Đồ án Thiết kế và thi công mô hình điều khiển thiết bị điện

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 CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN GVHD: ThS. Nguyễn Đình Phú SVTH: Nguyễn Tri Phương 14141238 Võ Duy Tâm 14141276 Tp. Hồ Chí Minh – 7/2019 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 MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN GVHD: ThS. Nguyễn Đình Phú SVTH: Nguyễn Tri Phương 14141238 Võ Duy Tâm 14141276 Tp. Hồ Chí Minh – 7/2019 i Tp. HCM, ngày 28 tháng 6 năm 2019 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Tri Phương MSSV: 14141238 Võ Duy Tâm MSSV: 14141276 Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử truyền thông Mã ngành: 141 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2014 Lớp: 14141DT I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN II. NHIỆM VỤ: 1. Các số liệu ban đầu - Nguyễn Đình Phú, Giáo trình Vi điều khiển, Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh. - Trần Thu Hà – Trương Thị Bích Ngà – Nguyễn Thị Lưỡng – Bùi Thị Tuyết Đan – Phù Thị Ngọc Hiếu – Dương Thị Cẩm Tú, Giáo trình Điện tử cơ bản, Nhà xuất bản ĐH Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh. - Nguyễn Đình Phú – Nguyễn Trường Duy, Giáo trình Kỹ thuật số, Nhà xuất bản ĐH Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh. 2. Nội dung thực hiện - Điều khiển và giám sát thiết bị thông qua Internet. - Thiết kế giao diện ứng dụng, Web Server. - Thi công mạch và mô hình. - Cân chỉnh hệ thống. - Đánh giá kết quả thực hiện. 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---- ii - Viết báo cáo. - Báo cáo đề tài. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 18/02/2019 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/06/2019 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Nguyễn Đình Phú 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 28 tháng 6 năm 2019 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Nguyễn Tri Phương Lớp: 14141DT1B MSSV: 14141238 Họ tên sinh viên 2: Võ Duy Tâm Lớp: 14141DT2C MSSV: 14141276 Tên đề tài: Thiết kế và thi công mô hình điều khiển thiết bị điện Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD Tuần 1 (18/2 – 24/2) Gặp GVHD để trao đổi về đề tài đồ án, tiến hành chọn đề tài Tuần 2 (25/2 – 3/3) Tìm hiểu các đề tài có liên quan Báo cáo hướng thực hiện đề tài với GVHD Tuần 3 (4/3 – 10/3) Viết đề cương chi tiết, lịch trình thực hiện Tuần 4 (11/3 – 17/3) Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý Lựa chọn linh kiện Tuần 5 (18/3 – 24/3) Tìm hiểu module Wifi ESP32 Tuần 6 (25/3 – 31/3) Báo cáo tiến độ cho GVHD Lập trình cho ESP32 điều khiển Led đơn Tuần 7 (1/4 – 7/4) Tìm hiểu hệ điều hành Android, Web Server iv Tuần 8 (8/4 – 14/4) Thiết kế ứng dụng, giao diện Web Tuần 9 (15/4 – 21/4) Lập trình ESP32 điều khiển được thiết bị điện Tuần 10, 11 (22/4 – 5/5) Báo cáo tiến độ cho GVHD Tổng hợp chương trình, giao tiếp giữa các module điều khiển, truyền nhận dữ liệu qua Internet Tuần 12 (6/5 – 12/5) Tiến hành vẽ và thi công mạch phần cứng Tuần 13 (13/5 – 19/5) Tiến hành vẽ và thi công mạch phần cứng Tuần 14 (20/5 – 26/5) Thi công mô hình Viết báo cáo Tuần 15 (27/5 – 2/6) Hoàn thành mạch, mô hình Kiểm tra hoạt động hệ thống Viết báo cáo Tuần 16, 17 (3/6 – 16/6) Hoàn thiện báo cáo và mô hình GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) v LỜI CAM ĐOAN Chúng tôi xin cam kết khóa luận tốt nghiệp này là đề tài do chính chúng tôi nghiên cứu và thực hiện. Chúng tôi chỉ dựa trên mà không sao chép từ bất kì tài liệu hay công trình nào đã được thực hiện trước đó. Nếu có bất kỳ vi phạm nào, chúng tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Người thực hiện Nguyễn Tri Phương Võ Duy Tâm vi LỜI CẢM ƠN Chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Đình Phú. Trong suốt quá trình thực hiện đề tài này, Thầy luôn là người đồng hành cùng chúng em với sự chỉ dẫn tận tình, những lời góp ý nhận xét và những kinh nghiệm quý báu được Thầy truyền đạt lại đã tạo điều kiện thuận lợi để chúng em hoàn thành tốt đề tài. Chúng em xin cảm ơn đến các Thầy, Cô trong khoa Điện – Điện tử đã giảng dạy cho chúng em những kiến thức nền tảng để chúng em có tiền đề thực thiện đề tài này. Cảm ơn cha mẹ đã tạo điều kiện tốt nhất, là động lực mạnh mẽ để con hoàn thành khóa luận này. Xin chân thành cảm ơn. Người thực hiện Nguyễn Tri Phương Võ Duy Tâm vii MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ........................................................................... i LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................................... iii LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... v LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... vi MỤC LỤC ................................................................................................................ vii LIỆT KÊ HÌNH ........................................................................................................ xii LIỆT KÊ BẢNG ....................................................................................................... xv TÓM TẮT ............................................................................................................... xvi Chương 1. TỔNG QUAN ........................................................................................... 1 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................... 1 1.2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI ...................................................................................... 1 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ......................................................................... 2 1.4. GIỚI HẠN ..................................................................................................... 2 1.5. BỐ CỤC ........................................................................................................ 3 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................ 4 2.1. SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐIỆN DÂN DỤNG ................................................... 4 2.2. TỔNG QUAN VỀ INTERNET OF THINGS ............................................... 4 2.2.1. Giới thiệu ............................................................................................. 4 2.2.2. Lịch sử hình thành ............................................................................... 