Thiết kế và thi công đồng hồ nước điện tử giám sát được lượng nước tiêu thụ qua mạng internet và lora

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
ĐỒNG HỒ NƯỚC ĐIỆN TỬ GIÁM SÁT
ĐƯỢC LƯỢNG NƯỚC TIÊU THỤ QUA
MẠNG INTERNET VÀ LORA
GVHD: PHAN VÂN HOÀN
SVTH: NGUYỄN THÀNH ĐẠT
SVTH: NGUYỄN PHÚ THƠNG

SKL 0 0 7 3 4 1

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08/2020


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 Thành Đạt
Nguyễn Phú Thơng
Kỹ thuật Điện - Điện tử
Đại học chính quy
2016

MSSV: 16141132
MSSV: 16141291
Mã ngành: 01
Mã hệ:
1
Lớp:
161412

I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ĐỒNG HỒ NƯỚC ĐIỆN TỬ
GIÁM SÁT ĐƯỢC LƯỢNG NƯỚC TIÊU THỤ QUA MẠNG
INTERNET VÀ LORA.
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
-

Kit Arduino UNO R3, LoRa E32 TTL-100, NodeMCU và ngơn ngữ lập trình

-

Tài liệu nghiên cứu Arduino UNO R3, NodeMCU, LoRa E32 TTL-100.

-

Tài liệu nghiên cứu cảm biến lưu lượng FS400A – G1.

2. Nội dung thực hiện:
-

Kết nối các cảm biến, lora, màn hình TFT vào mạch Arduino.

-

Kết nối lora vào nodemcu.

-

Lập trình cho kit Arduino và nodemcu.

-

Thiết kế mơ hình hộp chứa mạch điều khiển.

-

Xây dựng giao diện và lập trình trang web giám sát từ xa.

-

Chạy thử nghiệm.

-

Cân chỉnh hệ thống.

II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

18/3/2020

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/08/2020
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

ThS. Phan Vân Hồn

BM. ĐIỆN TỬ CƠNG 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 1: Nguyễn Thành Đạt ..........................................................................
Lớp: 16141DT2B ....................................................... MSSV: 16141132......................
Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Phú Thông .........................................................................

Lớp: 16141DT2B ....................................................... MSSV: 16141291......................
Tên đề tài: Thiết kế và thi công đồng hồ nước điện tử giám sát được lượng nước
tiêu thụ qua mạng internet và lora.
Tuần/ngày
Tuần 1
(9/3 – 14/3)
Tuần 2
(16/3-21/3)
Tuần 3

Nội dung

Xác nhận
GVHD

Gặp giảng viên hướng dẫn và trao đổi đề tài đồ
án tốt nghiệp.
Viết đề cương và lịch trình thực hiện đồ án tốt
nghiệp.
Tìm hiểu đề tài và lựa chọn thiết bị.

(23/3 – 28/3)
Tuần 4

Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của đề tài.

(30/3 – 4/4)
Tuần 5

Thiết kế sơ đồ khối sơ đồ nguyên lý.

(6/4 – 11/4)
Tuần 6

Viết chương trình cho arduino UNO R3.

(13/4 – 18/4)
Tuần 7

Viết chương trình cho arduino UNO R3.

(20/4 – 25/4)
ii


Tuần 8

Viết chương trình cho nodemcu ESP8266.

(27/4 – 2/5)
Tuần 9

Thiết kế và lập trình web giám sát.

(3/5 – 8/5)
Tuần 10

Thiết kế và lập trình web giám sát.

(11/5 – 16/5)

Tuần 11
(18/5 – 23/5)
Tuần 12

Hồn thiện tất cả chương trình cho hệ thống và
chạy thử.
Thi cơng phần cứng, lắp ráp mơ hình.

(25/5 – 30/5)
Tuần 13

Thi cơng phần cứng, lắp ráp mơ hình.

(1/6 – 6/6)
Tuần 14

Viết báo cáo, chỉnh sửa mơ hình.

(8/6 – 13/6)
Tuần 15

Viết báo cáo, hồn thiện mơ hình.

(15/6 – 20/6)
Tuần 16

Hồn thiện báo cáo và mơ hình hồn chỉnh.

(22/6 – 27/6)

GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

iii


LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là chúng tôi 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. Nếu có bất kỳ sự gian lận nào
chúng tôi xin chịu trách nhiệm về nội dung đồ án của mình.

Người thực hiện đề tài
Nguyễn Thành Đạt – Nguyễn Phú Thông

iv


LỜI CẢM ƠN
Chúng em chân thành cảm ơn đến các thầy, cô trường đại học Sư phạm Kỹ
thuật TP.HCM đã tận tình chỉ dạy, giúp đỡ trong suốt quá trình bốn năm học tập
tích lũy kiến thức ở trường, đặc biệt là các thầy, cô của khoa Điện - Điện Tử.
Hơn hết, chúng em muốn cảm ơn đến Thầy Phan Vân Hoàn – giảng viên
khoa điện – điện tử, đã tận tình giúp đỡ cũng như hỗ trợ chúng em trong suốt quá
trình thực hiện đề tài. Thầy đã tận tình góp ý, chỉ dẫn và đơn đốc sinh viên để
hoàn thành đề tài hoàn chỉnh và đúng hạn. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn
thầy.
Cuối cùng, nhóm cũng xin gửi thật nhiều lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã
khích lệ tinh thần, tạo động lực mạnh mẽ để giúp nhóm hồn thành tốt đề tài.

