Thiết kế và thi công hệ thống giám sát, điều khiển các thiết bị điện trong nhà thông qua App Android màn hình cảm ứng dùng mạng Lora và wifi

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 HỆ THỐNG GIÁM SÁT, ĐIỀU
KHIỂN CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ THÔNG QUA
APP ANDROID & MÀN HÌNH CẢM ỨNG DÙNG MẠNG
LORA VÀ WIFI
GVHD: ThS. Võ Đức Dũng
SVTH:
Nguyễn Ngọc Nhiệm - 16141218
Trương Tuấn Anh

Tp. Hồ Chí Minh – 08/2020

- 16141105


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
CỘNG HỊA 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 04 tháng 08 năm 2020

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:
Chuyên ngành:
Hệ đào tạo:
Khóa:

Nguyễn Ngọc Nhiệm
Trương Tuấn Anh
Kỹ thuật Điện Tử, Truyền Thơng
Đại học chính quy
2016

MSSV: 16141218
MSSV: 16141105
Mã ngành: 141
Mã hệ:
1
Lớp:
16141DT

I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT, ĐIỀU KHIỂN
CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ THÔNG QUA APP
ANDROID & MÀN HÌNH CẢM ỨNG DÙNG MẠNG LORA VÀ
WIFI
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
-

Các loại vi điều khiển: Arduino Uno, Arduino Nano, Esp32 WROOM
Các loại Module: Lora SX1278 UART, RTC DS1307

Màn hình hiển thị: LCD_TFT SPI 3.2inch, LCD 20X4, LCD 16X2
Cảm biến độ ẩm đất, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11
Ngõ ra điều khiển: Relay, transistor, diode, led
Nguồn: Adapter 5V-2A, Adapter 5V-1A

2. Nội dung thực hiện:
-

Tìm hiểu và tham khảo các tài liệu, giáo trình, nội dung liên quan đến đề tài.
Tìm hiểu màn hình cảm ứng TFT, thiết kế giao diện giám sát và điều khiển.
Thiết kế và thi cơng phần cứng hế thống.
Viết chương trình giao tiếp giữa ứng dụng Android, Firebase và bộ điều khiển trung
tâm.
Viết các chương trình để giao tiếp giữa Arduino, Lora và các module cảm biến.
Nghiên cứu xây dựng một ứng dụng Android.
Chạy thử nghiệm, hiệu chỉnh và đánh giá kết quả.
Viết luận văn báo cáo.
Bảo vệ đồ án tốt nghiệp.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
10/03/2020
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/07/2020
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:ThS. VÕ ĐỨC DŨNG
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
i


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
CỘNG HỊA 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 04 tháng 08 năm 2020

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: Nguyễn Ngọc Nhiệm

MSSV: 16141218

Họ tên sinh viên: Trương Tuấn Anh

MSSV: 16141105

Lớp: 16141TD2B
Tên đề tài: Thiết kế và thi công hệ thống giám sát, điều khiển các thiết bị điện trong nhà
thông qua App Android & màn hình cảm ứng dùng mạng Lora và Wifi
Tuần/ngày

Nội dung

Tuần 1
(30/3 – 5/4)

Gặp GVHD để nghe phổ biến yêu cầu làm đồ án, tiến
hành chọn đồ án.

Tuần 2 (6/4
– 12/4)

GVHD tiến hành xét duyệt đề tài

Tuần 3 (13/4
– 19/4)

Viết đề cương chi tiết và lịch trình đồ án tốt nghiệp

Tuần 4 (20/4
– 26/4)

Tìm hiểu đề tài và lựa chọn thiết bị phù hợp.

Tuần 5
(27/4 – 3/5)

Thiết kế sơ đồ khối và giải thích chức năng từng
khối

Tuần 6 (4/5
– 10/5)

Tính tốn và thiết kế sơ đồ ngun lý cho hệ thống

Tuần 7 (11/5
– 17/5)

Viết chương trình, kiểm tra hoạt động của Arduino
với các module Lora SX1278, module ESP8266
NodeMCU, cảm biến

Tuần 8 (18/5
– 24/5)

Thiết kế PCB và thi công phần cứng

Tuần 9 (25/5
– 31/5)

Hoàn thiện phần cứng

Tuần 10
(1/6 – 7/6)

Xác nhận
GVHD

Tìm hiểu cơng nghệ Lora, giao thức UART, Wifi

Kiểm tra và lắp ráp mơ hình

ii


Tuần 11
(8/6 – 14/6)

Thiết kế lưu đồ giải thuật và viết chương trình điều
hiển hệ thống

Tuần 12 (15/6

– 21/6)

Thiết kế app Android, truyền nhận dữ liệu giữa
Firebase với App và Esp8266

Tuần 13 (22/6
– 28/6)

Chạy thử nghiệm toàn bộ hệ thống. Kiểm tra và sửa
chữa lỗi

Tuần 14
(29/6 – 5/7)
Tuần 15
(6/7 – 12/7)
Tuần 16
(13/7 – 19/7)

Viết báo cáo, làm silde báo cáo

Hoàn thiện và in báo cáo

Báo cáo với GVHD

GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

iii

LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là do chúng em tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và khơng
sao chép từ tài liệu hay cơng trình đã có trước đó.

