Đồ án Thiết kế và thi công hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ kết hợp với điều khiển thiết bị điện từ xa thông qua Internet và Lora

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 10 tháng 06 năm 2019 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Võ Hồng Sơn MSSV: 15141268 Nguyễn Lâm Hoàng Minh Tuấn MSSV: 15141320 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông Mã ngành: 141 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2015 Lớp: 15141DT I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ KẾT HỢP VỚI ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TỪ XA THÔNG QUA INTERNET VÀ LORA II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: - Các loại vi điều khiển: Arm STM32F103, Arduino Nano, Esp 8266 V12 - Các loại Module: Lora – E32 TTL 100, đo điện năng PZEM004T, sim 800L - Màn hình hiển thị: LCD 16x02, LCD_TFT 2.4 inch - Cảm biến khí gas MQ2 - Điều khiển thiết bị điện: relay, transistor, diode - Nguồn: module hạ áp AC – DC, pin dự phòng và mạch sạc pin 2. Nội dung thực hiện - Tìm hiểu và tham khảo các tài liệu, giáo trình, nghiên cứu các chủ đề, các nội dung liên quan đến đề tài. - Tìm hiểu về công nghệ Lora, IoT. - Thiết kế, thi công hệ thống điều khiển. - Thiết kế ứng dụng điều khiển trên hệ điều hành Android - Chạy thử nghiệm hệ thống - Chỉnh sửa lỗi xuất hiện - Đánh giá kết quả thực hiện - Viết báo cáo luận văn ii - Báo cáo đề tài tốt nghiệp III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 18/02/2019 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/06/2019 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Nguyễn Duy Thảo 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 10 tháng 06 năm 2019 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Võ Hồng Sơn Lớp: 15141DT1C MSSV:15141268 Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Lâm Hoàng Minh Tuấn Lớp: 15141DT1A MSSV:15141320 Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ KẾT HỢP VỚI ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TỪ XA QUA INTERNET VÀ LORA Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD Tuần 1,2 18/02-03/03 Gặp GVHD để lựa chọn đề tài tốt nghiệp và viết đề cương chi tiết Tuần 3,4,5 04/03-24/03 Tìm hiểu các linh kiện sử dụng trong mạch. Thiết kế sơ đồ nguyên lí Tuần 6,7,8,9 25/03-21/04 Lập trình vi điều khiển điều khiển và giao tiếp với các module trong mạch Tuần 10,11 22/04-05/05 Thiết kế App Android, truyền nhận dữ liệu giữa Firebase với App và với Esp8266 Tuần 12 06/05-12/05 Đóng hộp mô hình, kiểm tra hoạt động của hệ thống Tuần 13,14,15 13/05-09/06 Kiểm tra và sửa lỗi hệ thống. Viết báo cáo hoàn chỉnh GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) iv LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do chúng 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 Võ Hồng Sơn Nguyễn Lâm Hoàng Minh Tuấn v LỜI CẢM ƠN Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến ThS. Nguyễn Duy Thảo đã trực tiếp hướng dẫn, góp ý, chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu, tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện để chúng em hoàn thành tốt đề tài. Chúng em xin gửi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện - Điện Tử đã tạo những điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đề tài. Chúng em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 15141DT đã chia sẻ trao đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài. Cảm ơn đến cha mẹ đã tạo điều kiện tốt nhất về kinh tế và tinh thần để con hoàn thành tốt đề tài này. Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài Võ Hồng Sơn Nguyễn Lâm Hoàng Minh Tuấn vi MỤC LỤC Trang NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ........................................................................... i LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................................... iii LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... iv LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ v LIỆT KÊ HÌNH ....................................................................................................... viii LIỆT KÊ BẢNG ...................................................................................................... xii TÓM TẮT ............................................................................................................... xiii CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................... 1 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ .............................................................................................. 1 1.2. MỤC TIÊU ................................................................................................... 2 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ........................................................................ 2 1.4. GIỚI HẠN .................................................................................................... 3 1.5. BỐ CỤC ....................................................................................................... 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................ 5 2.1. TẦM QUAN TRỌNG CỦA VIỆC QUẢN LÝ ĐIỆN NĂNG .................... 5 2.2. CÔNG NGHỆ IOT ....................................................................................... 5 2.3. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ........................................................................ 6 2.3.1. Vi điều khiển ...................................................................................... 6 2.3.2. Module WiFi ESP 8266 ...................................................................... 9 2.3.3. Module Lora E32 – TTL – 100 ........................................................ 11 2.3.4. Module đo điện năng PZEM – 004T ................................................ 13 2.3.5. Module Sim 800L ............................................................................. 15 2.3.6. Module chuyển đổi nguồn điện AC – DC ........................................ 16 2.3.7. Module hiển thị ................................................................................. 17 2.3.8. Cảm biến khí Gas MQ-2 ................................................................... 20 2.3.9. Relay tiếp điểm cơ khí ...................................................................... 21 2.3.10. Pin và mạch sạc ................................................................................ 22 2.4. CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU .......................................................... 