(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển các thiết bị điện trong nhà

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƢỢNG CAO
---------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đề tài:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN
CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ

SVTH :
MSSV :
SVTH :
MSSV :
Khóa :
Ngành :
GVHD:

VŨ HỒNG HẢI
16141024
VŨ XN THẮNG
16141079
2016
CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
ThS. NGUYỄN NGÔ LÂM

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1 năm 2021

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đƣợc Đề tài tốt nghiệp này, nhóm chúng em chân thành gửi lời
cảm ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Ngơ Lâm. Trong suốt q trình thực hiện đề tài, thầy
lu n là ngƣời hƣớng dẫn chúng em tận tình, những lời góp ý nhận xét và những kinh
nghiệm đƣợc Thầy truyện đạt đã tạo điều kiện thuận lợi để chúng em hoàn thành đề tài.
Chúng em xin cảm ơn đến các thầy, cô trong khoa Đào tạo chất lƣợng cao đã
giảng dạy cho chúng em những kiến thức nền tảng để chúng em có tiền đề thực thiện
đề tài này.
Cuối cùng chúng em xin cảm ơn đến gia đình, là chỗ dựa cũng nhƣ là nguồn
động viên tinh thần mỗi khi chúng em gặp khó khắn trong học tập cũng nhƣ trong quá
trình nghiên cứu để hoàn thành đề tài tốt nghiệp.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Ngƣời thực hiện đề tài
Vũ Hoàng Hải

Vũ Xuân Thắng

i


TĨM TẮT
Cơng nghệ hiện nay đã trở thành một phần không thể thiếu đối với đời sống của
con ngƣời. Internet of Things những năm gần đây đã và đang phát triển một cách vơ
cùng mạnh mẽ. Từ đó, việc ra đời của các ứng dụng cũng nhƣ thiết bị thông minh, có
kết nối internet nhằm thuận tiện cho việc theo dõi cũng nhƣ điều khiển các thiết bị
trong nhà cũng phát triển theo. Với mục đích tiếp cận nhu cầu đó nhóm quyết định
thực hiện đề tài: “Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển các thiết bị điện
trong nhà”. Đề tài này là một mơ hình hệ thống hồn thiện gồm phần cứng và phần
mềm.








Nội dung chính của đề tài:
Sử dụng qua Arduino Mega2560 làm vi điều khiển trung tâm.
Lƣu trữ trạng thái hoạt động của thiết bị lên cơ sở dữ liệu của Firebase.
Sử dụng NodeMCU ESP8266 để gửi và nhận dữ liệu từ cơ sở dữ liệu.
Xây dựng ứng dụng trên hệ điều hành Android.
Giám sát các thông số trong nhà nhƣ nhiệt độ, độ ẩm, khí gas.
Sử dụng điện thoại th ng minh để điều khiển các thiết bị.

ii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................................... i
TÓM TẮT ............................................................................................................................ ii
MỤC LỤC HÌNH ............................................................................................................... vi
MỤC LỤC BẢNG ............................................................................................................ viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................... ix
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .............................................................................................. 1
1.1.

ĐẶT VẤN ĐỀ ........................................................................................................ 1

1.2.

MỤC TIÊU ............................................................................................................ 1

1.3.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ................................................................................. 1

1.4.

GIỚI HẠN ............................................................................................................. 2

1.5.

BỐ CỤC ................................................................................................................. 2

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................................. 3
2.1.

TỔNG QUAN VỀ INTERNET OF THING....................................................... 3

2.1.1 Giới thiệu .............................................................................................................. 3
2.1.2 Một vài ứng dụng trong đời sống.......................................................................... 3
2.2.

CÁC CHUẨN GIAO TIẾP TRUYỀN DỮ LIỆU .............................................. 7

2.2.1 Giao tiếp UART .................................................................................................... 7
2.2.2 Giao tiếp SPI ......................................................................................................... 8
2.3.

Vi điều khiển ........................................................................................................ 10

2.3.1.

Khái niệm ....................................................................................................... 10

2.3.2.

Bo mạch Arduino Mega 2560 R3 .................................................................. 11

2.4.

CÔNG NGHỆ WIFI ........................................................................................... 15

2.4.1.

Giới thiệu ....................................................................................................... 15

2.4.2.

Các chuẩn kết nốt WiFi phổ biến................................................................... 15

2.4.3.

Cách thức hoạt động của WiFi....................................................................... 16

2.4.4.

Module Node MCU ESP8266 ....................................................................... 17

iii

2.5.

Cơ sở dữ liệu Google Firebase và các ứng dụng .............................................. 19

2.5.1.

Giới thiệu ....................................................................................................... 19

2.5.2.

Realtime Database (Dữ liệu thời gian thực) .................................................. 20

2.6.

Hệ điều hành Android ........................................................................................ 22

2.6.1.

Giới thiệu ....................................................................................................... 22

2.6.2.

Thành phần của ứng dụng Android ............................................................... 22

2.6.3.

Các phiên bản của hệ điều hành Android ...................................................... 23

2.6.4.

Phần mềm Android Studio lập trình ứng dụng điều khiển ............................ 23

2.7.

Cơng nghệ RFID ................................................................................................. 24

2.7.1.