Người thực hiện đề tài

Nguyễn Thành Đạt – Nguyễn Phú Thông

v


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ......................................................................... i
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP................................................ ii
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... iv
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... v
MỤC LỤC ............................................................................................................. vi
LIỆT KÊ HÌNH VẼ ................................................................................................ ix
LIỆT KÊ BẢNG..................................................................................................... xi
TÓM TẮT ............................................................................................................. xii
Chương 1. TỔNG QUAN ...................................................................................... 1
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ ........................................................................................... 1
1.2. MỤC TIÊU ................................................................................................ 2
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 TẦM QUAN TRỌNG CỦA VIỆC QUẢN LÝ LƯỢNG NƯỚC TIÊU
THỤ ................................................................................................................... 4
2.2

TÌM HIỂU VỀ CƠNG NGHỆ LORA ........................................................ 4

2.2.1

Công nghệ LoRa .................................................................................. 4

2.2.2

Phạm vi hoạt động và mức tiêu thụ năng lượng của LoRa .................... 5

2.2.3

Nguyên lý hoạt động của LoRa ............................................................ 5

2.2.4

Chế độ hoạt động của Module Lora ..................................................... 6

2.2.5

Phần mềm cấu hình Module LoRa E32-TTL-100 của nhà sản xuất ...... 7

2.3

CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU ........................................................... 8

2.3.1

Chuẩn truyền thông UART .................................................................. 8

2.3.2

Chuẩn truyền thông SPI ....................................................................... 9

2.4

GIỚI THIỆU VỀ MYSQL........................................................................ 11

2.5

TỔNG QUAN VỀ PHP ............................................................................ 12
vi


2.5.1

Giới thiệu về php ............................................................................... 12

2.5.2

Các đặc điểm của php ........................................................................ 12

2.5.3

Các chức năng của php ................................................................... 12

2.6

GIỚI THIỆU VỀ HTML .......................................................................... 13

2.6.1

Khái niệm .......................................................................................... 13

2.6.2

Cấu trúc cây HTML cơ bản................................................................ 13

2.7

GIỚI THIỆU VỀ CSS .............................................................................. 14

2.7.1

Khái niệm .......................................................................................... 14

2.7.2

Tác dụng của CSS .............................................................................. 14

Chương 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ ........................................................... 15
3.1

GIỚI THIỆU ............................................................................................ 15

3.2

TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG .............................................. 15

3.2.1

Thiết kế sơ đồ khối hệ thống .............................................................. 15

3.2.2

Tính tốn và thiết kế mạch ................................................................. 16

a. Khối xử lý tín hiệu ở đồng hồ nước ....................................................... 16
b. Khối xử lý thu thập dữ liệu và gửi dữ liệu lên database ......................... 17
c. Khối cảm biến ....................................................................................... 23
d. Khối hiển thị ......................................................................................... 24
e. Khối thu phát tín hiệu RF LoRa ............................................................ 26
f. Khối nguồn và Pin dự phòng ................................................................. 27
g. Sơ đồ nguyên lý hoạt động toàn mạch ................................................... 29
Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG .................................................................. 32
4.1

GIỚI THIỆU ............................................................................................ 32

4.2

THI CƠNG HỆ THỐNG .......................................................................... 32

4.2.1

Thi cơng bo mạch .............................................................................. 32

4.2.2

Lắp ráp và kiểm tra ............................................................................ 34

4.3

ĐÓNG GÓI VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH .................................................. 35

4.3.1

Đóng gói bộ điều khiển ...................................................................... 35

4.3.2

Thi cơng mơ hình ............................................................................... 35

4.4

LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ........................................................................ 36

4.4.1

Lưu đồ giải thuật ................................................................................ 36
vii


4.4.2

Phần mềm lập trình cho vi điều khiển ................................................ 39

4.4.3

Phần mềm lập trình web..................................................................... 43

4.5

VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC ....................... 43

Chương 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ .............................................. 44
5.1

GIỚI THIỆU ............................................................................................ 44

5.2

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC ........................................................................... 44

5.3

KẾT QUẢ CHẠY HỆ THỐNG ............................................................... 44

5.4

NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ........................................................................ 50

Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................ 52
6.1

KẾT LUẬN .............................................................................................. 52

6.2

HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................................................... 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................

