(Đồ án hcmute) thiết kế và thi công hệ thống điều khiển thiết bị từ xa thông minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

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

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TỪ XA THƠNG MINH

GVHD: ThS. PHAN VÂN HỒN
SVTH: LÊ THANH PHONG
MSSV: 12141167
SVTH: TRẦN NHÂN
MSSV: 12141156

SKL 0 0 4 5 2 3

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2016

do an


TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT
TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
Tp. HCM, ngày 7 tháng 7 năm 2016

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1. Thông tin sinh viên
Họ tên sinh viên: Lê Thanh Phong
MSSV: 12141167
Trần Nhân
MSSV: 12141156
Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điện - điện tử truyền thông Mã ngành: 510302
Hệ đào tạo:
Đại học chính quy
Mã hệ: D
Khóa:
2012
Lớp: 12141DT1C
12141DT2D
2. Thơng tin đề tài
Tên của đề tài:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT
BỊ TỪ XA THÔNG MINH.

Đồ án tốt nghiệp được thực hiện tại: Bộ môn Điện Tử Công Nghiệp, Khoa Điện Điện Tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh.
Thời gian thực hiện: Từ ngày 1/4/2016 đến

7/7 /2016

3. Các nhiệm vụ cụ thể của đề tài
- Tìm hiểu và nghiên cứu giao tiếp module ESP 8266-12 với vi điều khiển Arm.
- Giải mã tín hiệu hồng ngoại nhận từ điều khiển từ xa hồng ngoại.
- Xuất tín hiệu hồng ngoại điều khiển một thiết bị.

- Thiết kế và lập trình ứng dụng trên hệ điều hành Android.
- Thiết kế, thi công và lắp ráp các khối điều khiển thành một sản phẩm.
4. Lời cam đoan của sinh viên
Chúng tôi Lê Thanh Phong và Trần Nhân cam đoan ĐATN là cơng trình nghiên
cứu của bản thân chúng tôi dưới sự hướng dẫn của thạc sỹ Phan Vân Hồn.
Các kết quả cơng bố trong ĐATN là trung thực và không sao chép từ bất kỳ cơng
trình nào khác.
Tp.HCM, ngày 7 tháng 7 năm 2016
SV thực hiện đồ án

Lê Thanh Phong

Trần Nhân

Tp.HCM, ngày 7 tháng 7 năm 2016
Xác nhận của Bộ Môn

Giáo viên hướng dẫn
(Ký ghi rõ họ tên và học hàm học vị)

do an

i


TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT
TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
Tp. HCM, ngày 7 tháng 7 năm 2016

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Lê Thanh Phong
Lớp:12141DT1C
Họ tên sinh viên 2: Trần Nhân
Lớp: 12141DT2D

MSSV: 12141167
MSSV:12141156

Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TỪ
XA THÔNG MINH.
Tuần/ngày
Tuần 1 (110/04/2016)
Tuần 2 (1117/04/2016)
Tuần 3 (1824/04/2016)
Tuần 4 (25/4 01 /05/2016)
Tuần 5,6,7 (0222/05/2016)
Tuần 8,9,10
(23/5 12/06/2016)
Tuần 11,12 (13 26/06/2016)
Tuần 13 (27/6 1/07/2016)
7/07/2016

Nội dung

Xác nhận GVHD

Nhận đồ án , tìm hiểu đề tài
Chọn và tìm hiểu đề tài.
Tìm hiểu nội dung và hướng làm đề tài của
điều khiển từ xa thơng minh.
Tìm các tài liệu liên quan tới điều khiển từ
xa.
Tiến hành thiết kế phần cứng cho hệ thống
điều khiển từ xa.
Tiến hành lập trình phần mềm cho hệ thống
điều khiển từ xa.
Tìm hiểu thiết kế mơ hình sản phẩm.
Viết báo cáo, kiểm ra các phần cứng
Hoàn thành nhiệm vụ đồ án

GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

do an

ii


TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT
TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BƠ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

PHIẾU ĐÁNH GIÁ KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
I. Thơng tin chung
- Họ và tên sinh viên: Lê Thanh Phong MSSV: 12141167
- Họ và tên sinh viên: Trần Nhân

MSSV: 12141156

-Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TỪ
XA THÔNG MINH.
- Họ và tên giáo viên hướng dẫn: Phan Vân Hồn
II. Nhận xét về khóa luận
2.1. Đánh giá chung (hoàn thành bao nhiêu phần trăm mục tiêu của đề tài):
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
2.2. Ưu điểm của đề tài:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
2.3. Khuyết điểm của đề tài:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
2.4. Thái độ làm việc của sinh viên:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
2.5. Kết quả chính thu được:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
2.6. Đề nghị:

