Thiết kế và thi công hệ thống kiểm soát thiết bị tiêu thụ điện trong phòng

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 CƠNG MƠ HÌNH HỆ
THỐNG KIỂM SỐT THIẾT BỊ TIÊU
THỤ ĐIỆN TRONG PHỊNG
GVHD: GVC.ThS. Hồng Ngọc Văn
SVTH: Lê Tấn Học
MSSV: 16141161
SVTH: Võ Hữu Khiêm
MSSV: 16141183

Tp. Hồ Chí Minh - 08/2020


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 CƠNG MƠ HÌNH
HỆ THỐNG KIỂM SỐT THIẾT BỊ
TIÊU THỤ ĐIỆN TRONG PHỊNG
GVHD: GVC.ThS. Hồng Ngọc Văn
SVTH: Lê Tấn Học
MSSV: 16141161
SVTH: Võ Hữu Khiêm
MSSV: 16141183

Tp. Hồ Chí Minh - 08/2020


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
----o0o---Tp. HCM, ngày 25 tháng 07 năm 2020

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:

Lê Tấn Học
MSSV: 16141161
Võ Hữu Khiêm
MSSV: 16141183
Chuyên ngành:

CNKT Điện tử-Truyền thông
Mã ngành: 41
Hệ đào tạo:
Đại học chính quy
Mã hệ:
1
Khóa:
2016
Lớp:
16141DT1A
I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG KIỂM SỐT
THIẾT BỊ TIÊU THỤ ĐIỆN TRONG PHÒNG.
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:






Vi điều khiển PIC 18F4550, PIC 16F886
Mạch thu phát RF UART Lora E32-TTL-500
Module WiFi ESP8266 V1
Cảm biến dòng CT103U 5A/2.5mA
Sever và app Android

2. Nội dung thực hiện:
 Sử dụng vi điều khiển PIC 18F4550 làm khối điều khiển trung tâm, kết hợp với
các PIC 16F886 để thu thập và xử lí thơng tin tại các Sensor Nodes.
 Giao tiếp và truyền dữ liệu bằng Internet thông qua Module WiFi ESP8266 V1.

 Tạo ứng dụng giám sát trực quan trên điện thoại thông minh chạy trên hệ điều
hành Android thông qua lập trình Android Studio.
 Thi cơng mơ hình.
 Viết báo cáo.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
09/03/2020
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 25/07/2020
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
GVC.ThS. Hoàng Ngọc Văn
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

GVC.ThS. Hồng Ngọc Văn

BM. ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM
Khoa Điện - Điện Tử
Bộ Môn Điện Tử Cơng Nghiệp

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 02 năm 2020

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Bản lịch trình này được đóng vào cuốn báo cáo)
Họ tên sinh viên: Lê Tấn Học
MSSV: 16141161
Họ tên sinh viên: Võ Hữu Khiêm
MSSV: 16141183

Lớp: 16141DT1A
Tên đề tài: Thiết Kế Và Thi Cơng Mơ Hình Hệ Thống Kiểm Sốt Thiết Bị Tiêu Thụ Điện Trong
Phịng

Tuần/ngày
Tuần 1
(9/3 – 15/3)

Nội dung

Xác nhận GVHD

Gặp GVHD để nghe phổ biến yêu cầu làm đồ án,
tiến hành chọn đồ án.
- GVHD tiến hành xét duyệt đề tài.

Tuần 2
(16/3 – 22/3)
Tuần 3,4,5

- Viết tóm tắt yêu cầu đề tài đã chọn: đề tài làm cái
gì, nội dung thiết kế, các thơng số giới hạn của đề
tài

- Tìm hiểu các linh kiện sử dụng trong mạch.

(22/3 – 12/4)

- Thiết kế sơ đồ nguyên lí

Tuần 6,7,8,9

Lập trình vi điều khiển điều khiển và giao tiếp

(13/4 – 10/5)

với các module trong mạch

Tuần 10,11
(11/5 – 24/5)

Thiết kế App Android, truyền nhận dữ liệu từ
server với App và với Esp8266

Tuần 12,13

- Tiến hành thi công và kiểm tra mạch thi cơng.

(25/5 – 7/6)

- Xây dựng mơ hình, kiểm tra hoạt động của hệ

thống

Tuần 14,15,16

- Viết báo cáo hoàn chỉnh.

(7/6 – 28/6)

- Làm slide, báo cáo với GVHD

GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian học tập vừa qua, được sự chỉ dẫn, giúp đỡ tận tình của
quý thầy cô trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, nay
thơng qua đề tài KLTN này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:
Quý thầy cô trong Khoa Điện – Điện tử, đặc biệt là các thầy cô thuộc Bộ
môn Điện Tử Công Nghiệp – Y Sinh đã tận tình chỉ bảo chúng em trong suốt
quá trình học tập.
Q thầy cơ ở các khoa có liên quan đã cung cấp cho chúng em những kiến
thức cần thiết của một sinh viên, những kinh nghiệm và vốn sống hữu ích.
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều
kiện cho em học tập, nghiên cứu trong một môi trường chuyên nghiệp năng động
và sáng tạo suốt thời gian qua.
Đồng thời, nhóm cũng xin cám ơn các thành viên trong lớp 16141DT1A đã
có những ý kiến đóng góp, bổ sung, giúp nhóm hồn thành tốt đề tài.
Ngồi ra, nhóm cũng đã nhận được sự chỉ bảo của các anh (chị) đi trước.
Các anh (chị) cũng đã hướng dẫn và giới thiệu tài liệu tham khảo và các phương
pháp nghiên cứu bổ ích trong việc thực hiện nghiên cứu.
Đặc biệt, nhóm chúng em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy ThS.
HOÀNG NGỌC VĂN đã góp ý, hướng dẫn và chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu

giúp cho chúng em hoàn thành và thực hiện tốt đề tài KLTN này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Trân trọng
Nhóm thực hiện đồ án

Lê Tấn Học

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Võ Hữu Khiêm

i


TÓM TẮT
Trong xu thế phát triển hiện nay, với sự bùng nổ của các ngành công nghệ
thông tin, điện tử, tự động hóa, IoT (Internet of Things) … Đã làm cho đời sống
của con người ngày càng hoàn thiện. Các thiết bị tự động điều khiển, điện thoại
thông minh hay các cảm biến giám sát đã ngày càng xâm lấn vào trong đời sống
và thậm chí là được ứng dụng nhiều vào việc kinh doanh sản xuất, cuộc sống
sinh hoạt hàng ngày của mỗi con người. Do đó một chiếc điện thoại thơng minh
có thể giám sát từ xa và hỗ trợ cho cơng việc quản lí một số ngành dịch vụ chẳng
hạn như khách sạn đã trở thành hiện thực. Là sinh viên khoa Điện - Điện tử
trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh, bằng những kiến thức đã
học và mong muốn thiết kế được một mơ hình hệ thống giám sát khách ra vào
phịng thông qua việc sử dụng điện đáp ứng được nhu cầu quản lí hiện đại của
người dùng. Chúng tơi đã quyết định chọn “THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ
HÌNH HỆ THỐNG KIỂM SỐT THIẾT BỊ TIÊU THỤ ĐIỆN TRONG
PHỊNG” làm đề tài cho đồ án tốt nghiệp của chúng tôi.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

ii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ I
TÓM TẮT ............................................................................................................. II
MỤC LỤC ........................................................................................................... III
DANH MỤC HÌNH ........................................................................................... VII
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................ ix
CÁC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................................X
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN ........................................................................... 1

1.1

GIỚI THIỆU ......................................................................................... 1

1.2

MỤC TIÊU ĐỀ TÀI.............................................................................. 1

1.3

GIỚI HẠN ĐỀ TÀI ............................................................................... 1

1.4

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................................... 2

1.5

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ...................................... 2

1.6

BỐ CỤC QUYỂN BÁO CÁO .............................................................. 3

CHƯƠNG 2
2.1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................ 5

TỔNG QUAN VỀ IOT ......................................................................... 5

2.1.1

Khái niệm[1] ................................................................................... 5

2.1.2

Đặc tính cơ bản[2] .......................................................................... 5

2.1.3

Cấu phần của hệ thống IoT[3] ........................................................ 6

2.1.4

Ứng dụng ....................................................................................... 7

2.1.5

Lợi ích mang lại và thách thức ...................................................... 8

2.2

GIỚI THIỆU VỀ LORA[4] .................................................................... 8

2.2.1

Khái niệm Lora ............................................................................. 8

2.2.2

Nguyên lý hoạt động của LoRa..................................................... 8

2.2.3

LoraWan ........................................................................................ 9

2.2.4

Kiến trúc của hệ thống LoraWAN .............................................. 11

2.2.5

Làm thế nào để kết nối LoraWAN? ............................................ 12

2.2.6

Các quy định đối với LoRa ......................................................... 12

2.3
2.3.1

TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY BẰNG WIFI[5] ........................... 14
Khái niệm .................................................................................... 14

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

iii


2.3.2

Nguyên lý hoạt động ................................................................... 15

2.3.3

Một số chuẩn kết nối WiFi phổ biến ........................................... 15

2.4

CHUẨN GIAO TIẾP UART .............................................................. 16

2.4.1

Giới thiệu[6] ................................................................................. 16

2.4.2

Sơ đồ UART[7] ............................................................................ 16

2.4.3

Các thông số cơ bản trong truyền nhận UART:[7]....................... 17

2.4.4

Các ứng dụng của UART[8] ......................................................... 18

2.4.5

Ưu điểm và nhược điểm của UART[8] ........................................ 18

2.5

Module wifi ESP8266 v1 .................................................................... 18

2.5.1

Giới thiệu[9] ................................................................................. 18

2.5.2

Đặc điểm[9] .................................................................................. 19

2.5.3

Tập lệnh AT của ESP8266 (Attention Command)[10] ................. 20

2.6

VI ĐIỀU KHIỂN PIC ......................................................................... 21

2.6.1

Giới thiệu về vi xử lí và vi điều khiển[11] .................................... 21

2.6.2

PIC 18F4550[11] ........................................................................... 22

2.6.3

PIC 16F886[12] ............................................................................. 24

2.6.4

Ngơn ngữ lập trình Vi điều khiển[13] ........................................... 27