viii

LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình

Trang

Hình 2. 1: Chế độ fixed mode................................................................................... 6
Hình 2. 2: Chế độ boadcast mode ............................................................................ 7
Hình 2. 3: Giao diện phần mềm cấu hình LoRa ....................................................... 7
Hình 2. 4: Gói dữ liệu truyền của UART .................................................................. 8
Hình 2. 5: Sóng truyền UART .................................................................................. 9
Hình 2. 6: Q trình truyền UART ........................................................................... 9
Hình 2. 7: Quá trình nhận UART ............................................................................. 9
Hình 2. 8: Truyền dữ liệu SPI ................................................................................ 11
Hình 3. 1: Sơ đồ khối của hệ thống ........................................................................ 15
Hình 3. 2: Sơ đồ nguyên lý arduino UNO R3 ......................................................... 17
Hình 3. 3: Module ESP8266 NodeMCU................................................................. 18
Hình 3. 4: Sơ đồ nguyên lý module ESP8266 NodeMCU ....................................... 19
Hình 3. 5: Cấu trúc của chip ESP 12 được gắn trên module .................................. 20
Hình 3. 6: Sơ đồ chân của chip ESP 12-E .............................................................. 20
Hình 3. 7: Cấu trúc mạch nạp và mạch dao động trên module. .............................. 21
Hình 3. 8: Mạch reset và mạch flash trên module. ................................................. 22
Hình 3. 9: Mạch nguồn trên module ...................................................................... 22
Hình 3. 10: Sơ đồ chân của module ....................................................................... 23
Hình 3. 11: Cảm biến lưu lượng FS400A-G1 ......................................................... 23
Hình 3. 12: Sơ đồ nguyên lý cảm biến gắn với vi điều khiển .................................. 24
Hình 3. 13: Màn hình TFT 2.4inch ........................................................................ 25
Hình 3. 14: Sơ đồ nguyên lý màn hình TFT kết nối với vi điều khiển...................... 26
Hình 3. 15: Module LoRa E32-TTL-100 ................................................................ 26
Hình 3. 16: Sơ đồ nguyên lý module LoRa kết nối với vi điều khiển ....................... 27

Hình 3. 17: Sơ đồ nguyên lý nguồn adapter 5VDC ................................................ 28
Hình 3. 18: Pin dự phịng và mạch sạc pin ............................................................ 28
Hình 3. 19: Sơ đồ nguyên lý của đồng hồ trực tiếp đo lưu lượng............................ 30
Hình 3. 20: Sơ đồ nguyên lý của trạm thu và gởi tín hiệu giám sát ........................ 30
Hình 4. 1: Mạch in của đồng hồ đo lượng nước ..................................................... 33
ix


Hình 4. 2: Mạch in trạm thu dữ liệu....................................................................... 34
Hình 4. 3: Hình ảnh thực tế của trạm thu dữ liệu ................................................... 34
Hình 4. 4: Hình ảnh thực tế của đồng hồ đo nước.................................................. 35
Hình 4. 5: Thiết kế hộp mica 16x13x10 .................................................................. 35
Hình 4. 6: Đồng hồ đo nước sau khi đã đóng hộp .................................................. 36
Hình 4. 7: Lưu đồ đồng hồ nước ............................................................................ 36
Hình 4. 8: Lưu đồ ở trạm thu dữ liệu ....................... Error! Bookmark not defined.
Hình 4. 9: Giao diện tải Arduino IDE .................................................................... 39
Hình 4. 10: Ủng hộ nhà phát triển Arduino IDE .................................................... 40
Hình 4. 11: Giao diện chính của IDE..................................................................... 40
Hình 4. 12: Cài đặt driver cho NodeMCU (1) ........................................................ 41
Hình 4. 13: Cài đặt driver cho NodeMCU (2) ........................................................ 41
Hình 4. 14: Cài đặt driver cho NodeMCU (3) ........................................................ 42
Hình 4. 15: Cài đặt driver cho NodeMCU (4) ........................................................ 42
Hình 4. 16: Giao diện subline text 3....................................................................... 43
Hình 4. 17: Hướng dẫn sử dụng và thao tác (1) ..................................................... 44
Hình 4. 18: Hướng dẫn sử dụng và thao tác (2) ..................................................... 44
Hình 5. 1: Hình ảnh thực tế đồng hồ nước điện tử ................................................. 45
Hình 5. 2: Màn hình hiển thị các thơng số đo được ................................................ 45
Hình 5. 3: Giao diện đăng ký người dùng .............................................................. 46
Hình 5. 4: Giao diện đăng nhập người dùng .......................................................... 47
Hình 5. 5: Giao diện trang chủ người dùng sau khi đăng nhập .............................. 47

Hình 5. 6: Giao diện nút thông tin sau khi đăng nhập ............................................ 48
Hình 5. 7: Giao diện nút biểu đồ người dùng sau khi đăng nhập ........................... 48
Hình 5. 8: Giao diện đổi mật khẩu người dùng ...................................................... 49
Hình 5. 9: Giao diện đăng nhập quản trị viên ........................................................ 49
Hình 5. 10: Giao diện trang quản lý người dùng sau khi đăng nhập ...................... 50

x


LIỆT KÊ BẢNG
Bảng

Trang

Bảng 3.1. Bảng chức năng từng chân của chip ESP – 12E .................................... 20
Bảng 3.2. Tính tốn dịng điện các linh kiện sử dụng trong mạch.......................... 29
Bảng 4.1. Danh sách các linh kiện ........................................................................ 31

