Thiết kế và thi công mô hình điều khiển thiết bị điện

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------

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

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN

GVHD: ThS. Nguyễn Đình Phú
SVTH: Nguyễn Tri Phương
Võ Duy Tâm

Tp. Hồ Chí Minh – 7/2019

14141238
14141276


BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG
ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN

GVHD: ThS. Nguyễn Đình Phú
SVTH: Nguyễn Tri Phương

14141238

Võ Duy Tâm

14141276

Tp. Hồ Chí Minh – 7/2019


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

----o0o---Tp. HCM, ngày 28 tháng 6 năm 2019

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:

Nguyễn Tri Phương

MSSV: 14141238

Võ Duy Tâm

MSSV: 14141276

Chuyên ngành:

Công nghệ kỹ thuật điện tử truyền thông

Mã ngành: 141

Hệ đào tạo:

Đại học chính quy

Mã hệ: 1

Khóa:

2014

Lớp: 14141DT

I. TÊN ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN
THIẾT BỊ ĐIỆN
II. NHIỆM VỤ:
1. Các số liệu ban đầu
- Nguyễn Đình Phú, Giáo trình Vi điều khiển, Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.
Hồ Chí Minh.
- Trần Thu Hà – Trương Thị Bích Ngà – Nguyễn Thị Lưỡng – Bùi Thị Tuyết Đan
– Phù Thị Ngọc Hiếu – Dương Thị Cẩm Tú, Giáo trình Điện tử cơ bản, Nhà
xuất bản ĐH Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh.
- Nguyễn Đình Phú – Nguyễn Trường Duy, Giáo trình Kỹ thuật số, Nhà xuất bản
ĐH Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh.
2. Nội dung thực hiện
- Điều khiển và giám sát thiết bị thông qua Internet.
- Thiết kế giao diện ứng dụng, Web Server.
- Thi công mạch và mô hình.
- Cân chỉnh hệ thống.
- Đánh giá kết quả thực hiện.

i


- Viết báo cáo.
- Báo cáo đề tài.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

18/02/2019

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

30/06/2019

V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

ThS. Nguyễn Đình Phú

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

ii


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

----o0o---Tp.HCM, ngày 28 tháng 6 năm 2019

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Nguyễn Tri Phương
Lớp: 14141DT1B

MSSV: 14141238

Họ tên sinh viên 2: Võ Duy Tâm
Lớp: 14141DT2C

MSSV: 14141276

Tên đề tài:

Thiết kế và thi công mô hình điều khiển thiết bị điện

Tuần/ngày

Nội dung

Tuần 1

Gặp GVHD để trao đổi về đề tài đồ án, tiến hành
chọn đề tài

(18/2 – 24/2)
Tuần 2
(25/2 – 3/3)
Tuần 3
(4/3 – 10/3)
Tuần 4
(11/3 – 17/3)
Tuần 5
(18/3 – 24/3)
Tuần 6
(25/3 – 31/3)
Tuần 7

(1/4 – 7/4)

Xác nhận
GVHD

Tìm hiểu các đề tài có liên quan
Báo cáo hướng thực hiện đề tài với GVHD
Viết đề cương chi tiết, lịch trình thực hiện
Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý
Lựa chọn linh kiện
Tìm hiểu module Wifi ESP32
Báo cáo tiến độ cho GVHD
Lập trình cho ESP32 điều khiển Led đơn
Tìm hiểu hệ điều hành Android, Web Server

iii


Tuần 8
(8/4 – 14/4)
Tuần 9
(15/4 – 21/4)

Thiết kế ứng dụng, giao diện Web

Lập trình ESP32 điều khiển được thiết bị điện
Báo cáo tiến độ cho GVHD

Tuần 10, 11
(22/4 – 5/5)

Tuần 12
(6/5 – 12/5)
Tuần 13
(13/5 – 19/5)
Tuần 14
(20/5 – 26/5)
Tuần 15
(27/5 – 2/6)
Tuần 16, 17
(3/6 – 16/6)

Tổng hợp chương trình, giao tiếp giữa các
module điều khiển, truyền nhận dữ liệu qua
Internet
Tiến hành vẽ và thi công mạch phần cứng

