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

INH 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 TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ----o0o---- 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. i - 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 ii TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ----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 Xác nhận Tuần/ngày Nội dung GVHD Tuần 1 Gặp GVHD để trao đổi về đề tài đồ án, tiến hành (18/2 – 24/2) chọn đề tài Tuần 2 Tìm hiểu các đề tài có liên quan (25/2 – 3/3) Báo cáo hướng thực hiện đề tài với GVHD Tuần 3 Viết đề cương chi tiết, lịch trình thực hiện (4/3 – 10/3) Tuần 4 Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý (11/3 – 17/3) Lựa chọn linh kiện Tuần 5 Tìm hiểu module Wifi ESP32 (18/3 – 24/3) Tuần 6 Báo cáo tiến độ cho GVHD (25/3 – 31/3) Lập trình cho ESP32 điều khiển Led đơn Tuần 7 Tìm hiểu hệ điều hành Android, Web Server (1/4 – 7/4) iii Tuần 8 Thiết kế ứng dụng, giao diện Web (8/4 – 14/4) Tuần 9 Lập trình ESP32 điều khiển được thiết bị điện (15/4 – 21/4) Báo cáo tiến độ cho GVHD Tuần 10, 11 Tổng hợp chương trình, giao tiếp giữa các (22/4 – 5/5) module điều khiển, truyền nhận dữ liệu qua Internet Tuần 12 Tiến hành vẽ và thi công mạch phần cứng (6/5 – 12/5) Tuần 13 Tiến hành vẽ và thi công mạch phần cứng (13/5 – 19/5) Tuần 14 Thi công mô hình (20/5 – 26/5) Viết báo cáo Hoàn thành mạch, mô hình Tuần 15 Kiểm tra hoạt động hệ thống (27/5 – 2/6) Viết báo cáo Tuần 16, 17 Hoàn thiện báo cáo và mô hình (3/6 – 16/6) GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) iv 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 v 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 vi 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 vii 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 viii 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 ix 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 x 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 xi 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 ............................................................................... 26 Hình 2.24. Sơ đồ bố trí chân của module ESP32-WOOM-32 .................................. 31 Hình 2.25. Cấu trúc và địa chỉ bộ nhớ của ESP32 ................................................... 32 Hình 2.26. Sơ đồ nguyên lý module ESP32-WOOM-32 ........................................... 37 Hình 2.27. Sơ đồ nguyên lý thiết bị ngoại vi module ESP32-WOOM-32 ................. 38 Hình 2.28. Sơ đồ chân DHT11 .................................................................................. 38 Hình 2.29. Xung bắt đầu DHT11 .............................................................................. 39 Hình 2.30. Gửi xung phản hồi của DHT11 ............................................................... 39 Hình 2.31. Gửi dữ liệu chứa bit 0, bit 1 .................................................................... 40 xii Hình 2.32. Kết thúc đọc giá trị của DHT11 .............................................................. 40 Hình 3.1. Sơ đồ mô hình hệ thống ............................................................................. 41 Hình 3.2. Sơ đồ khối hệ thống ................................................................................... 42 Hình 3.3. Ảnh thực tế board ESP32-DevKitC .......................................................... 43 Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý board điều khiển ESP32-DevKitC .................................. 44 Hình 3.5. Relay 5V-10A ............................................................................................ 45 Hình 3.6. Diode 1N4007, Opto PC817 và transistor C1815 .................................... 46 Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý khối công suất ngõ ra ..................................................... 47 Hình 3.8. Cảm biến DHT11 ...................................................................................... 48 Hình 3.9. Sơ đồ kết nối cảm biến DHT11 với ESP32 ............................................... 48 Hình 3.10. Module nguồn AC-DC............................................................................. 49 Hình 3.11. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn .................................................................. 50 Hình 3.12. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch ..................................................................... 51 Hình 4.1. Sơ đồ bố trí linh kiện mạch điều khiển ...................................................... 53 Hình 4.2. Sơ đồ đi dây mạch in lớp trên ................................................................... 53 Hình 4.3. Sơ đồ đi dây mạch in lớp dưới .................................................................. 54 Hình 4.4. Sơ đồ 3D mạch điều khiển ........................................................................ 54 Hình 4.5. Mạch điều khiển sau khi lắp linh kiện ....................................................... 56 Hình 4.6. Ảnh hộp dựng mạch điều khiển ................................................................. 56 Hình 4.7. Mô hình mặt trong và mặt ngoài hệ thống ................................................ 