Được bảo vệ

Khơng được bảo vệ
Tp. HCM, ngày 7 tháng 7 năm 2016
Giáo viên hướng dẫn
(Ký và ghi rõ họ tên)

do an

iii


LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là do chúng tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu và không sao chép
từ tài liệu hay cơng trình đã có trước đó. Nếu có bất kỳ sự lận nào chúng tơi xin chịu
trách nhiệm về nội dung đồ án của mình.
TP.HCM, ngày 7 tháng 7 năm 2016
Người thực hiện
Lê Thanh Phong
Trần Nhân

do an

iv


LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật
TP.HCM đã tận tình dạy dỗ chúng em trong suốt những năm qua. Trong đó phải kể đến
q thầy cơ trong khoa Điện – Điện Tử đã truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm

cùng với sự đam mê của mình như đốt lên những ngọn lửa đam mê khám phá trong mỗi
chúng em và rồi từ những kiến thức, đam mê đó chúng em kết lại thành một đồ án cuối
cùng, đồ án tốt nghiệp do chính tay mình tạo ra, nó như một bàn đạp đầu tiên để bước
vào những cánh cửa lớn hơn.
Đặc biệt, nhóm xin chân thành cảm ơn thầy Phan Vân Hồn đã tận tình giúp đỡ
chúng em trong quá trình lựa chọn đề tài và hỗ trợ chúng em trong quá trình thực hiện
đề tài. Trong quá trình thực hiện đồ án cũng xảy ra nhiều khó khăn, thiếu sót nhưng
được sự đơn đốc và góp ý của thầy chúng em đã gặt hái được nhiều kiến thức và kinh
nghiệm. Một lần nữa chúng em xin cảm ơn thầy.
Bên cạnh đó, nhóm chúng em xin cảm ơn thầy Nguyễn Đình Phú, thầy Nguyễn
Tấn Như đã cho chúng em mượn phòng D401 để tham khảo tài liệu và thực hiện đồ án.
Và cũng gửi lời cảm ơn đến những người bạn đã đóng góp ý kiến, động viên tinh thần
giúp cho nhóm thực hiện đề tài đạt hiệu quả hơn.
Cuối cùng, chúng em chân thành cảm ơn sự động viên và hỗ trợ của gia đình và
cha mẹ trong suốt thời gian học tập. Chúng em xin gửi lời cảm ơn trân trọng nhất đến
cha mẹ, người đã sinh ra và nuôi dưỡng chúng em nên người cũng như là tạo điều kiện
thuận lợi để chúng em có thể hồn thành đề tài của mình.

TP.HCM, ngày 7 tháng 7 năm 2016
Sinh viên thực hiện đồ án

Lê Thanh Phong
Trần Nhân

do an

v


MỤC LỤC

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ........................................................ i
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ..................................................... ii
PHIẾU ĐÁNH GIÁ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ...................................................... iii
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... iv
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. v
MỤC LỤC ...................................................................................................................... vi
LIỆT KÊ HÌNH VẼ ..................................................................................................... viii
LIỆT KÊ BẢNG ............................................................................................................ xi
TĨM TẮT ..................................................................................................................... xii
Chương 1. TỔNG QUAN ............................................................................................... 1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ....................................................................................................... 1
1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI .............................................................................................. 2
1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .................................................................................. 2
1.4 GIỚI HẠN ............................................................................................................. 2
1.5 BỐ CỤC ĐỒ ÁN ................................................................................................... 2
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................................... 4
2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG WIFI .......................................................................... 4
2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ................................................................................. 5
2.2.1 Tổng quan về ARM ......................................................................................... 5
2.2.2 Led thu hồng ngoại ........................................................................................ 16
2.2.3 Tổng quan về module ESP8266-12E ............................................................ 18
2.2.4 Thẻ nhớ - SD Card ........................................................................................ 21
2.2.5 AMS1117 ...................................................................................................... 21
2.3 GIỚI THIỆU CÁC CHUẨN GIAO THỨC ........................................................ 22
2.3.1 Sơ lược về giao tiếp USART ......................................................................... 22
2.3.2 Sơ lược về chuẩn SPI .................................................................................... 26
2.3.3 Khái quát về hồng ngoại ................................................................................ 30
2.3.4 Giới thiệu giao thức TCP/IP .......................................................................... 32
2.3.5 Giới thiệu vài nét về hệ điều hành Android .................................................. 37
Chương 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ ..................................................................... 43

3.1 TỔNG QUAN VỀ YÊU CẦU THIẾT KẾ HỆ THỐNG .................................... 43

do an

vi


3.2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG......................................................... 43
3.2.1 Thiết kế sơ đồ hệ thống ................................................................................. 43
3.2.2 Tính tốn và thiết kế ...................................................................................... 44
Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ............................................................................ 50
4.1 THI CƠNG HỆ THỐNG ..................................................................................... 50
4.2 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ................................................................................... 52
4.2.1 Lưu đồ giải thuật ........................................................................................... 52
4.2.2 Phần mềm Keil C sử dụng cho vi điều khiển ................................................ 54
4.2.3 Yêu cầu thiết kế và lưu đồ giải thuật bên Android........................................ 60
4.2.4 Giới thiệu phần mềm Android Studio ........................................................... 62
4.2.5 Chương trình trên Android ............................................................................ 68
4.3 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC VỚI HỆ THỐNG .............................. 79
Chương 5: KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ....................................................... 81
5.1 SẢN PHẨM SAU KHI HOÀN THÀNH ............................................................ 81
5.1.1 Sản phẩm ....................................................................................................... 81
5.1.2 Kiến thức có được trong quá trình thiết kế sản phẩm ................................... 81
5.2 KẾT QUẢ CHẠY HỆ THỐNG .......................................................................... 82
Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................. 86
6.1 KẾT LUẬN.......................................................................................................... 86
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...................................................................................... 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................. 87
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 88