2.7

Mạch thu phát RF UART Lora E32-TTL-500 .................................... 28

2.7.1

Sóng RF ....................................................................................... 28

2.7.2

Mạch thu phát RF UART LORA E32-TTL-500[14] .................... 28

2.8

Cảm biến dòng CT103U 5A/2.5mA ................................................... 31

2.8.1

Cảm biến dòng[15] ........................................................................ 31

2.8.2

Cảm biến dòng điện CT103U 5A/2.5mA ................................... 33

2.9

LCD 20x4 và LCD 16x2 ..................................................................... 33

2.9.1

Khái niệm .................................................................................... 33

2.9.2

Thông số kỹ thuật ........................................................................ 34

2.10

Hệ Thống server .................................................................................. 35

2.10.1

Thingspeak[16] .............................................................................. 35

2.10.2

Tạo Server Thingspeak[17] ........................................................... 35

2.11

ANDROID APP .................................................................................. 38

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

iv


2.11.1

Ngơn Ngữ Lập Trình JAVA ....................................................... 38

2.11.2

Ngơn Ngữ Lập Trình XML ......................................................... 39

2.12

MẠCH NGUỒN HẠ ÁP LM2576 ..................................................... 40

2.12.1

Giới thiệu..................................................................................... 40

2.12.2

IC LM 2576 ................................................................................. 40

CHƯƠNG 3

TÍNH TỐN THIẾT KẾ ........................................................ 41

3.1

GIỚI THIỆU ....................................................................................... 41

3.2

TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ........................................ 41

3.2.1

Yêu cầu hệ thống ......................................................................... 41

3.2.2

Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ....................................................... 42

CHƯƠNG 4

THI CÔNG HỆ THỐNG ........................................................ 51

4.1

GIỚI THIỆU ....................................................................................... 51

4.2

THI CƠNG HỆ THỐNG .................................................................... 51

4.2.1

Thi cơng bo mạch ........................................................................ 51

4.2.2

Lắp ráp và kiểm tra ..................................................................... 55

4.3

THI CƠNG MƠ HÌNH ....................................................................... 55

4.3.1
4.4

Thi cơng mơ hình ........................................................................ 55
LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ................................................................... 57

4.4.1

Lưu đồ hoạt động ........................................................................ 57

4.4.2

Phần mềm lập trình cho vi điều khiển......................................... 66

4.4.3

Phần mềm lập trình cho điện thoại Android ............................... 70

4.5

VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC ............... 75
Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng .................................................. 75

4.5.1
CHƯƠNG 5

KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ................................... 79

5.1

GIỚI THIỆU ....................................................................................... 79

5.2

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC...................................................................... 79

5.3

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .............................................................. 81

5.3.1

Cấp nguồn và kết nối Wifi cho board mạch điều khiển pic 18 ... 81

5.3.2

Kết nối cảm biến vào các chân ADC mạch điều khiển pic 16 .... 82

5.3.3

Kết nối Master với các Slave ...................................................... 83

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

v


Đăng nhập ứng dụng trên điện thoại và thực hiện giám sát trạng

5.3.4

thái các phòng ................................................................................................. 84
5.4

NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ ................................................................. 85

5.4.1

Nhận xét ...................................................................................... 85

5.4.2

Đánh giá ...................................................................................... 85

CHƯƠNG 6

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................. 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 88
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 90

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

vi


DANH MỤC HÌNH
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Hình 2.1: Minh họa hệ thống IoT.......................................................................... 5
Hình 2. 2: Mơ hình kiến trúc IoT .......................................................................... 7
Hình 2. 3: Cấu trúc hệ thống Lora......................................................................... 9
Hình 2. 4: Một Lora Sensors node của hãng Advantech .................................... 11
Hình 2. 5: Nguyên lý hoạt động của WiFi .......................................................... 15
Hình 2. 6: Giao tiếp UART ................................................................................. 16
Hình 2. 7: Sơ đồ khối UART .............................................................................. 17
Hình 2. 8: Sơ đồ chân ESP8266 V1 .................................................................... 20
Hình 2. 9: Sơ đồ khối hệ thống vi xử lý .............................................................. 22
Hình 2. 10: Vi điều khiển PIC 18F4550 ............................................................. 23
Hình 2. 11: Sơ đồ chân vi điều khiển PIC 18F4550 ........................................... 23

Hình 2. 12: Vi điều khiển PIC 16F886. .............................................................. 25
Hình 2. 13: Sơ đồ chân của vi điều khiển PIC 16F886. ...................................... 26
Hình 2. 14: Mạch thu phát RF UART LORA E32-TTL-500 ............................. 29
Hình 2. 15: Sơ đồ mạch giao tiếp RF bằng UART ............................................. 31
Hình 2. 16: Cấu tạo bộ biến dịng ....................................................................... 32
Hình 2. 17: Cảm biến dịng điện CT103U 5A/2.5mA ........................................ 33
Hình 2. 18: Hình ảnh thực tế LCD 20x4 và 16x2 ............................................... 34
Hình 2. 19: Trang chủ Thingspeak ...................................................................... 36
Hình 2. 20: Giao diện tạo tài khoản Thingspeak................................................. 36
Hình 2. 21: Giao diện tạo Channels Thingspeak ................................................ 37
Hình 2. 22: Giao diện thẻ API Keys ................................................................... 38
Hình 2. 23: IC LM2576 ....................................................................................... 40
Hình 2. 24: Biểu tượng phần mềm CCS ............................................................. 66
Hình 2. 25: Giao diện mơi trường lập trình CCS ................................................ 67
Chương 3: Tính tốn thiết kế
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống ............................................................................ 42
Hình 3. 2: Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm PIC 18f4550 .......................... 44

