Đồ án Thiết kế và thi công mô hình công viên 4.0

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1. ĐꢀT VꢁN Đꢂ

Chương 1

TỔNG QUAN

Phần lớn ở trường học các khuôn viên thường xây như thư viện, căn tin, khu thể

thao, sân đá bóng, nhưng chưa thấy ngôi trường nào làm một công viên xanh thu nhỏ

với nhiều tiện ích kết hợp với các công nghệ kỹ thuật hiện nay. Ngoài ra trong thành

phố Hồ Chí Minh có rất nhiều công viên cây xanh. Nhưng dường như hiếm thấy công

viên nào còn nguyên vẹn, thay vào đó là bị lõm, khuyết với những công trình tạm

hoặc kiên cố, rồi trung tâm tiệc cưới vẫn tồn tại, điều đó thể hiện sự bất lực của chính

quyền trong việc trả lại công viên cho người dân, từ mở đường cho đến quán xá làm

mất diện tích công viên. Đáng lưu ý hơn là nhiều nơi không có công viên cây xanh

nhưng ngay cả nơi may mắn có được, người dân cũng không thể thoải mái tản bộ, thể

dục hoặc thư giãn, vui chơi do phần lớn diện tích đất công viên cây xanh bị hàng

quán, bãi giữ xe lấn chiếm, bị cho thuê tổ chức hội chợ, triển lãm, khu vui chơi có

thu tiền.

Hầu hết các công viên là khuôn viên trồng cây xanh, hệ thống tưới cây còn thô

sơ, chưa có các hệ thống đèn quạt trong công viên để phục vụ. Khả năng giữ an ninh

rất thấp. Cho nên công viên mà nhóm chúng em hướng đến là một nơi có khu tham

quan với hệ thống đo nhiệt độ độ ẩm, có hồ phun nước, đặc biệt hơn có các khu nhà

nghĩ dưỡng, sinh hoạt được gắn các thiết bị được điều khiển bằng Wifi như quạt và

đèn.

Ngoài ra để tránh những vấn đề mất cắp thường xảy ra ở thư viện các trường

học thì công viên được làm thêm thẻ RFID và thành viên làm thẻ sẽ được vào công

viên. Có hệ thống Camera giám sát các hoạt động của công viên. Nhóm đã quyết định

nghiên cứu và thi công đề tài: “Thiꢀt kꢀ vꢁ thi công mô hꢂnh công viên 4.0”.

1.2. MꢃC TIÊU

Thực hiện được tính thực tế và sử dụng công nghệ để thuận tiện đối với sinh

viên, người tham quan và quản lý công viên, tạo ra một địa điểm lý tưởng để mọi

người thư giản và vui chơi. Thiết kế và thi công mô hình công viên với kích thước

chiều dài 80cm, chiều rộng 80cm, chiều cao 15 cm. Sử dụng vi điều khiển PIC16F887

và Module Wifi ESP8266 làm trung tâm điều khiển. Thiết kế App trên Smartphone

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

bằng MIT App Inventer. Đo nhiệt độ, độ ẩm bằng cảm biến DHT-11, hiển thị lên

LCD 16x2 và điều khiển động cơ bơm nước và đèn sưởi. Ứng dụng công nghệ RFID

và Camera phục vụ cho việc ngăn chặn các tác nhân xấu bên ngoài như trộm, cắp

diễn ra.

1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CꢄU

Trong đề tài này, nhóm sẽ tiến hành nghiên cứu các nội dung như sau:

 Nội dung 1: Thu thập dữ liệu về các mô hình có trong công viên và khảo sát

người đến công viên muốn công viên cần thêm nhưng mô hình và thiết bị gì để phục

vụ.

 Nội dung 2: Tìm hiểu ưu và nhược điểm của một công viên đang hoạt động

hiện nay.

 Nội dung 3: Tìm hiểu hệ thống nào cần trong công viên.

 Nội dung 4: Thiết kế và thi công mô hình.

 Nội dung 5: Đánh giá kết quả thực hiện.

 Nội dung 6: Nhận xét ưu nhược điểm của toàn bộ hệ thống và hướng phát triển

đề tài.