do an

vii


LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình

Trang

Hình 2.1: Các ứng dụng của vi điều khiển ARM.......................................................... 6
Hình 2.2: Sơ đồ khối ARM Cortex M3 ......................................................................... 7
Hình 2.3: Kiến trúc ARM STM32F103 ........................................................................ 9
Hình 2.4: Vùng nhớ Flash trên STM32 ........................................................................ 10
Hình 2.5: Sơ đồ chân của STM32F103C8T6................................................................ 11
Hình 2.6: Các bước để sử dụng ngắt ............................................................................. 13
Hình 2.7: Chế độ đếm lên với giá trị nạp lại là 0x36 .................................................... 15
Hình 2.8: Một số led thu hồng ngoại trên thị trường .................................................... 16
Hình 2.9: Hình ảnh T1838 ............................................................................................ 16
Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý TL1838 ............................................................................ 17
Hình 2.11: Sơ đồ góc..................................................................................................... 18
Hình 2.12: Sơ đồ chân của ESP8266-12E .................................................................... 18
Hình 2.13: Các chế độ của ESP8266 ............................................................................ 21
Hình 2.14: Các kích thước SD card .............................................................................. 21
Hình 2.15: Sơ đồ chân AMS1117 ................................................................................. 21
Hình 2.16: Đường truyền UART .................................................................................. 23
Hình 2.17: Truyền USART ........................................................................................... 25
Hình 2.18: Kết nối SPI giữa hai thiết bị ........................................................................ 26
Hình 2.19: Kết nối SPI giữa nhiều thiết bị .................................................................... 27
Hình 2.20: Các chế độ làm việc của SPI ....................................................................... 27

Hình 2.21: Truyền dữ liệu theo chuẩn SPI .................................................................... 28
Hình 2.22: Giao tiếp SPI ............................................................................................... 29
Hình 2.23: Giao tiếp giữa SD card và SPI .................................................................... 29
Hình 2.24: Điều khiển từ xa .......................................................................................... 31
Hình 2.25: Dạng sóng tín hiệu từ điều khiển sony........................................................ 32
Hình 2.26: So sánh mơ hình TCP/IP và OSI................................................................. 33
Hình 2.27: Các tầng trong bộ giao thức TCP/IP ........................................................... 34
Hình 2.28: Cấu trúc dữ liệu trong TCP/IP .................................................................... 34
Hình 2.29: Q trình đóng mở gói dữ liệu trong TCP/IP ............................................. 35
Hình 2.30: Định dạng gói giao thức IPv4 ..................................................................... 36

do an

viii


Hình 2.31: Cấu trúc tổng quát của Android .................................................................. 40
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống ...................................................................................... 43
Hình 3.2: Sơ đồ thiết kế khối thu phát hồng ngoại ....................................................... 45
Hình 3.3: Sơ đồ kết nối khối WiFi ................................................................................ 45
Hình 3.4: Sơ đồ thiết kế khối SD card .......................................................................... 46
Hình 3.5: Sơ đồ thiết kế khối xử lý ............................................................................... 47
Hình 3.6: Sơ đồ thiết kế khối nguồn ............................................................................. 48
Hình 4.1: Sơ đồ bố trí lớp trên ...................................................................................... 51
Hình 4.2: Sơ đồ bố trí lớp dưới ..................................................................................... 51
Hình 4.3: Lưu đồ chương trình trên vi điều khiển ........................................................ 53
Hình 4.4: Chọn đường dẫn ............................................................................................ 54
Hình 4.5: Tiến trình cài đặt ........................................................................................... 55
Hình 4.6: Cài đặt các dịng chip .................................................................................... 55
Hình 4.7: Chọn dịng Arm sử dụng ............................................................................... 56

Hình 4.8: Thêm thư viện vào project ............................................................................ 57
Hình 4.9: Thêm file.h vào ............................................................................................. 57
Hình 4.10: Chọn mạch nạp............................................................................................ 58
Hình 4.11: Chỉnh Port ................................................................................................... 58
Hình 4.12: Chỉnh các thiết lập cho mạch ...................................................................... 59
Hình 4.13: Biên dịch và nạp code ................................................................................. 59
Hình 4.14: Lưu đồ chương trình trên Android .............................................................. 61
Hình 4.15: Tải Java ....................................................................................................... 63
Hình 4.16: Cài đặt Android Studio ............................................................................... 63
Hình 4.17: Tạo project mới trong Android ................................................................... 64
Hình 4.18: Tạo project mới trong Android ................................................................... 65
Hình 4.19: Chọn phiên bản Android muốn lập trình .................................................... 65
Hình 4.20: Chọn màn hình ............................................................................................ 66
Hình 4.21: Đặt tên cho màn hình .................................................................................. 66
Hình 4.22: Chọn thiết bị đổ chương trình xuống .......................................................... 67
Hình 4.23: Giao diện của project Android mới............................................................. 67
Hình 4.24: Truyền tin của TCP Client .......................................................................... 70
Hình 4.25: SQLite Database ......................................................................................... 73
Hình 4.26: Minh họa cho một ListView ....................................................................... 78

