(Đồ án hcmute) hệ thống đèn giao thông điều khiển bằng điện thoại thông minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG

HỆ THỐNG ĐÈN GIAO THÔNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG
ĐIỆN THOẠI THÔNG MINH

GVHD: NGUYỄN THANH HẢI
SVTH: PHẠM TIẾN PHÁT
MSSV: 15141049
SVTH: LÊ MINH HIỂN
MSSV: 15141015

SKL 0 0 6 7 4 5

Tp. Hồ Chí Minh, 2019

do an


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
----***----

Tp. Hồ Chí Minh, ngày… tháng… năm 2019

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Phạm Tiến Phát

Lê Minh Hiển
Ngành: Công nghệ kỹ điện tử truyền thông
Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN THANH
Ngày nhận đề tài:
Ngày nộp đề tài:

MSSV: 15141049
MSSV: 15141015
Lớp: 15141CL2
HẢI

1. Tên đề tài: Hệ thống đèn giao thông điều khiển bằng điện thoại thông minh.

2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: Giáo trình vi xử lý: vi điều khiển PIC16F887; Giáo
trình thực hành vi điều khiển PIC, Giáo trình điện tử cơ bản
3. Nội dung thực hiện đề tài: Thiết kế và xây dựng hệ thống đèn giao thông điều
khiển bằng điện thoại thông minh sử dụng pin năng lượng mặt trời, có khả năng
tự chuyển đổi sang nguồn điện 220VAC khi pin gặp sự cố hoặc không đủ năng
lượng. Giám sát các thông số của hệ thống và điều khiển hoạt động của hệ thống
qua ứng dụng android thông qua wifi.
4. Sản phẩm: Mơ hình hệ thống đèn giao thơng cho ngã tư với các đèn đi thẳng, rẽ
trái, đèn cho người đi bộ, cụm led đếm giây và có bộ điều khiển gồm các nút
nhấn và một LCD hỗ trợ điều khiển. Mơ hình có bốn trụ đèn, để giảm chi phí và
thời gian thi cơng nên chỉ có hai trụ hoạt động, hai trụ còn lại giống nhau nên đã
được cắt giảm. Bên cạnh đó mơ hình được giám sát và điều khiển qua app
android thông qua wifi.
TRƯỞNG NGÀNH

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

do an


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
----***----

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Phạm Tiến Phát
MSSV: 15141049
Lê Minh Hiển
MSSV: 15141015
Ngành: Công nghệ kỹ điện tử truyền thông
Tên đề tài : Hệ thống đèn giao thông điều khiển bằng điện thoại thông minh.
Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN THANH HẢI
Họ và tên Sinh viên:

NHẬN XÉT

1. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:
.......................................................................................................................................
2. Ưu điểm:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
3. Khuyết điểm:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

4. Đề nghị cho bảo vệ hay không ?
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
5.Đánh giá loại : ...........................................................................................................
6.Điểm……..( Bằng chữ ............................................................................................ )
.......................................................................................................................................
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2019
Giáo viên hướng dẫn

Tp. Hồ Chí Minh, ngày

do an

tháng

năm 2019


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
----***----

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Phạm Tiến Phát
MSSV: 15141049
Lê Minh Hiển
MSSV: 15141015
Ngành: Công nghệ kỹ điện tử truyền thông
Tên đề tài : Hệ thống đèn giao thông điều khiển bằng điện thoại thông minh
Họ và tên Giáo viên phản biện: ..................................................................................

.......................................................................................................................................
NHẬN XÉT
1.Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Họ và tên Sinh viên:

2. Ưu điểm:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
3. Khuyết điểm:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
4. Đề nghị cho bảo vệ hay không ?
.......................................................................................................................................
5.Đánh giá loại : ...........................................................................................................
6.Điểm……..( Bằng chữ ............................................................................................ )
.......................................................................................................................................
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2019
Giáo viên hướng dẫn

Tp. Hồ Chí Minh, ngày

do an

tháng

năm 2019

LỜI CẢM ƠN
Để có thể hồn thành đề tài này, nhóm sinh viên thực hiện xin gửi lời
cảm ơn chân thành đến các Thầy/Cô trong khoa Đào tạo Chất lượng cao, trường
Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, những người đã truyền
đạt cho em những kiến thức quý báu, chỉ dẫn và định hướng cho nhóm trong
quá trình học tập. Đây là những tiền đề để nhóm có thể hồn thành được đề tài
cũng như trong sự nghiệp sau này.
Đặc biệt, nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn
Thanh Hải đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho nhóm trong
suốt thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp. Nhóm xin được phép gửi đến thầy
lòng biết ơn và lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất. Kiến thức, kinh nghiệm
và cái tâm nghề nghiệp của thầy đã không những giúp đỡ nhóm hồn thành tốt
đề tài mà cịn là tấm gương để nhóm học tập và noi theo trên con đường sau này.
Bên cạnh đó, nhóm cũng xin cảm ơn các anh, chị khóa trước cũng như
các bạn sinh viên trong lớp 15141CL2 đã nhiệt tình đóng góp ý kiến và chia sẽ
kinh nghiệm để giúp nhóm hồn thành đề tài này.
Cuối cùng chúng em xin cảm ơn đến gia đình, là chỗ dựa cũng như là
nguồn động viên tinh thần mỗi khi chúng em gặp khó khăn trong q trình học
tập nghiên cứu để hồn thành đề tài tốt nghiệp.
Nhóm xin chân thành cảm ơn!
TP.HCM.ngày tháng năm
Sinh viên thực hiện đề tài
Lê Minh Hiển
Phạm Tiến Phát

