Đồ án Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển các thiết bị trong phòng học

ii BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ TRONG PHÒNG HỌC GVHD: Ths. Nguyễn Văn Hiệp SVTH1: Huỳnh Nguyễn Nhân Hậu MSSV: 14141092 SVTH2: Thái Ngọc Hậu MSSV: 14141093 Tp. Hồ Chí Minh – Tháng 01/2019 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 10 tháng 1 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Huỳnh Nguyễn Nhân Hậu MSSV: 14141092 Thái Ngọc Hậu MSSV: 14141093 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử Mã ngành: 141 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2014 Lớp: 1414DT2 I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ TRONG PHÒNG HỌC II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: _ Sử dụng một điện thoại hệ điều hành Android. _ Sử dụng một Module wifi ESP8266 NodeMCU. _ Sử dụng một Arduino Mega2560. _ Sử dụng một LCD 16x2. _ Sử dụng một Module thời gian thực DS1307. _ Sử dụng một Module 8 Relay. _ Sử dụng một Module 4 Relay. _ Sử dụng một Module RFID. 2. Nội dung thực hiện: _ Tìm hiểu cách cập nhật dữ liệu cũng như lấy dữ liệu từ Firebase và chia sẻ quyền điều khiển cho các thiết bị. _ Tìm hiểu cách giao tiếp giữa Module ESP8266 NodeMCU với Firebase. _ Tìm hiểu cách giao tiếp giữa Module ESP8266 NodeMCU với Arduino Mega2560. _ Tìm hiểu thiết kế giao diện cho các ứng dụng chạy trên hệ điều hành android bằng MIT App Inventor. _ Thi công mô hình điều khiển. _ Chỉnh sửa, hoàn thiện mô hình. _ Đánh giá kết quả thực hiện. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 08/10/2018 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/01/2019 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Ths. Nguyễn Văn Hiệp CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH iii 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 08 tháng 10 năm 2018 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Huỳnh Nguyễn Nhân Hậu. Lớp:14141DT2 MSSV:14141092 Họ tên sinh viên 2: Thái Ngọc Hậu. Lớp:14141DT2 MSSV:14141093 Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ TRONG PHÒNG HỌC. Tuần Thời gian Nội dung Xác nhận GVHD 1 01-10 đến 08-10 Gặp GVHD trao đổi và xác nhận đề tài. 2 08-10 đến 15-10 Hoàn thành đề cương 3-6 15-10 đến 05-11 Tìm hiểu về cách kết giao tiếp giữa kit arduino với NodeMCU esp 8266, module relay và RFID. 7-9 05-11 đến 26-11 Tìm hiểu và viết app android và cách điêu khiển thiết bị qua NodeMCU esp 8266. 10-11 26-11 đến 17-12 Thi công hệ thống và chạy thử nghiệm. 12 17-12 đến 24-12 Hoàn thiệt hệ thống và viết báo cáo đồ án tốt nghiệp. 13-14 24-12 đến 07-01 Hoàn thiện hệ thống và báo cáo đồ án tốt nghiệp. GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) iv LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do nhóm 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. Những người thực hiện đề tài Thái Ngọc Hậu Huỳnh Nguyễn Nhân Hậu v LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành tốt Đồ án tốt nghiệp, chúng em xin gởi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện-Điện Tử đã tạo những điều kiện tốt nhất cho chúng em hoàn thành đề tài. Đặc biệt chúng em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Văn Hiệp _ Giảng viên bộ môn Điện Tử Công Nghiệp- Y Sinh đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để hoàn thành tốt đề tài. Chúng em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 1414DT2B đã chia sẻ trao đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài. Cuối cùng chúng em xin cảm ơn đến gia đình, là chỗ dựa cũng như là nguồn động viên tinh thần mỗi khi chúng em gặp khó khắn trong học tập cũng như trong quá trình nghiên cứu để hoàn thành đề tài tốt nghiệp. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài Thái Ngọc Hậu Huỳnh Nguyễn Nhân Hậu vi MỤC LỤC Trang bìa .................................................................................................................. i Nhiệm vụ đồ án ....................................................................................................... ii Lịch trình .............................................................................................................. iii Cam đoan .............................................................................................................. iv Lời cảm ơn .............................................................................................................. v Mục lục .................................................................................................................. vi Liệt kê hình vẽ .................................................................................................... viii Liệt kê bảng vẽ ....................................................................................................... xi Tóm tắt ................................................................................................................. xii 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 VẤN ĐỀ TIẾT KIỆM ĐIỆN CÁC THIẾT BỊ DÂN DỤNG ...................... 4 2.2 IOT VÀ ỨNG DỤNG TRONG ĐỜI SỐNG ............................................... 4 2.3 LỊCH SỬ HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID ..................................................... 8 2.4 KHÁI NIỆM VỀ MẠNG WIFI.................................................................. 10 2.5 CƠ SỞ DỮ LIỆUGOOGLE FIREBASE VÀ ỨNG DỤNG...................... 14 2.6 CÔNG NGHỆ RFID VÀ ỨNG DỤNG TRONG ĐỜI SỐNG .................. 18 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ. .................................................... 25 3.1 GIỚI THIỆU ............................................................................................... 25 3.1.1 Thực trạng nhu cầu ........................................................................... 25 3.1.2 Bài toán đặt ra ................................................................................... 25 3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ..................................................................... 25 vii 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống............................................................. 26 3.2.2 App điều khiển .................................................................................. 