Giới thiệu ....................................................................................................... 24

2.7.2.

Cấu tạo hệ thống RFID .................................................................................. 24

2.7.3.

Nguyên lí hoạt động ....................................................................................... 25

2.7.4.

Đặc điểm ........................................................................................................ 25

2.7.5.

Mạch RFID RC522 ........................................................................................ 25

2.5.

Các cảm biến sử dụng trong đề tài .................................................................... 26

2.5.1.

Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 ................................................................. 26

2.5.2.

Cảm biến quang trở ........................................................................................ 28

2.5.3.

Cảm biến mƣa ................................................................................................ 29

2.5.4.

Cảm biến rung ................................................................................................ 30

2.5.5.

Cảm biến khí gas MQ2 .................................................................................. 31

2.6.

Các linh kiện khác có trong đề tài ..................................................................... 32

2.6.1.

Buzzer ............................................................................................................ 32

2.9.2.

LED ................................................................................................................ 33

2.9.3.

Module Relay 5V ........................................................................................... 33

2.9.4.

Quạt ................................................................................................................ 34

2.9.5.

Động cơ Servo ............................................................................................... 35

2.9.6.

LCD................................................................................................................ 35

CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ........................................................................... 37
3.1.

Đặc tả hệ thống .................................................................................................... 37

iv


3.1.1.

Yêu cầu hệ thống ........................................................................................... 37

3.1.2.

Sơ đồ khối và chức năng ................................................................................ 38

3.1.3.

Hoạt động của hệ thống ................................................................................. 39

3.2.

Thiết kế, tính tốn hệ thống ............................................................................... 40

3.2.1.

Khối cảm biến ................................................................................................ 40

3.2.2.

Khối giao tiếp và tải ....................................................................................... 44

3.2.3.

Khối RFID ..................................................................................................... 46

3.2.4.

Khối truyền dữ liệu ........................................................................................ 47

3.2.5.

Khối hiển thị .................................................................................................. 47

3.2.6.

Khối xử lý trung tâm ...................................................................................... 49

3.2.7.

Khối nguồn .................................................................................................... 49

CHƢƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG .......................................................................... 52
4.1.

Tổng quan ............................................................................................................ 52

4.2.

Thi công hệ thống ................................................................................................ 52

4.3.

Lƣu đồ giải thuật ................................................................................................. 53

4.3.1. Lƣu đồ giải thuật chi tiết khối xử lý................................................................... 53
4.3.2. Lƣu đồ giải thuật cho ESP ................................................................................. 55
4.3.3. Lƣu đồ giải thuật cho ứng dụng Android điều khiển ......................................... 56
CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ .................................................. 58
5.1.

Kết quả đạt đƣợc ................................................................................................. 58

5.1.1.

Kết quả lý thuyết ............................................................................................ 58

5.1.2.

Kết quả thực nghiệm ...................................................................................... 58

5.2.

Đánh giá, nhận xét .............................................................................................. 61

CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ............................................... 62
6.1.

Kết luận ................................................................................................................ 62

6.2.

Hƣớng phát triển................................................................................................. 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 63
PHỤ LỤC ........................................................................................................................... 64

v

MỤC LỤC HÌNH
HÌNH 2.1: INTERNET OF THINGS .............................................................................. 3
HÌNH 2.2: CÁC THIẾT BỊ ĐEO THƠNG MINH .......................................................... 4
HÌNH 2.3: IOT TRONG NƠNG NGHIỆP ...................................................................... 5
HÌNH 2.4: IOT TRONG CƠNG NGHIỆP ...................................................................... 5
HÌNH 2.5: SMARTHOME .............................................................................................. 6
HÌNH 2.6: KHUNG TRUYỀN DỮ LIỆU CỦA UART ................................................. 7
HÌNH 2.7: KẾT NỐI DÂY GIỮA MASTER VÀ NHIỀU SLAVE TRONG SPI .......... 9
HÌNH 2.8: KHUNG TRUYỀN DỮ LIỆU CỦA SPI .................................................... 10
HÌNH 2.9: CẤU TRÚC VI ĐIỀU KHIỂN .................................................................... 11
HÌNH 2.10: ARDUINO MEGA 2560 ........................................................................... 12
HÌNH 2.11: SƠ ĐỒ CHÂN ARDUINO MEGA 2560 .................................................. 12
HÌNH 2.12: BIỂU TƢỢNG CỦA SĨNG WIFI ............................................................ 15
HÌNH 2.13: KẾT NỐI WIFI .......................................................................................... 17
HÌNH 2.14: MODULE NODEMCU ESP8266 ............................................................. 17
HÌNH 2.15: SƠ ĐỒ CHÂN CỦA MODULE NODEMCU ESP 8266.......................... 18
HÌNH 2.16: BIỂU TƢỢNG CỦA GOOGLE FIREBASE ............................................ 19
HÌNH 2.17: CÁC ỨNG DỤNG CỦA FIREBASE ....................................................... 20
HÌNH 2.18: BIỂU TƢỢNG ANDROID........................................................................ 22
HÌNH 2.19: CÁC PHIÊN BẢN ANDROID ĐÃ CHO RA MẮT ................................. 23
HÌNH 2.20: BIỂU TƢỢNG PHẦN MỀM ANDROID STUDIO ................................. 24
HÌNH 2.21: RFID........................................................................................................... 24
HÌNH 2.22: MODULE ĐỌC THẺ RFID ...................................................................... 25
HÌNH 2.23: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM DHT11 ................................................ 26
HÌNH 2.24: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA DHT11 ............................................. 27
HÌNH 2.25: DHT11 GỬI BIT 0 VỀ MCU .................................................................... 28
HÌNH 2.26: DHT11 GỬI BIT 1 VỀ MCU .................................................................... 28
HÌNH 2.27: QUANG TRỞ VÀ MODULE CẢM BIẾN QUANG TRỞ ...................... 29
HÌNH 2.28: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA QUANG TRỞ .................................. 29
HÌNH 2.29: MODULE CẢM BIẾN MƢA ................................................................... 30

