(Đồ án hcmute) thiết kế thi công hệ thống điều khiển thiết bị điện

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 THUẬT MÁY TÍNH

THIẾT KẾ THI CƠNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
THIẾT BỊ ĐIỆN

GVHD: LÊ MINH
SVTH : NGUYỄN THÀNH HƯNG
MSSV:11119102

SKL 0 0 5 1 1 8

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2017

do an


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

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
THIẾT BỊ ĐIỆN

SVTH: NGUYỄN THÀNH HƯNG
MSSV: 11119102

Khố: 2012
Ngành: CNKT Máy Tính
GVHD: ThS. LÊ MINH

TP. HỒ CHÍ MINH – 07/2017

do an

i


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

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
THIẾT BỊ ĐIỆN

SVTH: NGUYỄN THÀNH HƯNG
MSSV: 11119102
Khố: 2012
Ngành: CNKT Máy Tính
GVHD: ThS. LÊ MINH

TP. HỒ CHÍ MINH – 07/2017
ii

do an

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
*******
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng

năm 2017

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Thành Hưng.
MSSV: 11119102.
Ngành: CNKT máy tính.
Lớp: 12119CLC.
Giảng viên hướng dẫn: Lê Minh.
ĐT: 01679882826.
Ngày nhận đề tài: 02/2017.
Ngày nộp đề tài: 07/2017.
1. Tên đề tài:
Thiết kế thi công hệ thống điều khiển thiết bị điện.
2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:
Kit Raspberry Pi 3, thiết kế web server bằng ngơn ngữ java script, lập trình kết nối
các thiết bị bằng ngôn ngữ python.
3. Nội dung thực hiện đề tài:
Thiết kế giao diện điều khiển các thiết bị.
Thiết kế phần cứng hệ thống.
Lập trình giao tiếp với databases điều khiển các thiết bị đèn, quạt, cửa dùng giao
diện điều khiển web server
Lập trình giao tiếp LCD hiển thị nhiệt độ, độ ẩm.
Hiển thị thông số của các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm(DHT11), cảm biến ánh sáng
quang trở (CDS), cảm biến Gas(MQ5), cảm biến chuyển động(HC-SR501) lên web

server, mọi thông số thay đổi của hệ thống đều được cập nhật vào databases.
4. Sản phẩm:
Hệ thống điều khiển gồm máy tính và kit Raspberry Pi 3 giao tiếp với nhau qua
mạng Lan để điều khiển các thiết bị, nhận dữ liệu từ các cảm biến, module nút nhấn.
Các thiết bị bao gồm Đèn, cửa, quạt, loa.
Các cảm biến bao gồm cảm biến nhiệt độ, độ ẩm (DHT11), cảm biến ánh sáng
quang trở (CDS), cảm biến Gas(MQ5), cảm biến chuyển động(HC-SR501).
Hệ thống hiển thị LCD.

TRƯỞNG NGÀNH

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
i

do an


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
*******
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng

năm 2017

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên Sinh viên: ........................................................... MSSV: ................................
Ngành: ..............................................................................................................................
Tên đề tài: .........................................................................................................................
...........................................................................................................................................

Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: ......................................................................................
...........................................................................................................................................
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 2017
Giáo viên hướng dẫn
(Ký & ghi rõ họ tên)
ii

do an

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
*******
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng

năm 2017

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên Sinh viên: ........................................................... MSSV: ................................
Ngành: ..............................................................................................................................
Tên đề tài: .........................................................................................................................
...........................................................................................................................................
Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: ......................................................................................
...........................................................................................................................................
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: ................................................................................)
...........................................................................................................................................

Giáo viên phản biện

Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017
(Ký & ghi rõ họ tên)
iii

do an


LỜI CẢM ƠN
Người nghiên cứu xin chân thành cảm ơn thầy Lê Minh đã tận tình hướng
dẫn, chỉ bảo những kinh nghiệm, kiến thức quý báu trong suốt quá trình thực
hiện đề tài. Trong thời gian làm việc với thầy người nghiên cứu không những
đã tiếp thu được nhiều kiến thức mà còn học tập được thái độ làm việc
nghiêm túc, chuyên nghiệp và đầy hiệu quả của thầy. Đây sẽ là những kinh
nghiệm cần thiết cho quá trình học tập và làm việc sau này.
Trong thời gian thực hiện đồ án đến này người nghiên cứu xin chân thành
cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ từ các quý thầy cô Khoa Điện – Điện Tử trường
Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM. Hơn hết người nghiên cứu xin chân
thành cảm ơn đến tất cả quý thầy cô trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật
TPHCM đã trực tiếp chỉ dạy, truyền đạt cho người nghiên cứu nhiều kiến thức,
kinh nghiệm trong suốt quá trình học đại học.