Người thực hiện đề tài
Nguyễn Ngọc Nhiệm
Trương Tuấn Anh

iv


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, chúng em xin được phép chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa
Điện – Điện tử đã giảng dạy cho chúng em những kiến thức bổ ích để hơm nay có thể
ứng dụng hồn thiện đồ án tốt nghiệp này.
Đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Võ Đức Dũng đã tận
tình hướng dẫn, giúp đỡ nhóm thực hiện đề tài. Thầy luôn tạo điều kiện, giải đáp
những thắc mắc, khó khăn để nhóm có thể hồn thiện đề tài một cách tốt nhất có thể.
Chúng em cũng xin gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn trong lớp
16141DT đã chia sẽ trao đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu
trong thời gian thực hiện đề tài.
Ngoài ra, chúng em cũng xin gởi lời cảm ơn thật nhiều đến gia đình, người thân,
những người đã khích lệ, tạo động lực giúp nhóm hồn thành tốt đề tài.
Xin chân thành cảm ơn!
Người thực hiện đề tài
Nguyễn Ngọc Nhiệm
Trương Tuấn Anh

v

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ................................................................................................................. i
LỊCH TRÌNH ............................................................................................................. ii
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... iii
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................v
MỤC LỤC ................................................................................................................. vi
LIỆT KÊ HÌNH VẼ .................................................................................................. ix
LIỆT KÊ BẢNG ...................................................................................................... xii
TÓM TẮT ............................................................................................................... xiii
Chương 1. TỔNG QUAN .........................................................................................1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ...................................................................................................1
1.2 MỤC TIÊU ........................................................................................................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 GIỚI THIỆU VỀ MẠNG LORA ......................................................................4
2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG .............................................................................5
2.2.1 Module thu phát RF UART Lora SX1278 ................................................ 5
2.2.2 Vi điều khiển ............................................................................................. 7
2.2.3 Module Cảm Biến Nhiệt Độ - Độ Ẩm DHT11 ....................................... 11
2.2.4 Module cảm biến độ ẩm đất .................................................................... 12
2.2.5 Module thời gian thực RTC- DS1307 ..................................................... 13
2.2.6 Màn hình hiển thị ................................................................................... 13
2.2.7 Tiếp điểm Relay 5v ................................................................................. 17
2.3 GIỚI THIỆU CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG ...........................................18
vi

2.3.1 Chuẩn truyền thông UART ..................................................................... 18
2.3.2 Chuẩn giao tiếp I2C ................................................................................. 19
2.3.3 Chuẩn giao tiếp SPI ................................................................................. 20
2.3.4 Truyền thơng khơng dây wifi .................................................................. 21
Chương 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ ..............................................................23
3.1 GIỚI THIỆU ....................................................................................................23
3.2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG.....................................................23
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ................................................................... 23
3.2.2 Tính tốn và thiết kế mạch điện .............................................................. 25
Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG .....................................................................44
4.1 GIỚI THIỆU ....................................................................................................44
4.2 THI CƠNG HỆ THỐNG .................................................................................44
4.2.1 Thi cơng board mạch ............................................................................... 44
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra .................................................................................. 52
4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH ........................................................56
4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển .......................................................................... 56
4.3.2 Thi cơng mơ hình..................................................................................... 58
4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ...............................................................................61
4.4.1 Lưu đồ giải thuật ..................................................................................... 61
4.4.4 Giới thiệu tính năng Realtime Database của Firebase ............................ 75
4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN .....................................................................77
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 ...........................................................................80
5.3.1 Bộ điều khiển trung tâm .......................................................................... 80
5.3.2 Bộ điều khiển phụ.................................................................................... 83
vii

5.3.3 Điều khiển và giám sát thiết bị từ xa bằng điện thoại ............................. 85
5.3.4 Điều khiển và giám sát thiết bị trực tiếp tại các bộ điều khiển. .............. 91
5.3.5 Điều khiển thiết bị và giám sát dữ liệu khi khơng có internet ................ 92
5.4 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ ..........................................................................93
5.4.1 Nhận xét................................................................................................... 93
5.4.2 Đánh giá................................................................................................... 94
Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..........................................96
6.1 KẾT LUẬN ......................................................................................................96
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN..................................................................................96
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................98
PHỤ LỤC ...............................................................................................................100