xi


TÓM TẮT
Thuật ngữ Internet of Things (IoT) hay “Vạn vật kết nối internet” đã khơng
cịn trở nên q xa lạ với nhiều người, từ những bản tin thời sự - công nghệ trên tivi,
trên các trang mạng điện tử hoặc cụ thể là những ứng dụng thiết thực trong đời sống
đâu đâu cũng thấy bóng dáng của cụm từ này. Đúng như tên gọi, đây là một hệ
thống gồm các thiết bị cơng nghệ có liên quan đến nhau, mọi vật được kết nối với
nhau dựa trên giao thức chung, đó là mạng truyền thơng – hay Internet. Chỉ cần một
thiết bị có kết nối mạng là bạn có thể hoàn toàn kiểm tra, điều khiển các thiết bị đã
được kết nối bất kể bạn đang ở đâu. Công nghệ IoT đã và đang phát triển trong rất

nhiều lĩnh vực.
Nhu cầu quản lý, giám sát cũng như có thể kiểm sốt các thiết bị trong nhà từ
xa nói chung và giám sát lượng nước tiêu thụ nói riêng là rất cần thiết trong bối
cảnh internet phát triển như hiện nay. Nhu cầu này hết sức chính đáng, hướng đến
sự tiện lợi, thuận tiện trong khâu quản lý, tiết kiệm chi phí, góp phần thúc đẩy xã
hội hiện đại hơn, kinh tế ngày một đi lên.
Xã hội ngày một hiện đại hơn, cơng nghệ đang đóng vai trị then chốt, thì việc
ứng dụng công nghệ IoT vào quản lý và giám sát lượng nước tiêu thụ từ xa trở nên
thiết thực, dễ dàng hơn bao giờ hết. Nắm bắt được nhu cầu của xã hội cùng với sự
phát triển của công nghệ IoT nhóm em đã bắt tay vào thực hiện đề tài với tên gọi
“Thiết kế và thi công đồng hồ nước điện tử giám sát được lượng nước tiêu thụ qua
mạng internet và lora”. Đề tài này cho phép người dùng giám sát được lượng nước
đã tiêu thụ bằng cách truy cập vào địa chỉ web và cho phép nhà cung cấp quản lý tất
cả người dùng. Dữ liệu từ đồng hồ đo được sẽ được gởi qua LoRa về đến một trạm
thu dữ liệu ở đó có kết nối internet. Với việc gởi dữ liệu qua LoRa giúp việc quản lý
dễ dàng ở những khu vực khơng có internet và phạm vi quản lý được xa hơn nhờ
vào cách thức truyền nối tiếp giữa các hộ về đếm trạm thu thập.

xii


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1.

ĐẶT VẤN ĐỀ
Chúng ta đang sống trong thời đại của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 trong

đó cơng nghệ đóng vai trị then chốt. Sự phát triển của công nghệ thông tin và đặc

biệt là cơng nghệ internet kết nối vạn vật hay cịn gọi là Internet of Thing (IoT) đã
đem đến rất nhiều tiện ích cho con người. Với IoT chỉ cần một thiết bị có kết nối
mạng là bạn có thể hồn toàn kiểm tra, giám sát và điều khiển các thiết bị trong nhà
hay cơ quan, xí nghiệp... bất kể bạn ở nơi đâu [1]. Một trong những ứng dụng của
IoT trong việc giám sát từ xa đó là nhu cầu quản lý, giám sát cũng như kiểm soát
việc đo đạc lượng nước tiêu thụ dùng trong sinh hoạt hàng ngày.
Hiện nay, đồng hồ cơ đo lượng nước sinh hoạt đã khơng cịn xa lạ với mọi
người vì hầu hết mỗi hộ gia đình hay các cơ sở kinh doanh, nhà hàng, cơng ty, các
phịng trọ... đều được trang bị một chiếc đồng hồ cơ như thế. Vì là đồng hồ cơ nên
việc giám sát lượng nước tiêu thụ rất mất thời gian và công sức khi phải đến tận nơi
lắp ráp đồng hồ để mở ra xem số nước đã tiêu thụ là bao nhiêu. Chưa kể đến việc
đồng hồ cơ sử dụng lâu ngày dẫn đến hỏng hóc khiến lượng nước tiêu thụ bị đánh
giá sai gây bất lợi cho người dùng hay nhà cung cấp nước. Thực tế, trên thị trường
đã có những thiết bị đo lượng nước với độ chính xác cao nhưng giá thành lại rất đắt
và không thể giám sát được từ xa [1].
Với việc công nghệ IoT phát triển mạnh mẽ cùng sự ra đời của nhiều
module như Module Wifi, Bluetooth, các board điều khiển như Arduino, Raspberry,
các trợ năng điều khiển từ ra bằng sóng RF, sóng hồng ngoại, google assistant,… thì
việc tạo ra một hệ thống có thể đo và giám sát thông số từ xa lượng nước tiêu thụ
trở nên dễ dàng hơn.
Nắm bắt được vấn đề, vận dụng các kiến thức đã học, nhóm em tiến hành
thực hiện đề tài “Thiết kế và thi công đồng hồ nước điện tử giám sát được lượng
nước tiêu thụ qua mạng Internet và LoRa”, thực hiện công việc đo và giám sát,
hiển thị cập nhật lên màn hình thiết bị và trên web, giúp cho người sử dụng có thể
dễ dàng quan sát cũng như thống kê được lượng nước mà họ đã và đang sử dụng.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Do có những hộ gia đình khơng có internet nên đồng hồ có tích hợp module LoRa
để truyền nhận dữ liệu không dây.