1.4. GIꢅI HꢆN

Đây là mô hình công viên công nghệ giai đoạn cơ bản. Sử dụng công nghệ thẻ

quẹt RIFD và Camera để giám sát người ra vào hợp lệ.

Sử dụng công nghệ RFID với 2 loại thẻ, ứng với 1 người là thẻ đúng là 1 người

là thẻ sai để ra vào công viên.

Hiển thị nội dung quảng cáo hoặc tên công viên bằng 4 Led Matrix kết nối

Bluetooth với khoảng cách điều khiển 10m.

Điều khiển đèn 12V DC và quạt 12V DC bằng cách kết nối Wifi trong công

viên và sử dụng với khoảng cách từ 10m - 20m.

Màn hình hiển thị nhiệt độ, độ ẩm và quẹt thẻ RFID chỉ là LCD 16x2.

1.5. Bꢇ CꢃC

Đꢈ tꢉi đưꢊc trꢋnh bꢉy trong 6 chương:

 Chương 1: Tổng quan

 Chương 2: Cơ sở lý thuyết

 Chương 3: Thiết kế hꢌ thꢍng

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

2

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

 Chương 4: Thi công hꢌ thꢍng

 Chương 5: Kết quả, nhận xét vꢉ đánh giá

 Chương 6: Kết huận vꢉ hướng phát triển

Cꢎ thể như sau:

 Chương 1: Tổng quan

Đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, trình bày mục tiêu, nội dung nghiên cứu,

xác định một số giới hạn và trình bày bố cục của đề tài.

 Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Trình bày, phân tích ưu nhược điểm của các công viên hiện đang còn hoạt động,

từ đó chọn ra phương án phꢀ hợp cho đề tài. Giới thiệu một số lý thuyết liên quan và

những phần cứng cần sử dụng cho đề tài.

 Chương 3: Thiết kế hꢌ thꢍng

Xây dựng sơ đồ khối, trình bày nguyên lý hoạt động của hệ thống. Thiết kế và

lựa chọn linh kiện phꢀ hợp cho từng khối. Xây dựng sơ đồ nguyên lý cho từng khối

và toàn bộ hệ thống.

 Chương 4: Thi công hꢌ thꢍng

 Trình bày các bước thi công mô hình hoàn chỉnh từ phần cứng đến phần mềm.

Xây dựng lưu đồ giải thuật, phương trình tính toán các thông số cụ thể, xử lý tín hiệu

và lập trình cho vi điều khiển.

 Chương 5: Kết quả, nhận xét vꢉ đánh giá

Trình bày những kết quả đạt được (cấu trúc mô hình). Sau đó đưa ra nhận xét

tổng thể về đề tài cũng như những đánh giá dựa trên các mục tiêu đã đặt ra ban đầu.

 Chương 6: Kết luận vꢉ hướng phát triển

Trình bày những ưu nhược điểm của toàn bộ hệ thống. Từ đó, đưa ra kết luận

và 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 LẬP TRÌNH PIC VÀ MỘT SỐ CÔNG CỤ LIÊN QUAN

2.1.1 Ngôn ngꢀ C.

Ngôn ngữ lập trình C là một ngôn ngữ mệnh lệnh được phát triển từ đầu thập

niên 1970 bởi Ken Thompson và Dennis Ritchie để dꢀng trong hệ điều hành UNIX.

Từ đó, ngôn ngữ này đã lan rộng ra nhiều hệ điều hành khác và trở thành một những

ngôn ngữ phổ dụng nhất. C là ngôn ngữ rất có hiệu quả và được ưa chuộng nhất để

viết các phần mềm hệ thống, mặc dꢀ nó cũng được dꢀng cho việc viết các ứng dụng.