HÌNH 2.30: MODULE CẢM BIẾN RUNG .................................................................. 31
HÌNH 2.31: MODULE CẢM BIẾN KHÍ GAS MQ2 ................................................... 32
HÌNH 2.32: BUZZER .................................................................................................... 32
HÌNH 2.33: LED ............................................................................................................ 33
HÌNH 2.34: MODULE RELAY 5V .............................................................................. 33

vi


HÌNH 2.35: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MODULE RELAY 5V ......................................... 34
HÌNH 2.36: QUẠT 12V ................................................................................................. 34
HÌNH 2.37: ĐỘNG CƠ SERVO SG90 ......................................................................... 35
HÌNH 2.38: MÀN HÌNH LCD 20X4 ............................................................................ 35
HÌNH 3.1: SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG ......................................................................... 38
HÌNH 3.2: SƠ ĐỒ MẠCH MODULE CẢM BIẾN KHÍ GAS MQ2 ........................... 40
HÌNH 3.3: SƠ ĐỒ MẠCH MODULE CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM DHT11 ...... 41
HÌNH 3.4: SƠ ĐỒ MẠCH MODULE CẢM BIẾN QUANG TRỞ.............................. 42
HÌNH 3.5: SƠ ĐỒ MẠCH MODULE CẢM BIẾN MƢA ........................................... 42
HÌNH 3.6: SƠ ĐỒ MẠCH CẢM BIẾN RUNG ............................................................ 43
HÌNH 3.7: SƠ ĐỒ MẠCH CẢM BIẾN VẬT CẢN HỒNG NGOẠ ............................ 44
HÌNH 4.1: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA HỆ THỐNG................................................... 53
HÌNH 4.2: LƢU ĐỒ GIẢI THUẬT CHI TIẾT KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM ............ 54
HÌNH 4.3: LƢU ĐỒ GIẢI THUẬT CHO ESP8266 ..................................................... 55
HÌNH 4.4: LƢU ĐỒ GIẢI THUẬT CHO ỨNG DỤNG ANDROID ĐIỀU KHIỂN ... 56
HÌNH 5.1: MƠ HÌNH HỆ THỐNG ............................................................................... 58
HÌNH 5.2: CÁC THƠNG SỐ ĐƢỢC HIỂN THỊ TRÊN FIREBASE .......................... 59

vii

MỤC LỤC BẢNG
BẢNG 2.1: THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ARDUINO MEGA 2560 ........................ 13
BẢNG 2.2: THÔNG SỐ KỸ THUẬT MODULE NODEMCU ESP8266 ................... 18
BẢNG 2.3: SƠ ĐỒ CHÂN CỦA RFID RC522 ............................................................ 26
BẢNG 2.4: SƠ ĐỒ CHÂN DHT11 ............................................................................... 26
BẢNG 2.5: SƠ ĐỒ CHÂN MODULE QUANG TRỞ ................................................. 29
BẢNG 2.6: SƠ ĐỒ CHÂN MODULE CẢM BIẾN MƢA ........................................... 30
BẢNG 2.7: SƠ ĐỒ CHÂN CẢM BIẾN RUNG ........................................................... 31
BẢNG 2.8: SƠ ĐỒ CHÂN MODULE CẢM BIẾN KHÍ GAS MQ2 ........................... 32
BẢNG 2.9: SƠ ĐỒ CHÂN LCD ................................................................................... 36
BẢNG 3.1: CÁC THÔNG SỐ NGUỒN DÒNG VÀ ÁP CỦA CÁC LINH KIỆN ...... 50
BẢNG 5.1: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM TRƢỜNG HỢP ĐIỀU KHIỂN THÔNG
QUA MẠNG .......................................................................................................... 61
BẢNG 5.2: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM TRƢỜNG HỢP ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP
KHÔNG THÔNG QUA MẠNG ........................................................................... 61

viii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
TT

Từ viết tắt

Từ tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

1

ADC

Analog Digital
Converter

Chuyển đổi tƣơng tự sang
số

2

COM

Common

Chân chung

3

CS

Chip Select

Lựa chọn thiết bị (Slave)