23 2.4.1. Chuẩn truyền thông UART .............................................................. 23 2.4.2. Chuẩn truyền thông SPI .................................................................... 25 2.4.3. Chuẩn giao tiếp I2C .......................................................................... 26 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ........................................................ 28 3.1. GIỚI THIỆU ............................................................................................... 28 3.2. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ............................................... 28 vii 3.2.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ............................................................ 28 3.2.2. Tính toán mạch điện ......................................................................... 30 3.2.3. Thiết kế từng khối............................................................................. 32 3.2.4. Sơ đồ nguyên lí toàn mạch ............................................................... 40 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ............................................................... 42 4.1. GIỚI THIỆU ............................................................................................... 42 4.2. THI CÔNG HỆ THỐNG ............................................................................ 42 4.2.1. Thi công board mạch ........................................................................ 42 4.2.2. Lắp ráp và kiểm tra ........................................................................... 44 4.2.3. Thi công, đóng gói mô hình ............................................................. 45 4.3. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG .......................................................................... 48 4.3.1. Lưu đồ giải thuật............................................................................... 48 4.3.2. Phần mềm lập trình cho vi điều khiển .............................................. 63 4.3.3. Phần mềm lập trình giao diện điều khiển ......................................... 66 4.4. VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC ....................... 68 4.4.1. Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng ....................................................... 68 4.4.2. Qui trình thao tác .............................................................................. 69 CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ........................................... 72 5.1. GIỚI THIỆU ............................................................................................... 72 5.2. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC ............................................................................. 72 5.3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ...................................................................... 74 5.3.1. Cấp nguồn và kết nối Wifi cho board mạch chính (Master) ............ 74 5.3.2. Kết nối Master với các Slave ............................................................ 76 5.3.3. Đăng nhập ứng dụng trên điện thoại ................................................ 77 5.3.4. Cài đặt các thông số cho ứng dụng ................................................... 82 5.3.5. Giám sát và điều khiển trực tiếp tại các board mạch ........................ 83 5.3.6. Cảnh báo rò rỉ khí Gas qua tin nhắn SMS và cuộc gọi .................... 85 5.3.7. Hệ thống hoạt động khi mất điện ..................................................... 87 5.4. NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ ........................................................................ 88 5.4.1. Nhận xét ............................................................................................ 88 5.4.2. Đánh giá ............................................................................................ 88 CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN..................................... 90 6.1. KẾT LUẬN ................................................................................................ 90 6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................................. 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 91 PHỤ LỤC ................................................................................................................ 92 viii LIỆT KÊ HÌNH Hình Trang Hình 2.1: Board STM32F103C8T6 BlueBill ............................................................. 6 Hình 2.2: Board STM32F103C8T6 BlueBill với các GPIO ...................................... 7 Hình 2.3: Board Arduino Nano ................................................................................. 8 Hình 2.4: Arduino Nano GPIO ................................................................................. 8 Hình 2.5: ESP – 12 ................................................................................................... 10 Hình 2.6: Module Lora E32 – TTL – 100 ................................................................ 11 Hình 2.7: Mạch nguyên lý nối dây với vi điều khiển ............................................... 12 Hình 2.8: Dạng sóng khi module truyền dữ liệu qua vi điều khiển ......................... 12 Hình 2.9: Dạng sóng khi module nhận dữ liệu không dây....................................... 12 Hình 2.10: Module PZEM - 004T ............................................................................ 13 Hình 2.11: Sơ đồ nối dây để sử dụng module PZEM 004T ..................................... 14 Hình 2.12: Module SIM800L ................................................................................... 15 Hình 2.13: Các chân kết nối của module SIM800L ................................................. 15 Hình 2.14: Module Hi-Link chuyển đổi nguồn AC-DC .......................................... 16 Hình 2.15: LCD 16x02 ............................................................................................. 17 Hình 2.16: Module chuyển đổi I2C cho LCD 16x02 ............................................... 18 Hình 2.17: Màn hình LCD TFT 2.4inch .................................................................. 19 Hình 2.18: Module cảm biến khí gas MQ2 .............................................................. 20 Hình 2.19: Relay 5V................................................................................................. 21 Hình 2.20: Pin lipo 2000 mAh 3.7v ......................................................................... 