do an

ix


Hình 5.1: Mơ hình sản phẩm ......................................................................................... 81
Hình 5.2: Biểu tượng ứng dụng..................................................................................... 82
Hình 5.3: Giao diện trước khi đăng nhập ...................................................................... 82
Hình 5.4: Giao diện sau khi đăng nhập ......................................................................... 82
Hình 5.5: Nút cho phép học trên giao diện ................................................................... 83

Hình 5.6: Học tín hiệu từ điều khiển ............................................................................. 83
Hình 5.7: Giao diện khi có dữ liệu học được ................................................................ 83
Hình 5.8: Dữ liệu về tín hiệu trong thẻ nhớ .................................................................. 84
Hình 5.9: Giao diện điều khiển máy lạnh ..................................................................... 84
Hình 5.10: Giao diện thêm tín hiệu nút nhấn ................................................................ 84
Hình 5.11: Giao diện bên camera .................................................................................. 85
Hình 5.12: Giao diện điều khiển ................................................................................... 85
Hình 5.13: Chọn camera kết nối ................................................................................... 85
Hình 5.14: Giao diện đăng nhập camera ....................................................................... 85

do an

x


LIỆT KÊ BẢNG
Bảng

Trang

Bảng 2.1: Dòng tiêu thụ tối đa của STM32F103C8T6 ................................................. 12
Bảng 2.2: Bảng phân chia số cấp ưu tiên giữa 2 nhóm ................................................. 13
Bảng 2.3: Thơng số TL1838 ......................................................................................... 17
Bảng 2.4: Tập lệnh AT .................................................................................................. 19
Bảng 2.5: Chức năng các chân ESP8266-12E .............................................................. 20
Bảng 2.6: Các thông số làm việc AMS1117 ................................................................. 22
Bảng 2.7: Khung dữ liệu SD Card ................................................................................ 30
Bảng 4.1: Liệt kê linh kiện ............................................................................................ 50

do an

xi


TÓM TẮT
Điều khiển từ xa (remote controller) là thành phần của một thiết bị điện từ, thường
là tivi, đầu đĩa, máy hát, máy điều hòa, quạt, … và được sử dụng để điều khiển chúng
từ một khoảng cách ngắn không qua dây dẫn. Những năm gần đây điều khiển từ xa đã
liên tục được cải tiến, nâng cấp và phát triển. Bên cạnh đó cũng cịn nhiều hạn chế về
số lượng thiết bị phải tương ứng với số lượng điều khiển và khoảng cách điều khiển.
Với ý tưởng giải quyết những bất cập của điều khiển từ xa, nhóm chúng em xin
đưa ra đề tài: Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển thiết bị từ xa thông minh. Hệ
thống sử dụng vi điều khiển Arm STM32F103C8T6 làm khối xử lý trung tâm, thiết bị
có khả năng học được các tín hiệu hồng ngoại, nhận lệnh từ điện thoại thơng minh phát
ra tín hiệu vừa học được điều khiển các thiết bị hồng ngoại và giám sát thông qua camera
IP.
Với đề tài này, nhóm hi vọng sẽ làm cơ sở nghiên cứu cho các nhóm sau có thể mở
rộng, phát triển nữa. Nếu được điều chỉnh tốt, ý tưởng này kết hợp với ngôi nhà thông
minh sẽ trở thành một hệ thống lớn đáp ứng nhu cầu điều khiển, quản lí tất cả các thiết
bị trong nhà một cách thơng minh, nâng cao đời sống tiện ích cho con người.