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

vii


Hình 3. 3: Sơ đồ nguyên lý mỗi khối xử lý trung tâm PIC 16f886..................... 44
Hình 3. 4: Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến .......................................................... 46
Hình 3. 5: Dạng sóng trước và sau khi lắp tụ với tải phi tuyến .......................... 46
Hình 3. 6:Mạch thu-phát Lora giao tiếp vi điều khiển pic 16 và pic 18 ............. 47
Hình 3. 7: Module wifi ESP8266 V1 giao tiếp với PIC 18F4550 ...................... 47
Hình 3. 8: LCD 20x4 và LCD 16x2 giao tiếp với vi điều khiển ......................... 48
Hình 3. 9: Mạch hạ áp 12VDC - 5V ................................................................... 49

Hình 3. 10: Sơ đồ nguyên lý mạch gửi ............................................................... 50
Hình 3. 11: Sơ đồ nguyên lý mạch nhận ............................................................. 50
Chương 4: Thi công hệ thống
Hình 4. 1: Sơ đồ mạch in mạch gửi (mặt trên - dưới) ......................................... 51
Hình 4. 2: Sơ đồ mạch in mạch nhận (mặt trên - dưới) ...................................... 52
Hình 4. 3: Mạch nhận (mặt trên - dưới) .............................................................. 53
Hình 4. 4: Mạch gửi (mặt trên - dưới) ................................................................. 54
Hình 4. 5: Mạch nhận đã hàn linh kiện (mặt trên - dưới) ................................... 54
Hình 4. 6: Mạch gửi đã hàn linh kiện (mặt trên - dưới) ...................................... 54
Hình 4. 7: Mơ hình thực tế (mặt trước - sau) ...................................................... 56
Hình 4. 8: Lưu đồ chương trình chính khối điều khiển trung tâm pic 18 ........... 57
Hình 4. 9: Lưu đồ chương trình con khởi tạo hệ thống....................................... 58
Hình 4. 10:Lưu đồ chương trình con nhận dữ liệu từ các phịng ........................ 59
Hình 4. 11:Lưu đồ chương trình con gửi dữ liệu qua esp ................................... 60
Hình 4. 12: Lưu đồ chương trình chính khối điều khiển pic 16 tầng 1 ............... 61
Hình 4. 13: Lưu đồ chương trình chính khối điều khiển pic 16 tầng 2 ............... 62
Hình 4. 14: Lưu đồ chương trình chính khối điều khiển pic 16 tầng 3 ............... 63
Hình 4. 15: Lưu đồ chương trình chính khối điều khiển pic 16 tầng 4 ............... 64
Hình 4. 16: Lưu đồ hoạt động chương trình chính trên App Android ................ 65
Hình 4. 17: Giao diện màn hình đầu của Android Studio ................................... 71
Hình 4. 18: Một project bình thường của Android Studio .................................. 71
Hình 4. 19: Lưu đồ quy trình thao tác, lắp đặt cho người sử dụng ..................... 76
Hình 4. 20: Màn hình đã kết nối tới wifi............................................................. 77

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

viii


Hình 4. 21: Màn hình chờ lệnh và hoạt động ...................................................... 77

Hình 4. 22: Màn hình kết quả hiển thị trạng thái ................................................ 78
Chương 5: Kết quả_nhận xét_đánh giá
Hình 5 1: Màn hình thơng báo kết nối wifi thất bại ............................................ 81
Hình 5 2: Màn hình lúc hệ thống kết nối server.................................................. 82
Hình 5 3: Kết nối cảm biến với mạch điều khiển pic 16 tầng 1 .......................... 82
Hình 5 4: Giá trị dòng điện đo được từ cảm biến và đồng hồ ampe kìm ............ 83
Hình 5 5: Kết nối tín hiệu giữa mạch điều khiển pic 16 và mạch điều khiển pic
18 ......................................................................................................................... 84
Hình 5 6: Màn hình giám sát trạng thái trên điện thoại ...................................... 84

DANH MỤC BẢNG
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Bảng 2. 1: Các tập lệnh AT cơ bản ..................................................................... 21
Bảng 2. 2: Thông số kỹ thuật PIC 18F4550 ........................................................ 23
Bảng 2. 3: Thông số kỹ thuật PIC 16F886 .......................................................... 25
Bảng 2. 4: Thông số RF UART LORA E32-TTL-500 ....................................... 29
Bảng 2. 5: Các chế độ làm hoạt động của RF UART LORA E32-TTL-500 ...... 30
Bảng 2. 6: Các chân của LCD ............................................................................. 34
Chương 3: Tính tốn thiết kế
Bảng 3.1:Tính tốn dịng điện sử dụng trong mạch điều khiển pic 16 ............... 48
Bảng 3.2: Tính tốn dịng điện sử dụng trong mạch điều khiển pic 18 .............. 49
Chương 4: Thi công hệ thống
Bảng 4.1: Danh sách các linh kiện 4 mạch gửi. .................................................. 51
Bảng 4.2: Danh sách các linh kiện mạch nhận ................................................... 52