57 Hình 4.8. Lưu đồ điều khiển thiết bị.......................................................................... 58 Hình 4.9. Lưu đồ Web Server .................................................................................... 60 Hình 4.10. Biểu tượng VSCode ................................................................................. 61 Hình 4.11. Giao diện trang Web tải VSCode ............................................................ 62 Hình 4.12. Giao diện khởi động VSCode .................................................................. 63 Hình 4.13. Cài đặt PlatformIO IDE .......................................................................... 63 Hình 4.14. Tạo dự án lập trình cho board ESP32-DevKitC ..................................... 64 Hình 4.15. Giao diện lập trình .................................................................................. 64 Hình 4.16. Đăng ký tài khoản Cloud MQTT ............................................................. 65 Hình 4.17. Tạo một dự án mới trong Cloud MQTT .................................................. 66 Hình 4.18. Thông tin cần thiết cho dự án trong Cloud MQTT ................................. 66 Hình 4.19. Một số dự án sau khi tạo ......................................................................... 66 xiii Hình 4.20. Thông tin chi tiết cho một dự án ............................................................. 67 Hình 4.21. Nơi giám sát và điều khiển dữ liệu .......................................................... 67 Hình 4.22. Khởi động Node – RED ........................................................................... 68 Hình 4.23. Màn hình giao diện thiết kế Web ............................................................ 69 Hình 4.24. Tạo kết nối với Server ............................................................................. 69 Hình 4.25. Cấu hình địa chỉ kết nối .......................................................................... 69 Hình 4.26. Một nút điều khiển cơ bản ....................................................................... 70 Hình 4.27. Cấu hình cho một nút .............................................................................. 70 Hình 4.28. Tiến hành deploy giao diện ..................................................................... 71 Hình 4.29. Giao diện nút điều khiển ......................................................................... 71 Hình 4.30. Ứng dụng MQTT Dashboard .................................................................. 71 Hình 4.31. Bảng thuộc tính MQTT Dashboard ........................................................ 72 Hình 4.32. Tạo một Broker ....................................................................................... 73 Hình 4.33. Thiết kế và chỉnh sửa giao diện ứng dụng .............................................. 73 Hình 4.34. Quy trình thao tác ................................................................................... 74 Hình 5.1. Mô hình hệ thống khi được cấp nguồn 220VAC ....................................... 76 Hình 5.2. Các thiết bị khi chưa được bật trên màn hình điều khiển ......................... 77 Hình 5.3. Các thiết bị được bật trên màn hình điều khiển ........................................ 77 Hình 5.4. Nhiệt độ và độ ẩm bộ điều khiển hiển thị trên giao diện Web .................. 78 Hình 5.5. Trạng thái thiết bị được giám sát trên Cloud MQTT ................................ 78 Hình 5.6. Giao diện ứng dụng Android khi các thiết bị tắt, bật và giá trị cảm biến 79 Hình 5.7. Mô hình khi bật các thiết bị ...................................................................... 79 xiv LIỆT KÊ BẢNG Bảng 2.1: Thống kê các thiết bị điện trong phòng học và công suất tiêu thụ............. 4 Bảng 2.2: Các phiên bản module của ESP32 ........................................................... 25 Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật cơ bản của module ESP32-WOOM-32 ....................... 27 Bảng 2.4: Định nghĩa các chân module ESP32-WOOM-32 ..................................... 28 Bảng 2.5: Các thông số đề nghị cho module ESP32-WOOM-32 ............................. 36 Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật Relay ........................................................................... 45 Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật module cảm biến DHT11 ............................................ 48 Bảng 3.3: Dòng điện của các linh kiện sử dụng trong mạch điều khiển .................. 49 Bảng 4.1: Danh sách linh kiện sử dụng .................................................................... 55 Bảng 4.2: Thông tin server MQTT ............................................................................ 67 Bảng 5.1: Số liệu thực nghiệm .................................................................................. 