Năm 1989 viện tiêu chuẩn của hoa kỳ đã công bố bản chuẩn hóa C còn được gọi là

ANSI 89 (C89) sau đó năm 1990 nâng cấp bản chuẩn hóa này gọi là ANSI 90 (C90),

Hệ điều hành Unix có tới 90% là được viết bởi ngôn ngữ C. 10% là được viết bởi hợp

ngữ. Ngoài ra có rất nhiều các trình điều khiển hỗ trợ lập trình bằng ngôn ngữ C. So

với các ngôn ngữ như C++/C#, Java, ngôn ngữ C có kích cỡ nhỏ. Các thư viện trong

ngôn ngữ C là hạn chế, chỉ chứa các hàm cơ bản. Ngôn ngữ C không đưa ra các ràng

buộc đối với người lập trình. C được sử dụng trong nhiều dự án khác nhau, như viết

hệ điều hành, chương trình xử lý văn bản, đồ hoạ, bảng tính, và thậm chí cả chương

trình dịch cho các ngôn ngữ khác.

2.1.2 Công nghꢌ RFID (Radio Frequency Identification).

Giới thiꢌu.

RFID là công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến. Công nghệ này

cho phép nhận biết các đối tượng thông qua hệ thống thu phát sóng radio, từ đó có

thể giám sát, quản lý hoặc lưu vết từng đối tượng.

Cꢏu tꢐo.

Một thiết bị hay một hệ thống RFID được cấu tạo bởi hai thành phần chính là

thiết bị đọc (reader) và thiết bị phát mã RFID có gắn chip hay còn gọi là tag. Thiết bị

đọc được gắn antenna để thu - phát sóng điện từ, thiết bị phát mã RFID tag được gắn

với vật cần nhận dạng, mỗi thiết bi RFID tag chứa một mã số nhất định và không

trꢀng lặp nhau.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

4

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.1 Cấu trúc thẻ RFID và hệ thống RFID cơ bản.

Nguyên lý hoꢐt đꢑng.

Thiết bị RFID reader phát ra sóng điện từ ở một tần số nhất định, khi đặt thiết

bị RFID trong vꢀng hoạt động sẽ cảm nhận được sóng điện từ này và thu nhận năng

lượng, từ đó phát lại cho thiết bị RFID reader biết mã số của mình. Từ đó thiết bị

RFID reader nhận biết được tag nào đang trong vꢀng hoạt động.

ꢄng dꢎng.

Thẻ chip (tag) RFID chứa rất nhiều mã nhận dạng khác nhau, thông thường là

32 bit tương ứng với hơn 4 tỷ mã số khác nhau. Ngoài ra khi xuất xưởng mỗi thẻ chip

RFID được gán một mã số khác nhau. Do vậy, khi một vật được gắn chip RFID thì

khả năng nhận dạng nhầm vật đó với 1 thẻ chip RFID khác là rất thấp, xác suất là 1

phần 4 tỷ. Với ưu điểm về mặt công nghệ như vậy nên sự bảo mật và độ an toàn của

các thiết bị ứng dụng công nghệ RFID là rất cao.

– Ứng dụng quản lý lưu thông hàng hóa.

– Ứng dụng quản lý kho hàng.

– Ứng dụng quản lý thu phí đường bộ tự động.

– Bên cạnh những ứng dụng nổi bật đó còn rất nhiều những ứng dụng thiết thực

cho quản lý như: quản lý nhà máy, quản lý thư viện, quản lý chấm công, quản lý bãi

giữ xe, nhà hàng, phòng khách sạn, phòng học, quản lý nhà ăn, quản lý sinh viên,

quản lý bệnh viện, khóa cửa dꢀng công nghệ RFID, chống trộm xe máy, …

2.1.3 Phꢒn mꢈm CCS.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

5

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.2 Giao diện của phần mềm CCS.

CCS là trình biên dịch lập trình ngôn ngữ C cho Vi điều khiển PIC của hãng

Microchip.

Chương trình là sự tích hợp của 3 trình biên dich riêng biết cho 3 dòng PIC

khác nhau đó là:

‐ PCB cho dòng PIC 12‐bit opcodes

‐ PCM cho dòng PIC 14‐bit opcodes

‐ PCH cho dòng PIC 16 và 18‐bit

Tất cả 3 trình biên dịch này đuợc tích hợp lại vào trong một chương trình bao

gồm cả trình soạn thảo và biên dịch là CCS, phiên bản mới nhất là PCWH Compiler

Ver 3.227.