4

CSS

Cascading Style Sheets

Bộ truyền nhận nối tiếp bất
đồng bộ

5

IEEE

Institute of Electrical
and Electronics
Engineers

Hội Kỹ sƣ Điện và Điện tử

6

IoTs

Internet of Things

Mạng lƣới vạn vật kết nối

7

IIoTs

Industrial Internet of
Things

Mạng lƣới vạn vật kết nối
trong công nghiệp

8

GND

Ground

Nối đất

9

HTML

10

HTTP

Hyper Text Markup
Language
HyperText Transfer
Protocol

Ngôn ngữ đánh dấu siêu văn
bản
Giao thức truyền tải siêu
văn bản

11

LCD

Liquid Crystal Display

Màn hình tinh thể lỏng

12

MCU

Micro Controller Unit

Vi điều khiển

13

MISO

Master Input Slave
Output

Vào Master ra Slave

14

MOSI

Master Ouput Slave

Ra Master vào Slave

ix


Input
15

NC

Normally Closed

Thƣờng đóng

16

NO

Normally Opened

Thƣờng hở

17

RFID

Radio Frequency
Identification

18

SCK

Serial Clock

Nhận dạng qua tần số vơ
tuyến
Tín hiệu xung Clock nối
tiếp

19

SPI

Serial Peripheral Bus

Giao diện đồng bộ

20

UART

Universal
Asynchronous Receiver
– Transmitter

Bộ truyền nhận nối tiếp bất
đồng bộ

21

WiFi

Wireless Fidelity

Hệ thống truy cập Internet
không dây

x


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
ĐẶT VẤN ĐỀ
Cùng với sự phát triển của xã hội, ngày nay nhu cầu của con ngƣời ngày càng
đƣợc nâng cao từ đó kéo theo sự phát triển của các lĩnh vực kỹ thuật, công nghệ
nhằm đáp ứng đƣợc nhu cầu con ngƣời nhƣ y tế, điện tử, công nghệ th ng tin,… .
Các công nghệ bây giờ đang gần gũi với cuộc sống hơn bao giờ hết, chúng ta đang
sống trong thời đại của sự bùng nổ của kỹ thuật tiên tiến và ứng dụng của nó rất
phổ biến, mạnh mẽ.
Một trong các xu thế đó là việc các ngôi nhà hiện nay đƣợc xây dựng và áp
dụng các ứng dụng công nghệ thông tin vào việc quản lí các thiết bị điện tử nhằm
nâng cao chất lƣợng đời sống. Bên cạnh đó mạng lƣới Internet phát triển mạnh, có
tốc độ cao, phủ sóng rộng rãi cùng đó thì các mạng điện thoại cũng đã phát triển các
công nghệ mới phục vụ cho xu thể IoTs cho nên việc phát triển hệ thống điều khiển
và giám sát các thiết bị trong nhà càng đƣợc chú trọng.
Để có thể tiếp cận và nắm bắt đƣợc nhu cầu đó, nhóm chúng t i quyết định thực
hiện đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị trong nhà ”.
Thực hiện đề tài này, chúng tôi mong muốn có thể nắm bắt đƣợc xu hƣớng cơng
nghệ điều khiển thơng minh hiện nay và qua đó hi vọng đề tài này đƣợc ứng dụng
rộng rãi nhằm mục đích sử dụng hiểu quả các thiết bị điện cũng nhƣ mang lại sự
tiện lợi, an toàn cho ngƣời dùng.
1.2. MỤC TIÊU

Nhóm sẽ thiết kế và thi c ng m hình điều khiển các thiết bị điện trong nhà nhƣ
đèn, quạt, cửa, giám sát các yếu tố về m i trƣờng nhƣ nhiệt độ, độ ẩm, khí
gas,…qua ứng dụng đƣợc thiết kế sử dụng trên điện thoạt có kết nối WiFi. Các tín
hiệu dữ liệu đƣợc gửi lên Firebase làm nơi lƣu trữ dữ liệu và giao tiếp với ATmega
2560 và ESP8266 để điều khiển.
1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
 Nội dung 1: Nghiên cứu tổng quan về Ardruino, các giao thức truyền dữ
liệu. Tìm hiểu về hệ điều hành Android, cơ sở dữ liệu Firebase.
 Nội dung 2: Tìm hiểu về Ardruino Mega 2560, ESP8266, và các linh kiện
cảm biến, thiết bị ngoại vi.
 Nội dung 3: Tính tốn, thiết kế và thi cơng mạch, mơ hình.
 Nội dung 4: Hoàn thiện cân chỉnh hệ thống.
1.1.

1


1.4.

1.5.

GIỚI HẠN
 Sử dụng Ardruino Mega2560 để điều khiển các thiết bị ngoại vi và giao tiếp
với các module cảm biến.
 Thiết kế m hình nhà đơn giản.
 Giao tiếp giữa Ardruino Mega 2560, NodeMCU ESP8266, ứng dụng
Android, Firebase.
BỐ CỤC
 Chƣơng 1: Tổng quan
Trình bày tổng quan về lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các

giới hạn và bố cục đồ án.
 Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết
Giới thiệu các lý thuyết liên quan, thiết bị sử dụng và cách thức giao tiếp.
 Chƣơng 3: Tính toán và thiết kế hệ thống
Thiết kế hệ thống, sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý chức năng từng khối và thực
hiện tính tốn.
 Chƣơng 4: Thi cơng hệ thống
Thi cơng mơ hình hồn chỉnh.
 Chƣơng 5: Kết quả- nhận xét- đánh giá
Trình bày kết quả đạt đƣợc sau khi thực hiện, một số hình ảnh từ hệ thống.
Từ đó, đƣa ra nhận xét, đánh giá cho toàn bộ hệ thống.
 Chƣơng 6: Kết luận và hƣớng phát triển
Đƣa ra những kết luận sau khi hoàn thiện sản phẩm, các hƣớng phát triển
trong tƣơng lai.

