chuẩn giao tiếp SPI .......................................................................... 13 2.2 IOT ......................................................................................................... 15 2.3 Webserver............................................................................................... 17 2.4 ESP32 ..................................................................................................... 18 2.5 Phương pháp quét module led matrix p10 full color ............................. 19 2.5.1 Font chữ ............................................................................................ 24 2.5.2 Font chữ tiếng việt ............................................................................ 27 CHƯƠNG III TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ....................................................... 28 3.1 GIỚI THIỆU .......................................................................................... 28 3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ................................................................ 28 ĐH BRVT – Nghiên cứu khoa học SVTH: Võ Đình Huy – Lê Công Thành 5 3.2.1 VI XỬ LÝ TRUNG TÂM ................................................................ 28 ...................................................................................................................... 29 3.2.2 Nguồn ................................................................................................ 30 CHƯƠNG IV THI CÔNG HỆ THỐNG .............................................................. 31 4.1 Thi công mô hình ................................................................................... 31 4.2 Lưu đồ thuật toán ................................................................................... 32 4.3 Kết nối .................................................................................................... 33 4.4 Lấy dữ liệu để hiện thị lên bảng led ....................................................... 33 4.5 Phần mềm lập trình esp32 ...................................................................... 37 4.5.1 Giới thiệu .......................................................................................... 37 4.5.2 Cài đặt arduino IDE .......................................................................... 38 4.6 Lập trình esp32 bằng arduino IDE ......................................................... 41 CHƯƠNG V Kết quả - nhận xét - đánh giá ........................................................ 47 5.1 Cấu hình cho hệ thống kết nối internet .................................................. 47 5.2 Mô hình chạy thực tế .............................................................................. 51 5.3 Nhận xét & đánh giá: ............................................................................. 53 5.3.1 Nhận xét: ........................................................................................... 53 5.3.2 Đánh giá: ........................................................................................... 53 CHƯƠNG VI Kết luận và hướng phát triển ......................................................... 54 6.1 Kết luận .................................................................................................. 54 6.2 Hướng phát triển .................................................................................... 54 CHƯƠNG VII Phụ Lục ..................................................................................... 55 ĐH BRVT – Nghiên cứu khoa học SVTH: Võ Đình Huy – Lê Công Thành 6 7.1 Đoạn chương trình hàm loop ................................................................. 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 57 ĐH BRVT – Nghiên cứu khoa học SVTH: Võ Đình Huy – Lê Công Thành 7 MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình II-1 Giao tiếp kết nối wifi .......................................................................... 