Giống như nhiều trình biên dich C khác cho PIC, CCS giúp cho người sử dụng

nắm bắt nhanh được vi điều khiển PIC và sử dụng PIC trong các dự án. Các chương

trình diều khiển sẽ được thực hiện nhanh chóng và đạt hiệu quả cao thông qua việc

sử dụng ngôn ngữ lập trình cấp cao – Ngôn ngữ C. Tài liệu hướng dẫn sử dụng có rất

nhiều, nhưng chi tiết nhất chính là bản Help đi kèm theo phần mềm (tài liệu Tiếng

Anh). Trong bản trợ giúp nhà sản xuất đã mô tả rất nhiều về hằng, biến, chỉ thị tiền

xử lý, cấu trúc các câu lệnh trong chương trình, các hàm tạo sẵn cho người sử dụng…

2.1.4 App Inventor

MIT App Inventor dành cho Android là một ứng dụng web nguồn mở ban đầu

được cung cấp bởi Google và hiện tại được duy trì bởi Viện Công nghệ Massachusetts

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

6

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

(MIT). Nền tảng cho phép nhà lập trình tạo ra các ứng dụng phần mềm cho hệ điều

hành Android (OS). Bằng cách sử dụng giao diện đồ họa, nền tảng cho phép người

dꢀng kéo và thả các khối mã (blocks) để tạo ra các ứng dụng có thể chạy trên thiết bị

Android. Đến thời điểm hiện tại 07/2017, phiên bản IOS của nền tảng này đã bắt đầu

được đưa vào thử nghiệm bởi Thunkable, là một trong các nhà cung cấp ứng dụng

web cho ngôn ngữ này.

Mục tiêu cốt lõi của MIT App Inventor là giúp đỡ những người chưa có kiến

thức về ngôn ngữ lập trình từ trước có thể tạo ra những ứng dụng có ích trên hệ điều

hành Android. Phiên bản mới nhất là MIT App Inventor 2.

Ngày nay, MIT đã hoàn thiện App Inventor và nó được chia sẻ ngay trên tài

khoản Google. Các lập trình viên mới bắt đầu hoặc bất kỳ ai muốn tạo ra ứng dụng

Android chỉ cần vào địa chỉ web của MIT, nhập thông tin tài khoản Google, và từ

những mảnh ghép nhỏ, xây dựng những ý tưởng của mình.

Bạn là người mới bắt đầu hoặc chưa biết gì hết về App Inventor? MIT có sẵn

một loạt các hướng dẫn cụ thể cho bạn làm quen với chương trình.

Hình 2.3 Giao diện của App Inventor

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

7

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.5 Phꢒn mꢈm Arduino IDE

Hình 2.4 Giao diện của phầm mềm Arduino IDE 1.8.5

Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngôn ngữ riêng.

Ngôn ngữ này dựa trên ngôn ngữ Wiring được viết cho phần cứng. Và Wiring lại là

một biến thể của C/C++. Một số người gọi nó là Wiring, một số khác thì gọi là C hay

C/C++ và đội ngũ phát triển Arduino gọi là ngôn ngữ Arduino. Ngôn ngữ

Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ biến hiện nay do đó rất dễ học, dễ hiểu. Để lập trình

cũng như gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhóm phát triển dự án này đã

cũng cấp đến cho người dꢀng một môi trường lập trình Arduino được gọi là Arduino

IDE (Intergrated Development Environment).

Arduino IDE là phần mềm dꢀng để lập trình cho Arduino. Môi trường lập trình

Arduino IDE có thể chạy trên ba nền tảng phổ biến nhất hiện nay là Windows,

Macintosh OSX và Linux. Do có tính chất nguồn mở nên môi trường lập trình này

hoàn toàn miễn phí và có thể mở rộng thêm bởi người dꢀng có kinh nghiệm. Ngôn

ngữ lập trình có thể được mở rộng thông qua các thư viện C++. Và do ngôn ngữ lập

trình này dựa trên nền tảng ngôn ngữ C của AVR nên người dꢀng hoàn toàn có thể

nhúng thêm code viết bằng AVR vào chương trình nếu muốn.