viii


LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình 2.1. Cấu tạo mạng Lora .....................................................................................4
Hình 2.2. Module E32-TTL-100 RF ..........................................................................5
Hình 2.3. Ảnh minh họa arduino Uno ........................................................................7
Hình 2.4. Arduino Nano .............................................................................................8
Hình 2.5. Module wifi Esp32 WROOM ..................................................................10
Hình 2.6. Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 ...............................................11
Hình 2.7. Cảm biến đo độ ẩm đất .............................................................................12
Hinh 2.8. Module thời gian thực RTC – DS1307 ....................................................13
Hình 2.9. Màn hình LCD TFT 3.2inch ILI9341 .....................................................14
Hình 2.10. Ảnh minh họa LCD20x4 ........................................................................15
Hình 2.11. Ảnh minh họa LCD 16x2 .......................................................................16
Hình 2.12. Module chuyển đổi I2C cho LCD ..........................................................17
Hình 2.13. Kết nối I2C với LCD ..............................................................................17
Hình 2.14. Relay 5v ..................................................................................................18

Hình 2.15. Kết nối UART giữa hai thiết bị ..............................................................19
Hình 2.16. Sơ đồ giao tiếp I2C giữa các thiết bị ......................................................20
Hình 2.17. Sơ đồ giao tiếp SPI giữa các thiết bị ......................................................21
Hình 2.18. Mạng wifi ...............................................................................................22
Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống ..................................................................................23
Hình 3.2. Mạch kích Relay .......................................................................................25
Hình 3.3. Khối ngõ ra cơng suất ...............................................................................27
Hình 3.4. Khối cảm biến...........................................................................................28
Hình 3.5. Khối điều khiển và hiển thị ......................................................................29
Hình 3.6. Mạch chuyển bus tín hiệu .........................................................................29
Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý khối thu phát Lora .........................................................30
ix


Hình 3.8. Khối xử lý và điều khiển trung tâm ..........................................................31
Hình 3.9. Sơ đồ ngun lý tồn mạch ......................................................................32
Hình 3.10. Adapter 5V-2A .......................................................................................34
Hình 3.11. Khối cơng suất ........................................................................................35
Hình 3.12. Khối cảm biến.........................................................................................35
Hình 3.13. Khối điều khiển và hiển thị ....................................................................36
Hình 3.14. Mạch nút nhấn ........................................................................................36
Hình 3.15. Khối thu phát Lora..................................................................................37
Hình 3.16. Khối xử lý và điều khiển ........................................................................38
Hình 3.17. Sơ đồ ngun lý tồn mạch khối phụ 1 ..................................................39
Hình 3.18. Adapter 5V-1A .......................................................................................41
Hình 3.19. Sơ đồ ngun lý tồn mạch khối phụ 2 ..................................................42
Hình 4.1. Lớp dưới PCB khối chính.........................................................................45
Hình 4.2. Lớp dưới và lớp trên PCB mạch mở rộng bus .........................................45
Hình 4.3. Sơ đồ bố trí linh kiện khối chính ..............................................................46
Hình 4.4. Sơ đồ bố trí linh kiện mạch mở rộng bus .................................................46

Hình 4.5. Lớp dưới PCB khối phụ 1 ........................................................................48
Hình 4.6. Lớp dưới PCB nút nhấn ............................................................................48
Hình 4.7. Sơ đồ bố trí linh kiện khối phụ 1 ..............................................................49
Hình 4.8. Sơ đồ bố trí mạch nút nhấn .......................................................................49
Hình 4.9. Lớp dưới PCB khối phụ 2 ........................................................................51
Hình 4.10. Sơ đồ bố trí linh kiện khối phụ 2 ............................................................51
Hình 4.11. Hình ảnh thực tế lớp trên board mạch khối chính ..................................52
Hình 4.12. Hình ảnh thực tế lớp dưới board mạch khối chính .................................53
Hình 4.13. Hình ảnh thực tế lớp trên board mạch khối phụ 1 ..................................53
Hình 4.14. Hình ảnh thực tế lớp dưới board mạch khối phụ 1 .................................54
Hình 4.15. Hình ảnh thực tế lớp trên board mạch khối phụ 2 ..................................54
x


Hình 4.16. Hình ảnh thực tế lớp trên board mạch khối phụ 2 ..................................55
Hình 4.17. Mơ hình khối chính dạng 2D .................................................................56
Hình 4.18. Mơ hình khối phụ 1 dạng 2D .................................................................56
Hình 4.19. Mơ hình khối phụ 2 dạng 2D .................................................................57
Hình 4.20. Mơ hình thực tế khối chính ....................................................................58
Hình 4.21. Mơ hình thực tế khối phụ 1 ....................................................................59
Hình 4.22. Mơ hình thực tế khối phụ 2 ....................................................................60
Hình 4.23. Lưu đồ giải thuật trên ESP32 .................................................................61
Hình 4.24. Lưu đồ chương trình con gửi dữ liệu từ Firebase sang LORA và TFT .63
Hình 4.25. Lưu đồ giải thuật trên Arduino Uno .......................................................64
Hình 4.26. Lưu đồ chương trình con điều khiển trên TFT .......................................66
Hình 4.27. Lưu đồ giải thuật khối phụ 1 ..................................................................67
Hình 4.28. Lưu đồ chương trình con gửi dữ liệu từ nút nhấn sang LORA ..............68
Hình 4.29. Lưu đồ giải thuật khối phụ 2 ..................................................................69
Hình 4.30. Lưu đồ trình con nhận dữ liệu từ Lora và màn hình TFT ......................70
Hình 4.31. Lưu đồ giải thuật ứng dụng Android ......................................................71

