Đề tài Thiết kế và thi công hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị trong nhà kết hợp wifi và lora

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang I TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC ----o0o---- Tp. HCM, ngày 4 tháng 6 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Đức Dũy MSSV: 14141050 Chuyên ngành:CNKT Điện Tử Công nghiệp-Y Sinh Mã ngành: 01 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2014 I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TRONG NHÀ KẾT HỢP WIFI VÀ LORA II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu:  Module NodeMCU Esp32S.  Module Lora easy Sx1276.  Arduino mega 2560.  Module Sim900a. 2. Nội dung thực hiện:  Thiết kế giao diện website để điều khiển và giám sát.  Viết chương trình giao tiếp giữa các module để điều khiển các thiết bị điện.  Thi công mô hình.  Viết báo cáo. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04/2018 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/2018 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Trương Ngọc Anh CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang II TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC ----o0o---- Tp. HCM, ngày 4 tháng 6 năm 2018 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên : Nguyễn Đức Dũy MSSV: 14141050 Lớp: 14141DT2C Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TRONG NHÀ KẾT HỢP WIFI VÀ LORA Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD Tuần 1 19/3-24/3 Gặp giảng viên hướng dẫn và trao đổi về đề tài đồ án tốt nghiệp. Tuần 2 26/3-31/3 Viết đề cương và lịch trình thực hiện đồ án tốt nghiệp. Tuần 3 2/4-7/4 Tìm hiểu đề tài và lựa chọn thiết bị. Tuần 4 9/4-13/4 Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của đề tài. Tuần 5 16/4-21/4 Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý. Tuần 6 23/4-28/4 Viết chương trình, kiểm tra các chức năng module Sim900a. Tuần 7 30/4-5/5 Viết chương trình, kiểm tra các chức năng module NodeMCU Esp32s. Tuần 8 7/5-12/5 Viết chương trình, kiểm tra các chức năng module Lora easy Sx1276. Tuần 9 Viết chương trình, kiểm tra các chức năng điều BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang III 14/5-19/5 chỉnh trang web. Tuần 10 21/5-26/5 Viết chương trình, kiểm tra các chức năng điều chỉnh trang web. Tuần 11 28/5-2/6 Thi công phần cứng, lắp ráp mô hình. Tuần 12 4/6-9/6 Thi công phần cứng, lắp ráp mô hình. Tuần 13 11/6-16/6 Viết báo cáo, chỉnh sửa mô hình. Tuần 14 18/6-23/6 Viết báo cáo, hoàn thiện mô hình. Tuần 15 25/6-30/6 Viết báo cáo,chạy thử nghiệm và chỉnh sửa. Tuần 16 2/7 – 7/7 Viết báo cáo, chỉnh sửa và hoàn chỉnh mô hình. Tuần 17 9/7 – 14/7 Hoàn chỉnh báo cáo và mô hình. GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang IV LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. Người thực hiện đề tài Nguyễn Đức Dũy BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang V LỜI CẢM ƠN Nhóm xin chân thành cảm ơn sự sự hướng dẫn chân thành của thầy Trương Ngọc Anh, khoa Điện – Điện tử, trường Đại học Sư phạm Kĩ thuật Tp.HCM. Trong suốt thời gian thực hiện đề tài này, cùng với sự hướng dẫn và những lời góp ý của thầy về nội dung và phương pháp nghiên cứu, những lời nhận xét và chia sẻ kinh nghiệm thực tế đã giúp cho nhóm có điều kiện thuận lợi để hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này. Bên cạnh đó nhóm xin cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện – Điện tử đã giảng dạy, truyền đạt cho chúng em những kiến thức cần thiết để chúng em có tiền đề để thực hiện đồ án tốt nghiệp. Nhóm cũng xin cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Điện Tử Công Nghiệp – Y Sinh đã góp ý cho chúng em trong quá trình thực hiện đồ án, các thầy cô luôn làm việc tích cực trong công tác quản lý và thông tin đến sinh viên để việc bảo vệ đồ án luôn đảm bảo đúng tiến độ và hiệu quả. Chúng em cũng xin gởi lời đồng cảm ơn đến các bạn trong lớp 141411,141412 đã chia sẽ trao đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài. Nhóm cũng xin gửi thật nhiều lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã khích lệ tinh thần, tạo động lực mạnh mẽ để giúp nhóm hoàn thành tốt đề tài. Trân trọng cảm ơn! Người thực hiện đề tài Nguyễn Đức Dũy BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang VI MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ........................................................................... I LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ................................................ II LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... IV LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ V MỤC LỤC ................................................................................................................ VI DANH MỤC HÌNH ................................................................................................... X DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... XII DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................... XIII TÓM TẮT ............................................................................................................... XV CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ....................................................................................... 1 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ .................................................................................................. 1 1.2. MỤC TIÊU ....................................................................................................... 1 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ............................................................................ 1 1.4. GIỚI HẠN ........................................................................................................ 2 1.5. BỐ CỤC ........................................................................................................... 2 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................... 4 2.1. Tìm hiểu về module NodeMCU ESP 32S. ...................................................... 4 2.1.1. Tìm hiểu về wifi và cách hoạt động của wifi. ........................................... 4 2.1.1.1. Wifi là gì? ........................................................................................... 4 2.1.1.2. Nguyên tắc hoạt động của wifi. ......................................................... 4 2.1.1.3. Một số chuẩn kết nồi phổ biến. .......................................................... 5 2.1.1.4. Wifi hoạt động như thế nào. ............................................................... 