2.2 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP TRUYꢂN DỮ LIỆU

2.2.1 Giao tiếp UART (Universal Asynchronous Receive/Transmit)

a. Giới thiꢌu

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

8

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

UART là viết tắt của Universal Asynchronous Receiver – Transmitter. Thường

là một mạch tích hợp được sử dụng trong việc truyền dẫn dữ liệu nối tiếp giữa máy

tính và các thiết bị ngoại vi. Rất nhiều vi điều khiển hiện nay đã được tích hợp UART,

vì vấn đề tốc độ và độ điện dụng của UART không thể so sánh với các giao tiếp mới

hiện nay nên các dòng PC & Laptop đời mới không còn tích hợp cổng UART. Giao

tiếp SPI và I2C có 1 dây truyền dữ liệu và 1 dây được sử dụng để truyền xung clock

(SCL) để đồng bộ trong giao tiếp. Với UART thì không có dây SCL, vấn đề được

giải quyết khi mà việc truyền UART được dꢀng giữa 2 vi xử lý với nhau, đồng nghĩa

với việc mỗi vi xử lý có thể tự tạo ra xung clock cho chính nó sử dụng. Để bắt đầu

cho việc truyền dữ liệu bằng UART, một START bit được gửi đi, sau đó là các bit

dữ liệu và kết thúc quá trình truyền là STOP bit.

Hình 2.5 Truyền dữ liệu bằng UART.

Khi ở trạng thái chờ mức điện thế ở mức 1 (high). Khi bắt đầu truyền START

bit sẽ chuyển từ 1 xuống 0 để báo hiệu cho bộ nhận là quá trình truyền dữ liệu sắp

xảy ra. Sau START bit là đến các bit dữ liệu D0-D7 (Theo hình vẽ các bit này có thể

ở mức High or Low tꢀy theo dữ liệu). Sau khi truyền hết dữ liệu thì đến Bit Parity để

bộ nhận kiểm tra tính đúng đắn của dữ liệu truyền. Cuối cꢀng là STOP bit là 1 báo

cho thiết bị rằng các bit đã được gửi xong. Thiết bị nhận sẽ tiến hành kiểm tra khung

truyền nhằm đảm báo tính đúng đắn của dữ liệu.

b. Các thông sꢍ cơ bản trong truyꢈn nhận UART

Baud rate (tốc độ baud): Khoảng thời gian dành cho 1 bit được truyền. Phải

được cài đặt giống nhau ở gửi và nhận.

Frame (khung truyền): Khung truyền quy định về số bit trong mỗi lần truyền.

Start bit: là bit đầu tiên được truyền trong 1 Frame. Báo hiệu cho thiết bị nhận

có một gói dữ liệu sắp được truyền đến (bit bắt buộc).

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

9

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Data: dữ liệu cần truyền. Bit có trọng số nhỏ nhất LSB được truyền trước sau

đó đến bit MSB.

Parity bit: kiểm tra dữ liệu truyền có đúng không.

Stop bit: là 1 hoặc các bit báo cho thiết bị rằng các bit đã được gửi xong. Thiết

bị nhận sẽ tiến hành kiểm tra khung truyền nhằm đảm bảo tính đúng đắn của dữ liệu

(bit bắt buộc).

2.2.2 Chuꢓn giao tiếp USB (Universal Serial Bus)

a. Giới thiꢌu

USB là một chuẩn kết nối tuần tự đa dụng trong máy tính. USB sử dụng để kết

nối các thiết bị ngoại vi với máy tính, chúng thường được thiết kế dưới dạng các đầu

cắm cho các thiết bị tuân theo chuẩn cắm và chạy mà với tính năng cắm nóng thiết bị

(nối và ngắt các thiết bị không cần phải khởi động lại hệ thống).

b. Đꢔc điểm

Cho phép mở rộng 127 thiết bị kết nối cꢀng vào một máy tính thông qua một

cổng USB duy nhất.

Với USB 2.0 chuẩn tốc độ cao, đường truyền đạt tốc độ tối đa đến 480 Mbps.