Hình 4.32. Giao diện lập trình phần mềm Arduino IDE ..........................................72
Hình 4.33. Giao diện quản lý dự án..........................................................................73
Hình 4.34. Giao diện thiết kế....................................................................................74
Hình 4.35. Giao diện lập trình ..................................................................................75
Hình 4.36. Tạo dự án mới trên Firebase ...................................................................76
Hình 4.37. Giao diện người dùng trên Firebase .......................................................77
Hình 4.38. Ngõ vào ra của các bộ điều khiển...........................................................78
Hình 5.1. Bộ điều khiển trung tâm (nhà chính) ........................................................80
Hình 5.2. Kết nối wifi ESP .......................................................................................81
Hình 5.3. Đăng nhập wifi cho hệ thống ...................................................................81
Hình 5.4. Bộ điền khiển trung tâm được kết nối wifi...............................................82
xi


Hình 5.5. Đo thời tiết trên google .............................................................................82
Hình 5.6. Bộ điều khiển phụ 1(vườn) .......................................................................83
Hình 5.7. Bộ điều khiển phụ 2(kho) .........................................................................84
Hình 5.8. Giao diện đăng nhập trên app android......................................................85
Hình 5.9. Giao diện trang chủ và danh mục menu ...................................................86
Hình 5.10 Bật đèn 1 tại bộ điều khiển trung tâm .....................................................87
Hình 5.11 Dữ liệu được đồng bộ giữa ba bộ điều khiển ..........................................87
Hình 5.12. Tùy chọn giọng nói và giao diện giọng nói ............................................88
Hình 5.13. Giao điện cài đặt trên ứng dụng điện thoại ............................................89
Hình 5.14. Giao diện cài bơm vườn .........................................................................90
Hình 5.15. Cài giá trị tự động cho bơm vườn ..........................................................90
Hình 5.16 Giao diện hiển thị độ ẩm đất trên LCD ...................................................91
Hình 5.17. Giao diện điều khiển cảm ứng trên TFT ................................................92

LIỆT KÊ BẢNG
Bảng 2.1. Các chế độ làm việc của module thu phát RF UART Lora SX1278 .........6

Bảng 3.1. Tổng dịng điện khối chính tiêu thụ .........................................................33
Bảng 3.2. Tổng dòng điện khối phụ 1 tiêu thụ .........................................................40
Bảng 3.3. Tổng dòng điện khối phụ 2 tiêu thụ .........................................................43
Bảng 4.1. Danh sách linh kiện khối chính ................................................................44
Bảng 4.2. Danh sách linh kiện khối phụ 1 ................................................................47
Bảng 4.3. Danh sách linh kiện khối phụ 2 ................................................................50
Bảng 5.1. Thống kê đánh giá hệ thống trong 30 lần thực nghiệm............................94

xii


TĨM TẮT
Khi cơng nghệ ngày càng phát triển, nhu cầu đời trong đời sống của con người
sẽ ngày càng cao. Những thiết bị công nghệ sẽ là một phần không thể thiếu trong cuộc
sống. Đặc biệt, ai cũng muốn xây dựng cho mình một tổ ấm an tồn và tiện ích nhất.
Chính vì thế, một hệ thống điều khiển các thiết bị trong nhà từ xa sẽ là một giải pháp
tiện lợi để con người sử dụng trong ngôi nhà của mình.
Giải pháp điều khiển các thiết bị phổ biến ngày nay đó là điều khiển trực tiếp
bằng nút nhấn, cơng tắc cơ... Thay vì phải đến trực tiếp các công tắc để bật/tắt thiết
bị trong nhà hay đi hàng trăm mét để điều khiển một thiết bị bơm ngoài vườn... thì
lúc này chúng ta có thể điều khiển nó từ xa, đặc biệt hơn có thể sử dụng smartphone
để làm điều này.
Đề tài tài “Thiết kế và thi công hệ thống giám sát, điều khiển các thiết bị điện
trong nhà thơng qua App Android & màn hình cảm ứng dùng mạng Lora và Wifi” Sẽ
giải quyết vấn đề đó. Các thiết bị có thể được giám sát và điều khiển từ xa bằng điện
thoại chỉ cần điện thoại và bộ điều khiển trung tâm có kết nối internet hoặc bằng màn
hình cảm ứng. Bên cạnh đó cịn có thể giám sát được các thông số như nhiệt độ, độ
ẩm, độ ẩm đất... Khi khơng có internet, thiết bị ở các bộ điều khiển con vẫn có thể
được điều khiển từ xa thông qua mạng Lora, một mạng truyền thông không dây tầm
xa được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực IoT(Internet of Things).