80 xv TÓM TẮT Công nghệ đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại. IoT, hiện đã và đang phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây, nó đơn giản là một hệ thống bao gồm tất cả mọi thứ xung quanh chúng ta được kết nối với nhau thông qua Internet. Xu hướng này làm cho mọi thứ trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết, khi mà sự tương tác giữa con người và thiết bị được tối ưu hóa nhất có thể. Điều khiển, giám sát thiết bị từ xa là một trong những ứng dụng phổ biến nhất của xu hướng này. Với mục đích tiếp cận xu hướng trên và mong muốn nắm bắt những công nghệ mới nên nhóm chúng tôi quyết định thực hiện đề tài “Thiết kế và thi công mô hình điều khiển thiết bị điện”. Đề tài này sẽ là một hệ thống hoàn thiện bao gồm phần cứng phần mềm, và có thể đáp ứng được cho các phòng học, phòng thí nghiệm, hộ gia đình, Nội dung chính của đề tài • Sử dụng board ESP32-DevKitC làm mạch điều khiển trung tâm. • Điều khiển thiết bị trên ứng dụng Android và giao diện Web thông qua Internet. • Giám sát trạng thái hoạt động của thiết bị qua Web Server. • Lưu trữ trạng thái điều khiển của thiết bị. xvi CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Xã hội ngày càng phát triển không ngừng, công nghệ ngày càng hiện đại để đáp ứng nhu cầu càng cao của con người. Chính vì thế công nghệ bây giờ đang gần gũi với cuộc sống hằng ngày hơn bao giờ hết, chúng ta đang ở trong thời đại mà sự bùng phát kỹ thuật tiên tiến và các ứng dụng của nó rất mạnh mẽ. Dưới bóng của nó là các công nghệ được tích hợp trong rất nhiều lĩnh vực như ôtô, tàu điện ngầm, các lĩnh vực y tế, giáo dục và cả trong nhà ở, ... Trong những năm trở lại đây, kỹ thuật truyền và nhận dữ liệu không dây có những bước phát triển vượt bậc nhằm thay thế các hệ thống dây dẫn phức tạp còn nhiều hạn chế, không đáp ứng được cho việc truyền dẫn đến những khu vực xa xôi. Sự ra đời và phát triển của công nghệ này đã góp phần làm cho các hệ thống điều khiển thông minh, giám sát từ xa trở nên dễ dàng hơn. Hiện nay, có nhiều công nghệ truyền nhận dữ liệu không dây như RF, NFC, Bluetooth, Wifi, ... Trong đó Wifi là một trong số công nghệ phổ biến, được sử dụng rộng rãi nhất. Để có thể tiếp cận và nắm bắt được xu thế đó, nhóm chúng tôi quyết định thực hiện đề tài “Thiết kế và thi công mô hình điều khiển thiết bị điện”. Như ý nghĩa của tên đề tài, chúng tôi mong ...32-D0WD 4MB - ESP-SOLO-1 ESP32-S0WD 4MB - ESP-WROVER ESP32-D0WDQ6 4MB 8MB ESP-WROVER-I ESP32-D0WDQ6 4MB 8MB BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 25 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Phiên bản ESP32-WOOM-32 là một module vi điều khiển (MCU) Wifi (Wireless Fidelity) – BT (Bluetooth) – BTE (Bluetooth Low Energy) phổ biến và mạnh mẽ phục vụ cho nhiều ứng dụng khác nhau từ những ứng dụng đơn giản như điều khiển thiết bị, đọc giá trị cảm biến đến những nhiệm vụ phức tạp như mã hóa giọng nói, phát nhạc trực tuyến, giải mã MP3, Hình 2.22. Module ESP32-WOOM-32 Module này được xây dựng với lõi nhân là chip ESP32-D0WDQ6, chip được thiết kế để có thể mở rộng. Có 2 lõi CPU (Central Processing Unit) có thể kiểm soát riêng biệt và tần số xung đồng hồ dao động từ 80MHz đến 240MHz. Do tích hợp Bluetooth, Bluetooth LE, Wifi nên rất nhiều ứng dụng có thể thực hiện được trên module. Sử dụng Wifi cho phép kết nối trong phạm vi rộng, không giới hạn, sử dụng Bluetooth cho phép kết nối một cách dễ dàng. Module cũng hổ trợ truyền dữ liệu lên đến 150Mbps. • Kiến trúc Hình 2.23. Kiến trúc của ESP32 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 26 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT • Một số ứng dụng của ESP32 Đa số các ứng dụng của ESP32 được phục vụ cho các dự án IoT như: - Nhà thông minh. - Robot công nghiệp. - Nhận dạng giọng nói. - Nhận dạng hình ảnh. - Ứng dụng chăm sóc sức khỏe. 2.7.1.2. Đặc điểm • Mức năng lượng thấp Chip ESP32 được thiết kế cho các ứng dụng di động, điện tử, ứng dụng IoT. ESP32 có tất cả các đặc tính của một chip tiêu thụ mức năng lượng thấp, nhiều chế độ hoạt động giúp giảm thiểu tối đa năng lượng mà chip tiêu tốn. Ví dụ cảm biến trong ứng dụng IoT, ESP32 được đánh thức theo chu kỳ và chỉ phát hiện khi có một điều kiện cụ thể. • Tích hợp hoàn chỉnh Chip ESP32 có khả năng tích hợp cao Wifi và Bluetooth cho các ứng dụng IoT, với khoảng 20 thiết bị ngoại vi. ESP32 tích hợp ăngten, sóng RF (Radio frequency), bộ khuếch đại công suất, bộ khuếch đại thu tiếng ồn, module quản lý năng lượng, ❖ Thông số kỹ thuật cơ bản của module ESP32-WOOM-32 Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật cơ bản của module ESP32-WOOM-32 Loại Đặc trưng Thông số Wifi Giao thức 802.11 b/g/n (802.11n lên đến 150 Mbps) Tần số 2.4GHz ~ 2.5GHz Bluetooth Giao thức Bluetooth v4.2 và Bluetooth Lower Energy Radio NZIF với độ nhạy -97dBm Máy phát Class-1, Class-2, Class-3 AFH Audio CVSD và SBC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 27 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Phần cứng Giao tiếp module Thẻ SD, UART, SPI, SDIO, I2C, Led PWM, Motor PWM, I2S IR, Counter, GPIO, cảm biến cảm ứng, ADC, DAC Chip cảm biến Hall sensor (từ trường) Thạch anh 40MHz SPI Flash 4MB Điện áp hệ thống 2.7V ~ 3.6V Dòng hệ thống Trung bình: 80mA Dòng điện tối thiểu 500mA của nguồn cung cấp Nhiệt độ hoạt động -40℃ ~ +85℃ Kích thước (18.0) mm x (25.5) mm x (3.1) mm 2.7.1.3. Sơ đồ chân của module ESP32-WOOM-32 Module có tổng cộng 38 chân Bảng 2.4: Định nghĩa các chân module ESP32-WOOM-32 Tên Số Loại Chức năng GND 1 P (nguồn) Ground 3V3 2 P Chân nguồn cung cấp 3V3 EN 3 I (input) Cho phép module hoạt động, mức cao SENSOR_VP 4 I GPIO36, ADC1_CH0, RTC_GPIO0 SENSOR_VN 5 I GPIO39, ADC1_CH3, RTC_GPIO3 IO34 6 I GPIO34, ADC1_CH6, RTC_GPIO4 IO35 7 I GPIO35, ADC1_CH7, RTC_GPIO5 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 28 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT IO32 8 I/O (input, output) GPIO32, XTAL_32K_P, ADC1_CH4, TOUCH9, RTC_GPIO9 IO33 9 I/O GPIO33, XTAL_33K_N, ADC1_CH5, TOUCH8, RTC_GPIO8 IO25 10 I/O GPIO25, DAC_1, ADC2_CH8, RTC_GPIO6 IO26 11 I/O GPIO26, DAC_2, ADC2_CH9, RTC_GPIO7 IO27 12 I/O GPIO27, ADC2_CH7, TOUCH7 RTC_GPIO17 IO14 13 I/O GPIO14, ADC2_CH6, TOUCH6, RTC_GPIO16 IO12 14 I/O GPIO12, ADC2_CH5, TOUCH5, RTC_GPIO15 GND 15 P Ground IO13 16 I/O GPIO13, ADC2_CH4, TOUCH4, RTC_GPIO14 SHD/SD2 17 I/O GPIO9, SD_DATA2, U1RXD SWP/SD3 18 I/O GPIO10, SD_DATA3, U1TXD SCS/CMD 19 I/O GPIO11, SD_CMD, U1RTS SCK/CLK 20 I/O GPIO6, SD_CLK, U1CTS SDO/SD0 21 I/O GPIO7, SD_DATA0, U2RTS SDI/SD1 22 I/O GPIO8, SD_DATA1, U2CTS IO15 23 I/O GPIO15, ADC2_CH3, TOUCH3, RTC_GPIO13 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 29 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT IO2 24 I/O GPIO2, ADC2_CH2, TOUCH2, RTC_GPIO12 IO0 25 I/O GPIO0, ADC2_CH1, TOUCH1, RTC_GPIO11, CLK_OUT1 IO4 26 I/O GPIO4, ADC2_CH0, TOUCH0, RTC_GPIO10 IO16 27 I/O GPIO16, HS1_DATA4, U2RXD IO17 28 I/O GPIO17, HS1_DATA5, U2TXD IO5 29 I/O GPIO5, HS1_DATA6 IO18 30 I/O GPIO18, HS1_DATA7 IO19 31 I/O GPIO19, U0CTS NC 32 - - IO21 33 I/O GPIO21, VSPIHD RXD0 34 I/O GPIO3, U0RXD, CLK_OUT2 TXD0 35 I/O GPIO1, U0TXD, CLK_OUT3 IO22 36 I/O GPIO22, VSPIWP, U0RTS IO23 37 I/O GPIO23, VSPID GND 38 P Ground BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 30 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.24. Sơ đồ bố trí chân của module ESP32-WOOM-32 2.7.1.4. Chức năng tích hợp trong ESP32 2.7.1.4.1. CPU và kiến trúc bộ nhớ • CPU Chip ESP32 là bộ xử lý lõi kép (Dual core) của vi điều khiển Xtensa® 32bit LX6 với các đặc trưng: - Hổ trợ xung nhịp lên đến 240MHz. - Hổ trợ DSP như bộ nhân 32bit, bộ chia 32bit, MAC 40bit. - Hổ trợ 32 vector interrupt. • Bộ nhớ nội (Internal Memory) Bộ nhớ nội của ESP32 bao gồm: - 448KB ROM cho việc khởi động và các chức năng cốt lõi. - 520KB SRAM trên chip cho dữ liệu. - 8KB SRAM trong RTC (Real Time Control): được gọi là bộ nhớ RTC FAST. - 8KB SRAM trong RTC: được gọi là bộ nhớ RTC LOW. - 1Kbit eFuse: 256bit sử dụng cho hệ thống, 768bit chuyển đổi cho ứng dụng. • External Flash (bộ nhớ flash ngoài) và SRAM ESP32 hổ trợ nhiều external QSPI flash và SRAM, có thể truy cập ở tốc độ cao. SRAM được hổ trợ lên đến 8MB, đọc và ghi 8bit, 16bit, 32bit. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 31 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT • Tổ chức bộ nhớ Hình 2.25. Cấu trúc và địa chỉ bộ nhớ của ESP32 2.7.1.4.2. Timers và Watchdogs • Timer 64bit Có 4 Timer bên trong ESP32. Chúng đều là bộ định thời 64bit dựa trên bộ chia trước 16bit và bộ định thời đếm lên, xuống. Đặc trưng của Timer: - Bộ chia 16bit từ 2 đến 65536. - Timer 64bit. - Cho phép cấu hình Timer đếm lên, đếm xuống. - Cho phép dừng và tiếp tục bộ đếm thời gian. • Timer Watchdogs (Bộ định thời giám sát) ESP32 có 3 Timer Watchdogs bao gồm 2 module hẹn giờ (Main Watchdogs Timer) và một module RTC (RTC Watchdog Timer). Một bộ đếm thời gian Watchdog có 4 giai đoạn, mỗi giai đoạn có thể kích hoạt một trong bốn hành động là: ngắt, thiết lặp lại CPU, thiết lặp lại lõi, thiết lặp lại hệ thống. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 32 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.7.1.4.3. Hệ thống xung đồng hồ (Clock) • CPU Clock Khi được reset, dao động thạch anh bên ngoài được đặt lại mặc định cho CPU. Dao động thạch anh kết nối với PLL (Phase-Locked Loop) để tạo ra xung tần số cao (160MHz). Ngoài ra, ESP32 có bộ dao động nội 8MHz và có thể sử dụng được bộ dao động này cho một số ứng dụng nhất định. • RTC Clock (Real Time Clock) RTC Clock có các nguồn hoạt động: - Thạch anh bên ngoài tốc độ thấp (32KHz). - Thạch anh bên ngoài với bộ chia 4. - Bộ dao động nội RC (150KHz, có thể điều chỉnh được). - Bộ dao động nội 8MHz. - Xung nội 32.25KHz. Khi ở chế độ bình thường, cần truy cập CPU nhanh hơn, ứng dụng có thể chọn xung tốc độ cao bên ngoài với bộ chia 4 hoặc dao động nội 8MHz. Khi hoạt động ở chế độ năng lượng thấp, ứng dụng có thể chọn thạch anh bên ngoài tốc độ thấp (32KHz), dao động nội RC hoặc xung nội 31.25KHz. 2.7.1.4.4. Wifi ESP32 thực hiện giao thức TCP/IP và Wifi 802.11 b/g/n, quản lý năng lượng được xử lý để giảm thiểu thời gian thực hiện các tác vụ. Các thư viện của Wifi cung cấp để định cấu hình và giám sát chức năng kết nối mạng ESP32, nó cấu hình cho: - Chế độ trạm (hay chế độ STA hoặc chế độ Wifi client): ESP32 kết nối với một điểm truy cập. - Chế độ AP (hay chế độ Soft-AP hoặc chế độ điểm truy cập): các trạm kết nối với ESP32. - Chế độ kết hợp AP-STA (ESP32 đồng thời là điểm truy cập và là trạm được kết nối với các điểm truy cập khác). - Các chế độ bảo mật khác nhau cho các chế độ trên (WPA, WPA2, WEP, ). - Quét các điểm truy cập (chủ động và thụ động). - Chế độ giám sát các gói Wifi của tiêu chuẩn IEEE802.11. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 33 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.7.1.4.5. Bluetooth ESP32 tích hợp bộ điều khiển liên kết Bluetooth, thực hiện các giao thức như điều chế, giải điều chế, xử lý gói, xử lý luồng bit, 2.7.1.4.6. RTC và quản lý năng lượng thấp Với việc sử dụng công nghệ quản lý năng lượng tiên tiến, ESP32 có thể chuyển đổi giữa các chế độ năng lượng khác nhau. Bao gồm các chế độ: • Chế độ hoạt động Chip được bật, có thể truyền, nhận. • Chế độ ngủ modem CPU được hoạt động và xung đồng hồ có thể cấu hình. Wifi/Bluetooth bị tắt. • Chế độ ngủ light CPU tạm dừng hoạt động. Bộ nhớ RTC và các thiết bị ngoại vi RTC cũng như bộ xử lý đồng thời ULP vẫn chạy. Bất kỳ sự kiện đánh thức nào sẽ đánh thức chip hoạt động. • Chế độ ngủ sâu Chỉ bật bộ nhớ RTC và thiết bị ngoại vi RTC. Dữ liệu kết nối Wifi và Bluetooth được lưu trữ trong bộ nhớ RTC. • Chế độ ngủ đông Bộ tạo dao động nội 8MHz và bộ đồng xử lý ULP bị tắt. Bộ nhớ RTC khôi phục bị tắt. Chỉ có bộ đếm thời gian RTC và một số RTC GPIO nhất định hoạt động. 2.7.1.5. Thiết bị ngoại vi và cảm biến của ESP32 • GPIO (General Purpose Input/Output Interface) ESP32 với số lượng lớn chân GPIO tùy thuộc vào từng phiên bản module, mỗi chân được tích hợp nhiều chức năng khác nhau bằng cách lập trình thanh ghi. Có một số loại chân GPIO như: chỉ đọc dữ liệu số (0 hoặc 1), cho phép analog, cho phép cảm ứng điện dung, Hầu hết các chân GPIO số (digital) có thể được cấu hình điện trở kéo lên (pull- up) hoặc kéo xuống (pull-down) hoặc trở kháng cao. Mỗi chân có thể có nhiều chức năng khác nhau như SDIO, UART, SPI, BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 34 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT • ADC (Analog to Digital Converter) ESP32 tích hợp ADC 12bit và hổ trợ đo 18 kênh. Với thiết lập thích hợp, các ADC có thể được cấu hình để đo điện áp tối đa 18 chân. • DAC (Digital to Analog Converter) ESP32 có hai kênh DAC 8bit được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu analog, được tích hợp điện trở và bộ đệm. • Touch Sensor (Cảm ứng điện dung) ESP32 có 10 chân GPIO sử dụng được cảm ứng điện dung, phát hiện vật thể bằng cách chạm vào các chân GPIO. • Bộ điều khiển SDIO/SPI ESP32 tích hợp giao tiếp thiết bị SD phù hợp với tiêu chuẩn SDIO, hổ trợ các tính năng sau: - Chế độ truyền SPI, SPIO 1bit, SPIO 4bit. - Truy cập trực tiếp đến máy chủ. - Ngắt để bắt đầu truyền dữ liệu. - Kích thước khối dữ liệu lên đến 512 byte. • UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) ESP32 tích hợp ba UART: UART1, UART2, UART3 cung cấp chuẩn giao tiếp bất đồng bộ (RS232 và RS485) với tốc độ lên đến 5Mbps, có thể truy cập bởi bộ điều khiển DMA hoặc trực tiếp bởi CPU. • I2C Interface (Inter-Integrated Circuit) ESP32 có hai giao tiếp I2C, có thể vận hành ở chế độ master hoặc slave phụ thuộc vào người sử dụng cấu hình, nó hổ trợ: - Chế độ tiêu chuẩn (100Kbit/s). - Chế độ nhanh (400Kbit/s). - Tốc độ lên đến 5MHz. - Chế độ kép. • I2S Interface (Inter-IC Sound) Hai giao tiếp I2S có sẵn trên ESP32, có thể hoạt động ở chế độ master hoặc slave. Và được cấu hình để hoạt động ở độ phân giải 8/16/32/48/64bit làm kênh đầu vào hoặc đầu ra. Hổ trợ tần số từ 10KHz đến 40KHz. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 35 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT • Điều khiển hồng ngoại từ xa (Infrared Remote Controller) Bộ điều khiển hồng ngoại từ xa hổ trợ 8 kênh điều khiển truyền và nhận. Hổ trợ các giao thức hồng ngoại khác nhau. • Bộ đếm (Pulse Counter) Bộ đếm counter có 7 chế độ. Có 8 kênh mỗi kênh thu được 4 tín hiệu cùng một lúc. Bốn tín hiệu đầu vào bao gồm 2 tín hiệu xung và 2 tín hiệu điều khiển. Khi bộ đếm đạt được đến ngưỡng đặt, thì một interrupt được tạo ra. • PWM (Pulse Width Modulation) Bộ điều khiển độ rộng xung (PWM) được sử dụng để điều khiển động cơ kỹ thuật số và đèn thông minh. Bộ điều khiển bao gồm: định thời PWM, hệ thống PWM và các module chuyên dụng. Mỗi bộ định thời cung cấp thời gian ở dạng đồng bộ hoặc độc lập. • SPI (Serial Peripheral Interface) ESP32 có ba SPI (SPI, HSPI, VSPI) ở chế độ master và slave. Tất cả SPI có thể kết nối đến Flash/SRAM và LCD. 2.7.1.6. Đặc tính về điện Các giới hạn đề nghị để module ESP32-WOOM-32 hoạt động tốt. Bảng 2.5: Các thông số đề nghị cho module ESP32-WOOM-32 Ký hiệu Chức năng Min Đề nghị Max Đơn vị VDD Điện áp cung cấp 2.7 3.3 3.6 V I Dòng cung cấp 0.5 - - A T Nhiệt độ -40 +25 +85 ℃ Module hoạt động ổn định ở điện áp 3.3V, nhiệt độ 25℃. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 36 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.7.1.7. Sơ đồ nguyên lý module ESP32-WOOM-32 Hình 2.26. Sơ đồ nguyên lý module ESP32-WOOM-32 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 37 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.27. Sơ đồ nguyên lý thiết bị ngoại vi module ESP32-WOOM-32 2.7.2. Giới thiệu cảm biến Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm. Hiện nay trên thị trường có nhiều loại cảm biến khác nhau thực hiện chức năng đo nhiệt độ và độ ẩm: LM35, DS18B20, DHT11, DHT21, .... Qua quá trình tìm hiểu, nhóm đã lựa chọn cảm biến DHT11 đo được cả nhiệt độ và độ ẩm cho bộ điều khiển. 