Tiến hành vẽ và thi công mạch phần cứng
Thi công mô hình
Viết báo cáo
Hoàn thành mạch, mô hình
Kiểm tra hoạt động hệ thống
Viết báo cáo
Hoàn thiện báo cáo và mô hình

GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

iv

LỜI CAM ĐOAN
Chúng tôi xin cam kết khóa luận tốt nghiệp này là đề tài do chính chúng tôi
nghiên cứu và thực hiện. Chúng tôi chỉ dựa trên mà không sao chép từ bất kì tài liệu
hay công trình nào đã được thực hiện trước đó. Nếu có bất kỳ vi phạm nào, chúng tôi
xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Người thực hiện
Nguyễn Tri Phương
Võ Duy Tâm

v


LỜI CẢM ƠN
Chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Đình Phú.
Trong suốt quá trình thực hiện đề tài này, Thầy luôn là người đồng hành cùng chúng
em với sự chỉ dẫn tận tình, những lời góp ý nhận xét và những kinh nghiệm quý báu
được Thầy truyền đạt lại đã tạo điều kiện thuận lợi để chúng em hoàn thành tốt đề tài.
Chúng em xin cảm ơn đến các Thầy, Cô trong khoa Điện – Điện tử đã giảng
dạy cho chúng em những kiến thức nền tảng để chúng em có tiền đề thực thiện đề tài
này.
Cảm ơn cha mẹ đã tạo điều kiện tốt nhất, là động lực mạnh mẽ để con hoàn
thành khóa luận này.
Xin chân thành cảm ơn.
Người thực hiện
Nguyễn Tri Phương
Võ Duy Tâm

vi

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ........................................................................... i
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................................... iii
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................v
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... vi
MỤC LỤC ................................................................................................................ vii
LIỆT KÊ HÌNH ........................................................................................................ xii
LIỆT KÊ BẢNG .......................................................................................................xv
TÓM TẮT ............................................................................................................... xvi
Chương 1. TỔNG QUAN ...........................................................................................1
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ ...............................................................................................1
1.2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI ......................................................................................1
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. SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐIỆN DÂN DỤNG ...................................................4
2.2. TỔNG QUAN VỀ INTERNET OF THINGS ...............................................4
2.2.1.

Giới thiệu .............................................................................................4

2.2.2.

Lịch sử hình thành ...............................................................................6

2.2.3.

Ứng dụng của IoT ................................................................................6

2.3. CÔNG NGHỆ WIFI ....................................................................................10
2.3.1.

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

2.3.2.

Công nghệ truyền nhận dữ liệu .........................................................10

2.3.3.

Thành phần của mạng Wifi ...............................................................11

2.3.4.

Cấu trúc liên kết ................................................................................11

2.3.5.

Hotspot ..............................................................................................12
vii


2.3.6.

Cách thức hoạt động ..........................................................................12

2.3.7.

Giao tiếp trong Wifi ..........................................................................13

2.3.8.

Ưu nhược điểm ..................................................................................14

2.3.9.

Bảo mật ..............................................................................................14

2.4. HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID .....................................................................14
2.4.1.

Giới thiệu ...........................................................................................14

2.4.2.

Lịch sử ...............................................................................................15

2.4.3.

Tính năng ...........................................................................................15

2.4.4.

Kiến trúc cơ bản ................................................................................16

2.4.5.

Thành phần của ứng dụng Android ...................................................17

2.4.6.

Ưu nhược điểm ..................................................................................18

2.5. GIAO THỨC MQTT ...................................................................................19
2.5.1.

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

2.5.2.

Lịch sử ...............................................................................................19

2.5.3.

Thành phần của MQTT .....................................................................20

2.5.4.

MQTT QoS ........................................................................................21

2.5.5.

Broker trong IoT ................................................................................21

2.5.6.

Ưu điểm .............................................................................................22

2.5.7.

Bảo mật ..............................................................................................22

2.6. GIỚI THIỆU NODE – RED........................................................................22
2.6.1.

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

2.6.2.

Node – RED và IoT ...........................................................................23

2.6.3.