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

ix

CÁC TỪ VIẾT TẮT
A-MSDU

Aggregation – MAC Service Data Units

A-MPDU

Aggregation – MAC Protocol Data Unit

AES

Advanced Encryption Standard

AP

Access point

APP

Application

APSD

Automatic Power Save Delivery

ARP

Address Resolution Protocol

ASCII

American Standard Code for Information
Interchange

AWS

Amazon Web Services

CPU

Central Processing Unit

DC

Direct Current

DCE

Data Communication Equipment

DTE

Data Terminal Equipment

EEPROM

Electrically Erasable Programmable Read-Only
Memory

EUSART

Enhanced

Universal

Asynchronous

Receiver

Transceiver
FTP

File Transfer Protocol

GPIO

General - purpose input/output

GPS

Global Positioning System

GSM

Global System for Mobile Communications

HTML

HyperText Markup Language

HTTP

HyperText Transfer Protocol

ICMP

Internet Control Message Protocol

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

IP

Internet Protocol

I/O

Input/Output

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

x


IoT

Internet of Things

ISM

Industrial Scientific Medical

I2C

Inter-Integrated Communication

JS

JavaScript

LAN

Local area network

LCD

Liquid crystal display

LNA

Low-noise amplifier

LPWAN

Low-Power Wide Area Network

LSB

Least Significant Bit

MCU

Multipoint Control Unit

MNO

Mobile Network Operator

MIMO

Muliple Input, Multiple Output

MRI

Magnetic Resonance Imaging

MSB

Most Significant Bit

M2M

Machine-to-Machine

OSI

Open Systems Interconnection

PCB

Printed Circuit Board

PIC

Peripheral Interface Controller

PLL

Phase Locked Loop

POP3

Post Office Protocol 3

PWM

Pulse Width Modulation

RF

Radio Frequency

RISC

Reduced Instructions Set Computer

SDIO

Secure Digital Input Output

SLA

Service level Agreement

SMS

Short Message Service

SMTP

Simple Mail Transfer Protocol

SNMP

Simple Network Management Protocol

SoC

System on Chip

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

xi


SPI

Serial Peripheral Interface

SRAM

Static random-access memory

STBC

Space-time block code

STM

STMicroelectronic

TCP/IP

Transmission Control Protocol / Internet Protocol

TIA

Telecommunications Industry Association

UART

Universal Asynchronous Receiver-Transmitter

UDP

User Datagram Protocol

USB

Universal Serial Bus

VoIP

Voice over Internet Protocol

WDT

Watchdog timer

WPA

Wifi Protected Access

W3C

World Wide Web Consortium

XML

Extensible Markup Language

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

xii


Chương 1: Tổng quan

Chương 1

TỔNG QUAN

GIỚI THIỆU

1.1

Trong xu thế phát triển hiện nay, với sự bùng nổ của các ngành cơng nghệ
thơng tin, điện tử, tự động hóa, IoT… Đã làm cho đời sống của con người ngày
càng hoàn thiện. Các thiết bị tự động điều khiển, điện thoại thông minh hay các
cảm biến giám sát đã ngày càng xâm lấn vào trong đời sống và thậm chí là được
ứng dụng nhiều vào việc kinh doanh sản xuất, cuộc sống sinh hoạt hàng ngày
của mỗi con người. Do đó một chiếc điện thoại thơng minh có thể giám sát từ xa
và hỗ trợ cho cơng việc quản lí một số ngành dịch vụ chẳng hạn như khách sạn
đã trở thành hiện thực. Là sinh viên khoa Điện - Điện tử trường đại học Sư Phạm
Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh, bằng những kiến thức đã học chúng tôi mong muốn
thiết kế được một mơ hình hệ thống giám sát khách ra vào phịng thơng qua việc
sử dụng điện đáp ứng được nhu cầu quản lí hiện đại của người dùng. Vì vậy
chúng tơi đã quyết định chọn “Thiết kế và thi cơng mơ hình hệ thống kiểm
sốt thiết bị tiêu thụ điện trong phòng” làm đề tài cho đồ án tốt nghiệp của
chúng tôi.

MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

1.2

Đề tài “Thiết kế và thi cơng mơ hình hệ thống kiểm sốt thiết bị tiêu
thụ điện trong phịng” được thực hiện có chức năng:
-

Người dùng giám sát, kiểm tra ở bất cứ nơi đâu có mạng internet hay
3G/4G có hoạt động thiết bị trong phịng hay khơng, qua hoạt động sử
dụng điện tại các phòng bằng App trên điện thoại android.

-

1.3

Hệ thống cập nhật dữ liệu trên sever Thingspeak.

GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
Đề tài “Thiết kế và thi cơng mơ hình hệ thống kiểm sốt thiết bị tiêu

thụ điện trong phịng” sử dụng vi điều khiển PIC 18F4550 làm khối điều khiển
trung tâm, kết hợp với các PIC 16F886 để thu thập và xử lí thơng tin tại các
Sensor Nodes.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

1


Chương 1: Tổng quan
Công nghệ Lora thực hiện thu phát tín hiệu sử dụng mạch thu phát RF
UART Lora E32-TTL-500 hoạt động với tần số 433Mhz sử dụng chip SX1278
của SEMTECH.
Giao tiếp và truyền dữ liệu bằng Internet thông qua Module WiFi ESP8266
V1.
Cảm biến dịng CT103U 5A/2.5mA nhận tín hiệu dòng điện từ thiết bị điện
để đưa đến vi điều khiển.

Sever, cơ sở dữ liệu thời gian thực xây dựng trên dịch vụ Thingspeak cho
phép người dùng đưa dữ liệu lên cloud và từ cloud lấy dữ liệu về qua giao thức
HTTP.
Ứng dụng giao diện đơn giản, trực quan trên điện thoại thông minh chạy
trên hệ điều hành Android thông qua lập trình Android Studio.

1.4

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Việc thực hiện một đề tài tương đối hồn chỉnh và có nhiều ứng dụng thực

tế đòi hỏi người thực hiện phải tham khảo và sử dụng nhiều phương pháp kết
hợp chúng lại để tìm ra một hướng đi riêng, một kinh nghiệm cho riêng mình.
Các phương pháp tương đối hay và bổ ích mà nhóm đã áp dụng như sau:
-

Khảo sát các hệ thống vi điều khiển thiết bị đã có trên thị trường.

-

Phân tích và tổng hợp các lý thuyết có liên quan như ngơn ngữ lập
trình C, Java, NodeJS.

-

Tham khảo luận văn, tài liệu khóa trước, các đề tài nghiên cứu
khoa học đã được nghiệm thu.

-

Tham khảo ý kiến, góp ý từ giáo viên hướng dẫn, anh chị, các bạn
đã và đang làm những đề tài liên quan.

-

1.5

Thực nghiệm trên mơ hình và đánh giá kết quả.

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu của đề tài:
-

Vi điều khiển PIC 18F4550, PIC 16F886;

-

Module WiFi ESP8266 V1;

-

Mạch thu phát RF UART Lora E32-TTL-500;

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

2


Chương 1: Tổng quan
-

Cảm biến dòng CT103U 5A / 2.5mA;

-

Web server Thingspeak lưu dữ liệu;

-

App Andoid tương tác giữa người dùng với hệ thống.

Phạm vi nghiên cứu của đề tài:
-

Nghiên cứu trong lĩnh vực lập trình trên PIC;

-

Nghiên cứu phần mềm hỗ trợ lập trình trên PIC là CCS;

-

Nghiên cứu phần mềm hỗ trợ lập trình App Android là Android
Studio thông qua ngôn ngữ Java;

-

Cách kết nối vật lý giữa Esp8266 V1, mạch thu phát RF UART
Lora E32-TTL-500 , cảm biến dịng CT103U, LCD với PIC;

-

Tìm hiểu ngun lý hoạt động của các cảm biến cần sử dụng;

-

Nghiên cứu xây dựng Server qua NodeJS;

-

Nghiên cứu cách kết nối, truyền, nhận dữ liệu của Esp8266 V1,
Server, app Android, Lora và PIC.

1.6

BỐ CỤC QUYỂN BÁO CÁO
Nội dung chính của đề tài được trình bày với năm chương như sau:
Chương 1. Tổng quan: Trong chương này nêu ra được tình hình nghiên

cứu hiện nay, lý do và mục tiêu chọn đề tài, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
của đề tài, phương pháp nghiên cứu và giới hạn của đề tài.
Chương 2. Cơ sở lý thuyết: Các lý thuyết chính liên quan đến các thành
phần phần cứng và phần mềm cả hệ thống.
Chương 3. Tính tốn thiết kế: Trong chương 3 mục đích là tính tốn thiết
kế phần cứng, linh kiện cho hệ thống với những yêu cầu đặt ra. Từ sơ đồ khối
tổng quát và sơ đồ khối chi tiết để tiến hành lựa chọn các linh kiện cho các khối.
Chương 4. Thi cơng hệ thống: Trình bày về q trình thi công phần cứng,
phần mềm và đánh giá ưu nhược điểm của hệ thống.
Chương 5. Kết quả - nhận xét - đánh giá: Đưa ra các kết quả của quá
trình nghiên cứu. Nhận xét và đánh giá mơ hình sản phẩm.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

3


Chương 1: Tổng quan
Chương 6. Kết luận và hướng phát triển: Đưa ra các kết luận về những
vấn đề mà trong quá trình nghiên cứu đã đạt được và chưa đạt được. Đưa ra
hướng phát triển đề tài trong tương lai.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

4


Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2
2.1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