1.2.

MỤC TIÊU
Thiết kế và thi cơng được hệ thống có khả năng đo được lượng nước tiêu thụ

hiển thị lên màn hình TFT, giám sát các dữ liệu đã đo từ xa qua mạng lora và
internet bằng cách gởi dữ liệu lên web thông qua module wifi ESP8266 để người
dùng theo dõi cũng như nhà cung cấp quản lý.

1.3.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Trong quá trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế và thi công

đồng hồ nước điện tử giám sát được lượng nước tiêu qua mạng Internet”, nhóm
chúng em đã tập trung giải quyết và hoàn thành được những nội dung sau:
 NỘI DUNG 1: Tìm hiểu về vi điều khiển, cảm biến, module cần thiết, chuẩn
giao tiếp được sử dụng.
 NỘI DUNG 2: Kết nối NodeMCU ESP8266 với Internet để cập nhật dữ liệu
dùng cho việc hiển thị.
 NỘI DUNG 3: Nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu trên Webserver quản lý
một cách dễ dàng.
 NỘI DUNG 4: Thi công phần cứng, chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống..
 NỘI DUNG 5: Đánh giá kết quả thực hiện.
 NỘI DUNG 6: Viết báo cáo thực hiện.
 NỘI DUNG 7: Bảo vệ luận văn.

1.4.

GIỚI HẠN
Đề tài có những giới hạn như sau:
- Khoảng cách từ đồng hồ nước đến trạm thu thập dữ liệu không quá 300 mét

trong điều kiện lý tưởng.
- Hệ thống chỉ hiển thị được thông tin lượng nước tiêu thụ tháng trước và
lượng nước hiện tại trên giao diện web.
- Hệ thống chưa cho phép người dùng có thể cài đặt các thơng số hay hiển thị
địa chỉ của lora trên màn hình TFT 2.4inch.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
- Cảm biến đo lưu lượng có độ chính xác tương đối, tốc độ xung có thể sai
lệch tùy thuộc vào tốc độ dòng chảy, áp suất chất lỏng và định hướng cảm biến.

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 thông số và bố cục đồ án.
 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.
Chương này trình bày về các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài

sẽ dùng để thực hiện thiết kế, thi cơng cho đề tài.
 Chương 3: Thiết Kế và Tính Tốn
Chương này sẽ tính tốn và thiết kế hệ thống: nêu sơ đồ khối, sơ đồ nguyên
lý toàn mạch, và thiết kế mơ hình.
 Chương 4: Thi Cơng Hệ Thống
Giới thiệu phần thi cơng mạch, đóng gói bộ điều khiển, các bước thi cơng mơ
hình hồn chỉnh. Viết hướng dẫn sử dụng.
 Chương 5: Kết Quả, Nhận xét và Đánh giá
Chương này trình bày kết quả đã hồn thành được, hình ảnh hoạt động của
mạch, nhận xét và đánh giá.
 Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển
Chương này sẽ trình bày các cơng việc đã thực hiện được trong đề tài và
hướng phát triển của 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 TẦM QUAN TRỌNG CỦA VIỆC QUẢN LÝ LƯỢNG NƯỚC
TIÊU THỤ
Quản lý và giám sát lượng nước tiêu thụ đóng vai trò quan trọng trong việc
quản lý và sử dụng tiết kiệm nước trong từng hộ gia đình, các cơng ty, trong ngành
cơng nghiệp sản xuất nước và chính phủ…trong những năm gần đây các nhà quản
lý và công ty sản xuất nước sạch đang phải chịu những áp lực to lớn về việc giám
sát và quản lý nước không chỉ ở những thành phố lớn mà cả ở nông thơn vì lượng
nước sạch đang ngày càng cạn kiệt.

Khi tiêu thụ nhiều nước sinh hoạt các hộ gia đình sẽ phải đối mặt với tình
trạng thiếu nguồn cung cấp nghiêm trọng kèm theo nguy cơ tăng giá nước sinh hoạt,
chất lượng nước sinh hoạt sản xuất không đáp ứng được các chỉ tiêu cơ bản dẫn đến
ảnh hưởng tới lợi ích của người sử dụng cũng như các công ty sản xuất nước…
Bằng cách kiểm soát nhu cầu nước sinh hoạt chúng ta có thể dễ dàng tiết kiệm nước
tại từng hộ gia đình sử dụng và có thể quản lý được lượng nước sạch cần thiết sản
xuất tại mỗi địa phương nhất định nhằm đánh giá đầy đủ về số lượng và chất lượng
lượng nước sản xuất.
Lợi ích của việc giám sát lượng nước sạch sử dụng:
 Đối với hộ gia đình: giám sát được chi tiết lượng nước của gia đình tại
mọi thời điểm mong muốn liên tục 24/24. Từ đó đưa ra giải pháp sử
dụng nước một cách hợp lí, tiết kiệm tránh tình trạng lãng phí hay bị sự
cố rị rỉ ống nước.
 Đối với cơng ty, nhà máy sản xuất nước: Giảm chi phí nhân cơng nhập
liệu hàng tháng, tránh sai sót khi thu thập dữ liệu bằng tay, dễ dàng lên
kế hoạch sản xuất nước đáp ứng nhu cầu của địa bàn.