Tính năng ...........................................................................................24

2.7. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG .......................................................................25
2.7.1.

Giới thiệu chip Wifi ESP32 ...............................................................25

2.7.1.1.

Tổng quan ESP32...........................................................................25

2.7.1.2.

Đặc điểm ........................................................................................27
viii

2.7.1.3.

Sơ đồ chân của module ESP32-WOOM-32 ..................................28

2.7.1.4.

Chức năng tích hợp trong ESP32 ...................................................31

2.7.1.4.1. CPU và kiến trúc bộ nhớ .............................................................31
2.7.1.4.2. Timers và Watchdogs..................................................................32
2.7.1.4.3. Hệ thống xung đồng hồ (Clock) ..................................................33
2.7.1.4.4. Wifi .............................................................................................33
2.7.1.4.5. Bluetooth .....................................................................................34
2.7.1.4.6. RTC và quản lý năng lượng thấp ................................................34
2.7.1.5.

Thiết bị ngoại vi và cảm biến của ESP32 ......................................34

2.7.1.6.

Đặc tính về điện .............................................................................36

2.7.1.7.

Sơ đồ nguyên lý module ESP32-WOOM-32 .................................37

2.7.2.

Giới thiệu cảm biến ...........................................................................38

2.7.2.1.

Giới thiệu .......................................................................................38

2.7.2.2.

Hoạt động .......................................................................................38

Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ .................................................................41
3.1. GIỚI THIỆU ................................................................................................41
3.2. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ......................................................................41
3.2.1.

Thiết kế sơ đồ khối hệ thống .............................................................41

3.2.2.

Tính toán và thiết kế ..........................................................................43

3.2.2.1.

Khối xử lý trung tâm ......................................................................43

3.2.2.2.

Khối ngõ ra công suất ....................................................................44

3.2.2.3.

Khối cảm biến ................................................................................47

3.2.2.4.

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

3.2.2.5.

Sơ đồ nguyên lý toàn mạch ............................................................51

Chương 4: THI CÔNG HỆ THỐNG ........................................................................52
4.1. GIỚI THIỆU ................................................................................................52
4.2. THI CÔNG HỆ THỐNG .............................................................................52
ix


4.2.1.

Thi công board mạch .........................................................................52

4.2.2.

Lắp ráp và kiểm tra ............................................................................56

4.3. ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ....................................................56
4.3.1.

Đóng gói bộ điều khiển .....................................................................56

4.3.2.

Thi công mô hình ..............................................................................57

4.4. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ...........................................................................57
4.4.1.

Lưu đồ giải thuật ...............................................................................57

4.4.1.1.

Lưu đồ giải thuật mạch điều khiển.................................................57

4.4.1.2.

Lưu đồ giải thuật Web Server ........................................................59

4.4.2.

Phần mềm lập trình vi điều khiển ......................................................61

4.4.2.1.

Giới thiệu .......................................................................................61

4.4.2.2.

Chương trình điều khiển ................................................................65

4.4.3.

Web Server ........................................................................................65

4.4.4.

Ứng dụng Android .............................................................................71

4.5. HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC ....................................................74
4.5.1.

Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng ........................................................74

4.5.2.

Quy trình thao tác ..............................................................................74

Chương 5: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ .............................................76
5.1. GIỚI THIỆU ................................................................................................76
5.2. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC ..............................................................................76
5.3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .......................................................................76
5.3.1.

Mô hình .............................................................................................76

5.3.2.

Điều khiển và giám sát thiết bị, cảm biến qua Web Server ..............77

5.3.3.

Điều khiển và giám sát thiết bị, cảm biến qua ứng dụng Android ....79

5.4. NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ .....................................................................80
5.4.1.

Nhận xét.............................................................................................80

5.4.2.

Đánh giá.............................................................................................80
x


Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..............................................82
6.1. KẾT LUẬN .................................................................................................82
6.1.1.

Ưu điểm .............................................................................................82

6.1.2.