i

do an

TĨM TẮT
Đèn giao thơng là thiết bị xuất hiện ở tất cả các quốc gia trên thế giới. Công
dụng của nó thì vơ cùng quan trọng mà ai cũng đã biết. Nó là một phát minh tuyệt
vời của nhân loại. Ở nước ta đèn giao thông cũng xuất hiện rất nhiều, lượng điện
cung cấp cho nó cũng khá lớn. Thêm vào đó là lượng xe ngày càng tăng trong
những năm gần đây gây ra tình trạng ách tắc giao thơng ở các tuyến đường huyết
mạch của các thành phố lớn là điều không thể tránh khỏi. Hơn nữa việc điều khiển
đèn cần người đến trực tiếp tại nơi cần điều khiển thì mới thực hiện được. Điều này
dẫn đến tình trạng ùn tắc giao thông không được xử lý kịp thời và có thể kéo dài
hàng giờ đồng hồ. Do vậy, việc thiết kế đèn giao thông thông minh là cần thiết.
Chính vì thế, nhóm em quyết định thực hiện đề tài: “HỆ THỐNG ĐÈN
GIAO THÔNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐIỆN THOẠI THÔNG MINH” . Hệ thống
sử dụng vi điều khiển PIC16F887 làm vi xử lý trung tâm và có 2 chế độ điều khiển
là AUTO và MANUAL. Ở chế độ AUTO hệ thống sẽ hoạt động theo các thông số
mà người dùng đã lập trình trước đó. Cịn ở chế độ MANUAL người dùng có thể
điều khiển hệ thống bằng bộ nút nhấn và qua internet. Để đáp ứng tiêu chí về tiết
kiệm điện năng, hệ thống ưu tiên sử dụng pin năng lượng mặt trời và có thể tự động
chuyển sang nguồn điện 220V khi ác quy chưa được sạc đầy. Ngồi ra hệ thống
cịn được giám sát bằng internet thông qua một ứng dụng android , nhờ vậy có thể
biết được đèn giao thơng có đang hoạt động hay không, sử dụng nguồn điện nào và
điều khiển được các thông số trên hệ thống . Để làm được vậy hệ thông sẽ sử dụng
vi điều khiển PIC 16F887 làm vi xử lý trung tâm để điều khiển các module mở rộng
như màn hình LCD , NODE MCU ESP8266 , các module hiển thị đèn và đếm giây.

ii

do an

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..............................................................................................................i
TÓM TẮT .................................................................................................................. ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...........................................................................iv
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................... v
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ................................................................................vi
Chương 1. TỔNG QUAN .............................................................................................1
1.1.Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu..........................................................................1
1.2.Mục đích và giới hạn đề tài .....................................................................................1
1.3.Nội dung thực hiện ..................................................................................................2
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................................3
2.1. Các mơ hình điều khiển thông minh ......................................................................3
2.1.1 Hệ thống điều khiển các thiết bị trong phịng học ...........................................3
2.1.2 Hệ thống chăm sóc vườn lan sử dụng pin năng lượng mặt trời .......................3
2.1.3 Hệ thống điều khiển các thiết bị giám sát nhà .................................................4
2.2 Hệ thống đèn giao thông ở nước ta hiện nay ..........................................................5
2.3 Google Firebase ....................................................................................................6
2.3.1 Giới thiệu ..........................................................................................................6
2.3.2 Các chức năng chính của Fire base ..................................................................7
2.4 Android Studio ........................................................................................................7
2.5 Những chuẩn truyền dữ liệu....................................................................................8
2.5.1 Chuẩn giao tiêp I2C ..........................................................................................8
2.5.2 Chuẩn giao tiêp UART .....................................................................................9
Chương 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ..............................................10
3.1 Giới thiệu ...........................................................................................................10
3.2 Hoạt động của hệ thống .....................................................................................11
3.3 Thiết kế các thành phần của hệ thống ..............................................................11
3.3.1 Khối nguồn ...................................................................................................11

3.3.2 Pin năng lượng mặt trời ...............................................................................13
3.3.3 Module chuyển nguồn tự động XH-M350 ...................................................14
3.3.4 Khối điều khiển bằng nút nhấn .....................................................................14
3.3.5 Khối xử lý .....................................................................................................15
3.3.6 Khối giao tiếp với wifi ..................................................................................17
3.3.7 Khối thời gian thực .......................................................................................20
3.3.8 Khối hiển thị..................................................................................................21
3.3.8.1 Khối hiển thị dành cho người điều khiển .............................................21
3.3.8.2 Khối hiển thị thời gian đếm .................................................................23
3.3.8.3 Khối đèn hiển thị ..................................................................................28
3.4 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch ..................................................................................30
iii

do an


Chương 4. THI CƠNG HỆ THỐNG ..........................................................................32
4.1 Thi cơng phần mềm hệ thống.............................................................................37
4.2 Lưu đồ giải thuật ................................................................................................37
4.2.2.1 Lưu đồ giải thuật của khối nút nhấn ......................................................37
4.2.2.2 Lưu đồ giải thuật của đèn giao thông .....................................................38
4.2.2.3 Lưu đồ giải thuật của khối giao tiếp mạng .............................................41
4.3 Thi công phần cứng...........................................................................................42
Chương 5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................47
Tài liệu tham khảo...............................................................................................48
Phụ lục .....................................................................................................................49

iv

do an

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
IC

Integrated Circuit

Mạch tích hợp

GPIO

General-purpose input/output

GPS
SPI
I2C

Global Positioning System
Serial Peripheral Interface
Inter-Integrated Circuit

OS
NFC
PHP
I/O
MCU
UART

Operating System
Near-Field Communications

Hypertext Preprocessor
Input/Output
Microprocessor Control Unit
Universal Asynchronous Receiver –
Transmitter
Liquid Crystal Display
Hyper Text Markup Language
Hyper Text Transfer Protocol
Analog Digital Converter