TỔNG QUAN VỀ IOT

2.1.1 Khái niệm[1]
Internet of Things (IoT) là một khái niệm rộng lớn và khó hình dung vì liên
quan đến rất nhiều nguyên tắc, công nghệ và các lĩnh vực khác nhau. Về cơ bản,
IoT mô tả các hệ thống cảm biến nối mạng và các đối tượng thông minh làm
việc cùng nhau để tạo ra một môi trường thơng minh, hữu dụng và lập trình

được. Cơng nghệ IoT bao gồm cảm biến, mạch, hệ thống nhúng truyền thông,
giao diện thông minh, quản lý năng lượng, quản lý dữ liệu, truyền dữ liệu, quản
lý tri thức, hệ thống thời gian thực, xử lý phân tán, thiết kế hệ thống và các phần
mềm phức tạp.
Các hệ thống IoT (như hình 2.1) bao gồm các cấu trúc nhỏ được trang bị
vài bộ cảm biến và bộ xử lý được lắp đặt trong một khu vực giới hạn cung cấp
dịch vụ ứng dụng cho một số ít người cho đến các hệ thống trải rộng ra liên quan
đến hàng triệu cảm biến, xử lý thông tin phân tán phức tạp như hệ thống điều
khiển một thành phố thơng minh.

Hình 2.1: Minh họa hệ thống IoT

2.1.2 Đặc tính cơ bản[2]
Những vấn đề quan trọng nhất của hệ thống IoT bao gồm trí thơng minh
nhân tạo, kết nối, cảm biến và các thiết bị nhỏ nhưng mang tính cơ động cao,
chúng được mơ tả sơ lược như bên dưới:
-

AI (Artifical Intelligence - Trí tuệ nhân tạo): Hệ thống IoT về cơ bản
được hiểu là làm cho mọi thiết bị trở nên thông minh, nghĩa là nó giúp
nâng cao mọi khía cạnh của cuộc sống bằng những dữ liệu thu thập

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

5


Chương 2: Cơ sở lý thuyết
được, thông qua các thuật tốn tính tốn nhân tạo và kết nối mạng.
Một ví dụ đơn giản như hộp đựng gạo của bạn, khi biết rằng gạo sắp

hết, hệ thống tự động đặt một đơn hàng mới cho nhà cung cấp.
-

Connectivity (Kết nối): Là một đặc trưng cơ bản của IoT, hiện nay các
mạng thiết bị đang trở nên phổ biến, nhiều mạng thiết bị ngày càng
nhỏ hơn, rẻ hơn và được phát triển phù hợp với thực tế cũng như nhu
cầu của người dùng.

-

Sensor (Cảm biến): IoT sẽ mất đi sự quan trọng của mình nếu khơng
có các cảm biến. Các cảm biến hoạt động giống như một công cụ giúp
IoT chuyển từ mạng lưới các thiết bị thụ động sang mạng lưới các
thiết bị tích cực, đồng thời có thể tương tác với thế giới thực.

-

Active Engagement (Thực hiện tích cực): Ngày nay, phần lớn các
tương tác của những công nghệ kết nối xảy ra 1 cách thụ động. IoT
được cho là sẽ đem đến những hệ thống mang tích tích cực về nội
dung, sản phẩm cũng như các dịch vụ gắn kết.

-

Small Devices (Thiết bị thu nhỏ): Như đã được dự đoán từ trước, các
thiết bị ngày càng được tối ưu với mục đích nâng cao độ chính xác,
khả năng mở rộng cũng như tính linh hoạt. Nó được thiết kế ngày
càng nhỏ hơn, rẻ hơn và mạnh mẽ hơn theo thời gian.

2.1.3 Cấu phần của hệ thống IoT[3]

Kiến trúc IoT (như hình 2.2) được đại diện cơ bản bởi bốn phần: Vạn vật
(Things), trạm kết nối (Gateways), hạ tầng mạng và điện toán đám mây
(Network and Cloud) và các lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services-creation and
Solutions Layers).
Vạn vật (Things): Ví dụ xe hơi, thiết bị cảm biến, thiết bị đeo và điện thoại
di động đang được kết nối trực tiếp thông qua băng tần mạng không dây và truy
cập vào Internet. Giải pháp IoT giúp các thiết bị thông minh được sàng lọc, kết
nối và quản lý dữ liệu một cách cục bộ, còn các thiết bị “chưa thơng minh” thì có
thể kết nối được thơng qua các trạm kết nối.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

6


Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Trạm kết nối (Gateways): Các trạm kết nối sẽ đóng vai trị là một trung
gian trực tiếp, cho phép các thiết bị có sẵn này kết nối với điện toán đám mây
một cách bảo mật và dễ dàng quản lý.

Hình 2. 2: Mơ hình kiến trúc IoT
Hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud): Cơ sở hạ tầng
kết nối Internet bao gồm thiết bị định tuyến, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp,
thiếp bị lặp và nhiều thiết bị khác có thể kiểm sốt lưu lượng dữ liệu lưu thơng
và cũng được kết nối đến mạng lưới viễn thông và cáp được triển khai bởi các
nhà cung cấp dịch vụ.
Trung tâm dữ liệu/hạ tầng điện toán đám mây bao gồm một hệ thống lớn
các máy chủ (Server), hệ thống lưu trữ và mạng ảo hóa được kết nối.
Các lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services-Creation and Solutions Layers):
Intel đã kết hợp những phần mềm quản lý API hàng đầu (Application

Progmraming Interface) là Mashery và Aepona để giúp đưa các sản phẩm và giải
pháp IoT ra thị trường một cách chóng và tận dụng được hết giá trị của việc phân
tích các dữ liệu từ hệ thống và tài sản đang có sẵn.