2


2.1.

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
TỔNG QUAN VỀ INTERNET OF THING

2.1.1 Giới thiệu
Internet of Things hay còn đƣợc biết tới với tên gọi Internet kết nối vạn vật.
Trong đó, tồn bộ các thiết bị đƣợc tích hợp các bộ phận, linh kiện điện tử, cài đặt phần
mềm hay đƣợc trang trị các cảm biến để trở nên th ng minh hơn để phục vụ cho ngƣời
dùng.
Đây có thể xem một hệ thống vơ cùng phức tạp vì nó chứa đựng một số lƣợng
các kết nối lớn, giao tiếp giữa nhiều thiết bị với nhau và tới bộ xử lí trung tâm.

Hình 2.1: Internet of Things
Các thành phần chủ yếu của một hệ thống IoT bao gồm:
 Thiết bị: Mỗi một thiết bị sẽ tích hợp một hoặc nhiều cảm biến để phát hiện
các giá trị, thông số của ứng dụng và gửi các giá trị đó đến nền tảng của IoT.
 IoT – Platform: Là nền tảng của Iot, một chƣơng trình phần mềm đƣợc lƣu
trữ trên các kho lƣu trữ trực tuyến hay còn đƣợc biết đến là điện toán đám
mây, nền tảng này cho phép các thiết bị đƣợc kết nối với nhau. Các dữ liệu
từ thiết bị sẽ đƣợc thu nhập và tồn bộ dữ liệu đó sẽ đƣợc xử lý, phân tích
phát hiện nếu có lỗi trong suốt quá trình hoạt động hệ thống.
 Kết nối Internet: Trong hệ thống IoT các thiết bị bắt buộc phải giao tiếp với
nhau và kết nối tới Internet. WiFi đƣợc xem là một trong các phƣơng thức
kết nối Internet phổ biến và phát triển rộng rãi hiện nay.
 Ứng dụng: Ngƣời dùng điều khiển hệ thống thông qua ứng dụng dành riêng
cho hệ thống.

3


2.1.2 Một vài ứng dụng trong đời sống
 Các thiết bị đeo tay thông minh:
Ngày nay, các thiết bị đeo trên cơ thể con ngƣời với nhiều chức năng
th ng minh ngày càng đa dạng nhƣ: tai nghe, đồng hồ, kính ,vịng tay thơng
minh,… Các thiết bị này đang đƣợc quan tâm và phát triển mạnh mẽ ở rất nhiều
thị trƣờng trên toàn cầu. Google, Samsung và đặc biệt là Apple là những tập
đoàn lớn đã đầu tƣ những khoảng tiền rất lớn cho việc chế tạo ra các thiết bị đó.
Những thiết bị này có thể đƣợc gắn các cảm biến và cài đặt các phần mềm với
mục đích thu thập các dữ liệu, thông tin của ngƣời dùng nhằm phục vụ cho việc
lƣu trữ, cảnh báo sức khỏe cũng nhƣ các phần mềm có tính giải trí để phục vụ
cho các sinh hoạt hằng ngày của con ngƣời. Hầu hết các thiết bị này đƣợc thiết

kế với công suất vơ cùng nhỏ và kích thƣớc gọn, mang tính thẩm mỹ cao.

Hình 2.2: Các thiết bị đeo thơng minh

 IoT trong nông nghiệp:
Sự gia tăng mạnh mẽ của dân số một cách liên tục và cực kì nhanh đã đẩy
mạnh nhu cầu về lƣơng thực, thực phẩm ngày lớn. Cải tiến nông nghiệp đƣợc
xem là lĩnh vực phát triển rất nhanh của Internet of Things. Với việc áp dụng các
công nghệ, kỹ thuật tiên tiến, các thiết bị hỗ trợ giúp cho công việc đƣợc dễ dàng,
ngƣời nông dân có thể tăng sản lƣợng sản xuất trong nơng nghiệp.

4


Sử dụng các thiết bị thu nhập dữ liệu m i trƣờng, đánh ra chất lƣợng sản
phẩm hay các thiết bị tƣới tiêu tự động đang ngày càng đƣợc phổ biến rộng rãi ở
các vùng nơng nghiệp.

Hình 2.3: IoT trong nông nghiệp

 IoT trong Công nghiệp:
Industrial Internet gọi tắt là IIoT, là một sự phát triển mới của ngành công
nghiệp. IIoT sử dụng các cảm biến có độ nhạy cao, lập trình các phần mềm ứng
dụng để tạo ra những cỗ máy cực kì thơng minh, có thể tự động hóa hồn tồn để
hỗ trợ cho các mục đích của ngành công nghiệp. Những dữ liệu thu thập đƣợc
trong quá trình hoạt động sẽ giúp các cơng ty, các nhà quản lí phát hiện và giải
quyết các vấn đề sớm, đạt đƣợc năng suất lớn hơn. Máy móc sẽ có độ nhất quán
và tính chính xác hơn rất nhiều con ngƣời trong quá trình giao tiếp, hoạt động.