6 2.2.3. Ứng dụng của IoT ................................................................................ 6 2.3. CÔNG NGHỆ WIFI .................................................................................... 10 2.3.1. Giới thiệu ........................................................................................... 10 2.3.2. Công nghệ truyền nhận dữ liệu ......................................................... 10 2.3.3. Thành phần của mạng Wifi ............................................................... 11 2.3.4. Cấu trúc liên kết ................................................................................ 11 2.3.5. Hotspot .............................................................................................. 12 viii 2.3.6. Cách thức hoạt động .......................................................................... 12 2.3.7. Giao tiếp trong Wifi .......................................................................... 13 2.3.8. Ưu nhược điểm .................................................................................. 14 2.3.9. Bảo mật .............................................................................................. 14 2.4. HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID ..................................................................... 14 2.4.1. Giới thiệu ........................................................................................... 14 2.4.2. Lịch sử ............................................................................................... 15 2.4.3. Tính năng ........................................................................................... 15 2.4.4. Kiến trúc cơ bản ................................................................................ 16 2.4.5. Thành phần của ứng dụng Android ................................................... 17 2.4.6. Ưu nhược điểm .................................................................................. 18 2.5. GIAO THỨC MQTT ................................................................................... 19 2.5.1. Giới thiệu ........................................................................................... 19 2.5.2. Lịch sử ............................................................................................... 19 2.5.3. Thành phần của MQTT ..................................................................... 20 2.5.4. MQTT QoS ........................................................................................ 21 2.5.5. Broker trong IoT ................................................................................ 21 2.5.6. Ưu điểm ............................................................................................. 22 2.5.7. Bảo mật .............................................................................................. 22 2.6. GIỚI THIỆU NODE – RED ........................................................................ 22 2.6.1. Giới thiệu ........................................................................................... 22 2.6.2. Node – RED và IoT ........................................................................... 23 2.6.3. Tính năng ........................................................................................... 24 2.7. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ....................................................................... 25 2.7.1. Giới thiệu chip Wifi ESP32 ............................................................... 25 2.7.1.1. Tổng quan ESP32 ........................................................................... 25 2.7.1.2. Đặc điểm ........................................................................................ 27 ix 2.7.1.3. Sơ đồ chân của module ESP32-WOOM-32 .................................. 28 2.7.1.4. Chức năng tích hợp trong ESP32 ................................................... 31 2.7.1.4.1. CPU và kiến trúc bộ nhớ ............................................................. 31 2.7.1.4.2. Timers và Watchdogs .................................................................. 32 2.7.1.4.3. Hệ thống xung đồng hồ (Clock) .................................................. 33 2.7.1.4.4. Wifi ............................................................................................. 33 2.7.1.4.5. Bluetooth ..................................................................................... 34 2.7.1.4.6. RTC và quản lý năng lượng thấp ................................................ 34 2.7.1.5. Thiết bị ngoại vi và cảm biến của ESP32 ...................................... 34 2.7.1.6. Đặc tính về điện ............................................................................. 36 2.7.1.7. Sơ đồ nguyên lý module ESP32-WOOM-32 ................................. 37 2.7.2. Giới thiệu cảm biến ........................................................................... 38 2.7.2.1. Giới thiệu ....................................................................................... 38 2.7.2.2. Hoạt động ....................................................................................... 38 Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ................................................................. 41 3.1. GIỚI THIỆU ................................................................................................ 41 3.2. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ...................................................................... 41 3.2.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ............................................................. 41 3.2.2. Tính toán và thiết kế .......................................................................... 43 3.2.2.1. Khối xử lý trung tâm ...................................................................... 43 3.2.2.2. Khối ngõ ra công suất .................................................................... 44 3.2.2.3. Khối cảm biến ................................................................................ 47 3.2.2.4. Khối nguồn ..................................................................................... 49 3.2.2.5. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch ............................................................ 51 Chương 4: THI CÔNG HỆ THỐNG ........................................................................ 52 4.1. GIỚI THIỆU ................................................................................................ 