Khuyết điểm ......................................................................................82

6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..............................................................................82
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................83
PHỤ LỤC ..................................................................................................................84

xi

LIỆT KÊ HÌNH
Hình 2.1. Internet of things .........................................................................................5
Hình 2.2. Ứng dụng của IoT .......................................................................................6
Hình 2.3. Smart Home .................................................................................................7
Hình 2.4. IoT trong giao thông vận tải .......................................................................7
Hình 2.5. IoT trong y tế ...............................................................................................8
Hình 2.6. IoT trong nông nghiệp .................................................................................9
Hình 2.7. Smart City....................................................................................................9
Hình 2.8. Biểu tượng Wifi .........................................................................................10
Hình 2.9. Cấu trúc liên kết ngang hàng ....................................................................11
Hình 2.10. Cấu trúc liên kết dựa trên AP .................................................................12
Hình 2.11. Cách thức hoạt động của mạng Wifi .......................................................13
Hình 2.12. Cách thức giao tiếp trong mạng Wifi ......................................................13
Hình 2.13. Biểu tượng Android .................................................................................15
Hình 2.14. Một số ứng dụng Android .......................................................................18
Hình 2.15. Giao thức MQTT .....................................................................................19
Hình 2.16. Hoạt động của client ...............................................................................20
Hình 2.17. Hoạt động của Topic ...............................................................................20
Hình 2.18. Thành phần của một MQTT trong hệ thống IoT .....................................21
Hình 2.19. Một Node - RED cơ bản ..........................................................................23
Hình 2.20. Node – RED và IoT .................................................................................24
Hình 2.21. Giao diện Node – RED ............................................................................24
Hình 2.22. Module ESP32-WOOM-32 .....................................................................26
Hình 2.23. Kiến trúc của ESP32 ...............................................................................26
Hình 2.24. Sơ đồ bố trí chân của module ESP32-WOOM-32 ..................................31
Hình 2.25. Cấu trúc và địa chỉ bộ nhớ của ESP32 ...................................................32
Hình 2.26. Sơ đồ nguyên lý module ESP32-WOOM-32 ...........................................37
Hình 2.27. Sơ đồ nguyên lý thiết bị ngoại vi module ESP32-WOOM-32 .................38
Hình 2.28. Sơ đồ chân DHT11 ..................................................................................38
Hình 2.29. Xung bắt đầu DHT11 ..............................................................................39

Hình 2.30. Gửi xung phản hồi của DHT11 ...............................................................39
Hình 2.31. Gửi dữ liệu chứa bit 0, bit 1 ....................................................................40
xii


Hình 2.32. Kết thúc đọc giá trị của DHT11 ..............................................................40
Hình 3.1. Sơ đồ mô hình hệ thống .............................................................................41
Hình 3.2. Sơ đồ khối hệ thống ...................................................................................42
Hình 3.3. Ảnh thực tế board ESP32-DevKitC ..........................................................43
Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý board điều khiển ESP32-DevKitC ..................................44
Hình 3.5. Relay 5V-10A ............................................................................................45
Hình 3.6. Diode 1N4007, Opto PC817 và transistor C1815 ....................................46
Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý khối công suất ngõ ra .....................................................47
Hình 3.8. Cảm biến DHT11 ......................................................................................48
Hình 3.9. Sơ đồ kết nối cảm biến DHT11 với ESP32 ...............................................48
Hình 3.10. Module nguồn AC-DC.............................................................................49
Hình 3.11. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn ..................................................................50
Hình 3.12. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch .....................................................................51
Hình 4.1. Sơ đồ bố trí linh kiện mạch điều khiển ......................................................53
Hình 4.2. Sơ đồ đi dây mạch in lớp trên ...................................................................53
Hình 4.3. Sơ đồ đi dây mạch in lớp dưới ..................................................................54
Hình 4.4. Sơ đồ 3D mạch điều khiển ........................................................................54
Hình 4.5. Mạch điều khiển sau khi lắp linh kiện.......................................................56
Hình 4.6. Ảnh hộp dựng mạch điều khiển .................................................................56
Hình 4.7. Mô hình mặt trong và mặt ngoài hệ thống ................................................57
Hình 4.8. Lưu đồ điều khiển thiết bị..........................................................................58
Hình 4.9. Lưu đồ Web Server ....................................................................................60
Hình 4.10. Biểu tượng VSCode .................................................................................61
Hình 4.11. Giao diện trang Web tải VSCode ............................................................62
Hình 4.12. Giao diện khởi động VSCode ..................................................................63

