(Đồ án hcmute) thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện 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 CNKT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ
ĐIỆN THÔNG MINH

GVHD: TH.S ĐẶNG PHƯỚC HẢI TRANG
SVTH: ĐINH BÁ PHƯỚC
MSSV: 15141349

SKL 0 0 7 1 7 3

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08/2020

do an


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬTTHÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
THIẾT BỊ ĐIỆN THƠNG MINH

SVTH:

ĐINH BÁ PHƯỚC

MSSV:

15141349

Khố:

2015

Ngành:

CNKT Điện tử Truyền thơng

GVHD:

Th.S ĐẶNG PHƯỚC HẢI TRANG

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2020

do an


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
----***---Tp. Hồ Chí Minh, ngày

tháng

năm 2020

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Đinh Bá Phước

MSSV: 15141349

Ngành: CNKT Điện tử Truyền Thông

Lớp: 15141CLVT

Giảng viên hướng dẫn: ThS Đặng Phước Hải Trang

ĐT: 0964100106

Ngày nhận đề tài:

Ngày nộp đề tài:

1. Tên đề tài: Thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện thông minh
2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:
3. Nội dung thực hiện đề tài:

4. Sản phẩm:
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

i

do an

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆTNAM
Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Họ và tên Sinh viên: Đinh Bá Phước............................... MSSV: 15141349 ..............
Ngành: CNKT Điện tử Truyền thông .........................................................................
Tên đề tài: Thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện thông minh…………………………
Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: ThS Đặng Phước Hải Trang ....................................
NHẬN XÉT
1. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:
Nội dung và khối lượng phù hợp với yêu cầu của KLTN (cho 1 sinh viên thực hiện).
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
2. Ưu điểm:
Đề tài có tính ứng dụng ..............................................................................................
..................................................................................................................................
3. Khuyết điểm:
Tài liệu tham khảo cịn khiêm tốn, chưa chú thích tài liệu tham khảo
Chưa đánh giá chi tiết kết quả nghiên cứu ..................................................................
..................................................................................................................................
4. Đề nghị cho bảo vệ hay không?
Đề nghị cho bảo vệ trước hội đồng ............................................................................
5. Đánh giá loại:
Khá ...........................................................................................................................
6. Điểm: …7, 0……………. (Bằng chữ: Bảy chẵn .................................................. )
..................................................................................................................................
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 11

tháng 08

Giáo viên hướng dẫn
(Ký & ghi rõ họ tên)

ii

do an

năm 2020


CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Họ và tên Sinh viên: Đinh Bá Phước............................... MSSV: 15141349 ..............
Ngành: CNKT Điện tử Truyền thông .........................................................................
Tên đề tài: Thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện thông minh ........................................
Họ và tên Giáo viên phản biện: .................................................................................
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

Giáo viên phản biện
(Ký & ghi rõ họ tên)

iii

do an

năm 2020


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian thực hiện đồ án người thực hiện đã nhận được sự trợ giúp
tận tình của Thầy ThS. Đặng Phước Hải Trang để em có thể hoành thành đồ án này.
Em cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ
Thuật TP. HCM, đặc biệt là các thầy cô trong khoa Điện - Điện Tử, đã nhiệt tình giúp
đỡ, truyền đạt kiến thức trong suốt quá trình học tập của người thực hiện tại trường.
Vốn kiến thức được tiếp thu trong q trình học tập khơng chỉ là nền tảng cho q
trình thực hiện đồ án tốt nghiệp mà cịn là hành trang quý báu cho sự nghiệp của em

sau này.
Em cũng xin cảm ơn sự ủng hộ và giúp đỡ nhiệt tình của gia đình, bạn bè,
những người thân đã động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và thực hiện
đồ án tốt nghiệp này. Mặc dù đã cố gắng hết sức, xong chắc chắn đồ án khơng tránh
khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự thơng cảm và chỉ bảo tận tình của
q thầy cơ và các bạn. Cuối cùng em xin kính chúc q Thầy, Cơ, gia đình và bạn bè
dồi dào sức khỏe và thành công trong sự nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện đề tài

Đinh Bá Phước

v

do an


TĨM TẮT
Trong những năm qua, khoa học máy tính và xử lý thơng tin có những bước
tiến vượt bậc và ngày càng có những đóng góp to lớn vào cuộc cách mạng khoa học kỹ
thuật hiện đại. Đặc biệt sự ra đời và phát triển nhanh chóng của kỹ thuật số làm cho
ngành điện tử trở nên phong phú và đa dạng hơn. Nó góp phần rất lớn trong việc đưa
kỹ thuật hiện đại thâm nhập rộng rãi vào mọi lĩnh vực của hoạt động sản xuất, kinh tế
và đời sống xã hội. Từ những hệ thống máy tính lớn đến những hệ thống máy tính cá
nhân, từ những việc điều khiển các máy công nghiệp đến các thiết bị phục vụ đời sống
hằng ngày của con người. Trong các hệ thống đó, việc trao đổi thơng tin là vơ cùng
quan trọng. Công nghệ truyền tin không dây ngày càng phát triển, đặc biệt công nghệ
Wifi đã phổ biến hầu hết các thiết bị điện tử di động. Bên cạnh đó việc điều khiển các
thiết bị bằng màn hình cảm ứng đang dần được phổ biến bởi các ưu điểm vượt trội của