27 3.2.3 Board điều khiển ............................................................................... 32 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG. ........................................................... 50 4.1 GIỚI THIỆU ............................................................................................... 50 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG ............................................................................ 50 4.2.1 Board điều khiển ............................................................................... 50 4.2.2 App điều khiển .................................................................................. 66 4.3 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC ....................... 79 4.3.1 App Android ..................................................................................... 79 4.3.2 Web-server ........................................................................................ 84 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ-NHẬN XÉT-ĐÁNH GIÁ. ....................................... 87 5.1 GIỚI THIỆU ............................................................................................... 87 5.2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC ............................................................................. 87 5.3 NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ ........................................................................ 90 5.4.1 Nhận xét ............................................................................................ 90 5.4.2 Đánh giá ............................................................................................ 91 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................. 92 6.1 KẾT LUẬN ................................................................................................ 92 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................................. 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 93 PHỤ LỤC ............................................................................................................. 94 viii LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2.1: Smart home .......................................................................................... 6 Hình 2.2: Thiết bị đeo thông minh ....................................................................... 6 Hình 2.3: Smart city ............................................................................................. 7 Hình 2.4: IoT trong nông nghiệp.......................................................................... 8 Hình 2.5: Quá trình phát triển của Android ......................................................... 10 Hình 2.6: Biểu tượng sóng WIFI ......................................................................... 11 Hình 2.7: Hệ thống các thiết bị kết nối với WIFI ................................................ 11 Hình 2.8: Biểu tượng của Google Firebase .......................................................... 15 Hình 2.9: Các ứng dụng của Firebase .................................................................. 16 Hình 2.10: Thiết bị IFF và thiết bị RFID hiện đại ngày nay ................................ 20 Hình 2.11: Sơ đồ khối của một hệ thống RFID ................................................... 21 Hình 2.12: Hoạt động giữa tag và reader RFID ................................................... 22 Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống ....................................................................... 26 Hình 3.2: Thiết kế giao diện màn hình chính App Android ................................ 28 Hình 3.3: Thiết kế giao diện điều khiển đèn ........................................................ 29 Hình 3.4: Thiết kế giao diện điều khiển quạt ....................................................... 30 Hình 3.5: Thiết kế giao diện điều khiển Điều hòa, TV và loa ............................. 31 Hình 3.6: Giao diện thiết kế web-server .............................................................. 32 Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý ESP8266 ................................................................... 34 Hình 3.8: Sơ đồ chân NodeMCU ......................................................................... 36 Hình 3.9: Sơ đồ chân Arduino Mega 2560 .......................................................... 39 Hình 3.10: Module DS1307 ................................................................................. 42 Hình 3.11: Cấu tạo của DS1307 ........................................................................... 43 Hình 3.12: Module 8 Relay .................................................................................. 44 Hình 3.13: Sơ đồ chân module RFID RC522 ...................................................... 45 Hình 3.14: Sơ đồ chân LCD 16x2 ........................................................................ 46 ix Hình 3.15: Sơ đồ chân module I2C LCD ............................................................. 48 Hình 3.16: Sơ đồ khối toàn mạch ......................................................................... 49 Hình 4.1: Sơ đồ mạch in ....................................................................................... 51 Hình 4.2: Mạch điều khiển thực tế hoàn chỉnh .................................................... 53 Hình 4.3: Cửa sổ làm việc của Arduino IDE ....................................................... 54 Hình 4.4: Thêm thư viện cho Arduino IDE ......................................................... 56 Hình 4.5: Cửa số Library Manager ...................................................................... 56 Hình 4.6: Lưu đồ một chương trình trong Arduino IDE ...................................... 57 Hình 4.7: Project setting trong firebase .............................................................. 58 Hình 4.8: Database secrets trong firebase ............................................................ 58 Hình 4.9: Code Dabase secrets............................................................................. 59 Hình 4.10: Realtime Database trong firebase ...................................................... 