2.2

TÌM HIỂU VỀ CƠNG NGHỆ LORA
2.2.1

Cơng nghệ LoRa

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

4


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Công nghệ LoRa, được phát triển bởi Semtech, là một giao thức không dây
mới được thiết kế để truyền thông tầm xa, năng lượng thấp. Giao thức cung cấp loại
khả năng liên lạc mà các thiết bị thơng minh cần có và liên minh LoRa đang hoạt
động để đảm bảo khả năng tương tác giữa nhiều mạng trên toàn quốc.
Một phần của phổ LoRa sử dụng thể hiện ít nhiễu điện từ, do đó tín hiệu có thể
kéo dài một khoảng cách xa, thậm chí đi qua các tịa nhà, với rất ít năng lượng. Điều
này phù hợp với các thiết bị IoT với dung lượng pin hạn chế. Điều đó cũng có nghĩa
là các tinh thể chi phí thấp hơn có thể được sử dụng, do đó việc xây dựng LoRa
thành các thiết bị rẻ hơn.
Mỗi gateway LoRa có thể xử lý hàng triệu node. Điều đó, cộng với thực tế là
các tín hiệu có thể kéo dài khoảng cách đáng kể, có nghĩa là cần ít cơ sở hạ tầng
mạng hơn, do đó làm cho việc xây dựng mạng LoRa rẻ hơn. Các mạng LoRa có thể
được đặt cùng với các thiết bị liên lạc khác, như các tháp điện thoại di động, làm
giảm đáng kể các hạn chế xây dựng.
Các tính năng khác của LoRa cũng khiến nó trở nên lý tưởng cho IoT. LoRa
sử dụng thuật toán tốc độ dữ liệu thích ứng để giúp tối đa hóa tuổi thọ pin và dung
lượng mạng của thiết bị. Các giao thức của nó bao gồm nhiều lớp mã hóa, ở cấp độ
mạng, ứng dụng và thiết bị, cho phép liên lạc an tồn. Tính hai chiều của giao thức
hỗ trợ các thơng điệp quảng bá, cho phép chức năng cập nhật phần mềm.

2.2.2 Phạm vi hoạt động và mức tiêu thụ năng lượng của LoRa
Kiến trúc mạng hình ngơi sao của LoRa sử dụng các dải tần số khu vực khác
nhau trong băng tần ISM và băng tần SRD. Ở châu Âu, chúng bao gồm dải tần từ
433,05 MHz đến 434,79 MHz và dải tần từ 863 MHz đến 870 MHz.
Tuy nhiên, ở Bắc Mỹ, dải tần từ 902 MHz đến 928 MHz được chấp thuận để
truyền dữ liệu. Các cảm biến có thể hoạt động trong nhiều năm mà khơng phải thay
pin.

2.2.3 Nguyên lý hoạt động của LoRa
LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế gọi là Chirp Spread Spectrum. Có thể hiểu

nguyên lý này là 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 (cái này gọi là chipped); sau đó tín hiệu
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

5


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
cao tần này tiếp tục được mã hoá theo các chuỗi chirp signal (là các 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.
Theo Semtech cơng bố thì ngun 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
không cần công 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 USA

2.2.4 Chế độ hoạt động của Module Lora
Module có thể được cấu hình truyền và nhận dữ liệu ở một trong hai chế độ:
 Fixed mode: Module có thể giao tiếp với module khác ngay cả khi nó
khác tần số phát với module truyền chỉ cần biết được địa chỉ và tần số
của nhau nhưng chỉ có hai module truyền nhận với nhau.

Hình 2. 1: Chế độ fixed mode
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

6


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
 Broadcast mode: Chế độ này trái ngược hoàn toàn với fixed mode, một
module truyền thì tất cả các module được cấu hình ở chế độ broadcast
mode và có cùng tần số phát sẽ đều nhận được dữ liệu.

Hình 2. 2: Chế độ boadcast mode

2.2.5 Phần mềm cấu hình Module LoRa E32-TTL-100 của nhà sản xuất
Sau khi đưa Module về Mode 3 (Sleep) ta kết nối Module với USB TTL và
bật phần mềm lên. Nếu kết nối thành công ta sẽ thấy giao diện giống như hình phía
dưới.
Click chọn “GetParam” để đọc các thơng số đang được cấu hình trên Module.
Chọn các thơng số cần cấu hình như: Address, Channel, tốc độ baudrate, parity,…
sau đó click vào tùy chọn “SetParam” để lưu cấu hình đã cài đặt vào bộ nhớ
Epprom.