Hình 2.4: IoT trong công nghiệp

5


IIoT có một tiềm năng lớn trong việc quản lí chất lƣợng và độ bền vững.
Các ứng dụng liên kết và máy móc sẽ làm tăng hiệu quả chuỗi cung ứng giữa
nhà cung cấp, nhà phân phối và các hệ thống bán lẻ.
 Nhà thông minh - Smart home:
Smart Home là ứng dụng đƣợc phổ biến và có thể xem là xu thế của thiết kế nhà
ở hiện nay. Vậy làm cách nào để một ngôi nhà trở nên thông minh? Một cách đơn giản,
ngôi nhà thông minh là ngôi nhà sử dụng các thiết bị công nghệ, kỹ thuật cao kết nối
với nhau nhƣ: quạt, đèn, tivi, chu ng báo, cửa tự động và các thiết bị trong nhà khác…
Ngƣời sử dụng có thể theo dõi và quản lí mọi thiết bị th ng minh đƣợc kết nối trong
ngôi nhà của mình bất cứ thời điểm nào ngay cả khi đang kh ng có mặt ở đó th ng qua
ứng dụng trên điện thoại, máy tính hoặc máy tính bảng giúp kiểm sốt và điều khiển
các thiết bị có trong nhà từ xa một cách tự động một cách đơn giản thuận tiện và dễ
dàng.

Hiện nay nhiều hãng sản xuất đang tiến hành, nghiên cứu chế tạo và sản
xuất vô số các sản phẩm để hỗ trợ cho cuộc sống con ngƣời trở nên đơn giản và
thuận tiện hơn. Smart home đƣợc xem là bƣớc ngoặc mang tính cách mạng của
sự phát triển IoT. Sự ra đời của smart home đƣợc đánh giá sẽ trở nên phổ biến
nhƣ các smartphone hiện nay, có thể kể đến một số các hệ thống nhà thông minh
nổi tiếng nhƣ: Google Home, Samsung Things, Amazon Alexa,…

Hình 2.5: SmartHome

6

2.2.

CÁC CHUẨN GIAO TIẾP TRUYỀN DỮ LIỆU
Truyền dữ liệu là cách mà các thiết bị có giao tiếp, trao đổi dữ liệu với nhau.
Hiện nay có rất nhiều hãng sản suất các linh kiện điện tử khác nhau. Vì thế để dễ dàng
hơn trong việc truyền và nhận dữ liệu, các chuẩn giao tiếp truyền dữ liệu đƣợc ra đời
nhằm dễ dàng trao đổi dữ liệu giữa các linh kiện thiết bị điện tử theo một qui củ nhất
định. Có 2 dạng chuẩn giao tiếp truyền dữ liệu là SPI, UART đƣợc nhóm sử dụng
trong đề tài.
2.2.1 Giao tiếp UART
UART là một mạch tích hợp với mục đích truyền dẫn dữ liệu kiểu nối tiếp giữa
máy tính và các thiết bị ngoại vi.
 Đặc điểm:
Kiểu truyền dữ liệu nối tiếp UART khơng sử dụng tín hiệu xung clock nên đƣợc
gọi là dạng bất đồng bộ có một đƣờng truyền dữ liệu (Tx) và một đƣờng thu dữ liệu
(Rx),. Để có thể truyền đƣợc dữ liệu thì cả bên phát và bên thu phải tạo ra xung clock
đồng bộ với nhau phải có cùng tần số nên thƣờng đƣợc nhắc tới với tên là tốc độ baud.
Giao tiếp bằng UART đơn giản, hiệu quả cao nhƣng do phải truyền các bit START, bit
STOP giữa mỗi đƣờng dữ liệu và khoảng trống bảo vệ khiến cho thời gian truyền dữ
liệu bị chậm.
 Quá trình truyền dữ liệu bằng UART
Để Bắt đầu cho việc truyền dữ liệu theo chuẩn UART thì sẽ một START bit
phải đƣợc gửi đi để thông báo bắt đầu, tiếp đó là các bit dữ liệu và kết thúc quá trình
truyền dữ liệu sẽ là STOP bit.

Hình 2.6: Khung truyền dữ liệu của UART
Ở trạng thái nghỉ của UART là mức 1(Cao). Bắt đầu truyền START bit sẽ
chuyển từ bit 1 xuống bit 0 để thông báo là bắt đầu q trình truyền dữ liệu. Sau đó là
đến các bit dữ liệu D0-D7 (Tùy vào dữ liệu truyền mà các bit dữ liệu này có giá trị 0 và