nó đặc biệt trong việc điều khiển trực tiếp thiết bị.
Đồ án này trình bày kết quả nghiên cứu điều khiển bằng công nghệ không dây
Wifi, Internet của các thiết bị điện tử chạy trên nền hệ điều hành Android, điều khiển
trực tiếp thiết bị thông qua màn hình cảm ứng, ứng dụng vào việc điều khiển các thiết
bị điện xoay chiều công suất thấp thông qua việc điều khiển trên Web và điện thoại
Android.
Từ khóa: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN THÔNG MINH

vi

do an


MỤC LỤC
Trang bìa ..............................................................................................................Trang
Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp ............................................................................................ i
Trang phiếu nhận xét của giáo viên hướng dẫn ............................................................ ii
Trang phiếu nhận xét của giáo viên phản biện............................................................. iii
Lời cảm ơn ................................................................................................................ iv
Tóm tắt ........................................................................................................................ v
Mục lục ...................................................................................................................... vi
Danh mục các chữ viết tắt ........................................................................................... ix
Danh mục các hình ảnh ............................................................................................... x
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ...................................................................................... 1
1.1.

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

1.2.

MỤC TIÊU ................................................................................................. 2

1.3.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ....................................................................... 2

1.4.

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

1.5.

BỐ CỤC ..................................................................................................... 3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................................... 4
2.1.

TỔNG QUAN VỀ INTERNET OF THINGS (IOT) ................................... 4

2.1.1.

Giới thiệu về Internet of Things .................................................................. 4

2.1.2.

Ứng dụng của IoT ....................................................................................... 5

2.1.3.

Đặc điểm công nghệ IoT ............................................................................. 5

2.2.

GIỚI THIỆU VỀ MQTT ............................................................................. 5

2.2.1. Giao thức MQTT........................................................................................... 5
2.2.2.

Kiến trúc của MQTT................................................................................... 6

2.2.3.

Một số khái niệm trong giao thức MQTT .................................................... 6

2.2.4.

Ưu điểm của MQTT ................................................................................... 7

2.2.5.

Ứng dụng của MQTT.................................................................................. 8

2.3.

WEBSITE ................................................................................................... 8

2.3.1.

Giới thiệu chung ......................................................................................... 8

2.3.2.

Các thành phần cơ bản của Website ............................................................ 8

2.3.3.

Ngơn ngữ lập trình web .............................................................................. 9

2.4.

GIAO TIẾP UART ................................................................................... 10

2.5.

MÀN HÌNH CẢM ỨNG .......................................................................... 11

2.6.

NGƠN NGỮ PHP..................................................................................... 12

2.6.2.

Đặc điểm nổi bật của PHP ........................................................................ 12

vii

do an


CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ ........................................................... 13

3.1 Sơ đồ khối hệ thống.......................................................................................... 13
3.1.1 Yêu cầu của hệ thống .................................................................................... 13
3.1.2 Sơ đồ khối và chức năng mỗi khối ................................................................ 13
3.2 Chức năng các khối: ........................................................................................ 14
3.2.1 Khối cảm biến ............................................................................................... 14
3.2.2 Khối xử lý trung tâm ..................................................................................... 16
3.2.3 Khối kết nối wifi ........................................................................................... 18
3.2.4 Khối điền khiển thiết bị ngoại vi ................................................................... 19
3.2.5. Khối cảm ứng............................................................................................... 20
3.2.7. Thiết kế khối nguồn ..................................................................................... 25
3.2.8. Sơ đồ nguyên lý của tồn mạch .................................................................... 26
CHƯƠNG 4: THI CƠNG HỆ THỐNG .................................................................. 28
4.1. THI CƠNG MẠCH ......................................................................................... 28
4.2. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ............................................................................... 31
4.2.1. Lưu đồ giải thuật .......................................................................................... 31
4.2.2. Cài đặt Raspberry Pi thành Web Sever ........................................................ 34
4.2.3. Phần mềm lập trình cho ESP 8266 ............................................................... 38
4.2.4. HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC ..................................................... 43
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT-ĐÁNH GIÁ ............................................. 47
CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................... 51
6.1. KẾT LUẬN.................................................................................................... 51
6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................................................. 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 52
PHỤ LỤC .............................................................................................................. 53

viii

do an

CÁC TỪ VIẾT TẮT
ADC

Analog-to-Digital Converter / Chuyển tín hiệu analog sang digital

CS

Coding Scheme

CSD

Circuit Switched Data

CTS

Clear To Send / Xóa để gửi

CTS

Clear to Send

DCD

Data Carry Detect / Phát hiện bộ mang dữ liệu

DSR

Date Set Ready / Dữ liệu sẵn sàng

DTE

Data Terminal Equipment (typically computer, terminal, printer)