Hình 4.13. Cài đặt PlatformIO IDE ..........................................................................63
Hình 4.14. Tạo dự án lập trình cho board ESP32-DevKitC .....................................64
Hình 4.15. Giao diện lập trình ..................................................................................64
Hình 4.16. Đăng ký tài khoản Cloud MQTT .............................................................65
Hình 4.17. Tạo một dự án mới trong Cloud MQTT ..................................................66
Hình 4.18. Thông tin cần thiết cho dự án trong Cloud MQTT .................................66
Hình 4.19. Một số dự án sau khi tạo .........................................................................66
xiii


Hình 4.20. Thông tin chi tiết cho một dự án .............................................................67
Hình 4.21. Nơi giám sát và điều khiển dữ liệu..........................................................67
Hình 4.22. Khởi động Node – RED...........................................................................68
Hình 4.23. Màn hình giao diện thiết kế Web ............................................................69
Hình 4.24. Tạo kết nối với Server .............................................................................69
Hình 4.25. Cấu hình địa chỉ kết nối ..........................................................................69
Hình 4.26. Một nút điều khiển cơ bản .......................................................................70
Hình 4.27. Cấu hình cho một nút ..............................................................................70
Hình 4.28. Tiến hành deploy giao diện .....................................................................71
Hình 4.29. Giao diện nút điều khiển .........................................................................71
Hình 4.30. Ứng dụng MQTT Dashboard ..................................................................71
Hình 4.31. Bảng thuộc tính MQTT Dashboard ........................................................72
Hình 4.32. Tạo một Broker .......................................................................................73
Hình 4.33. Thiết kế và chỉnh sửa giao diện ứng dụng ..............................................73
Hình 4.34. Quy trình thao tác ...................................................................................74
Hình 5.1. Mô hình hệ thống khi được cấp nguồn 220VAC .......................................76
Hình 5.2. Các thiết bị khi chưa được bật trên màn hình điều khiển .........................77
Hình 5.3. Các thiết bị được bật trên màn hình điều khiển ........................................77
Hình 5.4. Nhiệt độ và độ ẩm bộ điều khiển hiển thị trên giao diện Web ..................78
Hình 5.5. Trạng thái thiết bị được giám sát trên Cloud MQTT ................................78

Hình 5.6. Giao diện ứng dụng Android khi các thiết bị tắt, bật và giá trị cảm biến 79
Hình 5.7. Mô hình khi bật các thiết bị ......................................................................79

xiv


LIỆT KÊ BẢNG
Bảng 2.1: Thống kê các thiết bị điện trong phòng học và công suất tiêu thụ.............4
Bảng 2.2: Các phiên bản module của ESP32 ...........................................................25
Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật cơ bản của module ESP32-WOOM-32 .......................27
Bảng 2.4: Định nghĩa các chân module ESP32-WOOM-32 .....................................28
Bảng 2.5: Các thông số đề nghị cho module ESP32-WOOM-32 .............................36
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật Relay ...........................................................................45
Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật module cảm biến DHT11 ............................................48
Bảng 3.3: Dòng điện của các linh kiện sử dụng trong mạch điều khiển ..................49
Bảng 4.1: Danh sách linh kiện sử dụng ....................................................................55
Bảng 4.2: Thông tin server MQTT ............................................................................67
Bảng 5.1: Số liệu thực nghiệm ..................................................................................80

xv


TÓM TẮT
Công nghệ đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại. IoT,
hiện đã và đang phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây, nó đơn giản là một hệ
thống bao gồm tất cả mọi thứ xung quanh chúng ta được kết nối với nhau thông qua
Internet. Xu hướng này làm cho mọi thứ trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết, khi mà sự
tương tác giữa con người và thiết bị được tối ưu hóa nhất có thể. Điều khiển, giám
sát thiết bị từ xa là một trong những ứng dụng phổ biến nhất của xu hướng này.
Với mục đích tiếp cận xu hướng trên và mong muốn nắm bắt những công nghệ