5 2.1.2. Tổng quan về Module NodeMCU Esp32S. .............................................. 8 2.1.3. Thông số kĩ thuật. ..................................................................................... 9 2.1.3.1. Wifi. ................................................................................................... 9 2.1.3.2. Bluetooth. ......................................................................................... 11 2.1.3.3. CPU và bộ nhớ. ................................................................................ 11 2.1.3.4. The clock and the timer. ................................................................... 12 2.1.3.5. Thông số kỹ thuật nâng cao ............................................................. 12 2.1.3.6. Cảm biến nhiệt độ. ........................................................................... 12 2.1.3.7. Hệ thống bảo mật. ............................................................................ 12 2.1.3.8. Encrypted hardware accelerator. ...................................................... 13 2.1.3.9. Board. ............................................................................................... 13 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang VII 2.2. Tìm hiểu về module Lora easy sx-1276. ........................................................ 15 2.2.1. Giới thiệt về công nghệ truyền dữ liệu Lora. .......................................... 15 2.2.2. Chế độ Lora cài đặt sẵn trong LoraEasy ................................................. 22 2.2.3. Chức năng filter khi nhận dữ liệu ........................................................... 23 2.2.4. Giao tiếp AT command ........................................................................... 24 2.2.4.1. Cấu hình COM/UART khi giao tiếp AT command ......................... 24 2.2.4.2. Cấu trúc lệnh AT command ............................................................. 24 2.2.4.3. Dữ liệu Response từ board LoraEasy............................................... 26 2.2.4.4. Tập lệnh AT command .................................................................... 26 2.2.4.4.1. System AT command: ............................................................... 27 2.2.4.4.2. Lora AT command: ................................................................... 28 2.2.5. Thông số kĩ thuật của module Lora easy sx-1276. ................................. 28 2.3. Tìm hiểu về Arduino Mega 2560. .................................................................. 31 2.3.1. Tổng quan. ............................................................................................... 31 2.3.2. Tóm lược. ................................................................................................ 31 2.3.3. Power. ...................................................................................................... 32 2.3.4. Memory. .................................................................................................. 33 2.3.5. Input và output. ....................................................................................... 33 2.3.6. Giao tiếp. ................................................................................................. 34 2.3.7. Lập trình. ................................................................................................. 34 2.3.8. Automatic (Software) Reset. ................................................................... 35 2.4. Tìm hiểu về module Sim900a. ....................................................................... 36 2.4.1. Tổng quan ................................................................................................ 36 2.4.2. Lịch sử mạng GSM ................................................................................. 36 2.4.3. Khái quát về GPRS ................................................................................. 37 2.4.4. Tổng quan về Module Sim900a. ............................................................. 38 2.5. Cảm biến dòng. .............................................................................................. 40 2.5.1. Giới thiệu. ................................................................................................ 40 2.5.2. Nguyên lý hoạt động. .............................................................................. 42 2.6. Tìm hiểu về web server. ................................................................................. 42 2.6.1. Tổng quan về web server. ....................................................................... 42 2.6.2. Web server là gì? ..................................................................................... 43 2.6.3. Những điều cần lưu ý khi sử dụng web server........................................ 44 2.6.4. Quy trình hoạt động của web server. ...................................................... 45 2.7. Tìm hiểu về ngôn ngữ php. ............................................................................ 46 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang VIII 2.7.1. Ngôn ngữ php là gì? ................................................................................ 46 2.7.2. Điểm mạnh của ngôn ngữ php. ............................................................... 47 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ............................................................. 48 3.1. GIỚI THIỆU .................................................................................................. 48 3.2. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ................................................... 48 3.2.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ................................................................... 48 3.2.2. Tính toán và thiết kế mạch. ..................................................................... 49 3.2.2.1. Web server ....................................................................................... 49 3.2.2.2. Thiết kế khối xử lý trung tâm. .......................................................... 52 3.2.2.3. Thiết kế khối điều khiển và khối công suất. .................................... 52 3.2.2.4. Thiết kế khối nguồn. ........................................................................ 54 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG .................................................................... 56 4.1. GIỚI THIỆU .................................................................................................. 