59 Hình 4.11: URL firebase ...................................................................................... 60 Hình 4.12: Lưu đồ module wifi ............................................................................ 61 Hình 4.13: Lưu đồ đọc thời gian thực và hiển thị ................................................ 64 Hình 4.14: Lưu đồ đọc thẻ RFID ......................................................................... 66 Hình 4.15: Biểu tượng phần mềm Atom .............................................................. 67 Hình 4.16: Giao diện phần mềm Atom ................................................................ 67 Hình 4.17: Download phần mềm Atom ............................................................... 68 Hình 4.18: Giao diện sau khi cài đặt .................................................................... 69 Hình 4.19: Setting trên Atom ............................................................................... 69 Hình 4.20: Atom live server ................................................................................. 70 Hình 4.21: Cửa sổ trình duyệt web-server ........................................................... 70 Hình 4.22: Cấu trúc một web-server .................................................................... 71 Hình 4.23: Cấu trúc cơ bản của HTML ............................................................... 72 Hình 4.24: Chọn Start New Project ..................................................................... 75 Hình 4.25: Thiết kế giao diện App ....................................................................... 75 Hình 4.26: Lập trình cho App .............................................................................. 76 Hình 4.27: Biên dịch cho chương trình ................................................................ 76 Hình 4.28: Giao diện trang web Firebase ............................................................ 77 Hình 4.29:Cửa số khởi tạo Project ....................................................................... 77 Hình 4.30: Create database .................................................................................. 78 Hình 4.31: Chọn Security Rules cho Realtime Database..................................... 78 x Hình 4.32: Giao diện làm việc database .............................................................. 79 Hình 4.33: Giao diện màn hình chính App SmartRoom ...................................... 80 Hình 4.34: Bảng giao diện điều khiển đèn ........................................................... 81 Hình 4.35: Bảng giao diện điều khiển điều hòa, TV hoặc loa ............................. 82 Hình 4.36: Bảng giao diện điều khiển quạt .......................................................... 83 Hình 4.37: Giao diện của thiết bị thay đổi theo trạng thái ................................... 84 Hình 4.38: Start atom-live-server ......................................................................... 85 Hình 4.39: Giao diện web-server ......................................................................... 85 Hình 4.40: Bảng điều khiển thiết bị trên web-server ........................................... 86 Hình 5.1: Giao diện App Android trên điện thoại ................................................ 87 Hình 5.2: Giao diện điều khiển thiết bị App Android .......................................... 88 Hình 5.3: Firebase cập nhật dữ liệu qua App Android ........................................ 89 Hình 5.4: Giao diện web-server ........................................................................... 89 Hình 5.5: Giao diện điều khiển thiết bị trên web-server ...................................... 90 Hình 5.6: Firebase cập nhật dữ liệu qua web-server ............................................ 90 xi LIỆT KÊ BẢNG Bảng Trang Bảng 2.1:Bảng thống kê công suất điện các thiết bị trong phòng học ................. 4 Bảng 3.1: So sánh giữa các loại bộ nhớ ............................................................... 41 Bảng 3.2: Dòng và áp của các linh kiện sử dụng trong hệ thống ......................... 48 Bảng 4.1: Bảng thống kê linh kiện56 xii TÓM TẮT Ngày nay, việc ứng dụng công nghệ thông tin vào việc quản lý nhằm góp phần phục vụ và nâng cao chất lượng cuộc sống con người ngày càng được chú trọng nhiều hơn. Từ đó, việc ra đời của các ứng dụng cũng như thiết bị thông minh, có kết nối internet nhằm thuận tiện cho việc theo dõi cũng như điều khiển các thiết bị trong nhà cũng phát triển theo. Từ nhu cầu thực tế đó, nhóm chúng em đã quyết định thực hiện đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ TRONG PHÒNG HỌC. Đề tài sử dụng điện thoại thông minh, website có kết nối mạng để điều khiển những thiết bị như đèn, quạt thông qua NodeMCU ESP8266 và Arduino Mega2560 vào mọi thời điểm. Điều khiển bật tắt các thiết bị như đèn, quạt, máy điều hòa và có thể bật thiết. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 1 Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Cùng với sự phát triển của xã hội, ngày nay nhu cầu của con người ngày càng tăng cao từ đó kéo theo sự phát triển của các lĩnh vực nhằm phục vụ nhu cầu con người như điện tử, công nghệ thông tin, y tế . Sự phát triển mạnh của các lĩnh vực này đã góp phần to lớn giải quyết nhu cầu sống của con người và biến những điều tưởng chừng không thể ở thế kỷ trước như điều khiển, giám sát thiết bị trong nhà trở thành hiện thực. Không nằm ngoài xu thế đó, hiện nay để hội nhập quốc tế thì các trường học cũng đang đẩy mạnh việc ứng dụng công nghệ thông tin vào việc quản lý cơ sở vật chất cũng như quản lý nhằm nâng cao chất lượng cũng như tiết kiệm chi phí vận hành. Ngoài ra, mạng lưới Internet đã phát triển mạnh và có độ phủ sóng rộng lớn, cùng với đó thì các mạng điện thoại cũng đã phát triển các công nghệ mới nhằm phục vụ cho xu thế IoT cho nên việc phát triển các hệ thống điều khiển và giám sát các thiết bị trong phòng học đang được chú trọng. Từ thực tế đó, trên cơ sở nhu cầu ngày càng cao của việc có các hệ thống điều khiển cũng như giám sát các thiết bị trong phòng học thì nhóm chúng em đã quyết định thực hiện đề tài: “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH CÁC THIẾT BỊ TRONG PHÒNG HỌC.” 1.2 MỤC TIÊU Nhóm sẽ thiết kế và thi công mô hình điều k