Cổng đầu vào và ra với mục đích
cơ bản
Hệ thống định vị toàn cầu
Giao diện ngoại vi nối tiếp
Vi mạch tích hợp truyền thơng nối
tiếp
Hệ điều hành
Cơng nghệ giao tiếp tầm ngắn
Ngơn ngữ lập trình kịch bản
Ngõ vào/ngõ ra
Khối vi điều khiển
Truyền dữ liệu nối tiếp bất đồng
bộ
Màn hình tinh thể lỏng
Ngơn ngữ đánh dấu siêu văn bản
Giao thức truyền siêu văn bản
Chuyển đổi tín hiệu tương tự sang
tín hiệu số
Đồ án tốt nghiệp

LCD
HTML
HTTP
ADC hay
A/D
ĐATN

v

do an


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Dòng tiêu thụ của các linh kiện ..................................................................... 12
Bảng 3.2: Chức năng các chân LCD 20x4 ..................................................................... 22

vi

do an


DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Hệ thống đèn giao thông ở nước ta hiện nay ................................................... 5
Hình 2.2: Logo cơng cụ Google Firebase ........................................................................ 6
Hình 2.3: Hệ thống CSDL Realtime của Database .......................................................... 7
Hình 2.4: Phần mềm lập trình Android Studio ................................................................ 8
Hình 2.5:Kết nối thiết bị vào bus I2C ở chế độ chuẩn (Standard mode) và chế độ
nhanh(Fast mode) ............................................................................................................. 9
Hình 2.6: Truyền dữ liệu UART ...................................................................................... 9
Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống ................................................................................. 10

Hình 3.2: Sơ đồ khối của khối nguồn ............................................................................ 11
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý của khối nguồn .................................................................... 12
Hình 3.4: Pin năng lượng mặt trời ................................................................................. 13
Hình 3.5: Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời cho ác quy ........................................ 14
Hình 3.6: Module chuyển nguồn tự động XH-M350..................................................... 15
Hình 3.7: Sơ đồ phần cứng khối nút nhấn..................................................................... 15
Hình 3.8: Vi điều khiển Pic 16F887 .............................................................................. 16
Hình 3.9: Sơ đồ chân vi điều khiển Pic 16F887 ............................................................ 16
Hình 3.10: Mạch nguyên lý khối xử lý của hệ thống ..................................................... 17
Hình 3.11: Moduel NODE MCU ESP 8266 .................................................................. 19
Hình 3.12: Mạch nguyên lý khối giao tiếp với wifi ....................................................... 20
Hình 3.13: Sơ đồ chân DS1307 ...................................................................................... 20
Hình 3.14: Mạch nguyên lý khối thời gian thực ............................................................ 21
Hình 3.15: Sơ đồ phần cứng khối hiển thị 1 .................................................................. 23
Hình 3.16: IC 74HC595 ................................................................................................. 24
Hình 3.17: Sơ đồ chân IC 74HC595 .............................................................................. 25
Hình 3.18 Sơ đồ phần cứng khối mở rộng port ............................................................. 27
Hình 3.19: Sơ đồ phần cứng 1 led 7 đoạn ...................................................................... 28
Hình 3.20: Sơ đồ phàn cứng led đơn cùa một cột .......................................................... 30
Hình 3.21: Sơ đồ nguyên lý tồn mạch .......................................................................... 32
Hình 4.1: Giao diện sau khi đăng nhập firebase ............................................................ 33
Hình 4.2: Giao diện sau khi tạo project ......................................................................... 34
Hình 4.3: Chọn chế độ hoạt động Realtime Database ................................................... 34
Hình 4.4: Nơi xem đường dẫn của project ..................................................................... 35
Hình 4.5: Nơi lấy mã xác thực ....................................................................................... 35
Hình 4.6: Cú pháp kết nối phần mềm Ardunio với Firebase ......................................... 36
Hình 4.7: Biểu tượng Android trên Firebase ................................................................. 36
Hình 4.8: Giao diện sau khi kết nối thành công ............................................................. 37
Hình 4.9: Lưu đồ giải thuật của khối nút nhấn .............................................................. 37
Hình 4.10: Lưu đồ giải thuật của một đèn giao thơng ................................................... 37