Bước đầu đi vào thực tế, tìm hiểu về lĩnh vực sáng tạo trong nghiên cứu
khoa học, kiến thức của người nghiên cứu còn nhiều hạn chế và bỡ ngỡ. Do
vậy, không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến
đóng gốp q báu của q Thầy Cơ để người nghiên cứu có thể tiếp thu, rút
kinh nghiệm cho tương lai.
Sau cùng, người nghiên cứu xin kính chúc quý Thầy Cô thật dồi dào sức
khỏe, niềm tin để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình là truyền đạt
kiến thức cho thế hệ mai sau.

iv

do an


TÓM TẮT
Hiện nay trong tất cả các lĩnh vực đời sống con người đều có sự trợ giúp
của internet, internet ngày càng làm cho công việc của con người trở nên nhẹ
nhàng hơn khơng chỉ nhờ vào sự tiện ích của nó mà cịn ở khả năng ứng
dụng trong nhiều lĩnh vực.
Với sự phát triển của Internet, smartphone và đặc biệt là các thiết bị cảm
biến, Internet of Things (IoT) đang trở thành xu hướng mới của thế giới. IoT
được định nghĩa là những vật dụng có khả năng kết nối Internet.Bạn vào nhà,
mở khóa cửa, đèn sẽ tự động sáng chỗ bạn đứng, điều hòa sẽ tự động điều
chỉnh nhiệt độ, nhạc sẽ tự động bật để chào đón bạn.
IOT đang là giải pháp duy nhất để giúp con người thực hiện q trình cơng
nghiệp hóa, hiện đại hóa trong nhiều lĩnh vực đời sống.
Vì IOT là xu hướng toàn cầu hiện nay nên người nghiên cứu đã chọn đề tài
đồ án để nghiên cứu và phát triển sự nghiệp sau này là: “Thiết kế thi công hệ
thống điều khiển thiết bị điện”, trong đồ án này người nghiên cứu đã quyết
định nghiên cứu về IOT trên kit nhúng Raspberry pi 3. Kit raspberry Pi 3 rất

tiện lợi vì nó là một máy tính nhúng có chạy hệ điều hành, tích hợp nhiều chức
năng xử lý như một máy tính thơng thường và có khả năng kết nối wifi.

v

do an


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ...................................................................... I
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ....................................II
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ..................................... III
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... IV
TÓM TẮT ............................................................................................................... V
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................ X
CÁC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................... XIII
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ....................................................................................1
1.1. GIỚI THIỆU TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY. ...........................................1
1.2. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI. ........................................................................1
1.3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU. ...............................................................................2
1.4. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU. ..............................................................................2
1.5. BỐ CỤC CỦA ĐỒ ÁN. ....................................................................................2
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................................4
2.1. KIT RASPBERRY PI 3. ...................................................................................4
2.1.1.

Sơ lược về Kit Raspberry pi 3. ............................................................ 4

2.1.2.

Cấu tạo Kit Raspberry pi 3. .................................................................6

2.1.3.

Nguồn cho Raspberry pi 3. ..................................................................7

2.1.4.

Hệ điều hành cho Raspberry pi 3. ....................................................... 7

2.2. CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM DHT11. ...................................................... 8
2.2.1.

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

2.2.2.

Thông số kỹ thuật.................................................................................9

2.2.3.

Sơ đồ chân. .......................................................................................... 9

2.3. CẢM BIẾN ÁNH SÁNG QUANG TRỞ CDS. ...................................................... 9
2.3.1.

Giới thiệu. ............................................................................................ 9
vi

do an

2.3.2.

Thông số kỹ thuật...............................................................................10

2.3.3.

Sơ đồ chân. ........................................................................................ 10

2.4. CẢM BIẾN GAS MQ5. .................................................................................10
2.4.1.

Giới thiệu. .......................................................................................... 10

2.4.2.

Thông số kỹ thuật...............................................................................11

2.4.3.