2.1.4 Ứng dụng
IoT có thể ứng dụng được trong bất kì lĩnh vực nào mà chúng ta muốn. Một
số lĩnh vực nổi bật hiện nay được ứng dụng IoT nhiều nhất như:
-

Nhà thông minh;

-

Quản lý các thiết bị cá nhân: Thiết bị đeo tay để đo nhịp tim huyết áp,
theo dõi sức khỏe;

-

Quản lý môi trường, thời tiết;

-

Xử lý trong các tình huống khẩn cấp;

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

7


Chương 2: Cơ sở lý thuyết

-

Quản lý giao thông;

-

Lĩnh vực mua sắm thông minh;

-

Đồ dùng sinh hoạt hằng ngày: Như máy pha cà phê, bình nước nóng
lạnh, máy điều hịa;

-

Tự động hóa: Các cơng xưởng sản xuất xe hơi đã áp dụng công nghệ
IoT để cắt giảm hầu hết các cơng nhân, thay vào đó là các bộ máy tích
hợp trí thơng minh nhân tạo cho năng suất tăng gấp nhiều lần và độ
chính xác cao hơn.

2.1.5 Lợi ích mang lại và thách thức
Những lợi ích mà IoT đem lại được dàn trải hầu hết đến các tất cả các lĩnh
vực trong đời sống, kinh doanh như cải thiện việc gắn kết với khách hàng, tối ưu
hóa cơng nghệ, giảm sự hao phí, tăng cường việc thu thập dữ liệu.
Mặc dù IoT mang lại khá nhiều lợi ích ấn tượng, nó cũng gặp phải những
thách thức đáng kể về kiểm sốt an ninh, bảo mật, tính phức tạp, lo ngại về tính
linh hoạt cũng như việc phải tuân thủ các tiêu chuẩn.[2]

2.2

GIỚI THIỆU VỀ LORA[4]

2.2.1 Khái niệm Lora
LoRa là viết tắt của Long Range Radio được nghiên cứu và phát triển bởi
Cycleo và sau này được mua lại bởi công ty Semtech năm 2012. Với cơng nghệ
này, chúng ta có thể truyền dữ liệu với khoảng cách lên hàng km mà khơng cần
các mạch khuếch đại cơng suất; từ đó giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ khi
truyền/nhận dữ liệu. Do đó, LoRa có thể được áp dụng rộng rãi trong các ứng
dụng thu thập dữ liệu như sensor network trong đó các sensor node có thể gửi
giá trị đo đạc về trung tâm cách xa hàng km và có thể hoạt động trong thời gian
dài trước khi cần thay pin (như hình 2.3).

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của LoRa
LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế gọi là Chirp Spread Spectrum. Theo
nguyên lý này thì dữ liệu sẽ được băm bằng các xung cao tần để tạo ra tín hiệu
có dãy tần số cao hơn tần số của dữ liệu gốc (cơng việc này gọi là chipped); sau
đó tín hiệu cao tần này tiếp tục được mã hoá theo các chuỗi chirp signal (là các

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

8


Chương 2: Cơ sở lý thuyết
tín hiệu hình sin có tần số thay đổi theo thời gian; có 2 loại chirp signal là up chirp có tần số tăng theo thời gian và down-chirp có tần số giảm theo thời gian;
và việc mã hoá theo nguyên tắc bit 1 sẽ sử dụng up - chirp, và bit 0 sẽ sử dụng
down - chirp) trước khi truyền ra anten để gửi đi.

Hình 2. 3: Cấu trúc hệ thống Lora
Theo Semtech cơng bố thì nguyên lý này giúp giảm độ phức tạp và độ

chính xác cần thiết của mạch nhận để có thể giải mã và điều chế lại dữ liệu; hơn
nữa LoRa khơng cần cơng suất phát lớn mà vẫn có thể truyền xa vì tín hiệu Lora
có thể được nhận ở khoảng cách xa ngay cả độ mạnh tín hiệu thấp hơn cả nhiễu
môi trường xung quanh.
Băng tần làm việc của LoRa từ 430MHz đến 915MHz cho từng khu vực
khác nhau trên thế giới:
- 430MHz cho châu Á;
- 780MHz cho Trung Quốc;
- 433MHz hoặc 866MHz cho châu Âu;
- 915MHz cho Hoa Kỳ.
Nhờ sử dụng chirp signal mà các tín hiệu LoRa với các tỉ lệ chirp khác
nhau có thể hoạt động trong cùng 1 khu vực mà không gây nhiễu cho nhau. Điều
này cho phép nhiều thiết bị LoRa có thể trao đổi dữ liệu trên nhiều kênh đồng
thời (mỗi kênh cho 1 tỉ lệ chirp).

2.2.3 LoraWan
a.

LoraWan là gì?

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

9