Hình 4.11: Lưu đồ giải thuật của hai đèn giao thông ..................................................... 37
vii

do an


Hình 4.12 : Mạch in một cặp led 7 đoạn ........................................................................ 37
Hình 4.13 : Mạch in 2 cụm led đơn ............................................................................... 38
Hình 4.14 : Mạch in khối mở rộng port dùng IC 74HC595........................................... 40
Hình 4.15 : Mạch in khối xử lý trung tâm...................................................................... 43
Hình 4.16 : Giao diện điều khiển trên LCD ................................................................... 45
Hình 4.17 : Dữ liệu trên Firebase ................................................................................... 50
Hình 4.18 : Giao diện ứng dụng android........................................................................ 53
Hình 4.19 : Mơ hình đèn giao thơng .............................................................................. 60

viii

do an


Chương 1: TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu
Những năm gần đây vấn đề ách tắc giao thông ở các tuyến đường huyết mạch
của các thành phố lớn là điều khơng thể tránh khỏi. Vì hầu hết các hệ thống đèn tín
hiệu giao thơng ở nước ta hiện nay hoạt động dựa trên nguyên tắc định thời, với chu
kỳ tắt mở đèn xanh và đỏ được thiết lập cố định cho cả tất cả các tuyến đường. Điều
này tỏ ra kém hiệu quả khi các phương tiện lưu thơng trên các tuyến đường có sự
chênh lệch.
Giải pháp kiểm sốt lưu lượng giao thơng bằng cơng nghệ phân tích xử lý hình
ảnh của Siemens có thể giải quyết tình trạng này. Tình hình giao thơng liên tục

được cập nhật và thời gian đèn giao thông liên tục được điều chỉnh một cách phù
hợp trên phạm vi toàn thành phố nhằm đảm bảo lưu lượng giao thơng thơng suốt.
Ngồi hệ thống đèn tín hiệu giao thơng mới, một tủ điều khiển tương thích của
Siemens mang tên cũng được lắp đặt. Tủ này là thiết bị quan trọng để điều khiển
đèn tín hiệu giao thơng. Nó đảm bảo các đèn tín hiệu ln hoạt động chính xác,
quyết định thời gian của đèn xanh và đèn đỏ, đồng thời giám sát hoạt động an tồn
của nút giao thơng, tuy nhiên giá thành lắp đặt lại rất cao.
Nhận thấy những bất cập trên kết hợp với những kiến thức đã được học ở nhà
trường, nhóm quyết định thực hiện đề tài: “HỆ THỐNG ĐÈN GIAO THƠNG
ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐIỆN THOẠI THƠNG MINH”. Mơ hình sử dụng vi điều
khiển PIC16F887 để làm bộ xử lý trung tâm cho hệ thống đèn giao thông, module
NodeMCU ESP8266 để truyền dữ liệu từ mơ hình về điện thoại thơng minh qua
một ứng dụng Android. Người dùng có thể giám sát tình trạng hoạt động của hệ
thống và điều khiển được đèn giao thông thông qua ứng dụng này. Mơ hình sử
dụng nguồn pin năng lượng mặt trời làm nguồn cung cấp chính cho hệ thống và có
khả năng tự chuyển sang nguồn điện 220V khi chưa được nạp đầy.
1.2 Mục đích và giới hạn đề tài
 Mục đích
Thiết kế và xây dựng hệ thống đèn giao thơng thơng minh sử dụng pin năng
lượng mặt trời, có khả năng tự chuyển đổi sang nguồn điện 220VAC khi pin gặp sự
cố hoặc không đủ năng lượng. Giám sát các thông số của hệ thống và điều khiển
hoạt động của hệ thống qua ứng dụng android thông qua điện thoại thơng minh. Có
thể trực tiếp điều khiển thơng qua ứng dụng android trên điện thoại thông minh để
điều khiển đèn.
 Giới hạn của đề tài

1

do an

+ Mơ hình thiết kế chưa đẹp.
+ Bộ nút nhấn điều khiển hoạt động chưa ổn định.
1.3 Nội dung thực hiện
+ Thiết kế sơ đồ khối cho toàn hệ thống.
+ Nghiên cứu và xây dựng mơ hình hệ thống đèn giao thông cho ngã tư.
+ Sử dụng phần mềm PIC C Complier lập trình cho vi điều khiển PIC16F887 và
phần mềm Arduino lập trình cho MCU ESP8266.
+ Thiết kế các chế độ điều khiển đèn giao thông: bằng tay, ứng dụng android,
gậy chỉ huy.
+ Thiết kế hệ thống sử dụng nguồn pin năng lượng mặt trời và nguồn điện
220VAC. Có khả năng tự động chuyển nguồn theo yêu cầu.
+ Đảm bảo tính ổn định và có kết nối đến ứng dụng Android.
+ Hoạt động của hệ thống sẽ được giám sát và điều khiển qua wifi thông qua ứng
dụng Android và gậy chỉ huy giao thông.
+ Tiến hành tổng hợp kết nối các khối lại vào trong mơ hình.
+ Chỉnh sửa các lỗi điều khiển, lỗi lập trình của các thiết bị.
+ Thi cơng mơ hình và cân chỉnh.
+ Chạy thử và hiệu chỉnh.
+ Viết báo cáo.