56 4.2. THI CÔNG HỆ THỐNG ............................................................................... 56 4.2.1. Thi công bo mạch .................................................................................... 56 4.2.2. Lắp ráp và kiểm tra ................................................................................. 59 4.3. ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ....................................................... 61 4.3.1. Đóng gói bộ điều khiển ........................................................................... 61 4.3.2. Thi công mô hình .................................................................................... 62 4.4. Phần mềm lập trình cho vi điều khiển ............................................................ 63 4.4.1. Phần mềm lập trình web. ......................................................................... 69 4.5. LƯU ĐỒ HỆ THỐNG ................................................................................... 76 4.5.1. Lưu đồ điều khiển từ web server và tin nhắn điện thoại. ........................ 76 4.5.2. Lưu đồ điều khiển từ các board con. ....................................................... 77 4.6. VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC .......................... 78 4.6.1. Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng .............................................................. 78 4.6.2. Quy trình thao tác .................................................................................... 78 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ............................................... 80 5.1. GIỚI THIỆU .................................................................................................. 80 5.2. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC................................................................................. 80 5.2.1. Biết được cách viết một trang web server. .............................................. 80 5.2.2. Biết được cách lập trình với module NodeMCU-32s. ............................ 80 5.2.3. Biết được cách truyền-nhận dữ liệu giữa nhiều board Lora. .................. 80 5.2.4. Biết được cách lập trình với Module Sim900a. ...................................... 80 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang IX 5.2.5. Biết được cách kết nối và lập trình giữa module wifi NodeMCU Esp-32s với Module Sim900a và Module Lora easy. ..................................................... 81 5.3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ................................................................................ 81 5.4. NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG. ..................................................... 83 5.4.1. Nhận xét. ................................................................................................. 83 5.4.2. Đánh giá. ................................................................................................. 84 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .......................................... 85 6.1. KẾT LUẬN. ................................................................................................... 85 6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN. ................................................................................ 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 86 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang X DANH MỤC HÌNH Hình 2-1 Module NodeMCU Esp-32S ........................................................................ 8 Hình 2-2 Các tính năng của module NodeMCU-32S ................................................. 9 Hình 2-3 Kích thước board ....................................................................................... 13 Hình 2-4 Radio packet của Lora ............................................................................... 17 Hình 2-5 Biểu đồ về số lượng thiết bị IOT sử dụng kết nối và trao đổi dữ liệu ....... 18 Hình 2-6 Các sản phẩm cho Lora .............................................................................. 18 Hình 2-7 Cấu trúc software ....................................................................................... 19 Hình 2-8 Sơ đồ các thiết bị LoraWan kết nối ........................................................... 19 Hình 2-9 Bảng dữ liệu gia tăng ................................................................................. 21 Hình 2-10 Bảng thông số cơ bản của Chipset Lora .................................................. 22 Hình 2-11 Kích thước module lora easy Sx1276 ...................................................... 30 Hình 2-12 Module Lora easy Sx1276 ....................................................................... 30 Hình 2-13 Module Arduino mega 2560. ................................................................... 31 Hình 2-14 Cấu trúc mạng GMS ................................................................................ 37 Hình 2-15 Module Sim900a ...................................................................................... 38 Hình 2-16 Sơ đồ chân module sim900a .................................................................... 39 Hình 2-17 Cảm biến dòng ACS712 20A .................................................................. 40 Hình 2-18 Sơ đồ chân ACS712 ................................................................................. 41 Hình 2-19 Kích thước ACS712 ................................................................................. 42 Hình 2-20 Hệ thống web server ................................................................................ 43 Hình 2-21 Những lưu ý khi sủ dụng web server ....................................................... 44 Hình 2-22 Ngôn ngữ php .......................................................................................... 46 Hình 3-1 Sơ đồ khối của hệ thống............................................................................. 48 Hình 3-2 Cửa sổ sơ lược về đề tài ............................................................................. 49 Hình 3-3 Cửa sổ điều khiển ...................................................................................... 50 Hình 3-4 Cửa sổ quản lý dữ liệu ............................................................................... 50 Hình 3-5 Cửa sổ trạng thái hoạt động ....................................................................... 51 Hình 3-6 Cửa sổ thông tin sinh viên. ........................................................................ 51 Hình 3-7 Sơ đồ