DTR

Data Terminal Ready / Sẵn sàng nhận dữ liệu

DTX

Discontinuous Transmission

EFR

Enhanced Full Rate

EGSM

Enhanced GSM

ETS

European Telecommunication Standard

FR

Full Rate

GPRS

General Packet Radio Service

GSM

Global Standard for Mobile Communications

HR

Half Rate

I/O

Input/Output

IC

Integrated Circuit

Imax

Maximum Load Current

Kbps

Kilo bits per second

LED

Light Emitting Diode

Li-Ion

Lithium-Ion

MO

Mobile Originated

MT

Mobile Terminated

RI

Ring Indicator / Báo hiệu chuông

RTS

Request To Send / Yêu cầu để gửi

RXD

Receive Data / Truyền dữ liệu

TXD

Transmit Data /Nhận dữ liệu

ii

do an

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình

Trang

Hình 2.1. Internet of things .......................................................................................... 5
Hình 2.2. Kiến trúc MQTT .......................................................................................... 7
Hình 2.3. Tên miền ...................................................................................................... 9
Hình 3.1. Sơ đồ khối của hệ thống ............................................................................. 13
Hình 3.2. Cảm biến DHT11 ....................................................................................... 15
Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý kết nối DHT11 với ESP 8266 ........................................... 15
Hình 3.4. Raspberry Pi 3 Model B ............................................................................. 16
Hình 3.5. Sơ đồ chân Kit Raspberry Pi 3 Model B ..................................................... 16
Hình 3.6. Module Wifi ESP8266 ............................................................................... 18
Hình 3.7. Sơ đồ chân của Module Wifi ESP8266 ....................................................... 19
Hình 3.8. Sơ đồ nguyên lý điều khiển thiết bị ngoại vi ............................................... 20
Hình 3.9. Arduino mega 2560 và màn hình cảm ứng ................................................. 21
Hình 3.10. Board Arduino Mega 2560 (mặt trước và sau) .......................................... 22
Hình 3.11. Board Arduino Mega 2560 ....................................................................... 22
Hình 3.12. Màn hình cảm ứng TFT ............................................................................ 23
Hình 3.13. Sơ đồ màn hình cảm ứng TFT .................................................................. 23
Hình 3.14. Mạch PZEM-004T ................................................................................... 24
Hình 3.15. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn ................................................................... 25
Hình 3.16. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển ............................................................. 26
Hình 4.1. Mạch thi cơng ............................................................................................ 27
Hình 4.2. Lưu đồ điều khiển Web .............................................................................. 29
Hình 4.3. Lưu đồ điều khiển Web .............................................................................. 29
Hình 4.4. Lưu đồ điều khiển màn hình cảm ứng......................................................... 31

Hình 4.5. Hình ảnh apache hiển thị trên trình duyệt ................................................... 32
Hình 4.6. Kết quả sau khi cài đặt database ................................................................. 35
Hình 4.7. Cài đặt JRE ................................................................................................ 36
Hình 4.8. Hình ảnh cập nhập phần mềm cho Arduino ................................................ 37
Hình 4.9. Download Arduino ..................................................................................... 37
Hình 4.10. Giải nén file.............................................................................................. 36
Hình 4.11. Hình ảnh màn hình lập trình .................................................................... 38
Hình 4.12. Hình ảnh vùng chức năng ......................................................................... 39
Hình 4.13. Tập lệnh phần mềm lập trình .................................................................... 39
Hình 4.14. Hình ảnh vùng thơng báo.......................................................................... 40

iii

do an


Hình 4.15. Hình ảnh web điều khiển thiết bị .............................................................. 41
Hình 4.16. Hình ảnh bật thiết bị 1 ............................................................................. 42
Hình 4.7. Hình ảnh tắt thiết bị 1 ................................................................................. 42
Hình 4.8. Hình ảnh bật, tắt 3 thiết bị .......................................................................... 43
Hình 5.1. Board mạch chính điều khiển ..................................................................... 44
Hình 5.2. Các thiết bị được điều khiển trên web ......................................................... 45
Hình 5.3. Giao diện website điều khiển ...................................................................... 46