Hình 2. 3: Giao diện phần mềm cấu hình LoRa
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

7


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.3

CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU

2.3.1 Chuẩn truyền thông UART
UART là viết tắt của Universal Asynchronous Receiver – Transmitter là kiểu
truyền thông tin nối tiếp không đồng bộ thường là một mạch tích hợp. Mục đích của
UART là để truyền tín hiệu qua lại lẫn nhau (ví dụ truyền tín hiệu từ Laptop vào
Modem hay ngược lại) hay truyền từ vi điều khiển tới vi điều khiển, từ laptop tới vi
điều khiển.
Các thông số trong chuẩn truyền UART:

Hình 2. 4: Gói dữ liệu truyền của UART
Packet: Một gói dữ liệu được truyền đi, bao gồm bit Start, khung truyền dữ
liệu, bit parity, bit Stop.
Bit Start: thường được giữ ở mức điện áp cao khi nó khơng truyền dữ liệu. Để
bắt đầu truyền dữ liệu, UART truyền sẽ kéo bit này từ cao xuống thấp trong một
chu kỳ xung nhịp. Khi UART nhận phát hiện sự chuyển đổi điện áp cao sang thấp,
nó bắt đầu đọc các bit trong khung dữ liệu ở tần số của tốc độ truyền.
Khung dữ liệu: chứa dữ liệu được truyền, nó có thể dài từ 5 đến 8 bit nếu sử
dụng một bit parity. Nếu khơng có bit parity nào được sử dụng, khung dữ liệu có thể
dài 9 bit. Bit parity có tác dụng kiểm tra xem dữ liệu có bị thay đổi trong q trình
truyền khơng bằng cách là kiểm tra tổng số bit 1 là chẵn hay lẻ rồi so sánh với dữ
liệu. Nếu tổng số bit 1 là chẵn mà bit parity bằng 0 thì quá trình truyền khơng có lỗi
và nếu bằng 1 thì đường truyền bị lỗi khiến dữ liệu bị thay đổi.
Bit Stop: để báo hiệu sự kết thúc của gói dữ liệu, UART gửi sẽ điều khiển
đường truyền dữ liệu từ điện áp thấp đến điện áp cao trong ít nhất hai bit.
Nguyên lý hoạt động:
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

8


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
UART truyền sẽ nhận dữ liệu từ một bus dữ liệu. Dữ liệu được truyền từ bus
dữ liệu sang UART truyền ở dạng song song rồi thêm bit start, bit parity và bit stop
để tạo gói dữ liệu. Sau đó, gói dữ liệu được xuất ra dạng nối tiếp tuần tự ở chân Tx
rồi truyền qua chân Rx của UART nhận. UART nhận đọc các gói dữ liệu nhận được
rồi loại bỏ bit start, bit parity và bit stop. Sau đó chuyển đổi dữ liệu trở lại dạng
song song.

Hình 2. 5: Sóng truyền UART

Hình 2. 6: Quá trình truyền UART

Hình 2. 7: Quá trình nhận UART

2.3.2 Chuẩn truyền thông SPI
SPI (Serial Peripheral Bus): là một chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao do
hãng Motorola đề xuất. Đây là kiểu truyền thơng Master-Slave, trong đó có 1 chip
Master điều phối q trình tuyền thơng và các chip Slaves được điều khiển bởi
Master vì thế truyền thông chỉ xảy ra giữa Master và Slave. SPI là một cách truyền
song công (full duplex) nghĩa là tại cùng một thời điểm q trình truyền và nhận có
thể xảy ra đồng thời. SPI đôi khi được gọi là chuẩn truyền thơng “4 dây” vì có 4

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

9

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
đường giao tiếp trong chuẩn này đó là SC (Serial Clock), MISO (Master Input Slave
Output), MOSI (Master Ouput Slave Input) và SS (Slave Select).
SCK: Xung giữ nhịp cho giao tiếp SPI, vì SPI là chuẩn truyền đồng bộ nên
cần 1 đường giữ nhịp, mỗi nhịp trên chân SC báo 1bit dữ liệu đến hoặc đi. Sự tồn
tại của chân SC giúp q trình tuyền ít bị lỗi và vì thế tốc độ truyền của SPI có thể
đạt rất cao. Xung nhịp chỉ được tạo ra bởi chip Master
MISO (Master Input /Slave Output): Nếu là chip Master thì đây là đường
Input cịn nếu là chip Slave thì MISO lại là Output. MISO của Master và các Slaves
được nối trực tiếp với nhau.
MOSI (Master Output / Slave Input): Nếu là chip Master thì đây là đường
Output cịn nếu là chip Slave thì MOSI là Input. MOSI của Master và các Slaves
được nối trực tiếp với nhau.
SS (Slave Select): SS là đường chọn Slave cần giap tiếp, trên các chip Slave
đường SS sẽ ở mức cao khi không làm việc. Nếu chip Master kéo đường SS của
một Slave nào đó xuống mức thấp thì việc giao tiếp sẽ xảy ra giữa Master và Slave
đó. Chỉ có 1 đường SS trên mỗi Slave nhưng có thể có nhiều đường điều khiển SS
trên Master, tùy thuộc vào thiết kế của người dùng.
Ngun lí hoạt động:
Mỗi chip Master hay Slave có một thanh ghi dữ liệu 8 bit. Cứ mỗi xung nhịp
do Master tạo ra trên đường giữ nhịp SCK, 1bit trong thanh ghi của Master được
truyền qua Slave trên đường MOSI, đồng thời 1bit trong thanh ghi của chip Slave
cũng được truyền qua Master trên đường MISO. Do 2 gói dữ liệu trên 2 chip được
gởi qua lại đồng thời nên quá trình truyền dữ liệu này được gọi là “song cơng”.
Hình dưới đây mơ tả q trình truyền 1 gói dữ liệu thực hiện bởi module SPI trong
AVR, bên trái là chip Master và bên phải là Slave.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