do an

xii


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học kỹ thuật, công
nghệ kỹ thuật điện tử mà trong đó đặc biệt là kỹ thuật điều khiển tự động đóng vai trị
quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lí, cơng nghiệp, cung cấp thơng
tin và nhiều lĩnh vực khác. Do đó, là một sinh viên chuyên ngành Công Nghệ Kỹ Thuật
Điện Tử - Truyền Thông chúng ta phải biết nắm bắt xu hướng và vận dụng những kiến
thức đã được học để phát triển nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển
nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điện tử, truyền
thơng nói riêng. Bên cạnh đó cịn là sự thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế nước nhà.
Như chúng ta 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 sự thiết lập, cài đặt của nhà sản xuất và người sử dụng.
Chúng chưa có một sự liên kết nào với nhau về mặt dữ liệu. Để đáp điều này các đồ án
trước đây đã thiết kế một ngơi nhà thơng minh hay cịn gọi là ngơi nhà số là một giải
pháp điều khiển tích hợp cho các căn hộ, tích hợp các thiết bị điện tử, nghe nhìn, truyền
thơng thành một hệ hồn chỉnh và thống nhất, có thể tự vận hành tất cả các hệ thống một
cách tự động theo chương trình đã cài đặt hoặc theo điều khiển từ xa của người dùng.
Các hệ thống như chiếu sáng, máy lạnh, an ninh bảo vệ, âm thanh nghe nhìn, chng
hình, cửa tự động hay cả rèm cửa sẽ được phối hợp vận hành thành một hệ thống đồng
nhất. Mỗi chức năng của ngôi nhà thông minh đều có khả năng tự vận hành hoặc dưới
sự điều khiển của người dùng thông qua điện thoại di động sử dụng mạng 3G hay
Internet và cung cấp nhiều chế độ sử dụng. Người dùng có thể truy cập từ xa vào hệ
thống quản lý tại nhà để xem cửa ngõ qua video, tắt hệ thống đèn nếu lỡ quên khi ra
khỏi nhà, tắt bớt các hệ thống đèn không cần thiết trong các khu vực trong nhà để tiết
kiệm điện năng.
Tuy nhiên, hệ thống ngôi nhà thông minh này khơng có khả năng điều khiển các
chức năng của những thiết bị sử dụng sóng hồng ngoại làm tín hiệu điều khiển (tivi, máy
lạnh, quạt,…), các thiết bị này có những chuẩn hồng ngoại khác nhau do các hãng sản
xuất thiết bị quy định (Sony, Samsung, Sharp, LG,…) điều này giúp tránh xung đột với
các thiết bị điều khiển bằng sóng hồng ngoại khác nhưng cũng gây khó khăn trong việc
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

do an

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
điều khiển, vì mỗi khi muốn điều khiển thiết bị phải sử dụng điều khiển từ xa của đúng
thiết bị đó, điều đó gây bất tiện khi trong nhà có nhiều thiết bị.
Chính vì những bất cập trên cùng với xu hướng cơng nghệ, nhóm chúng em chọn
đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển thiết bị từ xa thông minh” để áp
ứng nhu cầu điều khiển các thiết bị hồng ngoại được thuận tiện hơn, đồng thời kết hợp
với camera IP để giám sát từ xa.

1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Đồ án được nhóm nghiên cứu, khảo sát và thực hiện với mục đích áp dụng các kiến
thức đã học đã được học ở trường và những nhu cầu điều khiển thiết bị hồng ngoại trở
nên tiện lợi hơn. Vì vậy nhóm chúng em thiết kế “Thiết kế và thi công hệ thống điều
khiển thiết bị từ xa thông minh” với mong muốn đem những kỹ thuật và công nghệ
mới để làm đơn giản hóa việc điều khiển, khơng cần phải cầm những chiếc điều khiển
từ xa của từng thiết bị nữa. Thiết bị tích hợp module WiFi ESP 8266-12, sử dụng vi điều
khiển Arm STM32F103C8T6 được lập trình để nhận và phát tín hiệu hồng ngoạicũng
như là lưu trữ dữ liệu, thiết bị được điều khiển thơng qua một chương trình trên điện
thoại thông minh sử dụng hệ điều hành Android.

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
 Nội dung 1: Giao tiếp module ESP-12 8266 với vi điều khiển Arm.
 Nội dung 2: Giải mã hồng ngoại nhận từ điều khiển từ xa hồng ngoại.
 Nội dung 3: Xuất tín hiệu hồng ngoại điều khiển một thiết bị.
 Nội dung 4: Thiết kế và lập trình ứng dụng trên Android.

 Nội dung 5: Thiết kế và thi công mạch thu phát hồng ngoại.
 Nội dung 6: Thiết kế mơ hình sản phẩm.
 Nội dung 7: Đánh giá kết quả thực hiện.

1.4 GIỚI HẠN
Sản phẩm dùng trong nhà, chỉ có thể học được các lệnh từ điều khiển từ xa hồng
ngoại và khoảng cách điều khiển thiết bị có giới hạn.

1.5 BỐ CỤC ĐỒ ÁN
-

Chương 1: Tổng Quan.

-

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

do an

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
-

Chương 3: Tính Tốn Và Thiết Kế Hệ Thống.

-

Chương 4: Thi Công Hệ Thống.

-

Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét, Đánh Giá.