2

do an


Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Các mơ hình điều khiển thông minh
2.1.1 Hệ thống điều khiển các thiết bị trong phịng học
Ngày nay, việc ứng dụng cơng nghệ thơng tin vào việc quản lý nhằm góp phần

phục vụ và nâng cao chất lượng cuộc sống con người ngày càng được chú trọng
nhiều hơn. Từ đó việc điều khiển các thiết bị từ xa đang trở nên rất phổ biến. Chẳng
hạn như mơ hình sử dụng điện thoại thơng minh, website có kết nối internet để điều
khiển những thiết bị như đèn, quạt vào mọi thời điểm.
Mơ hình điều khiển được các thiết bị điện trong phòng học như đèn, quạt, ...
qua ứng dụng android được thiết kế trên điện thoại thơng minh, ngồi ra cịn điều
khiển được trên web. Các tín hiệu được gửi lên Firebase làm nơi lưu trữ dữ liệu và
giao tiếp với Arduino Mega2560 thông qua NodeMCU ESP8266 để điều khiển và
có hiển thị thời gian trên LCD cũng như tùy chỉnh bật, tắt thiết bị thơng qua thẻ từ.
( Trích dẫn TLTK : Huỳnh Nguyễn Nhân Hậu – Thái Ngọc Hậu “ Đồ án - THIẾT
KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ TRONG PHÒNG
HỌC” , trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, Việt Nam [1].
 Ưu điểm
+ Hệ thống có hồi tiếp trạng thái của thiết bị.
+ Hệ thống có thể được điều khiển bất kì nơi đâu có internet.
+ Ứng dụng RFID để đóng mở thiết bị.
+ Giao diện thiết kế dễ sử dụng và đẹp mắt.
 Hạn chế
+ Hệ thống phụ thuộc vào tốc độ của wifi hoặc 3G.
+ Hệ thống phải điều khiển qua thiết bị thông minh thông qua phần mềm và
chưa có thể điều khiển từng thiết bị thơng qua cơng tắc.
+ Hệ thống chưa giám sát được tình trạng hoạt động thực tế của thiết bị cũng
như thu thập được dữ liệu về lịch sử hoạt động cũng nhức mức tiêu thụ điện năng
các thiết bị.
2.1.2 Hệ thống chăm sóc vườn lan sử dụng pin năng lượng mặt trời
Môt ứng dụng khác về việc điều khiển từ xa trong lĩnh vực nơng nghiệp là
mơ hình chăm sóc vườn lan. Hệ thống tưới lan sẽ hoạt động thông qua các giá trị
cài đặt nhiệt độ khơng khí, độ ẩm khơng khí và độ ẩm đất sao cho phù hợp với chỉ
số sinh trưởng của cây lan. Sau đó, các giá trị cảm biến sẽ được gửi lên web để
giám sát quá trình trồng lan, nguồn cung cấp chính cho hệ thống là pin năng lượng

mặt trời cho công suất ổn định và có tuổi thọ cao (từ 30 đến 50 năm) và có thể điều
khiển được các thiết bị như máy bơm nước từ xa khi độ ẩm đất quá thấp.
3

do an


(Trích dẫn TLTK: Hàn Văn Hải “Đồ án - THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG HỆ THỐNG
CHĂM SĨC VƯỜN LAN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI”, trường Đại
Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, Việt Nam[2].
Khi cấp điện vào, hệ thống sẽ khởi động Arduino, module wifi ESP 8266 V1,
cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11, LCD,... Sau khi khởi động xong mặc định sẽ
hiển thị giá trị cảm biến trên LCD và hệ thống chạy chế độ tự động. Muốn đổi chế
độ thì ta nhấn phím chế độ tay tương ứng với chức năng điều khiển bằng tay, sau
đó chỉ nhấn nút bơm hoặc hơi sương thì có thể điều khiển trực tiếp.
 Ưu điểm :
+ Tồn bộ hệ thống chạy tương đối ổn định.
+ Module Wifi ESP 8266 V1 hoạt động tốt nhiệm vụ truyền nhận dữ liệu.
+ Các cảm biến hoạt động khá ổn định, sai số tương đối không quá 2%.
+ Hệ thống website quản lý giá trị nhiệt độ, độ ẩm dễ sử dụng, đáp ứng nhu
cầu thực tiễn.
 Nhược điểm :
+ Phần cứng đáp ứng chưa tốt ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống.
2.1.3 Hệ thống điều khiển các thiết bị giám sát nhà
Cuộc “Cách mạng Công nghiệp 4.0” đang dần diễn ra tại nhiều nước phát
triển và đang phát triển trên tồn thế giới. Cơng nghệ về điều khiển thông minh
cũng phát triển theo, chúng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đời sống. Đặc biệt,
các hệ thống điều khiển thiết bị điện trong nhà được phát triển mạnh mẽ và ngày
càng trở nên phổ biến (Trích dẫn TLTK : Nguyễn Ngọc Lực “ Đồ án - THIẾT KẾ,
THI CƠNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN VÀ GIÁM

SÁT NHÀ”, trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, Việt
Nam[3].
Người dùng có thể điều khiển thiết bị điện (đèn) ở bất cứ nơi nào có Internet,
Wifi, 3G, 4G trên Website và ứng dụng Android được thiết kế. Các giá trị nhiệt độ,
độ ẩm của căn nhà cũng được cập nhật lên giao diện này. Hệ thống tích hợp một hệ
thống báo động bằng tin nhắn và chuông báo động trong các sự cố như: nhiệt độ
phịng q cao khi cháy, có khí gas rị rỉ, có trộm đột nhập. Đặc biệt các tính năng
này của hệ thống vẫn hoạt động được ngay cả khi mất điện nhờ mạch chuyển sang
Acqui dự trữ.
Hệ thống sử dụng vi điều khiển trung tâm là board Arduino kết hợp mô đun
WiFi ESP8266 Node MCU, mô đun SIM900A và các cảm biến nhiệt độ, cảm biến
khí gas, cảm biến chuyển động. Người dùng có thể điều khiển thiết bị điện bằng
smartphone chạy hệ điều hành Android hay truy cập vào trang web điều khiển, bất
cứ nơi đâu có Internet hoặc WiFi. Đặc biệt, hệ thống có khả năng giám sát căn nhà
từ xa như giá trị nhiệt độ, độ ẩm; có khả năng báo động khi có khí gas rò rỉ, nhiệt
4