iv

do an


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và cơng nghệ thì các thiết bị, hệ thống
thông minh cũng dần được tạo ra. Các hệ thống điều khiển thông minh được sử dụng
rộng rãi trong đời sống, chẳng hạn như các hệ thống thông minh điều khiển thiết bị
điện trong nhà.
Các dự án về ngôi nhà thông minh ứng dụng công nghệ IoTs đang được quan tâm
xây dựng rất nhiều và đang trở thành xu thế của xã hội hiện đại. Do giá thành vẫn còn
cao nên việc triển khai vẫn còn hạn chế. Trên thực tế, nhiều hệ thống nhà thông minh
từ Âu-Mỹ nếu lắp trọn bộ cho một căn biệt thự 1 trệt, 1 lầu rộng chừng 300m2 nhiều
khi lên đến 1 tỷ đồng, cá biệt có hệ thống lên đến 2 tỷ đồng [6]. Một con số đủ gây
choáng váng. Cịn đối với các sản phẩm nhà thơng minh từ các Công ty Việt Nam dao
động từ 30 – 150 triệu đồng tùy theo gói lắp đặt, từ căn hộ chung cư, nhà phố cho đến
biệt thự sân vườn. Những đề tài nghiên cứu trước đây đã thiết kế được những hệ
thống mơ hình điều khiển thơng minh sử dụng nhiều cơng nghệ như: sử dụng sóng
hồng ngoại, RF, bluetooth hay mạng WLAN. Các hệ thống điều khiển thông minh
không ngừng phát triển; đặc biệt trong thời kỳ mạng Internet phát triển mạnh mẽ, các
hệ thống điều khiển mới yêu cầu điều khiển được qua mạng Internet, WiFi, 3G/4G và
tiện dụng hơn là điều khiển bằng điện thoại thông minh.
Dự định của em là thiết kế một hộp thông minh điều khiển các thiết bị điện thông
qua web server và điều khiển thiết bị thơng qua màn hình cảm ứng, đồng thời sẽ đo
điện năng tiêu thụ của thiết bị điện, tính tiền điện hàng tháng, đưa ra cảnh báo nếu tiêu
thụ điện trong một tháng vượt mức cho phép và kiểm tra xem thiết bị đang sử dụng
còn hoạt động hay không.
Hệ thống sử dụng bộ xử lý trung tâm là Kit Raspberry Pi. Đây cũng chính là điểm
mới của đồ án này so với các đồ án khác. Việc nghiên cứu và thiết kế một bộ sản
phẩm điều khiển thiết bị như vậy với giá thành tối ưu nhất phù hợp cho đại đa số các
gia đình có cuộc sống trung bình có một ý nghĩa lớn, góp phần phát triển các hệ thống
điều khiển thông minh. Do đó, em quyết định thực hiện đề tài: “THIẾT KẾ BỘ
ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN THÔNG MINH”. Đề tài ứng dụng công nghệ wifi
phổ biến trên nhiều thiết bị, đặc biệt điểm mới của đề tài so với các sản phẩm hiện có

1

do an


là điều khiển thông qua internet giúp tận dụng những thiết bị sử dụng các hệ điều hành
có sẵn của người dùng, giúp giảm giá thành sản phẩm, ngoài ra với màn hình hiển thị
lớn của điện thoại cho phép hiển thị nhiều thông tin hơn, cùng với việc điều khiển
thông qua Kit Raspberry Pi sẽ đem lại nhiều cảm hứng cũng như thực hiện các dự án
theo ý muốn một cách dễ dàng.

1.2. MỤC TIÊU
Đề tài có những mục tiêu chính như sau:
 Điều khiển thiết bị điện xoay chiều công suất thấp thông qua công nghệ Wifi,
điều khiển thơng qua màn hình cảm ứng.
 Viết chương trình điều khiển cho Kit Raspberry Pi nhận các tín hiệu từ ngõ
vào là cảm biến, màn hình cảm ứng để điều khiển giao tiếp với các thiết bị bên
ngoài theo ý muốn.
 Thi công hộp thông minh điều khiển thiết bị điện.
 Thiết kế giao diện phần mềm điều khiển thiết bị điện trên điện thoại và trên
web.

1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Đề tài có các nội dung chính như sau:
 Tìm hiểu Blynk, ngôn ngữ PHP để thiết kế Web.
 Lập trình giao tiếp với module PZEM004T để đo các thơng số điện năng.
 Lập trình giao tiếp với màn hình cảm ứng qua giao thức UART.
 Viết chương trình cho ESP8266 gửi và nhận dữ liệu lên Web.
 Xây dựng giao diện Web điều khiển và giám sát thiết bị.

1.4. GIỚI HẠN
Đề tài thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện thơng minh có các giới hạn bao gồm:
 Khi mới bật nguồn hệ thống chưa chạy chính xác theo yêu cầu điều khiển sau ít
phút hệ thống chạy chính xác theo yêu cầu điều khiển.
 Cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm mơi trường có sai số so với nhiệt độ, độ ẩm của
môi trường thực tế.
 Mạch đo điện năng tiêu thụ điện giá trị hiện thị có sai số so với giá trị thực tế.

2

do an


 Đề tài chỉ xây dựng mơ hình với các thiết bị điều khiển giả lập theo thực tế. Tuy
nhiên so với các thiết bị thực tế thì khơng khác xa nhiều về bản chất điều khiển,
việc điều khiển thiết bị thông qua web server.