Sơ đồ chân. ........................................................................................ 11

2.5. CẢM BIẾN CHUYỂN ĐỘNG HC-SR501. ....................................................... 12
2.5.1.

Giới thiệu. .......................................................................................... 12

2.5.2.

Thông số kỹ thuật...............................................................................12

2.6. LCD 16X02. ............................................................................................... 13
2.6.1.

Giới thiệu ........................................................................................... 13

2.6.2.

Thông số kỹ thuật...............................................................................13

2.6.3.

Sơ đồ chân. ........................................................................................ 13

2.7. BIẾN TRỞ B10K. ........................................................................................ 15
2.8. MODULE RELAY 2 KÊNH 5V-220V/10A...................................................... 15
2.8.1.

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

2.8.2.

Thông số kỹ thuật...............................................................................16

2.8.3.

Sơ đồ chân ......................................................................................... 16

2.9. MODULE HẠ ÁP LM2596. ..........................................................................16

2.9.1.

Giới thiệu. .......................................................................................... 16

2.9.2.

Thông số kỹ thuật...............................................................................17

2.9.3.

Sơ đồ nguyên lý..................................................................................17

2.10.

MODULE ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ L298. ................................................... 17

2.10.1. Giới thiệu. .......................................................................................... 17
2.10.2. Thông số kỹ thuật...............................................................................18
2.10.3. Sơ đồ chân. ........................................................................................ 18
2.11.

ĐỘNG CƠ QUẠT. ..................................................................................... 19

2.11.1. Giới thiệu. .......................................................................................... 19
2.12.

ĐỘNG CƠ CHỐNG TRỘM UN4001. .......................................................... 19

2.12.1. Giới thiệu. ............................................ Error! Bookmark not defined.
2.13.

ĐÈN SỢI ĐỐT. ......................................................................................... 20
vii

do an


2.13.1. Giới thiệu. ............................................ Error! Bookmark not defined.
2.14.

NGUỒN. ..................................................................................................20

2.14.1. Giới thiệu. ............................................ Error! Bookmark not defined.
2.15.

NGÔN NGỮ NODE JS VÀ LẬP TRÌNH GIAO TIẾP SOCKET. ..............21

2.15.1. Giới thiệu. .......................................................................................... 21
2.15.2. Cách thức hoạt động của Node js. .................................................... 22
2.15.3. NPM: The Node Package Manager. .................................................23
2.16.

NGÔN NGỮ PYTHON. ..............................................................................24

2.16.1. Python là gì?...................................................................................... 24
2.16.2. Các đặc điểm của Python. .................................................................24
2.16.3. Lịch sử của Python. ...........................................................................25
2.17.

CHUẨN GIAO TIẾP DỮ LIỆU MYSQL DATABASES. .................................25

2.17.1. Databases là gì? ................................................................................25
2.17.2. MySQL là gì? ..................................................................................... 25
2.17.3. RDBMS là gì? .................................................................................... 26
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG ........................................................... 27
3.1. MƠ HÌNH HỆ THỐNG. ..................................................................................27
3.2. SƠ ĐỒ KHỐI. ............................................................................................... 28
3.3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG. ..............................................................................29
3.3.1.

Khối nguồn. ....................................................................................... 29

3.3.2.

Sơ đồ kết nối các thiết bị. ..................................................................30

3.3.3.

Chương trình xử lý của hệ thống. ...................................................... 31

3.3.4.

Database. ........................................................................................... 32

3.3.5.

Thiết kế Webserver. ...........................................................................33

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ, SO SÁNH, THỰC NGHIỆM, PHÂN TÍCH, TỔNG
HỢP............................................................................................................................... 36

4.1. KẾT QUẢ THI CƠNG MƠ HÌNH. ........................................................... 36
4.1.1.

Phần cứng. ......................................................................................... 36

4.1.2.

Phần mềm. ......................................................................................... 37

4.1.3.

HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG. ..................................................... 38
viii

do an


4.2. SO SÁNH, PHÂN TÍCH HỆ THỐNG. ..................................................... 41
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ....................................42
5.1. KẾT LUẬN. .............................................................................................. 42
5.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN.............................................................................42
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 43
PHỤ LỤC ...............................................................................................................44

ix

do an


DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Chi tiết kit raspberry pi 3 trên thực tế...................................................... 4
Hình 2.2 cấu tạo kit Raspberry pi 3 .......................................................................... 6
Hình 2.3 cài đặt hệ điều hành cho raspberry pi 3 ................................................... 8
Hình 2.4 cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 .......................................................... 9
Hình 2.5 sơ chân của DHT11 ..................................................................................... 9
Hình 2.6 Cảm biến ánh sáng quang trở CDS........................................................... 10
Hình 2.7 Sơ đồ chân cảm biến ánh sáng quang trở CDS ........................................ 10
Hình 2.8 Cảm biến gas MQ5 ..................................................................................... 11
Hình 2.9 Sơ đồ chân cảm biến GAS .......................................................................... 11
Hình 2.10 Cảm biến chuyển động HC-SR501 .......................................................... 12
Hình 2.11 Sơ đồ chân HC-SR501 .............................................................................. 12
Hình 2.12 LCD 16x02 ................................................................................................. 13
Hình 2.13 Sơ đồ chân LCD 16x02 ............................................................................. 13
Hình 2.14 Biến trở B10k ............................................................................................ 15
Hình 2.15 Relay 2 kênh .............................................................................................. 15
Hình 2.16 Sơ đồ chân .................................................................................................. 16
Hình 2.17 module hạ áp LM2596 .............................................................................. 17
Hình 2.18 Sơ đồ nguyên lý LM2596 .......................................................................... 17
Hình 2.19 Module điều khiển động cơ L298 ............................................................ 18
Hình 2.20 Sơ đồ chân L298 ........................................................................................ 19
Hình 2.21 động cơ quạt .............................................................................................. 20
Hình 2.21 Động cơ chống trộm UN4001 ................................................................... 20
Hình 2.22 Đèn sợi đốt ................................................................................................. 21
Hình 2.23 Adapter 12V DC........................................................................................ 22
Hình 2.24 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của Node js .................................................. 23
Hình 3.1 Mơ hình hệ thống ........................................................................................ 27
Hình 3.2 sơ đồ khối hệ thống ..................................................................................... 28
Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý của khối nguồn ................................................................ 29
Hình 3.4 Sơ đồ kết nối RPI với các thiết bị .............................................................. 30
x

do an


Hình 3.5 Lưu đồ giải thuật của hệ thống .................................................................. 31
Hình 3.6 Lưu đồ giải thuật nhận dữ liệu từ hệ thống ............................................. 33
Hình 3.7 Lưu đồ giải thuật điều khiển thiết bị bằng giao diện Webserver ........... 34
Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống .................................................................. 35
Hình 4.1: Mơ hình của hệ thống ................................................................................ 37
Hình 4.2 Giao diện Webserver .................................................................................. 38
Hình 4.3 LCD 16x2 hiển thị nhiệt độ và độ ẩm ....................................................... 39
Hình 4.4 trạng thái ban đầu....................................................................................... 40
Hình 4.5 mở đèn 1 ....................................................................................................... 40
Hình 4.6 mở đèn 2 ....................................................................................................... 40
Hình 4.7 khi mở cả 2 đèn ........................................................................................... 40
Hình 4.8 khi mở quạt .................................................................................................. 40
Hình 4.9 khi thực hiện mở cửa .................................................................................. 40
Hình 4.10 trạng thái ban đầu của các cảm biến ...................................................... 41
Hình 4.11 Dữ liệu tương ứng trong database........................................................... 41
Hình 4.12 trạng thái thay đổi khi có tác động từ người dùng ................................ 41
Hình 4.13 dữ liệu tương ứng trong database ........................................................... 41

xi

do an


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Chức năng các chân của LCD .................................................................. 14
Bảng 3.1 cơ sở dữ liệu của các cảm biến................................................................... 33

Bảng 3.2 cơ sở dữ liệu của các thiết bị ...................................................................... 34

xii

do an


CÁC TỪ VIẾT TẮT
Iot: internet of things.
LAN: local area network.
LCD: Liquid Crystal Display.
RPI: raspberry pi.
HDMI: High-Definition Multimedia Interface.
GPIO: General Purpose Input Output.
RCA: Radio Corporation of America.
SQL: Structured Query Language.
NODEJS: NODE Javascript.
CSDL: cơ sở dữ liệu.
PHP: Hypertext Preprocessor.
RDBMS: Relational Database Management System.
LED: Light Emitting Diode.
PWM: Pulse Width Modulation.

xiii

do an


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1.GIỚI THIỆU TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY.