do an


độ cao hoặc trộm đột nhập qua tin nhắn và chng báo. Hệ thống có pin dự phịng
trong trường hợp mất điện và gửi tin nhắn cảnh báo mất điện.
Ưu điểm của hệ thống: điều khiển được các đèn qua mạng Wifi và Android,
tích hợp theo dõi nhiệt độ, độ ẩm căn nhà; có báo động và gửi tin nhắn trong
trường hợp có sự cố: rị rỉ gas, đột nhập, nhiệt độ cao. Có ịi buzzer báo động kêu to,
rõ. Lập trình cho hệ thống hoạt động ổn định qua nhiều lần kiểm tra, xử lý triệt để
các tình huống mạch hoạt động sai so với yêu cầu. Hệ thống điều khiển từ xa trên
giao diện ứng dụng điện thoại và trang web dễ dàng sử dụng. Cảm biến hoạt động
chính xác, đáp ứng trong các trường hợp sự cố nhanh, hiệu quả.
2.2 Hệ thống đèn giao thông ở nước ta hiện nay

Hiện nay hệ thống xử lí trên nhiều cột đèn giao thông ở nước ta đang sử dụng
bộ xử lí PLC có giá khoảng 10 triệu đồng. PLC là viết tắt của Programmable Logic
Control, là thiết bị điều khiển logic lập trình cho phép thực hiện linh hoạt các thuật
tốn điều khiển thơng qua một ngơn ngữ lập trình.

Hình 2.1: Hệ thống đèn giao thơng ở nước ta hiện nay
 Ưu điểm :
+ Thực hiện được các thuật tốn phức tạp và độ chính xác cao.
+ Mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng trong việc bảo quản và sửa chữa.
+ Cấu trúc PLC dạng module, cho phép dễ dàng thay thế, mở rộng đầu vào/ra, mở
rộng chức năng khác
+ Khả năng chống nhiễu tốt, hoàn toàn làm việc tin cậy trong môi trường công
nghiệp.
+ Giao tiếp được với các thiết bị thơng minh khác như: máy tính, nối mạng truyền
thông với các thiết bị khác.
 Nhược điểm :
+ Giá thành phần cứng cao, một số hãng phải mua thêm phần mềm để lập trình.
5

do an


+ Địi hỏi người sử dụng phải có trình độ chuyên môn cao.
2.3 Google Firebase
2.3.1 Giới thiệu
Về mặt lịch sử, Firebase (tiền thân là Evolve) trước đây là một start up được
thành lập vào năm 2011 bởi Andrew Lee và James Tamplin. Ban đầu, Evolve chỉ
cung cấp cơ sở dữ liệu để các lập trình viên thiết kế các ứng dụng chat. Tuy nhiên,
họ nhanh chóng nhận ra tiềm năng sản phẩm của mình khi nhận thấy các khách
hàng khơng sử dụng CSDL để làm ứng dụng chat, mà thay vào đó, để lưu các

thơng tin như game progress. Bộ đôi Lee và Tamplin quyết định tách mảng
realtime ra để thành lập một cơng ty độc lập – chính là Firebase – vào tháng 4 năm
2012. Sau nhiều lần.huy động vốn và gặt hái được những thành công nổi bật,
Firebase đã được Google để ý. Vào tháng 10 năm 2014, Firebase gia nhập gia đình
Google. Firebase, theo hướng đi của Google, chính thức hỗ trợ Android, iOS và
Web.

Hình 2.2: Logo công cụ Google Firebase
 Về thư viện, Firebase hỗ trợ chính thức:
- GeoFire (Geo Location)
- GularFire (AngularJS)
- BerFire (Ember)
- ReactFire (ReactJS)
- Ionic (Ionic)
 Google Firebase bao gồm:
- Cloud Firestore
- ML Kit
- Cloud Functions
- Authentication
6

do an


- Hosting
- Cloud Storage
- Realtime Database

Hình 2.3: Hệ thống CSDL Realtime của Firebase
2.3.2 Các chức năng chính của Google Firebase.

Với Google Firebase, bạn có thể tạo ra các ứng dụng chat như Yahoo
Message của ngày xưa hoặc như Facebook Messager của ngày nay trong thời
gian cực ngắn như khoảng một ngày thậm chí là vài giờ bởi đơn giản là bạn chỉ
cần lo phần client còn phần server và database đã có firebase lo. Firebase là sự
kết hợp giữa nền tảng cloud với hệ thống máy chủ cực kì mạnh mẽ tới từ
Google, để cung cấp cho chúng ta những API đơn giản, mạnh mẽ và đa nền
tảng trong việc quản lý, sử dụng database. Cụ thể hơn Google Firebase cung
cấp tới chúng ta những chức năng chính sau:
+ Realtime Database – Cơ sở dữ liệu thời gian.
+ Firebase Authentication – Hệ thống xác thực của Firebase.
+ Firebase Hosting – Tạo tên miền.
Trích dẫn TLTK : [4]
2.4 Android Studio
7

do an


Android là một hệ điều hành mã nguồn mở, ban đầu hệ điều hành này được
xây dựng hướng đến việc sử dụng trên các điện thoại di động (sau này nó tiếp tục
được phát triển để sử dụng rộng rãi trên các máy tính bảng, đầu phát HD, TV,
Wearable, ..). Hệ điều hành Android được phát triển bởi Google và dựa trên nền
tảng Linux.
Android Studio (ide android) là môi trường phát triển tích hợp chuyên nghiệp
hỗ trợ việc thiết kế và xây dựng các ứng dụng di động trên nền tảng Android được
Google và JetBrains hợp tác xây dựng nhằm thay thế các phiên bản plugin android
dành cho Eclipse ngày xưa.