7


1 khác nhau). Sau khi các bit dữ liệu truyền đi thì sẽ tới Bit Parity để bên thu nhận
nhằm kiểm tra tính đúng đắn của dữ liệu đã nhận. Kết thúc là STOP bit là bit 1 báo cho
thiết bị rằng kết thúc sự truyền dữ liệu. Bên thu sẽ tiến hành kiểm tra khung truyền
nhằm đảm báo tính đúng đắn của dữ liệu đã nhận.
Những thông số cơ bản trong truyền nhận dữ liệu bằng UART:
 Baund rate (tốc độ baund): Thời gian truyền của 1 bit. Phải đƣợc đồng
bộ ở bên thu và bên phát.
 Frame (khung truyền): Định nghĩa cho số lƣợng bit trong mỗi lần truyền
của mỗi khung truyền.
 Start bit: Bắt buộc, là bit đầu tiên đƣợc truyền trong 1 khung. Có chức
năng th ng báo cho bên thu có một gói dữ liệu sắp đƣợc truyền đến.
 Data: là dữ liệu đƣợc truyền đi. Truyền bit có trọng số nhỏ nhất trƣớc
 Parity bit: bit đƣợc dung để kiểm tra dữ liệu truyền.
 Stop bit: Bắt buộc, là 1 hoặc các bit báo hiệu cho thiết bị rằng các bit đã
đƣợc gửi xong. Bên thu sau khi nhận đƣợc bit Stop sẽ tiến hành kiểm tra
khung truyền, tính chính xác của dữ liệu.
2.2.2 Giao tiếp SPI
SPI là một chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao do hãng Motorola đề xuất.
Đây là kiểu truyền thơng Master-Slave, trong đó có 1 chip Master điều phối quá trình
tuyền th ng và các chip Slaves đƣợc điều khiển bởi Master vì thế truyền thơng chỉ xảy
ra giữa Master và Slave. SPI là một cách truyền song cơng nghĩa là tại cùng một thời
điểm q trình truyền và nhận có thể xảy ra đồng thời. SPI đ i khi đƣợc gọi là chuẩn
truyền th ng “4 dây” vì có 4 đƣờng giao tiếp trong chuẩn này đó là SCK, MISO, MOSI
và SS.

8

Hình 2.7: Kết nối dây giữa Master và nhiều Slave trong SPI
 Chuẩn giao tiếp SPI bao gồm 4 dây:
 SCK: Đây chân tín hiệu đồng hồ clock do chip Master, mục đích là tạo xung
nhịp cho mọi hoạt động trong q trình truyền nhận. Vì có chân này nên SPI
là chuẩn giao tiếp đồng bộ và dữ liệu trong q trình truyền nhận cũng có tỉ
lệ ít sai sót.
 MOSI: chân xuất dữ liệu của chip đƣợc lựa chọn là Master và khi là chip
Slave thì sẽ trở thành chân dùng để nhận dữ liệu.
 MISO: Với chip Master thì đây là chân dùng để nhập dữ liệu và khi ở trạng
thái Slave thì tƣơng ứng là chân xuất dữ liệu.
 SS – NSS: Đây là chân lựa chọn, nếu có nhiều các thiết bị Slaves, chân này
mục đích quyết định thiết bị sẽ là Slave giao tiếp.
 Quá trình truyền dữ liệu bằng SPI

9


Hình 2.8: Khung truyền dữ liệu của SPI
Dù là chip Master hay Slave thì đều sẽ có một thanh ghi dữ liệu có 8 bits. Khi
một xung nhịp do Master tạo ra trên chân SCK, thì sẽ có một bit dữ liệu đƣợc truyền
qua lại giữa hai chân MISO và MOSI. Chỉ có thể thực hiện đƣợc khi tín hiệu của chân
SS đƣợc thiết lập ở mức 0 (thấp), sau q trình truyền thì thiết lập các dịng SS trở lại
mức 1 (cao).
2.3.

Vi điều khiển

2.3.1. Khái niệm
Vi điều khiển là một hệ thống nhúng khép kín. Hệ thống này tích hợp bộ xử lý,

bộ nhớ và các thiết bị ngoại vi lại với nhau. Hiện nay, đa số các vi điều khiển đƣợc sản
xuất, lập trình nhằm ứng dụng vào trong các thiết bị điện tử nhƣ điện thoại, các thiết bị
ngoại vi, các loại xe ô tô, xe gắn máy, đồ da dụng và các thiết bị điện tiêu dùng…
Vi điều khiển có thể là những loại đƣợc nhà sản suất lập trình khác đơn giản với thời
gian lập trình tƣơng đối ngắn với bộ nhớ và các phần mềm đơn giản. Ngồi ra cũng có
một số loại vi điều khiển với hệ thống nhúng đƣợc thiết kế rất phức tạp để phục vụ cho
một số yêu cầu nhất định đòi hỏi các tác vụ nặng.