xiii


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, công nghệ ngày càng hiện đại và phát triển để đáp ứng các nhu cầu
càng cao của con người. Chính vì thế cơng 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.
Trong cuộc sống thường nhật, chúng ta đã quá quen thuộc với việc bật tắt các
thiết bị bằng công tắc thông thường. Với cuộc sống bộn bề ngày nay, chúng ta bị chi
phối bởi nhiều thứ. Việc chúng ta ra khỏi nhà mà qn tắt đèn, điều hịa là chuyện
khơng hiếm gặp. Với công tắc thông thường, khi chúng ta rời khỏi nhà mà vẫn quên
tắt các thiết bị trong nhà. Để tắt các thiết bị thì chỉ cách quay trở lại về nhà rồi tắt
chúng. Điều này đôi khi gây ra cho chúng ta nhiều phiền toái.
Để giải quyết vấn đề đó ta có thể dùng các cơng nghệ truyền nhận dữ liệu không
dây như RF, NFC, Bluetooth, Wifi, Lora… Ở đây nhóm quyết định chọn đề tài “Thiết
kế và thi công hệ thống giám sát, điều khiển các thiết bị điện trong nhà thông
qua App Android & màn hình cảm ứng dùng mạng Lora và Wifi”. Vì Lora là
một giao thức không giây mới được thiết kế để truyền thông tầm xa, năng lượng thấp.
Giao thức cung cấp khả năng liên lạc mà thiết bị thông minh cần có, và liên minh
Lora đang hoạt động để đảm bảo khả năng tương tác nhiều mạng trên toàn quốc. [1]
LoRa hướng tới kết nối các thiết bị với nhau ở khoảng cách lớn. Nó có thể hỗ
trợ liên lạc ở khoảng cách lên tới 15 – 20 km, với hàng triệu node mạng. Mạng Lora
có thể hoạt động trên băng tần không phải cấp phép, với tốc độ thấp từ 0,3kbps đến
khoảng 30kbps [2]. Với đặc tính này, mạng LoRa phù hợp với các lĩnh vực liên quan
đến Internet of Things(IoT) tầm xa, các ứng dụng cần trao đổi dữ liệu ở mức thấp

nhưng duy trì trong một thời gian dài.
1.2 MỤC TIÊU
Nghiên cứu, thiết kế và thi công được hệ thống gồm một bộ xử lý trung tâm và
hai bộ xử lý phụ để có thể điều khiển, giám sát các thiết bị như đèn, quạt, nhiệt độ,
độ ẩm… từ xa thơng app android & màn hình cảm ứng dùng mạng LoRa và Wifi.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.3 NỘi DUNG NGHIÊN CỨU
-

Nghiên cứu, thiết kế khối xử lý trung tâm để thu thập dữ liệu và gửi tín hiệu điều
khiển đến các khối con, đồng thời có thể nhận tín hiệu điều khiển từ các khối xử
lý con để điều khiển các thiết bị.

-

Nghiên cứu, thiết kế khối xử lý con để kết nối với các thiết bị, sensor… và nhận
tín hiệu điều khiển từ khối xử lý trung tâm đồng thời có thể gửi tín hiệu để điểu
khiển ngược lại khối xử lý trung tâm.

-

Viết được các chương trình để giao tiếp giữa app android, Module wifi, Arduino
và Lora.

-

Thiết kế ứng dụng để điều khiển và giám sát hệ thống trên điện thoại sử dụng hệ
điều hành Android.

-

Thiết kế, thi công hệ thống, chạy thử nghiệm và hoàn thiện sản phẩm.

-

Viết luận văn báo cáo và bảo vệ đề tài tốt nghiêp.

1.4 GIỚI HẠN
- Sử dụng Arduino Uno, Arduino Nano, NodeMCU Esp32, Lora sx1278 Uart.
- Dữ liệu giữa các bộ điều khiển được truyền nhận với nhau bằng giao thức truyền
thông không dây Lora với khoảng cách truyền nhận tối đa là 400m.
- Bộ xử lý trung tâm chỉ sử dụng màn hình cảm ứng TFT 3.2 inch để điều khiển
thiết bị và giám sát dữ liệu.
- Nguồn cấp 220VAC trực tiếp từ điện lưới, thông qua mạch chuyển đổi 5VDC 1A, 2A cấp nguồn cho các bộ xử lý hoạt động và khơng sử dụng nguồn dự phịng.
- Ngõ ra điều khiển các thiết bị có cơng suất dưới 1000W.
- Board mạch của bộ xử lý trung tâm được đặt trong hộp mica có kích thước
17x15x8cm.
- Board mạch của hai bộ xử lý con được đặt trong hộp mica có kích thước
14x11x8cm.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