-

Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển.
Chương 1: Tổng Quan.
Chương này trình bày vấn đề dẫn nhập, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên

cứu, các giới hạn và bố cục đồ án.
Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.
Giới thiệu các linh kiện, thiết bị sử dụng thiết kế hệ thống, các chuẩn truyền, giao
thức.
Chương 3: Tính Tốn Và Thiết Kế Hệ Thống.
Tính tốn thiết kế, đưa ra sơ đồ nguyên lí của hệ thống.
Chương 4: Thiết Kế Hệ Thống.
Thiết kế hệ thống, lưu đồ, đưa ra giải thuật và chương trình.
Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét, Đánh Giá.
Đưa ra kết quả đạt được sau một thời gian nghiên cứu, một số hình ảnh của hệ
thống, đưa ra những nhận xét, đánh giá toàn bộ hệ thống.
Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển.
Trình bày những kết luận về hệ thống những phần làm rồi và chưa làm, đồng thời
nếu ra hướng phát triển cho hệ thống.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

do an

3


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG WIFI
WiFi viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11 là hệ thống mạng không dây
sử dụng sóng vơ tuyến, giống như điện thoại di động, truyền hình và radio.Hệ thống này
đã hoạt động ở một số sân bay, quán cafe, thư viện hoặc khách sạn. Hệ thống cho phép
truy cập Internet tại những khu vực có sóng của hệ thống này, hồn tồn khơng cần đến
cáp nối. Ngồi các điểm kết nối cơng cộng (hotspots), WiFi có thể được thiết lập ngay
tại nhà riêng.
Tên gọi 802.11 bắt nguồn từ viện IEEE (Institute of Electrical and Electronics
Engineers). Viện này tạo ra nhiều chuẩn cho nhiều giao thức kỹ thuật khác nhau, và nó
sử dụng một hệ thống số nhằm phân loại chúng; 3 chuẩn thông dụng của WiFi hiện nay
là 802.11a/b/g.
Sóng WiFi: Các sóng vơ tuyến sử dụng cho WiFi gần giống với các sóng vơ tuyến
sử dụng cho thiết bị cầm tay, điện thoại di động và các thiết bị khác. Nó có thể chuyển
và nhận sóng vơ tuyến, chuyển đổi các mã nhị phân 1 và 0 sang sóng vơ tuyến và ngược
lại.
Tuy nhiên, sóng WiFi có một số khác biệt so với các sóng vơ tuyến khác ở chỗ:
Chúng truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.5 GHz hoặc 5GHz. Tần số này cao hơn so với
các tần số sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay và truyền hình. Tần số
cao hơn cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn.
Chuẩn 802.11b là phiên bản đầu tiên trên thị trường. Đây là chuẩn chậm nhất và
rẻ tiền nhất, và nó trở thành ít phổ biến hơn so với các chuẩn khác. 802.11b phát tín hiệu
ở tần số 2.4 GHz, nó có thể xử lý đến 11 megabit/giây, và nó sử dụng mã CCK

(complimentary code keying).
Chuẩn 802.11g cũng phát ở tần số 2.4 GHz, nhưng nhanh hơn so với chuẩn
802.11b, tốc độ xử lý đạt 54 megabit/giây. Chuẩn 802.11g nhanh hơn vì nó sử dụng mã
OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing), một cơng nghệ mã hóa hiệu quả
hơn.
Chuẩn 802.11a phát ở tần số 5 GHz và có thể đạt đến 54 megabit/ giây. Nó cũng
sử dụng mã OFDM. Những chuẩn mới hơn sau này như 802.11n còn nhanh hơn chuẩn
802.11a, nhưng 802.11n vẫn chưa phải là chuẩn cuối cùng.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

do an

4


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
WiFi có thể hoạt động trên cả ba tần số và có thể nhảy qua lại giữa các tần số khác
nhau một cách nhanh chóng. Việc nhảy qua lại giữa các tần số giúp giảm thiểu sự nhiễu
sóng và cho phép nhiều thiết bị kết nối khơng dây cùng một lúc.
Adapter: Các máy tính nằm trong vùng phủ sóng WiFi cần có các bộ thu khơng
dây, adapter, để có thể kết nối vào mạng. Các bộ này có thể được tích hợp vào các máy
tính xách tay hay để bàn hiện đại. Hoặc được thiết kế ở dạng để cắm vào khe PC card
hoặc cổng USB, hay khe PCI.
Khi đã được cài đặt adapter không dây và phần mềm điều khiển (driver), máy tính
có thể tự động nhận diện và hiển thị các mạng không dây đang tồn tại trong khu vực.
Nguồn phát sóng WiFi là máy tính với:
- Một cổng để nối cáp hoặc modem ADSL.
- Một router (bộ định tuyến).
- Một hub Ethernet.
- Một firewall.

- Một access point không dây.
Hầu hết các router có độ phủ sóng trong khoảng bán kính 30,5 m về mọi hướng.
Có các thiết bị gia tăng hoặc lặp lại độ phủ sóng để làm tăng diện tích phủ sóng của
router. Nhiều router có có thể sử dụng hơn một chuẩn 802.11. Hầu hết các router đều có
một giao diện sử dụng dạng web cho phép thay đổi cấu hình như: tên của hệ thống mạng,
kênh router sử dụng (hầu hết các router mặc định sử dụng kênh 6, tuy nhiên có thể
chuyển kênh để tránh nhiễu với nguồn phát sóng lân cận nằm cùng kênh), các chế độ
bảo mật router (tên truy cập và mật khẩu cho mạng).