mới nên nhóm chúng tôi quyết định thực hiện đề tài “Thiết kế và thi công mô hình
điều khiển thiết bị điện”. Đề tài này sẽ là một hệ thống hoàn thiện bao gồm phần
cứng phần mềm, và có thể đáp ứng được cho các phòng học, phòng thí nghiệm, hộ
gia đình, …
Nội dung chính của đề tài
• Sử dụng board ESP32-DevKitC làm mạch điều khiển trung tâm.
• Điều khiển thiết bị trên ứng dụng Android và giao diện Web thông qua Internet.
• Giám sát trạng thái hoạt động của thiết bị qua Web Server.
• Lưu trữ trạng thái điều khiển của thiết bị.

xvi


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Xã hội ngày càng phát triển không ngừng, công nghệ ngày càng hiện đại để đáp
ứng nhu cầu càng cao của con người. Chính vì thế công nghệ bây giờ đang gần gũi
với cuộc sống hằng ngày hơn bao giờ hết, chúng ta đang ở trong thời đại mà sự bùng
phát kỹ thuật tiên tiến và các ứng dụng của nó rất mạnh mẽ. Dưới bóng của nó là các
công nghệ được tích hợp trong rất nhiều lĩnh vực như ôtô, tàu điện ngầm, các lĩnh
vực y tế, giáo dục và cả trong nhà ở, ...
Trong những năm trở lại đây, kỹ thuật truyền và nhận dữ liệu không dây có
những bước phát triển vượt bậc nhằm thay thế các hệ thống dây dẫn phức tạp còn
nhiều hạn chế, không đáp ứng được cho việc truyền dẫn đến những khu vực xa xôi.
Sự ra đời và phát triển của công nghệ này đã góp phần làm cho các hệ thống điều
khiển thông minh, giám sát từ xa trở nên dễ dàng hơn. Hiện nay, có nhiều công nghệ
truyền nhận dữ liệu không dây như RF, NFC, Bluetooth, Wifi, ... Trong đó Wifi là
một trong số công nghệ phổ biến, được sử dụng rộng rãi nhất.

Để có thể tiếp cận và nắm bắt được xu thế đó, nhóm chúng tôi quyết định thực
hiện đề tài “Thiết kế và thi công mô hình điều khiển thiết bị điện”.
Như ý nghĩa của tên đề tài, chúng tôi mong muốn có thể nắm bắt xu hướng công
nghệ điều khiển thông minh hiện nay và qua đó chúng tôi hi vọng đề tài này sẽ ứng
dụng được cho các phòng học, phòng thực hành, các cơ quan làm việc chưa có hệ
thống điều khiển thích hợp, nhằm mục đích sử dụng hiệu quả các thiết bị điện cũng
như mang lại sự tiện lợi, an toàn cho người dùng.

1.2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Đề tài được nhóm nghiên cứu và thực hiện dựa trên những kiến thức đã học và
tìm hiểu. Nhóm sẽ thiết kế và thi công hệ thống điều khiển các thiết bị điện trong
phòng học qua ứng dụng Android trên điện thoại, đồng thời điều khiển và giám sát
được trạng thái của thiết bị từ xa qua Web.
Cụ thể hệ thống được tích hợp module ESP32 điều khiển thông qua Wifi và tất
cả dữ liệu được lưu trữ trên một Web Server.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Qua khảo sát thực tế tại một số phòng học tại trường, nhóm sẽ thiết kế hệ thống
điều khiển cho một phòng học có 12 thiết bị bao gồm 4 đèn, 4 quạt, 3 loa và 1 tivi.

1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• Nội dung 1:
Tìm hiểu công nghệ Wifi. Các đặc điểm của công nghệ, cách thức giao tiếp và
chế độ hoạt động.
• Nội dung 2:
Tìm hiểu hệ điều hành Android.