10


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2. 8: Truyền dữ liệu SPI

2.4

GIỚI THIỆU VỀ MYSQL
MySQL là hệ quản trị cơ sở dữ liệu mã nguồn mở miễn phí nằm trong nhóm

LAMP (Linux – Apache -MySQL – PHP) trái ngược với nhóm Microsoft
(Windows, IIS, SQL Server, ASP/ASP.NET), vì MySQL được tích hợp sử dụng
chung với apache, PHP nên nó phổ biến nhất thế giới. Vì MySQL ổn định và dễ sử
dụng, có tính khả chuyển, hoạt động trên nhiều hệ điều hành cung cấp một hệ thống
lớn các hàm tiện ích rất mạnh (vì được nhiều người hỗ trợ mã nguồn mở) và Mysql
cũng có cùng một cách truy xuất và mã lệnh tương tự với ngơn ngữ SQL chính vì
thế nên MySQL được sử dụng và hỗ trợ của những lập trình viên u thích mã
nguồn mở.
Nhưng Mysql khơng bao quát toàn bộ những câu truy vấn cao cấp như SQL
Server. Vì vậy Mysql chỉ đáp ứng việc truy xuất đơn giản trong q trình vận hành
của website, thích hợp cho các ứng dụng có truy cập CSDL trên internet và có thể
giải quyết hầu hết các bài tốn trong PHP, Perl.
Nó có nhiều phiên bản cho các hệ điều hành khác nhau: Windows, Linux, Mac
OSX, Unix, FreeBSD, NetBSD, Novell NetWare, SGI Irix, Solaris, SunOS, …
Một số đặc điểm của MySQL
 MySQL là một phần mềm quản trị CSDL dạng server-based (gần tương
đương với SQL Server của Microsoft).
 MySQL quản lý dữ liệu thơng qua các CSDL, mỗi CSDL có thể có nhiều

bảng quan hệ chứa dữ liệu.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

11


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
 MySQL có cơ chế phân quyền người sử dụng riêng, mỗi người dùng có thể
được quản lý một hoặc nhiều CSDL khác nhau, mỗi người dùng có một tên
truy cập (user name) và mật khẩu tương ứng để truy xuất đến CSDL.
 Khi ta truy vấn tới CSDL MySQL, ta phải cung cấp tên truy cập và mật khẩu
của tài khỏan có quyền sử dụng CSDL đó.

2.5

TỔNG QUAN VỀ PHP

2.5.1 Giới thiệu về php
PHP vay mượn một số cú pháp từ C, Pert, Shell và Java. Nó là một ngơn ngữ
lai, lấy các tính năng tốt nhất từ ngôn ngữ khác và tạo ra một ngôn ngữ kịch bản
(script language): dễ sử dụng và mạnh mẽ. Mã nguồn (code) php được sử dụng với
nhiều mục đích trong đó: đặc biệt thích hợp cho phát triển web và có thể được
nhúng vào các mã HTML.

2.5.2 Các đặc điểm của php
PHP là một ngôn ngữ lập trình web rất được ưa chuộng, hiện là ngơn ngữ lập
trình web phổ biến nhất. Nhờ vào một số đặc điểm sau:
 PHP dễ học và linh động.
 Rất nhiều hàm hỗ trợ và nhiều phần mở rộng phong phú.

 Đặc biệt mã nguồn mở, thường xuyên nâng cấp, chạy được trên nhiều máy
chủ web, nhiều hệ điều hành (đa nền tảng).
 Cộng đồng sử dụng và hỗ trợ đông đảo.
 Ngồi phần code chính (thường gọi là code thuần), các phần mở rộng cũng
rất phong phú mà lại miễn phí như nhiều frame work, nhiều CMS.
 Các mã nguồn chia sẻ trên mạng tìm được rất nhiều và dễ dàng.
 Được tích hợp và sử dụng ổn định trong một mơ hình LAMP =
Linux+Apache+Mysql+Php, mã nguồn mở, chi phí thấp.
 Các hosting hỗ trợ nhiều.

2.5.3 Các chức năng của php
Trước hết và cũng là quan trọng nhất, nó đảm nhiệm vai trị của: ngơn ngữ
kịch bản phía máy chủ (ServerSide script) - máy chủ sẽ tiếp nhận request (yêu cầu)
từ máy khách (client) - máy chủ web sẽ triệu gọi file mã nguồn tương ứng. Trong
file mã nguồn này chứa các mã php để xử lý request - trình thơng dịch sẽ dịch mã
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

12