22 Hình 2.21: Mạch sạc pin TP4056 ............................................................................. 22 Hình 2.22: Gói dữ liệu truyền của UART ................................................................ 23 Hình 2.23: Sóng truyền UART ................................................................................ 24 Hình 2.24: Quá trình truyền UART ......................................................................... 24 Hình 2.25: Quá trình nhận UART ............................................................................ 24 Hình 2.26: Truyền dữ liệu SPI ................................................................................. 26 Hình 2.27: Bus I2C và các thiết bị ngoại vi ............................................................. 26 Hình 2.28: Trình tự truyền bit trên đường truyền .................................................... 27 Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống ........................................................................... 28 Hình 3.2: BJT điều khiển Relay ............................................................................... 30 Hình 3.3: Mạch Enable nguồn điện dùng Mosfet FDN340P ................................... 31 Hình 3.4: Transistor BJT điều khiển Buzzer 5 VDC ............................................... 31 Hình 3.5: Kết nối PZEM với ARM .......................................................................... 32 Hình 3.6: Kết nối PZEM với Arduino ...................................................................... 32 ix Hình 3.7: Kết nối cảm biến khí Gas với Arduino Nano ........................................... 33 Hình 3.8: Kết nối Module SIM800L với vi điều khiển ARM ................................. 33 Hình 3.9: Kết nối ESP8266 V12E với vi điều khiển ARM ..................................... 34 Hình 3.10: Kết nối LORA với ARM ........................................................................ 34 Hình 3.11: Kết nối LORA với Arduino ................................................................... 34 Hình 3.12: Khối điều khiển công suất ngõ ra của Board mạch chính...................... 35 Hình 3.13: Khối điều khiển công suất ngõ ra của Board mạch phụ ........................ 36 Hình 3.14: Kết nối LCD TFT với ARM .................................................................. 36 Hình 3.15: Kết nối LCD 1602 với Arduino ............................................................. 36 Hình 3.16: Mạch chuyển nguồn ............................................................................... 37 Hình 3.17: Khối nguồn và pin dự phòng .................................................................. 38 Hình 3.18: Mạch điều khiển phụ (Slave) ................................................................. 40 Hình 4.1: Bố trí linh kiện mặt trên của Board mạch chính (Master) ....................... 42 Hình 4.2: Bố trí linh kiện mặt dưới của Board mạch chính (Master) ...................... 42 Hình 4.3: Bố trí linh kiện mặt trên cho Board mạch phụ (Slave) ............................ 43 Hình 4.4: Mặt phía dưới Board mạch phụ (Slave) ................................................... 44 Hình 4.5: Hình ảnh thực tế Board mạch chính sau khi hàn linh kiện ...................... 44 Hình 4.6: Hình ảnh thực tế Board mạch phụ sau khi hàn linh kiện ......................... 45 Hình 4.7: Hình ảnh hộp bảo vệ các Board mạch...................................................... 45 Hình 4.8: Hình ảnh thực tế bên trong hộp Board mạch chính (Master) .................. 46 Hình 4.9: Hình ảnh thực tế bên trong hộp Board mạch phụ (Slave) ........................ 46 Hình 4.10: Hình ảnh thực tế các hộp nút nhấn điều khiển bằng tay ........................ 47 Hình 4.11: Hình ảnh hoàn chỉnh của bộ giám sát và điều khiển .............................. 47 Hình 4.12: Lưu đồ chương trình chính của Board mạch chính............................... 48 Hình 4.13: Lưu đồ chương trình con khởi tạo hệ thống ........................................... 51 Hình 4.14: Lưu đồ chương trình con gửi và nhận dữ liệu với Slave ....................... 52 Hình 4.15: Lưu đồ chương trình con đọc cảm biến PZEM ...................................... 52 Hình 4.16: Lưu đồ chương trình chính Arduino Nano ............................................ 53 Hình 4.17: Lưu đồ chương trình con kiểm tra nút nhấn .......................................... 54 Hình 4.18: Lưu đồ chương trình con kiểm tra cảm biến khí gas ............................. 55 Hình 4.19: Chương trình con gửi dữ liệu qua Board mạch chính ........................... 55 Hình 4.20: Chương trình con nhận dữ liệu từ Board mạch chính ............................ 56 Hình 4.21: Lưu đồ chương trình con ESP 8266 ...................................................... 57 Hình 4.22: Lưu đồ chương trình con tạo dữ liệu gửi lên Firebase ........................... 58 Hình 4.23: Chương trình chính của ứng dụng điện thoại ......................................... 59 x Hình 4.24: Chương trình phòng khách ..................................................................... 60 Hình 4.25: Chương trình con cài đặt thông số tính tiền ........................................... 61 Hình 4.26: Chương trình con tính tiền điện ............................................................. 62 Hình 4.27: Giao diện phần mềm STM32 CubeMx .................................................. 63 Hình 4.28: Giao diện phần mềm Keil ARM ............................................................ 64 Hình 4.29: Giao diện phần mềm Arduino IDE ........................................................ 65 Hình 4.30: Giao diện phần mềm Android Studio .................................................... 66 Hình 4.31: Giao diện phần lập trình giao diện ......................................................... 67 Hình 4.32: Giao diện phần lập trình Java ................................................................. 67 Hình 4.33: Màn hình giám sát ở board mạch chính ................................................. 69 Hình 4.34: Màn hình giám sát và điều khiển ở board mạch chính .......................... 69 Hình 4.35: Màn hình đăng nhập trên ứng dụng ....................................................... 70 Hình 4.36: Màn hình giám sát các thiết bị điện ....................................................... 70 Hình 4.37: Màn hình điều khiển các thiết bị điện trên ứng dụng ............................ 71 Hình 4.38: Màn hình Menu cài đặt .......................................................................... 71 Hình 5.1: Màn hình thông báo cấu hình kết nối wifi ............................................... 74 Hình 5.2: Màn hình cấu hình kết nốí