2

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.5 BỐ CỤC
• Chương 1: Tổng Quan
Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội
dung ̣nghiên cứu, các giới hạn thơng số và bố cục đồ án
• Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.
Chương này trình bày các lý thuyết quan trọng có liên quan mà đề tài sẽ dùng
để thực hiện thiết kế và thi cơng.
• Chương 3: Thiết Kế và Tính Tốn
Chương này giới thiệu tổng quan về các yêu cầu của đề tài về thiết kế và các
tính tốn liên quan đến đề tài.
• Chương 4: Thi Cơng Hệ Thống
Chương này sẽ nêu lên tóm tắt q trình thực hiện và hồn thành hệ thống thiết
kế. Lắp ráp và kiểm tra mạch.
• Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá
Chương này trình bày kết quả cuối cùng của đề tài. Từ đó rút ra nhận xét và
đánh giá.
• Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển
Chương này sẽ đưa ra kết luận về tổng quan mô hình đã hồn hành so với mục
tiêu ban đầu đề ra, đồng thời đưa ra hướng phát triển cho đề tài.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

3


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 GIỚI THIỆU VỀ MẠNG LORA
LoRa (Long Range Radio) được nghiên cứu và phát triển bởi Cycleo và sau này
được mua lại bởi công ty Semtech năm 2012 là một công nghệ truyền thông dữ liệu
không dây được phát triển để cho phép truyền tốc độ dữ liệu thấp trên một khoảng
cách lớn. LoRa hướng tới các kết nối thiết bị với nhau ở khoảng cách lớn. Nó có thể
hỗ trợ liên lạc ở khoảng cách lên tới 15 – 20 km, với hàng triệu node mạng. Nó có
thể hoạt động trên băng tần không phải cấp phép, với tốc độ thấp từ 0,3kbps đến
khoảng 30kbps. Với đặc tính này, mạng LoRa phù hợp với các thiết bị thông minh
trao đổi dữ liệu ở mức thấp nhưng duy trì trong một thời gian dài. Thực tế các thiết
bị LoRa có thể duy trì kết nối và chia sẻ dữ liệu trong thời gian lên đến 10 năm chỉ
với năng lượng pin.[3] Một mạng LoRa có thể cung cấp vùng phù sóng tương tự như
của một mạng di động. Trong một số trường hợp, các ăng-ten Lora có thể được kết
hợp với ăng-ten di động khi các tần số là gần nhau, do đó giúp tiết kiệm đáng kể chi
phí. Cơng nghệ không dây LoRa được đánh giá là lý tưởng để sử dụng trong một loạt
các ứng dụng, bao gồm: định lượng thông minh, theo dõi hàng tồn kho, giám sát dữ
liệu của máy bán hàng tự động, ngành công nghiệp ơ tơ, các ứng dụng tiện ích và
trong bất cứ lĩnh vực nào mà cần báo cáo và kiểm sốt dữ liệu.[4]

Hình 2.1. Cấu tạo mạng Lora

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

4


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
➢ Trong 1 mạng LoRaWan sẽ có 2 loại thiết bị:
• Device node: là các thiết bị cảm biến, hoặc các thiết bị giám sát được lắp đặt tại
các vị trí làm việc ở xa để lấy và gửi dữ liệu về các thiết bị trung tâm. Có 3 loại
device node là Class A, Class B và Class C

• Gateway: là các thiết bị trung tâm sẽ thu thập dữ liệu từ các device node và gửi
lên 1 server trung tâm để xử lý dữ liệu. Các thiết bị Gateway thường sẽ được
đặt tại 1 vị trí có nguồn cung cấp và có các kết nối network như Wifi, LAN,
GSM để có thể gửi dữ liệu lên server
2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
2.2.1 Module thu phát RF UART Lora SX1278
Mạch thu phát RF UART Lora SX1278 433Mhz 3000m sử dụng chip SX1278
của nhà sản xuất SEMTECH chuẩn giao tiếp LORA (Long Range), chuẩn LORA
mang đến hai yếu tố quan trọng là tiết kiệm năng lượng và khoảng cách phát siêu xa
( Ultimate long range wireless solution), ngồi ra nó cịn có khả năng cấu hình để tạo
thành mạng nên hiện tại được phát triển và sử dụng rất nhiều trong các nghiên cứu về
IoT.
Module được tích hợp phần chuyển đổi giao tiếp SPI của SX1278 sang UART
giúp việc giao tiếp và sử dụng rất dễ dàng, chỉ cần kết nối với Software của hãng để
cấu hình địa chỉ , tốc độ và công suất truyền là có thể sử dụng (cần mua thêm mạch
chuyển USB-UART để kết nối máy tính).