Ngày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các thiết bị điện tử ra đời
ngày càng nhiều về chủng loại cũng như tính năng sử dụng. Bên cạnh đó nhu cầu
sử dụng các thiết bị một cách tự động ngày càng cao, con người ngày càng muốn
có nhiều thiết bị giải trí cũng như các thiết bị sinh hoạt với kỹ thuật và công nghệ
ngày càng cao. Có thể ở Việt nam chưa phát triển mạnh mẽ trong lĩnh này nhưng
hiện nay ở trên thế giới, nhất là các quốc gia ở Châu Âu hay châu Mỹ thì mơ hình
IoT đang được phát triển rất mạnh mẽ.
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ
kỹ thuật điện tử mà trong đó là kỹ thuật điều khiển tự động đóng vai trò quan
trọng trong mọi ĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lí, cơng nghiệp, cung cấp thơng
tin ... Như chúng ta cũng đã biết, gần như các thiết bị tự động trong nhà máy,
trong đời sống của các gia đình ngày nay đều hoạt động độc lập với nhau, mỗi
thiết bị có một quy trình sử dụng khác nhau tuỳ thuộc vào mục đích của người sử
dụng. Nhưng đối với hệ thống điều khiển thiết bị thông minh trong mạng LAN
thì lại khác. Ở đây, các thiết bị điều khiển được kết nối với nhau thành một hệ
thống hoàn chỉnh qua một thiết bị trung tâm và có thể tương tác với người dùng
qua giao diện. Các dữ liệu thông tin của các cảm biến, thiết bị đều được cập nhật
lên server.

1.2.TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI.
Công nghệ ngày càng phát triển nhằm phục vụ nhu cầu cuộc sống của con
người. Việc phát triển Internet cũng như xu hướng IoT (Internet of Things) nên
việc giao tiếp qua mạng Internet đó là xu hướng phổ biến hiện tại cũng như
tương lai. Chính vì thế việc phát triển các thiết bị có khả năng gia tiếp qua
internet là rất cần thiết.
Đề tài có tính ứng dụng thực tế khá tốt, mặc dù còn chưa kết nối với nhiều
thiết bị cũng như cảm biến nhưng nó là nền tảng để phát triển lên các ứng dụng
khác tốt hơn trong đời sống.
Board Raspberry Pi 3 là một máy tính nhúng nhỏ gọn rất thích hợp để làm 1
server giao tiếp gửi, nhận, điều khiển các thiết bị khi tương tác với người dùng

trong mạng Lan và có khả năng ứng dụng thực tiễn rất cao.

1

do an


1.3.MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU.
Đề tài được thực hiện nhằm mục tiêu thiết kế, thi công hệ thống “điều khiển
thiết bị điện” với các chức năng.
-Hệ thống kết nối, giao tiếp với máy tính qua mơi trường mạng LAN và
được điều khiển trên web server.
-Đo và hiển thị được thông số nhiệt độ, độ ẩm hiện tại hiển thị trên LCD và
được cập nhật liên tục vào web server khi nhiệt độ, độ ẩm thay đổi.
-Mở/đóng cửa tự động bằng password thơng qua web server.
-Người dùng có thể điều khiển tắt mở các thiết bị, đọc giá trị dữ liệu của các
cảm biến và quan sát trạng thái các thiết bị trên máy tính dùng trình duyệt
web.

1.4.NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU.
Để thực hiện mục tiêu đặt ra, các nhiệm vụ cụ thể cần được giải quyết trong
quá trình thực hiện đề tài như sau:
-Viết web server trên raspberry pi 3 và điều khiển trực tiếp các thiết bị bằng
ngôn ngữ Java scripts.
-Lập trình kết nối và gửi dữ liệu các cảm biến lên web server.
-Lập trình gửi nhận thơng tin trạng thái các thiết bị, cảm biến lên databases.

1.5.ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU.
Từ các nhiệm vụ đã đặt ra, các đối tượng phù hợp cụ thể cần được nghiên cứu
trong đề tài này là:

-Kit nhúng Raspberry Pi 3
-Cài đặt hệ điều hành Raspian cho kit.
-Viết code phần cứng và biên dịch ứng dụng bằng ngôn ngữ java scripts.
-Viết web server để tạo giao diện giao tiếp các thiết bị với Kit raspberry pi
-Các thiết bị ngoại vi: relay, cảm biến, thiết bị loa, cửa, đèn, quạt, ...
-Ngôn ngữ Python để gửi dữ liệu lên sql databases.