• Nội dung 3:
Tìm hiểu cách gửi và nhận dữ liệu thông qua máy chủ Server MQTT.
• Nội dung 4:
Tìm hiểu module ESP32, thiết kế hệ thống giao tiếp.
• Nội dung 5:
Tính toán, thiết kế và thi công mạch phần cứng, phần mềm.
• Nội dung 6:
Thiết kế mô hình, lắp ráp các khối điều khiển.
• Nội dung 7:
Chạy thử, kiểm tra, cân chỉnh tối ưu hệ thống.
• Nội dung 8:
Đánh giá kết quả thực hiện.
• Nội dung 9:
Viết báo cáo luận văn tốt nghiệp.
• Nội dung 10:
Bảo vệ luận văn.

1.4. GIỚI HẠN
Mô hình giới hạn cho các thiết bị điện trong phòng học như: đèn, quạt, tivi, loa
hiển thị trạng thái hoạt động thông qua đèn báo trên mô hình.
Hệ thống điều khiển được 4 thiết bị điện 220VAC cho mỗi module.
Giao tiếp giữa ESP32, đồng bộ điều khiển thiết bị với ứng dụng Android và với
Web Server.
Giám sát được nhiệt độ và độ ẩm của bộ điều khiển.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.5. BỐ CỤC
• Chương 1: Tổng Quan
Trình bày tổng quan về lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các
giới hạn và bố cục đồ án.
• Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
Giới thiệu các lý thuyết liên quan, các linh kiện, thiết bị sử dụng và cách thức
giao tiếp với nhau.
• Chương 3: Thiết Kế Và Tính Toán
Thiết kế hệ thống, sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý chức năng từng khối và thực hiện
tính toán.
• Chương 4: Thi Công Hệ Thống
Thi công board mạch, thiết kế lưu đồ, giải thuật, chương trình. Thi công mô
hình hoàn chỉnh.
• Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét Và Đánh Giá
Trình bày những kết quả đạt được sau thời gian thực hiện, một số hình ảnh từ
hệ thống. Đồng thời đưa ra nhận xét, đánh giá cho toàn bộ hệ thống.
• Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển
Đưa ra những kết luận sau khi hoàn thiện sản phẩm, các hướng phát triển nâng
cấp hệ thống trong tương lai.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

3


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐIỆN DÂN DỤNG

Vấn đề sử dụng các thiết bị điện một cách hiệu quả và an toàn được đặt lên hàng
đầu đối với người sử dụng. Không chỉ ở những công trình, tòa nhà, hộ gia đình, mà
ngay cả văn phòng làm việc, phòng học thì việc tiết kiệm điện là hết sức cần thiết.
Dưới đây là bảng thống kê cho thấy các thiết bị điện chủ yếu được sử dụng trong một
phòng học và công suất của từng thiết bị.
Bảng 2.1: Thống kê các thiết bị điện trong phòng học và công suất tiêu thụ
STT

Tên thiết bị điện

Công suất tiêu thụ
P(W)

1

Đèn tuýp LED 1m2

36

2

TV LCD 32 inches

70

3

Điều hòa 2HP

1500

4

Loa

60

5

Quạt trần

75

Từ bảng trên, ta thấy mức độ tiêu thụ điện năng của từng thiết bị được sử dụng.
Nếu không sử dụng một cách phù hợp thì không chỉ gây lãng phí điện năng mà còn
làm giảm tuổi thọ của thiết bị. Với số lượng lớn phòng học ở các trường Đại học thì
mức độ thiệt hại này càng lớn. Do đó, chúng ta cần có một hệ thống điều khiển thông
minh và giám sát chặt chẽ các thiết bị điện nhằm góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng,
tiết kiệm điện năng. Và đề tài này sẽ giải quyết vấn đề đó.

2.2. TỔNG QUAN VỀ INTERNET OF THINGS
2.2.1. Giới thiệu
Ngày nay, nhu cầu phát triển các ứng dụng liên quan đến Internet ngày càng
cao. Và IoT (Internet of things) là một công nghệ quan trọng bởi chúng ta có thể tạo
ra nhiều ứng dụng đa dạng phục vụ đa số mọi lĩnh vực trong đời sống từ nó.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

4

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Về cơ bản, IoT là một hệ thống mạng lưới mà trong đó tất cả các thiết bị, đối
tượng được kết nối Internet thông qua thiết bị mạng (network devices) hoặc các bộ
định tuyến (routers). IoT cho phép các đối tượng được điều khiển từ xa dựa trên hệ
thống mạng hiện tại. Công nghệ tiên tiến này giúp giảm công sức vận hành của con
người bằng cách tự động hóa việc điều khiển các thiết bị.