Hình 2.4 : Phần mềm lập trình Android Studio
 Ưu điểm của Android:

+ Tính linh hoạt: Android kế thừa tính mở từ Linux, hay nói cụ thể hơn là Google
và Android mang đến một thế giới hoàn toàn mở.
+ Gia tăng về số lượng thiết bị: Một thực tế là, chỉ có iPhone và các sản phẩm
mang nhãn Apple mới sử dụng iOS. Với Android, sự lựa chọn có phần thoải mái
hơn.
+ Nhiều công cụ dành cho người dùng hơn: Với App Inventor, Google đã thậm chí
đặt vào tay người dùng nhiều sức mạnh hơn.Chưa bao giờ việc tạo ứng dụng lại dễ
dàng đến thế với người dùng..
2.5 Những chuẩn truyền dữ liệu
2.5.1 Chuẩn giao tiếp I2C
Một giao tiếp I2C gồm có 2 dây: Serial Data (SDA) và Serial Clock (SCL).
SDA là đường truyền dữ liệu 2 hướng, còn SCL là đường truyền xung đồng hồ để
đồng bộ và chỉ theo một hướng. Khi một thiết bị ngoại vi kết nối vào đường bus I2C
thì chân SDA của nó sẽ nối với dây SDA của bus, chân SCL sẽ nối với dây SCL.

8

do an


Hình 2.5: Kết nối thiết bị vào bus I2C ở chế độ chuẩn và chế độ nhanh
 Các chế độ hoạt động :
Các bus I2C có thể hoạt động ở ba chế độ, hay nói cách khác các dữ liệu trên
bus I2C có thể được truyền trong ba chế độ khác nhau:
+ Chế độ tiêu chuẩn (Standard mode)
+ Chế độ nhanh (Fast mode)
+ Chế độ cao tốc (High-Speed)
2.5.2 Chuẩn giao tiếp UART
UART chuyển đổi giữa dữ liệu nối tiếp và song song. Một chiều UART
chuyển đổi dữ liệu song song bus hệ thống ra dữ liệu nối tiếp để truyền đi. Một

chiều khác UART chuyển đổi dữ liệu nhận được dạng dữ liệu nối tiếp thành
dạng dữ liệu song song cho CPU có thể đọc vào bus hệ thống.
Mục đích của UART là để truyền tín hiệu qua lại lẫn nhau (ví dụ truyền
tín hiệu từLaptop vào Modem và ngược lại), truyền từ vi điều khiển tới vi điều
khiển, từ laptop tới viđiều khiển. Ở kiểu truyền này thì có 1 đường phát dữ liệu
và 1 đường nhận dữ liệu cịn tínhiệu xung clock có cùng tần số và thường được
gọi là tốc độ truyền dữ liệu (baud).

Hình 2.6 : Truyền dữ liệu UART

9

do an


Chương 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
3.1.

Giới thiệu

Hệ thống hoạt động theo 2 chế độ là điều khiển bằng tay hoặc ứng dụng
android và hoạt động theo các thơng số được lập trình sẵn. Hệ thống sẽ ưu tiên
sử dụng nguồn pin năng lượng mặt trời và sẽ tự động chuyển sang nguồn điện
220V khi chưa được sạc đầy. Hệ thống này được thiết kế có các khối nguồn,
thời gian thực, khối nút nhấn, khối xử lý, khối giao tiếp với wifi và khối hiển thị
như được mô tả trong hình 3.1

Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống đèn giao thông
 Chức năng từng khối
- Khối nguồn: cung cấp điện áp 3,3V DC và 5V DC cho hoạt động của hệ thống.

Có khả năng chuyển đổi nguồn từ pin năng lượng mặt trời sang lưới điện nếu năng
lượng của pin không đủ để cung cấp cho hoạt động của hệ thống.
- Khối điều khiển bằng nút nhấn: cho phép điều khiển hệ thống bằng chế độ bấm
tay.
- Khối xử lý: sử dụng vi điều khiển PIC16F887 làm chip xử lý trung tâm cho toàn
bộ hệ thống.
- Khối giao tiếp với wifi: sử dụng module Node MCU ESP8266 giao tiếp với wifi
để điều khiển hệ thống thông qua ứng dụng android trên điện thoại thông minh.
10