1.5. BỐ CỤC
Nội dung đề tài gồm các phần sau:
Chương 1: Tổng quan
 Đặt vấn đề.
 Mục tiêu của đề tài.
 Nhiệm vụ của đề tài.
 Giới hạn.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết về hệ thống
 Giới thiệu về Internet of things.
 Giới thiệu về MQTT, Website.
 Giới thiệu về Android, ngôn ngữ PHP.
 Giới thiệu phần cứng Raspberry Pi và Màn hình cảm ứng.
Chương 3: Tính tốn và thiết kế

 Giới thiệu sơ đồ khối hệ thống.
 Chức năng từng khối trong hệ thống.
 Tính toán, lựa chọn thiết bị, thiết kế các khối trong hệ thống.
Chương 4: Thi công hệ thống
 Thiết kế phần cứng.
 Giới thiệu phần mềm lập trình.
 Lập trình cho hệ thống.
 Hướng dẫn sử dụng và thao tác.
Chương 5: Kết quả - nhận xét - đánh giá
 Kết quả đạt được.
 Nhận xét và đánh giá.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
 Kết luận.
 Hướng phát triển đề tài.
3

do an


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.

TỔNG QUAN VỀ INTERNET OF THINGS (IOT)

2.1.1. Giới thiệu về Internet of Things
Internet of Things (IoT), hay cụ thể hơn là Mạng lưới vạn vật kết nối
Internet hoặc Mạng lưới thiết bị kết nối Internet, là một liên mạng, trong đó các thiết
bị, phương tiện vận tải (được gọi là "thiết bị kết nối" và "thiết bị thơng minh"), phịng
ốc và các trang thiết bị khác được nhúng với các bộ phận điện tử, phần mềm, cảm
biến, cơ cấu chấp hành cùng với khả năng kết nối mạng máy tính giúp cho các thiết bị

này có thể thu thập và truyền tải dữ liệu.
IoT là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật hay cả con người được
cung cấp một định danh riêng và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ
liệu qua một mạng duy nhất. IoT phát triển từ sự kết hợp của công nghệ không dây,
cơng nghệ vi cơ điện tử và Internet. Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả
năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngồi để thực hiện một cơng
việc nào đó.

Hình 2.1. Internet of Things [8]

4

do an


2.1.2. Ứng dụng của IoT
IoT có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực:
-

Quản lí chất thải.

-

Quản lí và lập kế hoạch quản lí đơ thị.

-

Quản lí mơi trường.

-

Phản hồi trong các tinh huống khẩn cấp.

-

Mua sắm thơng minh.

-

Quản lí các thiết bị cá nhân.

-

Đồng hồ đo thơng minh.

-

Tự động hóa ngơi nhà.

2.1.3. Đặc điểm công nghệ IoT
Điểm quan trọng của IoT đó là các đối tượng phải có thể được nhận biết và định
dạng. Nếu mọi đối tượng, kể cả con người, được “đánh dấu” để phân biệt bản thân đối
tượng đó với những thứ xung quanh thì chúng ta có thể hồn tồn quản lí được nó
thơng qua máy tính. Việc đánh dấu này có thể được thực hiện thơng qua nhiều công
nghệ, chẳng hạn như RFID, NFC, mã vạch, mã QR… Mạng kết nối thì có thể là qua
Wi-Fi, mạng viễn thơng băng thơng rộng (3G, 4G), Bluetooth.
Ngồi những kĩ thuật nói trên, nếu nhìn từ thế giới web, chúng ta có thể sử dụng
địa chỉ IP để xác định từng vật. Mỡi thiết bị sẽ có một IP riêng biệt khơng nhầm lẫn.
Do đó mọi thứ có thể dễ dàng kết nối vào Internet cũng như kết nối với nhau .
2.2.

GIỚI THIỆU VỀ MQTT

2.2.1. Giao thức MQTT
MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) là một giao thức truyền thông
điệp (message) theo mơ hình xuất bản – theo dõi (publish - subscribe), sử dụng băng
thông thấp, độ tin cậy cao và có khả năng hoạt động trong điều kiện đường truyền
khơng ổn định.
Bởi vì giao thức này sử dụng băng thơng thấp, có khả năng hoạt động ở mơi
trường có độ trễ cao nên nó là một giao thức lý tưởng có các ứng dụng máy – máy
(M2M) cũng như các ứng dụng Internet of Things (IoT).

5

do an


2.2.2. Kiến trúc của MQTT
Kiến trúc của MQTT gồm 2 phần chính là khách hàng (client) và nhà mơi giới
(broker).

Hình 2.2. Kiến trúc MQTT [7]
Trong đó, client được chia thành 2 nhóm là nhà xuất bản (publisher) và người
đăng ký (subscriber). Client chỉ làm ít nhất một trong 2 việc là xuất bản (publish) các
message lên một topic cụ thể hoặc đăng ký (subscribe) một topic nào đó để nhận được
tin nhắn từ topic này.
Broker được coi như trung tâm, nó là điểm giao của tất cả các kết nối đến từ các
client. Nhiệm vụ chính của broker là nhận mesage từ publisher, xếp các message theo
hàng đợi rồi chuyển chúng tới một địa chỉ cụ thể. Nhiệm vụ phụ của broker là nó có
thể đảm nhận thêm một vài tính năng liên quan tới q trình truyền thơng như: bảo

mật, lưu trữ, nhật ký…
2.2.3. Một số khái niệm trong giao thức MQTT
-

Message
Trong giao thức MQTT, message còn được gọi là "message payload", có định

dạng mặc định là plain-text (chữ viết người đọc được), giống như khi hai người đang
nói chuyện với nhau thì message giống như lời nói, chữ viết.
-

Topic
Topic có thể coi như một "đường truyền" logic giữa 2 điểm là publisher và

subscriber. Về cơ bản, khi message được publish vào một topic thì tất cả những
subscriber của topic đó sẽ nhận được message này.