1.6.PHƯƠNG PH́ÁP NGHIÊN CỨU.
Trong quá trình thực hiện đề tài, người nghiên cứu đã thực hiện các phương
pháp sau để đạt yêu cầu đề ra:
-Tham khảo các tài liệu lý thuyết liên quan tới việc thực hiện đề tài.
-Khảo sát và tìm hiểu các ý tưởng, ứng dụng tương tự.
-Thử nghiệm thực tế, Tham khảo ý kiến thầy hướng dẫn.

1.7.BỐ CỤC CỦA ĐỒ ÁN.
Đồ án được chia làm 5 chương với nơi dung chính của từng chương như sau:
2

do an


Chương 1 Tổng quan.
Chương này trình bày sơ lược về tình hình nghiên cứu hiện nay, tính cấp
thiết cùng lý do chọn đề tài, phương pháp, mục tiêu, đối tượng và phạm vi
nghiên cứu.
Chương 2 Cơ sở lý thuyết.
Nội dung chủ yếu của chương này là trình bày lý thuyết về lập trình web
server, kit Raspberry Pi và ngơn ngữ lập trình liên quan (Python).
Chương 3 Thiết kế và thi cơng.
Trong chương này sẽ trình bày về mơ hình của hệ thống; chức năng, sơ đồ

khối và các chương trình xử lý trên board điều khiển; nhiệm vụ của phần mềm
và lưu đồ giải thuật cùng các phần mềm trên máy tính.
Chương 4 Kết quả.
Kết quả thực hiện đồ án sẽ được thể hiện trong chương này, bao gồm mơ
hình và hoạt động của toàn hệ thống.
Chương 5 Kết luận và hướng phát triển.
Chương này mang tính tổng kết cho tồn bộ q trình thực hiện đồ án, nhận
xét ưu, nhược điểm của hệ thống và đưa ra định hướng mở cho đề tài thực
hiện.

3

do an


CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.KIT RASPBERRY PI 3.
2.1.1.Sơ lược về Kit Raspberry pi 3.
Cấu tạo chi tiết kit raspberry pi 3 trên thực tế được thể hiện như hình 2.1.

Hình 2.1 Chi tiết kit raspberry pi 3 trên thực tế.
Raspberry Pi (RPi) là một máy tính có kích thước nhỏ. Chỉ cần dùng bàn
phím, màn hình có cổng HDMI/DVI, nguồn USB 5V và dây micro thì RPi có thể
được sử dụng như một máy tính bình thường. Được phát triển bởi quỹ Raspberry
Pi nước Anh) với mục tiêu khuyến khích việc học tập khoa học máy tính trong
trường học.
Hiện nay raspberry pi có 4 loại: A, B, B+ và zero.
Phiên bản đầu tiên của Raspberry Pi được sản xuất với chip Broadcom và Ram
256 Mb. Các phiên bản sau này Ram được nâng lên 512 Mb. Với cấu hình tương
đối khá cộng với GPU mạnh mẽ giúp xử lý hình ảnh khá tốt. Cụ thể, hỗ trợ

camera lên đến 5 Mp (2592 × 1944 pixel) và quay phim Full HD (1920 x 1080,
30fps), ngồi ra cịn cho phép phát video với chất lượng Full HD.
Raspberry Pi được cài sẵn hệ điều hành linux và các cơng cụ lập trình cần thiết
giúp cho việc giảng dạy và học tập trở nên dễ dàng hơn. Raspberry Pi còn chạy
được các hệ điều hành khác của linux (android - thử nghiệm), Pidora, RasBMC,
Raspian.….
4

do an


Raspberry pi 3 có hai cổng USB và cổng Ethernet RJ45 và có cấu hình như
sau:
SoC: Broadcom BCM2835 (CPU, GPU, DSP, SDRAM, 1 cổng USB).
CPU: 700MHz ARM1176JZF-S core (h ARM11).
GPU: Broadcom VideoCore IV, OpenGL ES 2.0, OpenGL ES 2.0,
MPEG-2 và VC-1, 1080p30 h.264/MPEG-4 AVC.
Bộ nhớ (SDRAM): 512 MB (chia sẻ với GPU).
2 cổng USB 2.0 (thông qua USB hub).
Ngõ ra video: hỗn hợp RCA (PAL và NTSC), HDMI (rev 1.3 & 1.4), xuất
ra LCD thông qua DSI 14 HDMI độ phân giải từ 640x350 đến 1920x1200
điều chỉnh theo chuẩn PAL và NTSC.
Ngõ ra Audio: xuất ngõ ra 3.5 mm, HDMI.
Bộ nhớ lưu trữ: Các khe cắm SD/MMC/SDIO.
Kết nối mạng: 10/100 Ethernet (RJ45) qua USB hub.
Ngoại vi cấp thấp: 8xGPIO, UART, I2C, SPI với 2 chip lựa chọn, +3.3V,
+5V, Mass.
Nguồn cấp 5 volt qua cổng MicroUSB hoặc qua đầu cắm GPIO.
Kích thước 85.6mm x 53.98mm (3.379in x 2.125in)
Thiết kế nhỏ gọn.