13 Hình II-2Sơ đồ xung SPI ..................................................................................... 15 Hình II-3Mặt sau led p10 full color .................................................................... 20 Hình II-4Mặt trước led p10 full color ................................................................. 20 Hình II-5 Sơ đồ chân kết nối của module led p10 full color .............................. 22 Hình II-6Chiều đi của data module led p10 full color ........................................ 23 Hình II-7Giao diện của phần mềm LCD font maker .......................................... 25 Hình II-8 Chọn font chữ cho mã led ................................................................... 25 Hình II-9Giao diện của phần mềm LCD font maker .......................................... 26 Hình II-10Xuât mã font led ................................................................................. 26 Hình III-1KIT ESP32 .......................................................................................... 28 Hình III-2KIT ESP32 PINOUT .......................................................................... 29 Hình III-3Nguồn LED 5V 70A ........................................................................... 30 Hình IV-1Kích thước khung led ......................................................................... 31 Hình IV-2trang chủ openweathermap ................................................................. 33 Hình IV-3Các gói dữ liệu của openweather map ................................................ 34 Hình IV-4API KEY đã lấy được trên trang openweathermap ............................ 34 Hình IV-5Trang Chủ Airvisual ........................................................................... 35 Hình IV-6Các gói dữ liệu Airvisual .................................................................... 35 Hình IV-7API key Airvisual ............................................................................... 36 ĐH BRVT – Nghiên cứu khoa học SVTH: Võ Đình Huy – Lê Công Thành 8 Hình IV-8Trang Chủ openuv .............................................................................. 36 Hình IV-9API key openuv .................................................................................. 37 Hình IV-10Giao diện web arduino.cc ................................................................. 38 Hình IV-11Giao diện tải arduino IDE ................................................................ 39 Hình IV-12 Đã tải xong arduino IDE ................................................................. 39 Hình IV-13Giải nén arduino IDE........................................................................ 40 Hình IV-14Giao diện lập trình arduino IDE ....................................................... 41 Hình IV-15Giao diện nhập link để tải thư viện arduino ..................................... 42 Hình IV-16Giao diện tải thư viện arduino IDE .................................................. 43 Hình IV-17Chọn KIT arduino để biên dịch và nạp code .................................... 44 Hình IV-18Chọn cổng để nạp code .................................................................... 45 Hình IV-19Giao diện các ví dụ để tham khảo trong arduino IDE ...................... 46 Hình V-1Giao diện chính trên webserver của hệ thống ...................................... 47 Hình V-2Cài đặt wifi để kết nối internet ............................................................ 48 Hình V-3Giao diện nhập API để lấy thông tin từ mạng internet ........................ 48 Hình V-4Giao diện nhập để chạy thông báo ....................................................... 49 Hình V-5Chỉnh màu và tốc độ của chữ chạy thông báo ..................................... 49 Hình V-6Giao diện cài đặt mật khẩu .................................................................. 50 Hình V-7Giao diện cài đặt thời gian bật tắt ........................................................ 50 Hình V-8Chạy hệ thống thực tế .......................................................................... 