Cáp USB gồm hai sợi nguồn (+5V và dây chung GND) cꢀng một cặp gồm hai

sợi dây xoắn để mang dữ liệu. Trên sợi nguồn, máy tính có thể cấp nguồn lên tới

500mA ở điện áp 5V một chiều (DC).

Những thiết bị tiêu thụ công suất thấp (ví dụ: chuột, bàn phím, loa máy tính

công suất thấp...) được cung cấp điện năng hoạt động trực tiếp từ các cổng USB mà

không cần có sự cung cấp nguồn riêng. Với các thiết bị cần sử dụng nguồn công suất

lớn (như máy in, máy quét...) không sử dụng nguồn điện từ đường truyền USB như

nguồn chính của chúng, lúc này đường truyền nguồn chỉ có tác dụng như một sự so

sánh mức điện thế của tín hiệu.

Những thiết bị USB có đặc tính cắm nóng, điều này có nghĩa các thiết bị có thể

được kết nối (cắm vào) hoặc ngắt kết nối (rút ra) trong mọi thời điểm mà người sử

dụng cần mà không cần phải khởi động lại hệ thống.

Nhiều thiết bị USB có thể được chuyển về trạng thái tạm ngừng hoạt động khi

máy tính chuyển sang chế độ tiết kiệm điện.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

10

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.2.3 Chuꢓn giao tiếp Wifi (Wireless Fidelity)

Hình 2.6 Chuẩn giao tiếp Wifi

a. Giới thiꢌu

Wifi viết tắt của từ Wireless Fidelity là hệ thống truy cập Internet không dây sử

dụng sóng vô tuyến, giống như truyền hình, Radio và hoàn toàn không cần cáp nối.

Wifi phát sóng trong một phạm vi nhất định vì thế các thiết bị như laptop, máy tính

bảng, Smartphone chỉ cần bật tính năng kết nối Wifi và hoạt động trong tầm phủ sóng

là có thể kết nối, truy cập sử dụng internet bình thường.

b. Nguyên tắc hoꢐt đꢑng của mꢐng Wifi

Để tạo được kết nối Wifi nhất thiết phải có Router (bộ thu phát), Router này lấy

thông tin từ mạng Internet qua kết nối hữu tuyến rồi chuyển nó sang tín hiệu vô tuyến

và gửi đi, bộ chuyển tín hiệu không dây (Adapter) trên các thiết bị di động thu nhận

tín hiệu này rồi giải mã nó sang những dữ liệu cần thiết. Quá trình này có thể thực

hiện ngược lại, Router nhận tín hiệu vô tuyến từ Adapter và giải mã chúng rồi gởi

qua Internet.

2.2.4 Giao thức MQTT (Message Queuing Telemetry Transport)

MQTT là một giao thức gởi dạng publish/subscribe sử dụng cho các thiết

bị Internet of Things với băng thông thấp, độ tin cậy cao và khả năng được sử dụng

trong mạng lưới không ổn định. Bởi vì giao thức này sử dụng băng thông thấp trong

môi trường có độ trễ cao nên nó là một giao thức lý tưởng cho các ứng dụng M2M.

MQTT cũng là giao thức sử dụng trong Facebook Messager.

Trong chương trình ESP8266, sẽ có 4 thông tin quan trọng. Đó là máy chủ,

người dꢀng, mật khẩu và cổng (port). Hãy nhớ rằng “test.mosquitto.org” không yêu

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

11

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

cầu người dꢀng đăng nhập và khi bạn đang vận hành một broker của riêng bạn, bạn

không cần đăng nhập (nhưng có thể đặt), nhưng tôi sẽ giới thiệu hai biến này trong

chương trình để dành khi cần sử dụng.

ESP8266 sử dụng giao thức MQTT được coi là "client - khách" của "broker".