Hình 2.2. Module E32-TTL-100 RF

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

5


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
➢ Thông số kỷ thuật
- Model: E32-TTL-100 RF
- IC chính: SX1278 từ SEMTECH.
- Điện áp hoạt đông: 2.3 – 5.5 VDC
- Điện áp giao tiếp: TTL – 3.3VDC

- Giao tiếp UART Data bits 8, Stop bits 1, Parity none, tốc độ từ 1200 – 115200 baud
- Tần số: 410 – 441Mhz
- Công suất: 20dbm (100mW)
- Khoảng cách truyền tối đa trong điều kiện lý tưởng: 3000m
- Tốc độ truyền: 0.3 – 19.2 Kbps (mặc định 2.4 Kbps)
- 512bytes bộ đệm.
- Hỗ trợ 65536 địa chỉ cấu hình.
- Kích thước: 21x36mm.

➢ Các chế độ làm việc
Mode
Mode 0
(Nomal)
Mosde 1
(Wake-up)

Mode 2
(Power
saving)

M1
0

1

0

M0
0

0

1

Mô tả
Cổng Serial và chế độ truyền không
dây được bật để truyền và nhận dữ
liệu
Hoạt động giống như Mode 0
nhưng Module gửi sẽ gửi kèm một
mã để đánh thức các Module đang
hoạt động ở Mode 2
Cổng Serial đóng, chế độ truyền
không dây sẽ ở trạng thái đánh
thức. Cổng Serial sẽ mở và truyền
dữ liệu sau khi nhận được dữ liệu
đánh thức.

Ghi chú
Module nhận phải ở
chế độ 0 hoặc chế
độ 1

Module nhận có
thể ở chế độ bất
kỳ
Module truyền
phải
hoạt động ở Mode
1

và không được
hoạt
động ở Mode 2

Mode 3
1
1
Chế độ cấu hình cho Module
(Sleep)
Bảng 2.1 Các chế độ làm việc của module thu phát RF UART Lora SX1278

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

6


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.2.2 Vi điều khiển
a. Board Arduino Uno
Arduino là một nền tảng mã nguồn mở được sử dụng để xây dựng các ứng dụng
điện tử tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Arduino giống
như một máy tính nhỏ để người dùng có thể lập trình và thực hiện các dự án điện tử
mà khơng cần phải có các cơng cụ chun biệt để phục vụ việc nạp code.
Sau khi tham khảo về các dòng vi điều khiển như PIC, STM, ARM… nhóm
quyết định chọn Arduino để thực hiện đề tài một phần vì Arduino có giá thành rẻ và
phổ biến trên thị trường Việt Nam, mặc khác cộng động sử dụng arduino rất lớn nên
sẽ giúp chúng ta dễ dàng hơn trong quá trình tìm kiếm tài liệu tham khảo.

Hình 2.3. Ảnh minh họa arduino Uno
Arduino UNO là một board mạch vi điều khiển tích hợp sẵn các hệ thống như

thạch anh, mạch nạp code, các IC, tụ cần thiết… giúp chúng ta dễ dàng sử dụng và
lập trình.
Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn
ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V.
➢ Thông số kỹ thuật:
- Vi điều khiển: ATmega328P
- Điện áp hoạt động: 5V
- Điện áp vào khuyên dùng: 7-12V
- Điện áp vào giới hạn: 6-20V
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

7


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
- Digital I/O pins: 14 (trong đó 6 chân PWM)
- Analog Input Pins: 6
- Cường độ dòng điện trên mỗi I/O pin: 30 mA
- Cường độ dòng điện trên mỗi 3.3V pin: 50 mA
- Flash Memory: 32 KB (0.5 KB được sử dụng bởi bootloader)
- SRAM:2 KB (ATmega328P)
- EEPROM:1 KB (ATmega328P)
- Tần số: 16 MHz
- Chiều dài:68.6 mm
- Chiều rộng:53.4 mm
b. Board Arduino Nano
Board Arduino Nano là một trong những phiên bản nhỏ gọn của board Arduino.
Arduino Nano có đầy đủ các chức năng và chương trình có trên Arduino Uno do cùng
sử dụng MCU ATmega328P. Nhờ việc sử dụng IC dán của ATmega328P thay vì IC
chân cắm nên Arduino Nano có thêm 2 chân Analog so với Arduino Uno.