51 Hình V-9Chạy hệ thống thực tế .......................................................................... 52 ĐH BRVT – Nghiên cứu khoa học SVTH: Võ Đình Huy – Lê Công Thành 9 CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật cùng với sự tiến bộ của xã hội nhu cầu về thông tin trở nên thiết yếu đối với con người trong hoạt động kinh doanh sản xuất việc đưa thông tin đến với mọi người trở nên dễ dàng và nhanh chóng. Thông qua nhiều hình thức khác nhau mà doanh nghiệp hay hộ kinh doanh nhỏ lẻ, nơi công cộng có thể giới thiệu sản phẩm hay thông tin hàng hóa giá cả đến mọi người. Hiện nay có nhiều biển quảng cáo, băng rôn, khẩu hiệu, thông báo trong thực tế với nhiều chất liệu như biển quảng cáo sắt, gỗ, vải, phướn,... thì bảng led thể hiện tính ưu việt hơn hẳn các loại quảng cáo truyền thống. Thông tin hiển thị trên bảng led ma trận có thể sửa chữa dễ dàng hơn dễ lắp đặt và dễ thay thế. Chúng ta bắt gặp rất nhiều bảng thông tin như vậy trong thực tế. Khi tới phi trường bạn có thể biết được thời gian chuyến bay, địa điểm và chuyến bay số hiệu nào. Hoặc khi vào khu ăn uống bảng led có thể hiện thị các hình ảnh sinh động về món ăn hay logo hiện lên với đủ kiểu biến hóa. Với mong muốn giới thiệu ứng dụng của bảng led và thiết yếu trong đời sống cũng như tầm quan trong của của bảng thông báo em đã tìm hiểu và thiết kế mô hình. 1.2 MỤC TIÊU Mục tiêu của em sẽ tiến hành thiết kế và thi công mô hình bảng LED MATRIX. Mô hình sẽ nhằm mục đích hiển thông tin thời tiết như tia uv, chất lượng không khí, giờ hiện tại, tốc độ gió, nhiệt độ. Nếu như tia uv cao có khả năng ảnh hưởng đến da sẽ hiển thị cảnh báo cho người xem biết như không nên đi ra đường, dự báo thời tiết 4 giờ gần nhất bằng hình ảnh. Ngoài ra bảng led cũng có thể nhập thông báo tùy ý có thể chỉnh được tốc độ và màu sắc. ĐH BRVT – Nghiên cứu khoa học SVTH: Võ Đình Huy – Lê Công Thành 10 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Em đã nghiên cứu các nội dung sau: - Nội dung 1: Nghiên cứu Module LED p10 full color dùng cho bảng thông báo. - Nội dung 2: Nghiên cứu KIT ESP32. - Nội dung 3: Lập trình cho ESP32 trên arduino IDE. - Nội dung 4: Thiết kế tính toán nguồn cho thiết bị. - Nội dung 5: Thi công phần cứng, khung, thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống. - Nội dung 6: Cài đặt và điều chỉnh hệ thống để đặt được tối ưu. - Nội dung 7: Viết báo cáo. - Nội dung 8: Bảo vệ luận văn. 1.4 GIỚI HẠN Các thông số giới hạn của đề tài bao gồm: - Sử dụng KIT thu phát wifi ESP32 - Kích thước phần led hiển thị 128x64 - Sử dụng 16 Module P10 FULL COLOR ghép lại - Sử dụng webserver để cài đặt thông số - Nội dung hiển thị bao gồm: ký tự số, chữ có dấu, hiệu ứng, các icon thời tiết, nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, chất lượng không khí, tia uv, giờ hiện tại. 1.5 BỐ CỤC Đề tài “Thiết kế bảng điện tử hiện thị thông tin thời tiết” được trình bày như sau: ➢ Chương 1: Tổng quan Chương này em sẽ đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn và bố cục đồ án. ➢ Chương 2: Cơ sở lý thuyết ĐH BRVT – Nghiên cứu khoa học SVTH: Võ Đình Huy – Lê Công Thành 11 Chương này em sẽ nói tổng quát các kiến thức cơ bản để hoàn thành mô hình này. Bao gồm chuẩn giao tiếp để có thể lấy dữ liệu và đẩy dữ liệu lên bảng led, quy trình quét led, các công cụ cần thiết. ➢ Chương 3: Tính toán và thiết kế Chương này em sẽ trình bày sơ đồ khối, tính toán và chọn linh kiện. ➢ Chương 4: Thi công và kết quả thực hiện Chương này em trình bày các bước thi công mạch, lắp ráp, kiểm tra và thi công mô hình. ➢ Chương 5: Kết quả - nhận xét - đánh giá Chương này em sẽ nêu lên kết quả đạt được, nhận xét và đánh giá mô hình. ➢ Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Chương này nêu lên kết luận về những gì đã thực hiện đồng thời đưa ra hướng phát triển cho mô hình. ĐH BRVT – Nghiên cứu khoa học SVTH: Võ Đình Huy – Lê Công Thành 12 CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các chuẩn