Để cho ESP8266 nói chuyện với broker PubSubClient là 1 thư viện rất phổ biến. Thư

viện đó được gọi là 'PubSub' vì nó cho phép ESP 'publish - xuất bản' các tin nhắn

MQTT cho broker và để 'Subscribe - Đăng ký nhận tin' với các tin nhắn MQTT của

broker. Bạn có nhớ tôi đã nói lò nướng không cần phải nghe tủ lạnh nói chuyện với

máy pha cà phê? Vâng, đó là những gì 'đăng ký' là dành cho ESP8266 cụ thể chỉ nhận

được thông báo đã đăng ký. Thư viện có thể được cài đặt thông qua trình quản lý thư

viện IDE Arduino.

2.3 GIꢅI THIỆU PHẦN CꢄNG

Với đề tài này, nhóm sẽ sử dụng một số thiết bị phần cứng như sau:

- Thiết bị xử lý trung tâm: Vi điều khiển PIC 16F887, ESP8266.

- Thiết bị đầu vào: Module đọc thẻ RFID RC522, Camera, cảm biến đo nhiệt độ,

độ ẩm DHT11, Module bluetooth HC-05.

- Thiết bị đầu ra: Động cơ DC, Relay, Buzzer, Động cơ bước 4 dây, Led Matrix,

LCD 16x2, đèn 220V AC.

2.3.1 Thiết bꢕ xꢖ lý trung tâm – Vi điꢈu khiển PIC 16F887

Giới thiꢌu

Vi xử lý có rất nhiều loại bắt đầu từ 4 bit cho đến 32 bit, vi xử lý 4 bit hiện nay

không còn nhưng vi xử lý 8 bit vẫn còn mặc dꢀ đã có vi xử lý 64 bit. Lý do sự tồn tại

của vi xử lý 8 bit là phꢀ hợp với một số yêu cầu điều khiển trong công nghiệp. Các

vi xử lý 32 bit, 64 bit thường sử dụng cho các máy tính vì khối lượng dữ liệu của máy

tính rất lớn nên cần các vi xử lý càng mạnh càng tốt. Các hệ thống điều khiển trong

công nghiệp sử dụng các vi xử lý 8 bit hay 16 bit như hệ thống điện của xe hơi, hệ

thống điều hòa, hệ thống điều khiển các dây chuyền sản xuất. Có rất nhiều hãng chế

tạo được vi điều khiển, hãng sản xuất nổi tiếng là TI, Microchip, ATMEL tài liệu này

sẽ giới thiệu về vi điều khiển tiêu biểu là PIC16F887 của MICROCHIP.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

12

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.7 Hệ thống vi xử lý

Đꢔc điểm thực thi tꢍc đꢑ

- Tốc độ hoạt động

. Ngõ vào xung clock có tần số 20MHZ

. Chu kì lệnh thực hiện 200ns

- Có nhiều nguồn ngắt

- Có 3 kiểu định địa chỉ trực tiếp, gián tiếp và tức thời.

Cꢏu trúc đꢔc biꢌt của vi điꢈu khiển

- Bộ dao động nội chính xác.

. Sai số ± 1%.

. Có thể lựa chọn tần số từ 31kHz đến 8Mhz bằng phần mềm.

. Mạch phát hiện hỏng dao động thạch anh cho các ứng dụng quan trọng.

. Có chuyển mạch nguồn xung clock trong quá trình hoạt động để tiết kiệm công

suất.

- Dãy điện áp hoạt động rộng từ 2V đến 5,5V.

- Tầm nhiệt độ làm việc theo chuẩn công nghiệp.

- Có mạch reset khi có điện (Power On Reset–POR).

- Có bộ định thời chờ ổn định điện áp khi mới có điện (Power up Timer–PWRT)

và bộ định thời chờdao động hoạt động ổn định khi mới cấp điện (OscillatorStart-

up Timer –OST).

- Có mạch tự động reset khi phát hiện nguồn điện cấp bị sụt giảm, cho phép lựa

chọn bằng phần mềm (Brown out Reset –BOR)

- Có bộ định thời giám sát (Watchdog Timer–WDT) dung dao động trong chip cho

phép

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

13

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

- bằng phần mềm (có thể định thời lên đến 268 giây).

- Đa hợp ngõ vào reset với ngõ vào có điện trở kéo lên.

- Có bảo vệ code đã lập trình.