10


Hình 2.9: Cấu trúc vi điều khiển
Một vi điều khiển có bao gồm đầu vào và đầu ra. Số lƣợng các chân khác nhau
tùy thuộc theo loại, chức năng và tính ứng dụng của vi điều khiển và các linh kiện khác
nhƣ LCD, cuộn dây, rơ le, bộ chuyển mạch và các cảm biến… mục đích thu thập các
dữ liệu m i trƣờng nhƣ nhiệt độ, độ ẩm, mức độ ánh sáng, hiện thị các thông số hay tạo
liên kết giữa những vi điều khiển với nhau
Trên thị trƣờng hiện nay có rất nhiều loại vi điều khiển, tiêu biểu nhƣ PIC của
hãng MICROCHIP,
AT89S52 và AVR của hãng ATMEL, STM của
STMicroelectronics...
2.3.2. Bo mạch Arduino Mega 2560 R3
2.3.2.1.Giới thiệu chung
Bo mạch Arduino Mega 2560 R3 sử dụng vi điều khiển trung tâm là Atmega
2560 cho ra số chân ngoại vi, sử dụng các chuẩn giao tiếp và số chân rất nhiều (54
chân vào ra dạng số và 16 chân vào ra dạng tƣơng tự), bộ nhớ rất lớn (256kb). Board
sử dụng điện áp 5VDC và có cấu trúc tƣơng thích với nhiều board mạch khác nhau.

11

Hình 2.10: Arduino Mega 2560
2.3.2.2.Đặc điểm kỹ thuật

Hình 2.11: Sơ đồ chân Arduino Mega 2560

12


 Các thông số kỹ thuật
Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật của Arduino Mega 2560
TT
1
2
3

Thông số
Điện áp hoạt động
Điện áp đầu vào (đƣợc xuất)
Điện áp đầu vào (đƣợc giới hạn)

4

Số lƣợng chân vào ra

5
6
7

Số lƣợng chân vào ra tƣơng tự

Dòng điện DC mỗi chân vào ra
Dòng điện DC với chân có điện áp 3.3V

8

Bộ nhớ flash

9
10
11
12
13
14

EEPROM
SRAM
Tốc độ xung đồng hồ Clock
Chiều dài
Bề rộng
Cân nặng

Giá Trị
5V
7-12 V
6-20 V
54 (trong đó có 15 chân có
chức năng PWM)
16 chân
20 mA
50 mA

256 KB (có 8 KB sử dụng
để khởi động)
4 KB
8 KB
16 MHz
101,52 mm
53,3 mm
37 g

 Các đặc điểm về chân của bo mạch Arduino Mega 2560 R3
 Chân điều khiển:
- RESET: Arduino Mega Mega 2560 có sẵn một mạch reset và nút ấn để
thiết lập lại hệ thống trở về ban đầu hoặc khi kết nối với các thiết bị
khác để thiết lập lại bộ điều khiển.
- XTAL1, XTAL2: Thạch anh(16MHz) đƣợc kết nối với xung clock cung
cấp cho bộ điều khiển.
- AREF: Chân này có mục đích khi sử dụng để chuyển đổi tín hiệu ADC
dùng điện áp tham chiếu ngồi mà kh ng muốn sử dụng điện áp tham
chiếu nội bộ 1.1V hoặc 5V.

13


 Các chân igita 54 : Chân số: Từ 0-53 (số mục đích th ng thƣờng là sử dụng
làm ngõ vào ra cho thiết bị.
 Các chân Analog (16): Từ chân số 0 -15 (tƣơng tự) có thể đƣợc sử dụng làm
ngõ vào tƣơng tự cho bộ chuyển đổi ADC, nếu khơng nó hoạt động nhƣ chân
dữ liệu số th ng thƣờng.
 Chân có chức năng thay thế
- Chân SPI: Chân 22-SS, 23-SCK, 24-MOSI, 25-MISO. Các chân này sử

dụng cho chuẩn giao tiếp nối tiếp với giao thức SPI để kết nối giữa 2
thiết bị trở lên.
- Chân I2C: Chân 20 cho SDA và 21 cho SCK (Tốc độ 400khz) cho phép
liên lạc hai dây với các thiết bị khác.
- Chân PWM: Chân 2-13 có thể đƣợc sử dụng nhƣ đầu ra PWM với hàm
analogWrite () để ghi giá trị PWM từ 0-255.
- Chân USART:
+ Chân 0 - RXD0, chân 1 - TXD0.
+ Chân 19 - RXD1, chân 18 - TXD1.
+ Chân 17 - RXD2, chân 16 - TXD2.
+ Chân 15 - RXD3, chân 14 - TXD3.
+ Chân này có chức năng giao tiếp nối tiếp giữa bo mạch với máy
tính hoặc hệ thống khác để trao đổi và ghi dữ liệu.
- Chân ngắt:
+ Chân Digital: 0,22,23,24,25,10,11,12,13,14,15.
+ Chân Analog: 6,7,8,9,10,11,12,13,14,15.
+ Đƣợc sử dụng để ngắt. Để kích hoạt chân ngắt phải cài đặt bật
ngắt toàn cục.
- Chân ngắt ph n cứng: Chân 18 - 21,2,3 có chức năng ngắt phần cứng
đƣợc sử dụng cho các ứng dụng ngắt. Ngắt phần cứng phải đƣợc bật với
tính năng ngắt tồn cục để ngắt quãng từ các thiết bị khác.
2.3.2.3 Ph n mềm Arduino IDE lập trình cho Arduino
Arduino là một IDE tích hợp sẵn editor, compiler, programmer và đi kèm với nó
là
các firmware có bootloader, các bộ thƣ viện đƣợc xây dựng sẵn và dễ dàng tích hợp.
Ngơn ngữ sử dụng là C/C++. Tất cả đều opensource và đƣợc đóng góp, phát triển

14