6

do an


-

QoS - Quality of Service
Khái niệm này ra đời do nhu cầu đảm bảo sự chắc chắn trong việc gửi - nhận

message giữa client và broker.
MQTT hỗ trợ 3 mức QoS:
QoS-0 là mức đảm bảo thấp nhất, tất cả các message có QoS 0 sau khi được gửi

đi bởi publisher sẽ không được kiểm tra xem đã đến broker hay chưa (fire - and forget).
QoS-1: message được đảm bảo rằng đã đến nơi nhận ít nhất 1 lần (tức là sự
trùng lặp vẫn có thể xảy ra).
QoS-2: đây là mức đảm bảo cao nhất, broker sẽ đảm bảo các message có QoS-2
sẽ đến nơi nhận chỉ 1 lần duy nhất, không trùng lặp, không thất lạc. Tất nhiên việc xác
nhận với QoS-2 sẽ tốn băng thơng hơn 2 cách cịn lại.
-

Retain:
Retain là một cờ (flag) được gắn cho một message của giao thức MQTT. Retain

chỉ nhận giá trị 0 hoặc 1 (tương ứng 2 giá trị logic false hoặc true). Nếu retain = 1,
broker sẽ lưu lại message cuối cùng của 1 topic kèm theo mức QoS tương ứng. Khi
client bắt đầu subscribe topic có message được lưu lại đó, client ngay lập tức nhận
được message.
2.2.4. Ưu điểm của MQTT
-

Chuyển thông tin hiệu quả hơn.

-

Tăng khả năng mở rộng.

-

Giảm đáng kể tiêu thụ băng thông mạng.

-

Giảm tốc độ cập nhật xuống giây.

-

Rất phù hợp cho điều khiển và giám sát.

-

Tối đa hóa băng thơng có sẵn.

-

Chi phí cực nhẹ.

-

Rất an toàn với bảo mật dựa trên sự cho phép.

-

Tiết kiệm thời gian phát triển.

-

Giao thức publish / subscribe thu thập nhiều dữ liệu hơn với ít băng thơng hơn
so với giao thức cũ.

7

do an

2.2.5. Ứng dụng của MQTT
MQTT được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng IoT, các ứng dụng tin nhắn
như Facebook Messenger cũng sử dụng MQTT.
2.3.

WEBSITE

2.3.1. Giới thiệu chung
Website, còn gọi là trang web, là một tập hợp các trang web có liên quan với
nhau, thường chỉ nằm trong một tên miền (domain) hoặc tên miền phụ trên World
Wide Web của Internet. Mỗi trang web là một tài liệu siêu văn bản. Tài liệu này có thể
chứa văn bản, âm thành, hình ảnh… được mã hóa đặc biệt, sử dụng ngôn ngữ đánh
dấu siêu văn bản – HTML (HyberText Markup Language).
2.3.2. Các thành phần cơ bản của Website
-

Tên miền (domain)
Tên miền chính là địa chỉ website trên internet, giống như địa chỉ một ngơi nhà

vậy, để tìm đến một ngơi nhà thì cần biết được địa chỉ nhà. Tương tự, cần phải biết
được địa chỉ của website để có thể truy cập được website đó.

Hình 2.3. Tên miền
-

Máy chủ (webserver)
Ở khía cạnh phần cứng, một máy chủ là một máy tính lưu trữ các file thành

phần của một website (mã nguồn, các file hình ảnh, âm thanh…) và có thể phân phát
chúng tới trình duyệt của người dùng. Máy chủ có thể kết nối tới internet và có thể truy
cập thông qua tên miền.

8

do an


Ở khía cạnh phần mềm, một máy chủ bao gồm phần mềm kiểm soát người dùng
truy cập đến các file ở máy chủ. Máy chủ cũng thực thi các chức năng từ mã nguồn đề
người dùng sử dụng thông qua trình duyệt.
-

Cơ sở dữ liệu (database)
Chứa thơng tin của website, dữ liệu người dùng…

-

Mã nguồn (source code)
Vừa là các tập tin chứa nội dung hiển thị trên trình duyệt mà người dùng có thể

truy cập, xem và sử dụng các chức năng của website (front-end). Vừa là các tập lệnh
thực thi các chức năng mà người dụng sử dụng (back-end).
2.3.3. Ngơn ngữ lập trình web
Phía người dùng (front-end)

a.