2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
2.2.1 Tổng quan về ARM
a. Giới thiệu về vi xử lý ARM
Cấu trúc ARM (viết tắt từ tên gốc là Acorn RISC Machine) là một loại cấu trúc
vi xử lý 32 bit kiểu RISC (thuộc kiến trúc Harvard, có tập lệnh rút gọn) được sử dụng
rộng rãi trong các thiết kế nhúng. Do đó có đặc điểm tiết kiệm năng lượng, các bộ CPU
ARM chiếm ưu thế trong các sản phẩm điện tử di động, mà với các sản phẩm này việc
tiêu tán công suất thấp là một mục tiêu thiết kế quan trọng hàng đầu.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

do an

5


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Ngày nay ARM được ứng dụng và rộng rãi trên mọi lĩnh vực của đời sống: Robot,
máy tính, điện thoại, xe hơi, máy giặt…

Hình 2.1 Các ứng dụng của vi điều khiển ARM

b. Giới thiệu về ARM Cortex M3
ARM Cortex M3 được thiết kế đặc biệt để nâng cao hiệu suất hệ thống kết hợp
với tiêu thụ năng lượng thấp. ARM Cortex M3 được thiết kế dựa trên nền kiến trúc mới
do đó chi phí sản xuất đủ thấp để cạnh tranh với các dòng vi điều khiển 8 và 16 bit truyền
thống. ARM Cortex M3 có những đặc điểm sau:
-

ARM Cortex M3 được xây dựng dựa trên kiến trúc ARMv7-M 32 bit.

-

Kiến trúc Harvard tách biệt Bus dữ liệu và lệnh.

-

Đơn vị bảo vệ bộ nhớ (MPU - Memory Protection Unit): hỗ trợ bảo vệ bộ nhớ
thông qua việc phân quyền thực thi và truy xuất.

-

Bộ vi xử lý Cortex-M3 hỗ trợ kiến trúc tập lệnh Thumb-2.

-

Hỗ trợ kỹ thuật Bit Band giúp cho phép truy xuất dữ liệu theo bit đồng thời giảm
thời gian truy xuất.

-

Cho phép truy cập dữ liệu không xếp hàng (unaligned data accesses) đặc điểm

này cho phép sử dụng hiệu quả SRAM nội.

-

SysTick timer 24 bit hỗ trợ cho việc chạy hệ điều hành thời gian thực.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

do an

6


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
-

Hỗ trợ lập trình và gỡ rối qua cổng JTAG truyền thống cũng như chuẩn 2 dây
nhỏ gọn SWD (Serial Wire Debug).

-

Khối quản lý vector ngắt lồng nhau (NVIC – Nested Vectored Interrupt
Controller) cho phép rút ngắn thời gian đáp ứng yêu cầu ngắt.

Hình 2.2 Sơ đồ khối ARM Cortex M3
c. ARM STM32F1X
 Giới thiệu dòng ARM STM32F1:
Dòng ARM STM32F1 được chia ra làm 5 nhóm nhỏ, mỗi nhóm sẽ có số dung
lượng bộ nhớ Flash, SRAM và số lượng ngoại vi khác nhau.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

do an

7


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
-

Low density: Gồm các vi điều khiển STM32F101xx, STM32F102xx và
STM32F103xx có bộ nhớ Flash từ 16 đến 32 Kbytes.

-

Medium density: Gồm các vi điều khiển STM32F101xx, STM32F102xx và
STM32F103xx có bộ nhớ Flash từ 64 đến 128 Kbytes.

-

High density: Gồm các vi điều khiển STM32F101xx và STM32F103xx có bộ
nhớ Flash từ 256 đến 512 Kbytes.

-

XL density: Gồm các vi điều khiển STM32F101xx và STM32F103xx có bộ nhớ
Flash từ 768 đến 1 Mbytes.

-

Connectivity line: Gồm các vi điều khiển STM32F105xx và STM32F107xx.

 Kiến trúc của ARM STM32F1:
-

Icode bus: Kết nối lõi Cortex-M3 với bộ nhớ Flash để truyền mã lệnh.

-

Dcode bus: Kết nối lõi Cortex-M3 với bộ nhớ Flash để truyền dữ liệu.

-

System bus: Kết nối lõi Cortex-M3 với BusMatrix và BusMatrix sẽ phân quyền
sử dụng bus giữa lõi ARM và khối DMA.

-

DMA bus: Kết nối DMA với BusMatrix Và BusMatrix sẽ quản lý việc truy xuất
dữ liệu của CPU, DMA tới SRAM, Flash và các ngoại vi.

-

BusMatrix: Phân quyền sử dụng bus giữa lõi ARM và khối DMA. Việc phân
quyền này dựa trên thuật toán Robin (Các khối sẽ thay phiên nhau truy cập bus
trong 1 đơn vị thời gian định sẵn).

-

Các cầu AHB/APB: 2 cầu AHB/APB giúp đồng bộ kết nối giữa AHB với 2 bus
APB. APB1 có tốc độ tối đa là 36 MHz và APB2 đạt tốc độ tối đa 72 MHz.