2.7.2.1. Giới thiệu DHT11 là cảm biến nhiệt độ, độ ẩm được sử dụng phổ biến với chi phí rẻ và dữ liệu được thu thập một cách dễ dàng thông qua chuẩn giao tiếp 1 dây. Có thời gian phản hồi nhanh và khả năng chống nhiễu tốt. Đồng thời cảm biến được tích hợp bộ tiền xử lý tín hiệu giúp dữ liệu được nhận chính xác mà không cần tính toán. 2.7.2.2. Hoạt động Hình 2.28. Sơ đồ chân DHT11 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 38 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT DHT11 chỉ sử dụng 1 dây để giao tiếp. Quá trình giao tiếp được chia làm 3 bước: đầu tiên là gửi yêu cầu đến cảm biến, kế đến cảm biến sẽ gửi xung phản hồi và sau đó nó bắt đầu gửi dữ liệu tổng cộng 40bit đến vi điều khiển. • Bắt đầu xung Hình 2.29. Xung bắt đầu DHT11 Để bắt đầu giao tiếp với DHT11, đầu tiên ta gửi xung bắt đầu đến cảm biến. Để cung cấp xung bắt đầu, kéo chân dữ liệu xuống mức thấp trong thời gian tối thiểu 18ms và sau đó kéo lên mức cao. • Phản ứng Hình 2.30. Gửi xung phản hồi của DHT11 Sau khi nhận được xung bắt đầu, cảm biến sẽ gửi xung phản hồi, để cho biết DHT11 đã nhận được xung bắt đầu. Xung phản hồi ở mức thấp trong khoảng thời gian 54us, sau đó ở mức cao 80us. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 39 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT • Dữ liệu Hình 2.31. Gửi dữ liệu chứa bit 0, bit 1 Sau khi gửi xung phản hồi, DHT11 sẽ gửi dữ liệu chứa giá trị nhiệt độ và độ ẩm. Khung dữ liệu dài 40bit, được chia làm 5 phần (byte), mỗi phần 8bit. Trong 5 phần này, hai phần đầu tiên sẽ chứa giá trị độ ẩm, 8bit đầu tiên là giá trị phần nguyên, 8bit còn lại chứa giá trị thập phân. Hai phần tiếp theo sẽ chứa giá trị nhiệt độ (℃) ở dạng số thập phân. Phần cuối cùng là 8bit để kiểm tra cho phần đo nhiệt độ và độ ẩm. Sau khi nhận được dữ liệu, chân DHT11 sẽ ở chế độ tiêu thụ điện năng thấp cho đến khi có xung bắt đầu tiếp theo. • Kết thúc Hình 2.32. Kết thúc đọc giá trị của DHT11 Sau khi gửi dữ liệu 40bit, DHT11 sẽ ở mức thấp 54us rồi lên mức cao và sau đó nó chuyển sang chế độ ngủ. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 40 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 3.1. GIỚI THIỆU Đề tài yêu cầu thiết kế một hệ thống điều khiển các thiết bị điện trong phòng học. Hệ thống được điều khiển bằng một ứng dụng Android trên điện thoại đồng thời điều khiển và giám sát được từ xa thông qua một Web Server. Bộ xử lý trung tâm • Điện áp 5VDC. • Giao tiếp ứng dụng Android. • Giao tiếp Web Server bằng Wifi (truyền nhận dữ liệu). • Ngõ ra nối các thiết bị điện 220VAC, có đèn báo tương ứng với từng ngõ ra. • Thiết kế nhỏ gọn, đảm bảo tính an toàn. Ứng dụng Android • Điều khiển được nhiều thiết bị cùng một lúc. • Giao diện trực quan, thân thiện người dùng. Web Server • Truyền và nhận được dữ liệu. • Đồng bộ điều khiển giữa các thiết bị, ứng dụng Android, và giao diện Web. 3.2. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 3.2.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống Hình 3.1. Sơ đồ mô hình hệ thống BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 41 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ KHỐI NGÕ KHỐI KHỐI XỬ RA CÔNG CẢM BIẾN LÝ TRUNG TÂM SUẤT KHỐI NGUỒN Ứng dụng Web Server Android Hình 3.2. Sơ đồ khối hệ thống ❖ Chức năng từng khối • Khối nguồn Cấp nguồn cho toàn mạch, sử dụng nguồn 5VDC cấp cho khối xử lý trung tâm, mạch Relay, cảm biến và nguồn 220VAC cho các thiết bị điện. • Khối xử lý trung tâm Trung tâm điều khiển hoạt động của toàn bộ hệ thống. Nhận tín hiệu từ ứng dụng Android hoặc giao diện Web, xử lý sau đó chuyển tín hiệu điều khiển đến khối công suất thực thi, tiếp theo dữ liệu được gửi lên khối Server. Đồng thời có thể điều khiển thiết bị trên Server bằng lệnh theo yêu cầu. • Khối ngõ ra công suất Đóng ngắt các tiếp điểm Relay theo sự điều khiển của ngõ ra vi điều khiển, từ đó điều khiển các thiết bị điện (220VAC). Đồng thời cách ly giữa mạch công suất và mạch điều khiển. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 42 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ • Khối cảm biến Có chức năng giám sát nhiệt độ và độ ẩm của bộ điều khiển để đảm bảo tính an toàn cho hệ thống. • Ứng dụng Android Xử lý và gửi tín hiệu điều khiển đến vi điều khiển, điều khiển trực tiếp trên thiết bị Android. • Web Server Nhận dữ liệu điều khiển từ khối xử lý trung tâm, tiến hành lưu trạng thái của thiết bị vào Server, để biết được lịch sử điều khiển thiết bị. Người dùng có thể tác động vào phần giao diện để điều khiển theo ý muốn. Đồng thời dữ liệu điều khiển được đồng bộ với ứng dụng Android và hệ thống. 3.2.2. Tính toán và thiết kế 3.2.2.1. Khối xử lý trung tâm Khối điều khiển sử dụng board ESP32-DevKitC phát triển dựa trên module ESP32-WOOM-32 làm trung tâm, đáp ứng được yêu cầu đặt ra và có khả năng mở rộng cho nhiều ứng dụng. Hình 3.3. Ảnh thực tế board ESP32-DevKitC Thiết kế Board được cấp nguồn 5VDC. Chi tiết kết nối giữa board mạch và các khối khác được thể hiện trong hình bên dưới: - Chân nguồn Vin số 38 và GND số 13, 19 lần lượt được nối với mạch nguồn cung cấp 5VDC. - Các chân GPIO số 5, 6, 7, 8 lần lượt nối với ngõ vào của các Relay tương ứng. - Chân GPIO số 4 nối với cảm biến DHT11. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 43 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý board điều khiển ESP32-DevKitC 3.2.2.2. Khối ngõ ra công suất Các GPIO của board ESP32-DevKitC nhận tín hiệu sẽ điều khiển kích hoạt các Relay hoạt động, từ đó điều khiển các thiết bị điện. Chọn Relay 5V, chỉ cần cung cấp nguồn 5VDC và dòng khoảng 80mA cho Relay là các tiếp điểm có thể đóng ngắt khi được kích. Bên cạnh đó, dòng điện tối đa mà Relay có thể chịu được là 10A, nên đảm bảo dòng của các thiết bị điện khi chạy qua các tiếp điểm của Relay sẽ an toàn. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 44 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Hình 3.5. Relay 5V-10A Relay có 3 tiếp điểm đóng ngắt NO (thường mở), NC (thường đóng) và chân COM, ở trạng thái bình thường khi chưa được kích chân COM sẽ nối với NC, khi kích chân COM chuyển sang nối với NO, NC mất kết nối. Đồng thời có 2 chân nguồn DC để cấp nguồn cho Relay hoạt động. ❖ Thông số kỹ thuật Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật Relay Model SRD-05VDC Điện áp kích hoạt 5VDC Dòng tiêu thụ 80mA Dòng AC tối đa 10A-250/125VAC Dòng DC tối đa 10A-30/28VDC Số chân 5 Nhiệt độ làm việc -25℃ ~ +70℃ Thiết kế Sử dụng transistor đóng ngắt loại NPN C1815, đồng thời ở giữa hai đầu cuộn dây mỗi Relay gắn thêm 1 diode loại 1N4007 để tránh điện áp ngược dòng (tối đa 1000V). Ngoài ra, để đảm bảo an toàn, sử dụng Opto PC817 (cách ly quang). Cấu tạo bao gồm 1 bộ phát quang (diode phát quang) và 1 cảm biến quang (photo transistor), mục đích để cách ly giữa mạch điều khiển điện áp thấp với ngõ ra công suất có điện áp cao. Khi có sự cố như cháy, chập mạch, ... ở tầng công suất cũng không ảnh hưởng đến tầng điều khiển. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 45 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Hình 3.6. Diode 1N4007, Opto PC817 và transistor C1815 Tính toán Điện trở R1 để cho Led trong Opto hoạt động ổn định: Vin 5V− 1.3V = ≈ 370Ω (3.1) Iled 10mA Chọn R1 = 390Ω Điện trở R2 cho transistor Q1: - Dòng điện tối thiểu qua cuộn dây: Ucuộn dây 5V ICUỘN DÂY = = ≈ 70 mA (3.2) Rcuộn dây 70 - Transistor Q: IC = ICUỘN DÂY = 70 mA Chọn Hfe = 60 Ic 70mA IB = = = 1.17 mA (3.3) Hfe 60 V−0.7 5−0.7 R2 = = ≈ 3.7KΩ (3.4) IB 1.17 Chọn R2 = 3.9KΩ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 46 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý khối công suất ngõ ra 3.2.2.3. Khối cảm biến Qua quá trình tìm hiểu nhóm đã chọn module DHT11 để đo nhiệt độ và độ ẩm của bộ điều khiển hệ thống. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 47 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Hình 3.8. Cảm biến DHT11 ❖ Thông số kỹ thuật Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật module cảm biến DHT11 Điện áp hoạt động 3 - 5VDC Dòng sử dụng Tối đa 2.5mA Đo nhiệt độ 0 - 50℃, sai số ± 2℃ Đo độ ẩm 20 -80%, sai số ± 5% Tốc độ lấy mẫu 1Hz (1 giây 1 lần) Thiết kế Cảm biến DHT11 gồm 4 chân được kết nối như sau: - Chân VCC được nối với nguồn 5VDC. - Chân GND nối với chân GND của nguồn. - Chân DATA nối với chân GPIO của vi điều khiển (ESP32) qua một điện trở kéo lên nguồn. Hình 3.9. Sơ đồ kết nối cảm biến DHT11 với ESP32 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 48 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 3.2.2.4. Khối nguồn Nguồn chính sử dụng trong mạch là nguồn 5VDC. Nguồn này được lấy từ nguồn 220VAC qua module hạ áp AC-DC về 5V để cấp cho các module: board ESP32- DevKitC, cảm biến DHT11, Relay. Hình 3.10. Module nguồn AC-DC Bảng 3.3: Dòng điện của các linh kiện sử dụng trong mạch điều khiển STT Tên linh kiện Số lượng Dòng tiêu thụ Tổng dòng (mA) điện (A) 1 ESP32-DevKitC 1 150 0.15 2 DHT11 1 2.5 0.0025 3 Relay 4 80 0.32 4 Opto PC817 4 5 0.02 Từ bảng trên tổng dòng tiêu thụ cho toàn bộ mạch điều khiển là 0.49A vì vậy nhóm sử dụng module nguồn AC-DC 5V-0.6A là hoàn toàn đủ để đáp ứng cho toàn mạch điều khiển. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 49 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Thiết kế Hình 3.11. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 50 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 3.2.2.5. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch Hình 3.12. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 51 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 4.1. GIỚI THIỆU Mô hình bao gồm 2 phần thi công: phần cứng và phần mềm. • Phần cứng Bao gồm 1 mạch PCB chung cho toàn bộ hệ thống với kích thước 850mm x 920mm. Mạch được in 2 lớp (Top và Bottom). Thi công mô hình với hộp đựng phù hợp kích thước với board mạch bao gồm hộp đựng mạch điều khiển và hộp mô hình. • Phần mềm Lập trình cho ESP32, điều khiển đóng ngắt các thiết bị và truyền nhận dữ liệu từ Server. Thiết kế giao diện điều khiển trên điện thoại, xây dựng Web Server, giao diện Web. 4.2. THI CÔNG HỆ THỐNG 4.2.1. Thi công board mạch Các module được tích hợp trên một board mạch duy nhất. Mạch bao gồm 1 mạch nguồn; mạch công suất có 1 header 8 ngõ ra nối trực tiếp với các thiết bị điện 220VAC; mạch đo nhiệt độ và độ ẩm, 1 header 2 nối với nguồn điện 220VAC. Mô tả: Trung tâm của mạch điều khiển là board ESP32-DevKitC đặt phía bên trái. Bên phải là mạch ngõ ra công suất với 4 Relay, trên cùng là hàng rào gắn các thiết bị điều khiển, nguồn 220VAC, và phía dưới cùng là cảm biến và mạch chuyển đổi nguồn AC -DC. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 52 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG • Sơ đồ bố trí linh kiện Hình 4.1. Sơ đồ bố trí linh kiện mạch điều khiển • Sơ đồ mạch in Sơ đồ đi dây mạch in lớp trên: Hình 4.2. Sơ đồ đi dây mạch in lớp trên BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 53 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Sơ đồ đi dây mạch in lớp dưới: Hình 4.3. Sơ đồ đi dây mạch in lớp dưới • Sơ đồ 3D Hình 4.4. Sơ đồ 3D mạch điều khiển BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 54 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Bảng 4.1: Danh sách linh kiện sử dụng STT Tên linh kiện Giá trị Số lượng Chú thích 1 Board ESP32-DevKitC 5V 1 2 Cảm biến DHT11 5V 1 3 HLK-PM01 5V-0.6A 1 Nguồn AC-DC 4 Opto PC817 5V 4 5 Diode 1N4007 1A 4 6 Transistor C1815 5V 4 7 Relay 5V-10A 4 8 Điện trở 390Ω 4 9 Điện trở 3.9KΩ 4 10 Điện trở 200Ω 1 11 Điện trở 5 Ω 1 12 Tụ 10uF 1 13 Led đơn 5V 1 Báo nguồn 14 Header 2 - 2 15 Header 8 - 1 16 Đèn báo 220VAC 9 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 55 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 4.2.2. Lắp ráp và kiểm tra Sau khi mạch in hoàn thành, ta khoan lổ chân linh kiện, lắp chúng vào đúng vị trí trên sơ đồ và tiến hành hàn. Dùng đồng hồ VOM để kiểm tra toàn bộ hệ thống mạch điều khiển bao gồm chân nguồn, chân điều khiển xem có đủ điện áp, bị hở hay chập mạch không. Hình 4.5. Mạch điều khiển sau khi lắp linh kiện 4.3. ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 4.3.1. Đóng gói bộ điều khiển Sau khi thi công và kiểm tra mạch đã chạy, nhóm tiến hành đóng gói bộ điều khiển. Hình 4.6. Ảnh hộp dựng mạch điều khiển BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 56 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Bộ điều khiển trung tâm được đóng gói trong một hộp nhỏ gọn. Hộp này hoàn toàn cách ly với điện áp 220VAC điều khiển cho ngõ ra công suất. Do đó, đảm bảo tính an toàn trong quá trình sử dụng. 4.3.2. Thi công mô hình Mô hình là một hộp nhựa có đèn báo nguồn 220VAC và đèn báo trạng thái hoạt động của từng thiết bị, đồng thời có phích cắm để nối với các thiết bị điện. Hộp điều khiển được đặt gọn trong mô hình này. Hình 4.7. Mô hình mặt trong và mặt ngoài hệ thống 4.4. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 4.4.1. Lưu đồ giải thuật Yêu cầu điều khiển: sau khi kết nối Wifi thành công, ta mở ứng dụng Android hay truy cập giao diện Web Server. Sau đó tiến hành điều khiển bật tắt thiết bị bằng thao tác trên giao diện để tác động đến hệ thống, đồng thời giám sát được trạng thái của thiết bị. 4.4.1.1. Lưu đồ giải thuật mạch điều khiển • Lưu đồ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 57 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Bắt đầu Cấu hình ngõ vào, ngõ ra Kết nối Internet Kết nối Server Kết nối S thành công Đ Có trao đổi Đ Điều khiển thiết bị dữ liệu với theo yêu cầu Server S Gửi trạng thái thiết bị lên Server Hình 4.8. Lưu đồ điều khiển thiết bị BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 58 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG • Giải thích Mạch điều khiển thực hiện được trong 3 trường hợp: Khi người dùng tác động vào giao diện trên ứng dụng Android, thì thiết bị tương ứng được bật tắt, đồng thời sẽ gửi trạng thái của thiết bị vừa được tác động lên Server. Khi người dùng tác động vào giao diện Web, thì ESP sẽ nhận tín hiệu từ Web, thiết bị tương ứng được bật tắt, đồng thời sẽ gửi trạng thái của thiết bị vừa được tác động qua Server. Khi người dùng gửi lệnh từ Web Server, để điều khiển được thiết bị thì ESP sẽ nhận tín hiệu từ Web Server, thiết bị tương ứng sẽ được bật tắt và trạng thái điều khiển cũng được lưu trữ lại. ESP32 sẽ tiến hành kết nối Internet (Wifi), và thiết lập kết nối với Server. Đợi khi kết nối thành công. Nếu có trao đổi dữ liệu với Server (người dùng tác động vào giao diện ứng dụng Android hoặc có tín hiệu từ Server hoặc giao diện Web gửi xuống), thì thiết bị sẽ được điều khiển theo yêu cầu người dùng. Ở bất kỳ trường hợp điều khiển nào thì trạng thái điều khiển của thiết bị cũng đều được lưu lại trên Web Server. 4.4.1.2. Lưu đồ giải thuật Web Server • Lưu đồ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 59 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Bắt đầu Khởi tạo hệ thống Kết nối thành S công Đ Hoạt động S truyền nhận dữ liệu? Đ Thực hiện Publish dữ liệu vào Broker Kết thúc Hình 4.9. Lưu đồ Web Server BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 60 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG • Giải thích Người dùng truy cập vào Web Server sau khi hệ thống đã được cấu hình, và kết nối thành công với Server. Hệ thống sẽ liên tục gửi yêu cầu lên Server để xem có hoạt động truyền nhận dữ liệu hay không. Nếu có thì dữ liệu sẽ được Publish vào Broker, đồng thời trạng thái của thiết bị được lưu trữ lại để có thể giám sát được. 4.4.2. Phần mềm lập trình vi điều khiển 4.4.2.1. Giới thiệu VSCode (Visual Studio Code) của Microsoft là một trong những công cụ soạn thảo văn bản lập trình tốt nhất với các tính năng mạnh mẽ giống như một IDE (Integrated Development Environment), nó tích hợp sẵn trình soạn thảo, trình gỡ lỗi, công cụ thiết kế giao diện, Đồng thời nó còn hổ trợ rất nhiều ngôn ngữ như: C/C++, Java, Objective-C, Python, Node.js, SQL, chạy trên nhiều nền tảng Windows, Mac, Linux. Hình 4.10. Biểu tượng VSCode • Ưu điểm Tích hợp nhiều ngôn ngữ lập trình. Mở file nhanh, tìm kiếm nhanh, tiện lợi. Hổ trợ làm việc trên nhiều file cùng một lúc. Giao diện trực quan, đẹp mắt. Hệ thống quản lý mã nguồn với Git. Công cụ gỡ lỗi mạnh mẽ. Tự động nhận dạng ngôn ngữ lập trình từ các file. Nhẹ, có khả năng mở rộng. Gợi ý code thông minh. Chạy trên bất kì hệ điều hành nào. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 61 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG Sức mạnh của VSCode nằm ở chổ có nhiều tiện ích miễn phí trong mục mở rộng ứng dụng, tr