Hình 2.1. Internet of things
Các thành phần chính trong một hệ thống IoT:
• Thiết bị
Mỗi thiết bị sẽ bao gồm một hoặc nhiều cảm biến để phát hiện các thông số của
ứng dụng và gửi chúng đến Platform.
• IoT – Platform
Nền tảng này là một phần mềm được lưu trữ trực tuyến còn được gọi là điện
toán đám mây, các thiết bị được kết nối với nhau thông qua nó.
Nền tảng này thu thập dữ liệu từ thiết bị, toàn bộ dữ liệu được phân tích, xử lý,
phát hiện nếu có lỗi phát sinh trong quá trình hệ thống vận hành.
• Kết nối Internet
Để giao tiếp được trong IoT, kết nối Internet của các thiết bị là một điều bắt
buộc. Wifi là một trong những phương thức kết nối Internet phổ biến.
• Ứng dụng
Ứng dụng là giao diện để người dùng điều khiển.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

5


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.2.2. Lịch sử hình thành
Khái niệm về một mạng lưới thiết bị được kết nối với nhau đã được thảo luận
vào đầu năm 1982, với một máy bán hàng tự động Coke được thực hiện ở Đại học
Carnegie Mellon trở thành thiết bị kết nối Internet đầu tiên trên thế giới.
Thuật ngữ “Internet of things” được sử dụng lần đầu tiên bởi Kevin Ashton vào
năm 1999. Sau đó IoT trải qua nhiều giai đoạn và có bước phát triển nhảy vọt cho
đến ngày nay.

2.2.3. Ứng dụng của IoT

Hình 2.2. Ứng dụng của IoT
• Nhà thông minh (Smart Home)
Đây là một trong những ứng dụng được quan tâm nhiều nhất trong những năm
gần đây. Một ngôi nhà thông minh hoàn toàn có thể được giám sát và điều khiển tự
động. Bạn có thể bật tắt đèn bằng một ứng dụng trên điện thoại, nếu lỡ quên tắt tivi
khi ra khỏi nhà bạn hoàn toàn có thể tắt nó ở một nơi có kết nối Internet, hoặc điều
hòa sẽ tự động điều chỉnh tăng hay giảm khi nhiệt độ bên ngoài thay đổi. Và còn vô
số ứng dụng khác nhằm mang lại sự tiện lợi nhất cho người dùng.
Hiện nay các chủ đầu tư xây dựng chung cư cũng đã tiếp cận với công nghệ này
do nhu cầu sở hữu căn hộ thông minh của người dùng ngày càng cao.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

6


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.3. Smart Home

• Giao thông vận tải
An toàn là điều đầu tiên khi nghĩ đến tác động của IoT đối với giao thông vận
tải. Ý tưởng đưa ra là các phương tiện có khả năng liên lạc với nhau bằng cách sử
dụng dữ liệu đã được phân tích để có thể giảm đáng kể các sự cố tai nạn xảy ra khi
tham gia giao thông. Sử dụng cảm biến, các phương tiện như ô tô, xe buýt được cảnh
báo nguy cơ tiềm ẩn trên đường, hoặc thậm chí là tình trạng ùn tắt giao thông ở một
số tuyến đường.
Dịch vụ vận chuyển hàng hóa cũng được ứng dụng từ công nghệ này. Công
nghệ quản lý lịch trình vận chuyển, tối ưu hóa các tuyến giao hàng, mức tiêu thụ
nhiên liệu của phương tiện, giám sát tốc độ của tài xế giao hàng tuân thủ quy định an
toàn nhằm mang lại những lợi ích về kinh tế và sự hài lòng của khách hàng.

Hình 2.4. IoT trong giao thông vận tải
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

7