Chứ năng như một máy tính có các kết nối HDMI, video.
Có các chân GPIO như một vi điều khiển thơng thường để người dùng phát
triển và có thể hoạt động ở 2 chế độ input hoặc output.
Module I2C, SPI, UART, PWM.
Nguồn đầu ra với hiệu điện thế thông dụng: 5V và 3.3V.
Hệ điều hành được cung cấp miễn phí.

5

do an


2.1.2.Cấu tạo Kit Raspberry pi 3.
Mơ hình kit raspberry pi 3

Hình 2.2 cấu tạo kit Raspberry pi 3.
-Chip SOC (Systngười nghiên cứu-On-Chip) Broadcom BCM2835 chạy ở
tốc độ 700mHz. Chip này tương đương với nhiều loại được sử dụng trong
smartphone phổ thơng hiện nay, và có thể chạy được hệ điều hành Linux. Tích
hợp trên chip này là nhân đồ họa (GPU) Broadcom VideoCore IV. GPU này
đủ mạnh để có thể chơi 1 số game phổ thông và phát video chuẩn full HD.
-Các chân GPIO (General Purpose Input Output): có thể kết nối và điều
khiển rất nhiều thiết bị điện tử/cơ khí khác.
-Ngõ HDMI: dùng để kết nối Pi với màn hình máy tính hay tivi có hỗ trợ
cổng HDMI.
-Ngõ RCA Video (analog): khi thiết kế Pi người ta cũng tính đến trường
hợp người sử dụng ở các nước đang phát triển khơng có điều kiện sắm một
chiếc tivi đời mới tích hợp cổng HDMI. Vì vậy cổng video analog này được
thêm vào, giúp bạn có thể kết nối với chiếc tivi đời cũ mà không phải lo lắng.
-Ngõ audio 3.5mm: kết nối dễ dàng với loa ngoài hay headphone. Đối với

tivi có cổng HDMI, ngõ âm thanh được tích hợp theo đường tín hiệu HDMI
nên khơng cần sử dụng ngõ audio này.
-Cổng USB: một điểm mạnh nữa của Pi là tích hợp 2 cổng USB 2.0. Dùng
để kết nối với bàn phím, chuột hay webcam, bộ thu GPS .. v.v qua đó có thể
mở rộng phạm vi ứng dụng. Vì Pi chạy Linux nên hầu hết thiết bị chỉ cần cắmvà-chạy (Plug-n-Play) mà không cần cài driver phức tạp.
6

do an


-Cổng Ethernet: cho phép kết nối Internet dễ dàng. Cắm dây mạng vào Pi,
kết nối với màn hình máy tính hay tivi và bàn phím, chuột là có thể lướt web
dễ dàng!
-Khe cắm thẻ SD: Pi khơng tích hợp ổ cứng. Thay vào đó nó dùng thẻ SD
để lưu trữ dữ liệu. Toàn bộ hệ điều hành Linux sẽ hoạt động trên thẻ SD này vì
vậy nó cần kích thước thẻ nhớ tối thiểu 4 GB và dung lượng hỗ trợ tối đa là 32
GB.
-Đèn LED: trên Pi có 5 đèn LED để hiển thị tình trạng hoạt động.
-Jack nguồn micro USB 5V, tối thiểu 700mA: nhờ thiết kế này mà chúng ta
có thể tận dụng hầu hết các sạc điện thoại di động trên thị trường để cấp nguồn
điện cho Pi.