Phần front-end, cịn gọi là client side – phía người dùng của một trang web là

phần tương tác với người dùng. Tất cả mọi thứ hiển thị khi truy cập vào một website,
từ các font chữ, màu sắc cho tới các menu xổ xuống và các thanh trượt, là một sự kết
hợp của HTML, CSS, và JavaScript được hiển thị và thực thi bởi trình duyệt máy tính.
-

HTML (HyperText Markup Language - Ngơn ngữ Đánh dấu Siêu văn bản) là

một ngôn ngữ đánh dấu được thiết kế ra để tạo nên các trang web với các mẩu thơng
tin được trình bày trên World Wide Web.
-

CSS (Cascading Style Sheets - các tập tin định kiểu theo tầng): được dùng để

miêu tả cách trình bày các tài liệu viết bằng ngôn ngữ HTML.
-

JavaScript là một ngơn ngữ lập trình thơng dịch được sử dụng để tạo ra những

trang web tương tác. Nó được tích hợp và nhúng trong HTML. JavaScript cho phép
kiểm soát các hành vi của trang web tốt hơn so với khi chỉ có một mình HTML.
JavaScript là một phần thiết yếu khi xây dựng web và nó được tìm thấy trên hầu hết
các trang web, được hỗ trợ bởi hầu hết các trình duyệt web.
b.

Phía máy chủ (back-end)
Back-end, hay cịn gọi là server side – phía máy chủ của một website là nơi

thực thi các chức năng của website được yêu cầu từ phía người dùng. Người dùng
khơng thể trực tiếp truy cập vào phần back-end mà chỉ có thể gửi yêu cầu (request)
thông qua các chức năng đã định sẵn ở front-end.

Ngày nay, back-end của một website có thể được xây dựng bởi nhiều ngôn ngữ
khác nhau như PHP, Ruby, Python, Java, NodeJS…

9

do an


2.4.

GIAO TIẾP UART
UART (Universal Asynchronous Receive/Transmit) là chuẩn giao tiếp truyền

nhậndữ liệu không đồng bộ. Đây là chuẩn giao tiếp phổ biến và dễ sử dụng, thường
dùngtrong giao tiếp giữa vi điều khiển với nhau hoặc với các thiết bị khác.
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, UARTchuyển 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.
UART của PC hỡ trợ cả hai kiểu giao tiếp là giao tiếp đồng thời và không giao
tiếp đồng thời. Giao tiếp đồng thời tức là UART có thể gửi và nhận dữ liệu vào cùng
một thời điểm. Cịn giao tiếp khơng đồng thời ( khơng kép) là chỉ có một thiết bị có thể
chuyển dữ liệu vào một thời điểm, với tín hiệu điều khiển hoặc mã sẽ quyết định bên
nào có thể truyền dữ liệu. Giao tiếp không đồng thời được thực hiện khi mà cả 2 chiều
chia sẻ một đường dẫn hoặc nếu có 2 đường nhưng cả 2 thiết bị chỉ giao tiếp qua một
đường ở cùng một thời điểm.
Thêm vào đường dữ liệu, UART hỗ trợ chuẩn RS232 và tín hiêu điều khiển như
RTS, CTS, DTR, DCR, RT và CD.
Để thuận tiện, các chương trình gửi và nhận dữ liệu trong định dạng không
đồng bộ, PC và nhiều vi xử lí khác có một bộ phận gọi là UART ( universal

asynchronous receiver/transmitter: truyền /nhận không đồng bộ chung).
Rất nhiều vi điều khiển hiện nay đã được tích hợp UART, vì vấn đề tốc độ và
độ tiện dụng của UART không thể so sánh với các giao tiếp mới hiện nay nên các
dịng PC và Laptop đời mới khơng cịn tích hợp cổng UART. Nếu giao tiếp SPI và I2C
có môṭ dây truyền dữ liệu và môṭ dây được sử dụng để truyền xung clock (SCL) để
đồng bộ trong giao tiếp thì vớ i UART khơng có dây SCL, vấn đề được giải quyết khi
mà việc truyền UART được dùng giữa hai vi xử lý với nhau, đồng nghĩa với việc mỡi
vi xử lý có thể tự tạo ra xung clock cho chính nó sử dụng.
Các thơng số cơ bản trong truyền nhận UART:
 Baund rate (tốc độ baund ): Khoảng thời gian truyền 1 bit. Phải được cài đặt
giống nhau ở gửi và nhận.
 Frame (khung truyền ): Khung truyền quy định về số bit trong mỗi lần truyền.

10

do an


 Start bit: là bit đầu tiên được truyền trong 1 Frame. Báo hiệu cho thiết bị nhận
có một gói dữ liệu sắp đc truyền đến. Là bit bắt buộc.
 Data: là dữ liệu cần truyền. Bit có trọng số nhỏ nhất LSB được truyền trước sau
đó đến bit MSB.
 Parity bit: kiểm tra dữ liệu truyền có đúng khơng.
 Stop bit: là 1 hoặc các bit báo cho thiết bị rằng các bit đã được gửi xong. Thiết
bị nhận sẽ tiến hành kiểm tra khung truyền nhằm đảm bảo tính chính xác của dữ
liệu

2.5.