giao tiếp 2.1.1 Chuẩn giao tiếp wifi Wifi là mạng kết nối Internet không dây, là từ viết tắt của Wireless Fidelity, sử dụng sóng vô tuyến để truyền tín hiệu. Loại sóng vô tuyến này tương tự như sóng điện thoại, truyền hình và radio. Và trên hầu hết các thiết bị điện tử ngày nay như máy tính, laptop, điện thoại, máy tính bảng đều có thể kết nối Wifi. Kết nối Wifi dựa trên các loại chuẩn kết nối IEEE 802.11, và chủ yếu hiện nay Wifi hoạt động trên băng tần 54 Mbps và có tín hiệu mạnh nhất trong khoảng cách 100 feet (gần 31 mét, các bạn cứ thử tưởng tượng mỗi 1 tầng nhà lấy trung bình là 4 mét thì theo lý thuyết sóng wifi phát ở tầng 1 vẫn sẽ bắt được nếu bạn đang ở tầng 7 – đó là theo lý thuyết). Còn trong thực tế thì trong mỗi ngôi nhà thường có rất nhiều vật cản sóng, nên bạn chỉ cần đứng trên tầng 4 hoặc 5 là tín hiệu đã yếu lắm rồi. Để có được sóng Wifi thì chúng ta cần phải có bộ phát Wifi – chính là các thiết bị như modem, router. Đầu vào, tín hiệu Internet nguồn (được cung cấp bởi các đơn vị ISP như FPT, Viettel, VNPT, CMC hiện nay). Thiết bị modem, router sẽ lấy tín hiệu Internet qua kết nối hữu tuyến rồi chuyển thành tín hiệu vô tuyến, và gửi đến các thiết bị sử dụng như điện thoại smartphone, máy tính bảng, laptop Đây là quá trình nhận tín hiệu không dây (hay còn gọi là adapter) – chính là card wifi trên laptop, điện thoại và chuyển hóa thành tín hiệu Internet. Và quá trình này hoàn toàn có thể thực hiện ngược lại, nghĩa là router, modem nhận tín hiệu vô tuyến từ adapter và giải mã chúng, gửi qua Internet. Về bản chất kỹ thuật, tín hiệu Wifi hoạt động gửi và nhận dữ liệu ở tần số 2.5GHz đến 5GHz, cao hơn khá nhiều so với tần số của điện thoại di động, radio do vậy tín hiệu Wifi có thể chứa nhiều dữ liệu nhưng lại bị hạn chế ở phạm vi truyền – khoảng ĐH BRVT – Nghiên cứu khoa học SVTH: Võ Đình Huy – Lê Công Thành 13 cách. Còn các loại sóng khác tuy tần số thấp nhưng lại có thể truyền đi ở khoảng cách rất xa như LORA, FM,... Sóng Wifi sử dụng chuẩn kết nối 802.11 trong thư viện IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), chuẩn này bao gồm 4 chuẩn nhỏ hơn là a/b/g/n/ac. 2.1.2 Chuẩn giao tiếp SPI SPI (Serial Peripheral Bus) là một chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao do hãng Motorola đề xuất. Đây là kiểu truyền thông Master-Slave, trong đó có 1 chip Master điều phối quá trình tuyền thông và các chip Slaves được điều khiển bởi Master vì thế truyền thông chỉ xảy ra giữa Master và Slave. SPI là một cách truyền song công (full duplex) nghĩa là tại cùng một thời điểm quá trình truyền và nhận có thể xảy ra đồng thời. SPI đôi khi được gọi là chuẩn truyền thông “4 dây” vì có 4 đường giao tiếp trong chuẩn này đó là SCK (Serial Clock), MISO (Master Input Slave Output), MOSI (Master Hình II-1 Giao tiếp kết nối wifi ĐH BRVT – Nghiên cứu khoa học SVTH: Võ Đình Huy – Lê Công Thành 14 Ouput Slave Input) và SS (Slave Select). Hình 1 thể hiện một kết SPI giữa một chip Master và 3 chip Slave thông qua 4 đường. SCK: Xung giữ nhịp cho giao tiếp SPI, vì SPI là chuẩn truyền đồng bộ nên cần 1 đường giữ nhịp, mỗi nhịp trên chân SCK báo 1 bit dữ liệu đến hoặc đi. Đây là điểm khác biệt với truyền thông không đồng bộ mà chúng ta đã biết trong chuẩn UART. Sự tồn tại của chân SCK giúp quá trình tuyền ít bị lỗi và vì thế tốc độ truyền của SPI có thể đạt rất cao. Xung nhịp chỉ được tạo ra bởi chip Master. MISO– Master Input / Slave Output: nếu là chip Master thì đây là đường Input còn nếu là chip Slave thì MISO lại là Output. MISO của Master và các Slaves được nối trực tiếp với nhau. MOSI – Master Output / Slave Input: nếu là chip Master thì đây là đường Output còn nếu là chip Slave thì MOSI là Input. MOSI của Master và các Slaves được nối trực tiếp với nhau. ĐH BRVT – Nghiên cứu khoa học SVTH: Võ Đình Huy – Lê Công Thành 15 SS – Slave Select: SS là đường chọn Slave cần giap tiếp, trên các chip Slave đường SS sẽ ở mức cao khi không làm việc. Nếu chip Master kéo đường SS của một Slave nào đó xu