2.1.3.Nguồn cho Raspberry pi 3.
RPi có thể sử dụng đến 700mA tại mức 5V khi sử dụng nhiều thiết bị USB và
cổng LAN. Do đó, để RPi hoạt động ổn định thì nên sử dụng bộ nguồn USB 5V
1A. Ngồi việc cấp nguồn cho kit Rapberry Pi thơng qua cổng micro USB thì
cịn có thể cấp trực tiếp.

2.1.4.Hệ điều hành cho Raspberry pi 3.
Kit Raspberry Pi sử dụng hệ điều hành dựa trên nhân Linux. Hệ điều hành

khuyến khích chạy trên kit là: Raspbian. Ngồi ra Raspberry Pi có thể chạy được
các hệ điều hành sau: Linux (Raspbian, Pidora, Archlinux), OpenElec & XBMC,
RetroPie, RISC OS, Plan 9, Firefox OS, Android, Pipboy.
RASPBIAN là một hệ điều hành mã nguồn mở được phát triển trên nền tảng
linux và được tối ưu hóa cho phần cứng của Raspberry pi. RASPBIAN cung cấp
cho người dùng những chức năng cơ bản của một hệ điều hành thống thường,
ngồi ra cịn kèm theo hơn 35000 gói phần mềm biên dịch giúp việc lập trình
Raspberry Pi trở nên dễ dàng hơn. Ngoài nhưng phần mềm hỗ trợ lập trình
Raspberry Pi cịn có rất nhiều phần mềm được cung cấp miễn phí như các phần
mềm duyệt web, play video, play audio, ……
Cách cài đặt hệ điều hành RASPBIAN cho Raspberry Pi:
-Chuẩn bị phần cứng:
01 thẻ Micro SD Card.
Đầu đọc thẻ nhớ micro SD cho máy tính laptop.
01 dây cáp LAN để nối với router wifi.
-Chuẩn bị phần mềm trên laptop:
Download hệ điều hành Raspbian bảng mới nhất
Phần mềm SDFormatter, Win32DiskImager.
-Tiến hành cài đặt:
7

do an


Mở phần mềm Win32DiskImager và tiến hành ghi hệ điều hành
Raspbian lên thẻ Micro SD Card.

Hình 2.3 cài đặt hệ điều hành cho raspberry pi 3.
Nếu dung lượng thẻ nhớ không đủ ta dùng phần mềm SDFormatter để
lấy lại dung lượng của thẻ nhớ.

Cắm thẻ nhớ và cấp nguồn RPI khi phần mềm đã ghi hệ điều hành xong.
Kết nối cổng mạng Lan của RPI vào module wifi để tiến hành lấy địa chỉ
IP của RPI.
Sử dụng putty để kết nối đến RPI và tiến hành cài đặt cơ bản cho RPI.

2.2.CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM DHT11.
2.2.1.Giới thiệu.
Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 là cảm biến rất thơng dụng hiện nay vì
chi phí rẻ và rất dễ dàng lấy dữ liệu thông qua chuẩn giao tiếp 1 dây. Bộ tiền xử
lý tín hiệu tích hợp trong cảm biến giúp người sử dụng lấy được dữ liệu chính
xác hơn.

Hình 2.4 Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11.
8

do an


2.2.2.Thông số kỹ thuật
Thông số kỹ thuật DH11:
-Nguồn: 3 - 5 V.
-Dòng sử dụng: 2.5 mA.
-Đo tốt ở độ ẩm 20-80%RH với sai số 5%.
-Đo tốt ở nhiệt độ 0-50C với sai số ±2C.
-Tần số lấy mẫu tối đa 1HZ.
-Kích thước 15mm x 12mm x 5,5mm.
-4 chân khoảng cách 0.1.

2.2.3.Sơ đồ chân.
Sơ đồ chân cảm biến DHT11 được thể hiện như hình 2.5.

Hình 2.5 sơ chân của DHT11.
DHT11 có 4 chân:
-VCC: chân nguồn thường kết nối với nguồn 3 - 5 V.
-DATA: chân dữ liệu dùng để giao tiếp với vi điều khiển.
-NC: chân để hở.
-GND: chân mass.

2.3.CẢM BIẾN ÁNH SÁNG QUANG TRỞ CDS.
2.3.1.Giới thiệu.
Cảm biến ánh sáng quang trở có tích hợp sẵn opamp và biến trở so sánh mức
tín hiệu giúp cho việc nhận biết tín hiệu trở nên dễ dàng sử dụng để nhận biết hay
bật tắt thiết bị theo cường độ ánh sáng môi trường

9

do an