do an


- Khối thời gian thực: sử dụng DS1307 cung cấp thời gian chính xác cho hệ thống.
- Khối hiển thị: hiển thị đèn báo giao thông của hệ thống.
3.2 Hoạt động của hệ thống
Hệ thống sẽ được cấp nguồn từ pin năng lượng mặt trời, khi năng lượng của pin yếu,
không đủ cung cấp năng lượng cho hệ thống hoạt động thì sẽ tự động sử dụng
nguồn từ lưới điện để cung cấp năng lượng cho hệ thống.
Hệ thống sẽ hoạt động ở hai chế độ:
Chế độ tự động: hệ thống sẽ chạy tự động theo chương trình đã cài đặt sẵn.
Chế độ điều chỉnh bằng tay:
+ Hệ thống sẽ được điều khiển thông qua các nút nhấn trên bảng điều khiển
+ Hệ thống sẽ được điều khiển thông qua ứng dụng android trên điện thoại
thông minh.
3.3 Thiết kế các thành phần của hệ thống
3.3.1 Khối nguồn
 Yêu cầu: Cung cấp nguồn cho hệ thống. Sử dụng pin mặt trời, khi nguồn mặt
trời hết năng lượng hệ thống tự động chuyển sang nguồn điện 200V AC.

Pin mặt
trời

Bộ mạch
nạp

Acquy
12V

Chỉnh lưu
12V

220VAC

Khối chọn
nguồn

Khối nguồn
(5VDC)
Hình 3.2: Sơ đồ khối nguồn tự chuyển đổi của hệ thống
Từ các yêu cầu về nguồn của hệ thống gồm nguồn cung cấp 5V và yêu cầu
chuyển nguồn tự động giữa nguồn pin năng lượng mặt trời và nguồn điện 220VAC
khi nguồn pin mặt trời hết điện. Adapter 12V-2A, Pin năng lượng mặt trời (10W),
bộ nạp sạc năng lượng mặt trời (12V/24V-10A), module Relay chuyển nguồn tự
11

do an


động 12V và module ổn áp LM2596 có sẵn trên thị trường được sử dụng để làm

nguồn cung cấp cho hệ thống, giúp hệ thống ổn định. Module ổn áp LM2596 có
chức năng là chuyển điện áp từ 12VDC sang 5VDC và dòng chịu được lên đến 3A
nên đã được lựa chọn sử dụng.
Bảng 3.1: Dòng tiêu thụ của các linh kiện
STT
Thiết bị
1.
Vi điều khiển PIC16F877A
2.
Module Relay
3.
MCU ESP8266
4.
8 Led 7 đoạn
5.
16 cụm led đơn
6.
Module I2C và LCD
7.
DS1307
8.
Tổng dịng

Dịng tiêu thụ
220µA
80mA
70mA
560mA
640mA
350µA - 600µA

500nA
1.36A

Hình 3.3 : Sơ đồ ngun lý khối nguồn
Ngun lý hoạt động của khối nguồn: Sử dụng module relay để chuyển nguồn tự
động giữa pin mặt trời và nguồn 220VAC.
+ Nguồn hoạt động chính của hệ thống là pin mặt trời nên nguồn pin được
cấp cho cuộn dây của relay, khi nào pin khơng đủ thì relay sẽ nhả qua nhánh
còn lại để sử dụng nguồn 220VAC.
+ Phần module mạch sạc của pin có mạch điều khiển chức năng vừa cấp
nguồn trực tiếp đến relay, phần điện dư sẽ nạp vào acquy để dự trữ, lúc
khơng có ánh sáng mặt trời module mạch sạc sẽ chuyển qua lấy nguồn acquy
cấp cho hệ thống.

12

do an


+ Ở phần nguồn 220VAC sẽ đưa qua apdapter 12V trước khi đưa vào
module relay.
+ Ngõ ra của module relay đưa qua module LM2596 giảm áp xuống 5V để
cấp cho hệ thống.
+ Một module LM2596 khác sẽ lấy nguồn trực tiếp từ pin mặt trời rồi đưa
vào MCU ESP8266 để giám sát hoạt động của pin.
3.3.2 Pin năng lượng mặt trời
a. Giới thiệu về pin năng lượng mặt trời
Pin năng lượng mặt trời là tấm pin tập hợp nhiều tế bào quang điện (solar cells)
được tạo thành từ chất bán dẫn và chứa trên bề mặt rất nhiều diode quang học, có
tác dụng chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng.

Hình 3.4: Pin năng lượng mặt trời
b. Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời cho ắc quy
Bộ điều khiển sạc Năng lượng mặt trời 10A được sử dụng để điều khiển
tối ưu quá trình sạc ắc quy từ pin Năng lượng mặt trời, giúp q trình sạc ln
đạt hiệu suất cao nhất cũng như bảo ắc quy bằng quy trình sạc thơng minh
PWM 4 trạng thái ngắt khi đầy.
Bộ điều khiển sạc Năng lượng mặt trời 10A có công suất tải tối đa lên
đến 240W, thiết kế vỏ hộp nhỏ gọn, chắc chắn, bền bỉ, là sự lựa chọn tối ưu khi
sử dụng với các pin Năng lượng mặt trời cỡ nhỏ.
 Thông số kỹ thuật:
 Bộ điều khiển sạc Năng lượng mặt trời 10A
 Chỉ sử dụng với pin Năng lượng mặt trời.
 Sử dụng với Ắc Quy Chì 12/24V OPEN,AGM, GEL, tuyệt đối khơng sử
dụng với các loại pin Lithium và các loại pin khác.
 Công suất tải tối đa: 240W
 Sử dụng bộ xử lý trung tâm chẩn cơng nghiệp.
 Q trình xạc PWM 4 trạng thái.
 Có bảo vệ q dịng, chập mạch tự động.
13

do an