52 4.2. THI CÔNG HỆ THỐNG ............................................................................. 52 x 4.2.1. Thi công board mạch ......................................................................... 52 4.2.2. Lắp ráp và kiểm tra ............................................................................ 56 4.3. ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH .................................................... 56 4.3.1. Đóng gói bộ điều khiển ..................................................................... 56 4.3.2. Thi công mô hình .............................................................................. 57 4.4. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ........................................................................... 57 4.4.1. Lưu đồ giải thuật ............................................................................... 57 4.4.1.1. Lưu đồ giải thuật mạch điều khiển ................................................. 57 4.4.1.2. Lưu đồ giải thuật Web Server ........................................................ 59 4.4.2. Phần mềm lập trình vi điều khiển ...................................................... 61 4.4.2.1. Giới thiệu ....................................................................................... 61 4.4.2.2. Chương trình điều khiển ................................................................ 65 4.4.3. Web Server ........................................................................................ 65 4.4.4. Ứng dụng Android ............................................................................. 71 4.5. HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC .................................................... 74 4.5.1. Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng ........................................................ 74 4.5.2. Quy trình thao tác .............................................................................. 74 Chương 5: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ ............................................. 76 5.1. GIỚI THIỆU ................................................................................................ 76 5.2. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC .............................................................................. 76 5.3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ....................................................................... 76 5.3.1. Mô hình ............................................................................................. 76 5.3.2. Điều khiển và giám sát thiết bị, cảm biến qua Web Server .............. 77 5.3.3. Điều khiển và giám sát thiết bị, cảm biến qua ứng dụng Android .... 79 5.4. NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ ..................................................................... 80 5.4.1. Nhận xét............................................................................................. 80 5.4.2. Đánh giá............................................................................................. 80 xi Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................. 82 6.1. KẾT LUẬN ................................................................................................. 82 6.1.1. Ưu điểm ............................................................................................. 82 6.1.2. Khuyết điểm ...................................................................................... 82 6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................................................. 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 83 PHỤ LỤC .................................................................................................................. 84 xii LIỆT KÊ HÌNH Hình 2.1. Internet of things ......................................................................................... 5 Hình 2.2. Ứng dụng của IoT ....................................................................................... 6 Hình 2.3. Smart Home ................................................................................................. 7 Hình 2.4. IoT trong giao thông vận tải ....................................................................... 7 Hình 2.5. IoT trong y tế ............................................................................................... 8 Hình 2.6. IoT trong nông nghiệp ................................................................................. 9 Hình 2.7. Smart City .................................................................................................... 9 Hình 2.8. Biểu tượng Wifi ......................................................................................... 10 Hình 2.9. Cấu trúc liên kết ngang hàng .................................................................... 11 Hình 2.10. Cấu trúc liên kết dựa trên AP ................................................................. 12 Hình 2.11. Cách thức hoạt động của mạng Wifi ....................................................... 13 Hình 2.12. Cách thức giao tiếp trong mạng Wifi ...................................................... 13 Hình 2.13. Biểu tượng Android ................................................................................. 15 Hình 2.14. Một số ứng dụng Android ....................................................................... 18 Hình 2.15. Giao thức MQTT ..................................................................................... 19 Hình 2.16. Hoạt động của client ............................................................................... 20 Hình 2.17. Hoạt động của Topic ............................................................................... 20 Hình 2.18. Thành phần của một MQTT trong hệ thống IoT ..................................... 21 Hình 2.19. Một Node - RED cơ bản .......................................................................... 23 Hình 2.20. Node – RED và IoT ................................................................................. 24 Hình 2.21. Giao diện Node – RED ............................................................................ 24 Hình 2.22. Module ESP32-WOOM-32 ..................................................................... 26 Hình 2.23. Kiến trúc của ESP32 ................................................