Hình 2.4. Arduino Nano
Arduino Nano được kết nối với máy tính qua cổng Mini - B USB và sử dụng
chip CH340 để chuyển đổi USB sang UART thay vì dùng chip ATmega16U2 để giả
lập cổng COM như trên Arduino Uno hay Arduino Mega, nhờ vậy giá thành sản phẩm
được giảm mà vẫn giữ nguyên được tính năng, giúp Arduino giao tiếp được với máy
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

8


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
tính, từ đó thực hiện việc lập trình.
➢ Thơng số kỷ thuật
-

Vi điều khiển: ATmega328P

-

Điện áp hoạt động: 5V

-

Tần số hoạt động: 16 MHz

-

Điện áp đầu vào: 7V - 12V DC

-

Điện áp vào giới hạn: 6-20V DC

-

Số chân Digital I/O: 14 (6 chân hardware PWM)

-

Số chân Analog: 8

-

Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 2KB dùng bởi bootloader

-

SRAM 2 KB (ATmega328)

-

EEPROM 1 KB (ATmega328)

-

Kích thước board: 0,73 x 1,70 (Inch)

c. Board Wifi ESP32 NodeMCU
ESP32-WROOM Node MCU (Microcontroller unit) là một board mạch vi điều

khiển tích hợp thu nhỏ với nhiều tính năng cải tiến hơn các module dịng ESP8266
khi hỗ trợ thêm các tính năng Bluetooth và Bluetooth Low Energy (BLE) bên cạnh
tính năng WiFi. Sản phẩm sử dụng chip ESP32-WROOM với 2 CPU có thể được
điều khiển độc lập với tần số xung clock lên đến 240 MHz.
Module hỗ trợ các chuẩn giao tiếp SPI, UART, I2C và I2S và có khả năng kết
nối với nhiều ngoại vi như các cảm biến, các bộ khuếch đại…
Sau khi so sánh giữa các dòng Esp phổ biến hiện hay, ESP8266 và ESP32WROOM là hai sự lựa chọn phù hợp nhất vì chúng có giá thành hợp lý và đều đáp
ứng được các tính năng cần thiết của đề tài, nhưng vì ESP8266 chỉ hỗ trợ một cổng
UART, trong khi ESP32 hỗ trợ ba cổng, nên nhóm quyết định chọn ESP32 để thi
cơng đề tài.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

9


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.5. Module wifi Esp32 WROOM
➢ Thơng số kĩ thuật
-

IC chính: Wifi BLE SoC ESP32 ESP-WROOM-32

-

Điện áp sử dụng: 2.2V~3.6VDC

-

Dòng điện sử dụng: ~90mA.

-

Nhân xử lý trung tâm: ESP32-D0WDQ6 Dual-core low power Xtensa® 32bit LX6 microprocessors.

-

ROM: 448KBytes

-

SRAM: 520 KBytes

-

8 KBytes SRAM in RTC SLOW

-

8 KBytes SRAM in RTC FAST

-

1 Kbit of EFUSE, 256 bits MAC

-

WiFi: 802.11 b/g/n/d/e/i/k/r (802.11n up to 150 Mbps)

-

Bluetooth v4.2 BR/EDR and BLE specification

-

Wi-Fi mode Station/softAP/SoftAP+station/P2P

-

Security WPA/WPA2/WPA2-Enterprise/WPS

-

Encryption AES/RSA/ECC/SHA

-

IPv4, IPv6, SSL, TCP/UDP/HTTP/FTP/MQTT

-

Interfaces: SD-card, UART, SPI, SDIO, I2C, LED PWM, Motor PWM, I2S ,
IR, GPIO, capacitive touch sensor, ADC, DAC, Hall sensor, temperature
sensor

-

Kích thước: 18 x 25.5 x 3.1mm

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

10


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.2.3 Module Cảm Biến Nhiệt Độ - Độ Ẩm DHT11
DHT11 là cảm biến nhiêt độ và độ ẩm giao tiếp với 1 chân dữ liệu, DHT11 đo
được giá trị độ ẩm từ 20% đến 90%RH và nhiệt độ từ 0oC đến 50oC, độ chính xác:
± 5%RH và ±2oC.
Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 có cảm biến nhiệt độ và độ ẩm phức tạp
với một đầu ra tín hiệu kỹ thuật số hiệu chuẩn. Cảm biến này bao gồm đo độ ẩm kiểu
điện trở thành phần và thành phần đo nhiệt độ NTC, kết nối với bộ vi điều khiển 8 bit
có hiệu suất cao, mang lại chất lượng tuyệt vời, phản ứng nhanh, khả năng chống
nhiễu cao và hiệu quả chi phí.
So với các loại cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm khác trên thị trường như DHT22,
AM2301, CJMCU-SHT10… thì DHT11 là một sự lựa chọn khá phù hợp bởi giá
thành khá rẻ so với các loại cịn lại và độ chính xác tương đối cao.

Hình 2.6. Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11

➢ Thông số kỷ thuật
-

Điện áp hoạt động: 3V - 5V (DC)

-

Dòng sử dụng: 2.5mA max (khi truyền dữ liệu).

-

Dãi độ ẩm hoạt động: 20% - 90% RH, sai số ±5%RH

-

Dãi nhiệt độ hoạt động: 0°C ~ 50°C, sai số ±2°C

-

Khoảng cách truyển tối đa: 20m

-

Tần số lấy mẫu tối đa 1Hz (1 giây 1 lần)

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

11