Sau mỗi lần CPU bị reset thì tất cả các nguồn xung clock cấp cho ngoại vi đều bị

tắt hết chỉ trừ clock cấp cho SRAM và FLITF vì vậy trước khi sử dụng ngoại vi thì cần
cấu hình cấp xung clock cho chúng thơng qua 3 thanh ghi RCC_AHBENR,
RCC_APB1ENR, RCC_APB2ENR.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

do an

8


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.3 Kiến trúc ARM STM32F103
 Cấu trúc bộ nhớ:
Vùng nhớ dành cho flash được chia nhỏ thành 3 vùng. Vùng thứ nhất gọi là User
Flash bắt đầu từ địa chỉ 0x00000000. Kế tiếp là System Memory hay còn gọi là vùng
nhớ lớn. Vùng này có độ lớn 4Kbytes thơng thường sẽ được nhà sản xuất cài đặt
bootloader. Cuối cùng là vùng nhớ nhỏ bắt đầu từ địa chỉ 0x1FFFFF80 chứa thơng tin
cấu hình dành cho STM32. Bootloader thường được dùng để tải chương trình thơng qua
USART1 và chứa ở vùng User Flash.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

do an

9

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.4 Vùng nhớ Flash trên STM32
 Các chế độ tiết kiệm năng lượng:
Mặc định sau khi power reset thì vi điều khiển hoạt động ở chế độ Run. Bên cạnh
chế độ Run hãng ST cũng đã thiết kế một vài chế độ tiết kiệm năng lượng nhằm giảm
công suất tiêu thụ của CPU khi CPU khơng cần phải hoạt động, ví dụ như khi CPU đang
chờ sự kiện tác động từ bên ngoài. Các chế độ tiết kiệm năng lượng này có thể được lập
trình bằng phần mềm.
Dịng ARM STM32F1 có 3 chế độ tiết kiệm năng lượng sau:
-

Chế độ Sleep: Tắt nguồn xung clock của CPU, nhưng tất cả các ngoại vi kể cả
các ngoại vi của lõi Cortex-M3 như là NVIC, SysTick, … vẫn hoạt động.

-

Chế độ Stop: Tắt hết tất cả nguồn xung clock.

-

Chế độ Standby: Tắt nguồn 1.8V, làm chậm lại SYSCLK, chặn nguồn xung
clock cấp cho các ngoại vi thuộc APB và AHB khi không dùng đến.

 Vi điều khiển STM32F103C8T6:

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

do an

10


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Vi điều khiển STM32F103C8T6 là họ vi điều khiển 32 bit của hãng
STMicroelectronics với 64-128 Kb bộ nhớ Flash, USB 2.0 full-speed, CAN, 7 bộ Timer,
2 bộ ADC và 9 giao diện kết nối.

Hình 2.5 Sơ đồ chân của STM32F103C8T6
Một vài thông số chung:
-

Lõi: ARM 32 bit Cortex-M3

-

Tần số hoạt động lên tới 72 Mhz

-

Bộ nhớ: 64-128 Kb Flash, 20 Kb SRAM

-

ADC: 2×12 bit, tần số lấy mẫu 1Mhz

-

DAC: không

-

DMA: Điều khiển 7 kênh DMA

-

Timer: 7 bộ, 16 bit

-

Giao diện kết nối: 2xI2C, 3xUSART, 2xSPI, CAN, USB 2.0 full-speed.

-

Kiểu chân: VFQFPN36, UFQFPN48, BGA100, LQFP48, LQFP64, LQFP100.

-

Điện áp cung cấp cho vi điều khiển: 2 – 3.6V

-

Dòng tiêu thụ của vi điều khiển thể hiện ở Bảng 2.1:

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

do an

11

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Bảng 2.1 Dòng tiêu thụ tối đa của STM32F103C8T6

d. Một số ngoại vi chính sử dụng trong đề tài
 Interrupts and events (Ngắt và sự kiện):
- Bộ điều khiển vector ngắt lồng nhau (NVIC-Nested Vector Interrupt Controller):
Ngắt là việc vi điều khiển dừng tạm thời chương trình đang thực thi mà đi thực thi
một chương trình khác có u cầu cấp thiết hơn. Sauk hi thực thi xong CPU sẽ quay trở
về thực hiện lại chương trình cũ.
NVIC là một khối nằm trong lõi Cortex có nhiệm vụ quản lý các nguồn ngắt, do
có rất nhiều nguồn có khả năng yêu cầu CPU ngắt nên chúng cần có một “người quản
lý” chung để sắp xếp, điều khiển mọi hoạt động ngắt được diễn ra đúng theo ý muốn
tránh trường hợp chồng chéo, xung đột giữa các yêu cầu.
NVIC được thiết kế để điều khiển các nguồn ngắt lồng nhau và trên STM32 NVIC
có: 16 cấp độ ưu tiên ngắt, 68 kênh ngắt có thể che được (maskable- có thể cho phép
hoặc cấm được) chưa kể đến 16 đường ngắt của lõi Cortex M3.
- Cơ chế ưu tiên ngắt:

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

do an

12