MÀN HÌNH CẢM ỨNG

Màn hình cảm ứng là một thiết bị đầu vào và thường được xếp lớp trên đỉnh của

màn hình hiển thị điện tử của hệ thống xử lý thơng tin. Người dùng có thể cung cấp
đầu vào hoặc điều khiển hệ thống xử lý thông tin thông qua các cử chỉ đơn giản hoặc
đa chạm bằng cách chạm vào màn hình bằng bút stylus đặc biệt hoặc một hoặc nhiều
ngón tay. Một số màn hình cảm ứng sử dụng găng tay thơng thường hoặc được phủ
đặc biệt để hoạt động trong khi một số khác chỉ có thể hoạt động bằng bút hoặc bút
đặc biệt. Người dùng có thể sử dụng màn hình cảm ứng để phản ứng với những gì
được hiển thị và, nếu phần mềm cho phép, để kiểm soát cách hiển thị; ví dụ: phóng to
để tăng kích thước văn bản.
Màn hình cảm ứng cho phép người dùng tương tác trực tiếp với những gì được hiển
thị, thay vì sử dụng chuột, bàn di chuột hoặc các thiết bị khác (trừ bút stylus, tùy chọn
cho hầu hết các màn hình cảm ứng hiện đại).
Màn hình cảm ứng phổ biến trong các thiết bị như máy chơi game Nintendo, máy tính
cá nhân, máy bỏ phiếu điện tử và hệ thống điểm bán hàng (POS). Chúng cũng có thể
được gắn vào máy tính hoặc, như thiết bị đầu cuối, vào mạng. Chúng đóng một vai trị
nổi bật trong việc thiết kế các thiết bị kỹ thuật số như trợ lý kỹ thuật số cá nhân (PDA)
và một số đầu đọc điện tử.
Sự phổ biến của điện thoại thơng minh, máy tính bảng và nhiều loại thiết bị thông tin
đang thúc đẩy nhu cầu và chấp nhận màn hình cảm ứng phổ biến cho thiết bị điện tử
cầm tay và chức năng. Màn hình cảm ứng được tìm thấy trong lĩnh vực y tế, công
nghiệp nặng, máy rút tiền tự động (ATM) và các ki-ốt như màn hình bảo tàng hoặc tự
động hóa phịng, trong đó hệ thống bàn phím và chuột khơng cho phép người dùng
tương tác trực quan, nhanh chóng hoặc chính xác hiển thị nội dung.
11

do an


2.6.

NGƠN NGỮ PHP

2.6.1. Giới thiệu ngơn ngữ PHP
PHP (Hypertext Preprocessor) là một ngơn ngữ lập trình chủ yếu được dùng để phát
triển các ứng dụng cho máy chủ. Nó rất thích hợp với web và có thể dễ dàng nhúng
vào trang HTML. Do được tối ưu hóa cho các ứng dụng web, tốc độ nhanh, nhỏ gọn,
cú pháp giống C và Java, dễ học và thời gian xây dựng sản phẩm tương đối ngắn hơn
so với các ngôn ngữ khác nên PHP đã nhanh chóng trở thành một ngơn ngữ lập trình
web phổ biến nhất thế giới.
2.6.2. Đặc điểm nổi bật của PHP
Phần mềm mã nguồn mở PHP được sử dụng hồn tồn miễn phí, PHP là ngơn
ngữ có hình thức đơn giản, cú pháp ngắn gọn, sử dụng một số lượng ít các từ khố, do
đó PHP là một ngôn ngữ dễ học đối với người mới bắt đầu tìm hiểu. PHP là ngơn ngữ
có mã lệnh (source code hay đơn giản là code) không mấy phức tạp. Cả trường hợp
chúng ta chưa biết gì về PHP chúng ta cũng có thể suy đốn được ý nghĩa của từng
dịng lệnh trong source code.
PHP có nhiều ứng dụng trên nhiều nền tảng thương mại lớn như WordPress hay
Magento, chương trình phần mềm viết bằng ngơn ngữ PHP có thể được chạy trên
nhiều nền tảng hệ điều hành khác nhau bao gồm Windows, Linux,

12

do an


CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ
3.1
3.1.1

Sơ đờ khối hệ thống
Yêu cầu của hệ thống
Hệ thống “Thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện thơng minh” có khả năng:
 Điều khiển các thiết bị thông qua giao diện web.
 Điều khiển thiết bị bằng màn hình cảm ứng.
 Hiển thị thơng số nhiệt độ và độ ẩm, khí ga, ánh sáng, điện năng tiêu thụ.

3.1.2

Sơ đồ khối và chức năng mỡi khối

Khối
Cảm
Biến

Khối cảm
ứng

Thiết bị

KHỐI XỬ
LÝ
TRUNG
TÂM

Khối
Relay

Kết
nối

WiFi

KHỐI
NGUỒN
Hình 3.1. Sơ đồ khối của hệ thống

13

do an

Khối đo dòng
điện, điện áp

Web