- Bộ nhớ Flash cho phép xóa và lập trình 100,000 lần.

- Bộ nhớ Eeprom cho phép xóa và lập trình 1,000,000 lần và có thể tồn tại trên 40

năm.

- Cho phép đọc/ghi bộ nhớ chương trình khi mạch hoạt động.

- Có tích hợp mạch gỡ rối.

Cꢏu trúc nguồn công suꢏt thꢏp

- Chế độ chờ: dòng tiêu tán khoảng 50nA, sử dụng nguồn 2V.

- Dòng hoạt động:

. 11μA ở tần số hoạt động 32kHz, sử dụng nguồn 2V.

. 220μA ở tần số hoạt động 4MHz, sử dụng nguồn 2V.

- Bộ định thời Watchdog Timer khi hoạt động tiêu thụ 1,4μA, điện áp 2V.

Cꢏu trúc ngoꢐi vi

- Cấu trúc ngoại vi

- Có 35 chân I/O cho phép lựa chọn hướng độc lập:

. Mỗi ngõ ra có thể nhận/cấp dòng lớn khoảng 25mA nên có thể trực tiếp điều

khiển led.

. Có các port báo ngắt khi có thay đổi mức logic.

. Có các port có điện trở kéo lên bên trong có thể lập trình.

. Có ngõ vào báo thức khỏi chế độ công suất cực thấp.

- Có module so sánh tương tự:

. Có 2 bộ so sánh điện áp tươngtự

. Có module nguồn điện áp tham chiếu có thể lập trình.

. Có nguồn điện áp tham chiếu cố định có giá trị bằng 0,6V.

. Có các ngõ vào và các ngõ ra của bộ so sánh điện áp.

. Có chế độ chốt SR.

- Có bộ chuyển đổi tương tự sang số:

. Có 14 bộ chuyển đổi tương tự với độ phân giải 10 bit.

- Có timer0: 8 bit định thời/đếm xung ngoại có bộ chia trước có thể lập trình.

- Có timer1:

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

14

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

. 16 bit hoạt động định thời/đếm xung ngoại có bộ chia trước có thể lập trình.

. Có ngõ vào cổng của timer1 để có thể điều khiển timer1 đếm từ tín hiệu bên

ngoài.

. Có bộ dao động công suất thấp có tần số 32kHz.

- Có timer2: 8 bit hoạt động định thời với thanh ghi chu kỳ, có bộ chia trước và sau.

- Có module capture, compare và điều chế xung PWM+ nâng cao

. Có bộ capture 16 bit có thể đếm được xung với độ phân giải caonhất là 12,5ns.

. Có bộ điều chế xung PWM với số kênh ngõ ra là 1, 2 hoặc 4, có thể lập trình

với tần số lớn nhất là 20kHz.

. Có ngõ ra PWM điều khiển lái.

- Có module capture, compare và điều chế xung PWM

. Có bộ capture 16 bit có thể đếm được xung với chu kỳ cao nhất là 12,5ns.

. Có bộ so sánh 16 bit có thể so sánh xung đếm với chu kỳ lớn nhất là 200ns

. Có bộ điều chế xung PWM có thể lập trình với tần số lớn nhất là 20kHz.

- Có thể lập trình trên bo ISP thông qua 2 chân.

- Có module truyền dữ liệu nối tiếp đồng bộ MSSP hổ trợ chuẩn truyền 3 dây SPI,

chuẩn I2C ở 2 chế độ chủ và tớ.

Sơ đồ chân của vi điều khiển PIC16F887:

Hình 2.8 Sơ đồ chân của Vi điều khiển PIC 16F887

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

15

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Phân loꢐi

Hiện nay có rất nhiều loại vi điều khiển có thể thực hiện được chức năng của

khối xử lý như các dòng AT89xx, Arduino, ARM, PIC, AVR, Raspberry Pi… ARM

và AVR có tốc độ xử lý tốt nhưng có hệ thống thư viện phức tạp nên khó sử dụng và

giá cũng đắt đỏ; Arduino thì có một thống thư viện mở lớn, có tích hợp mạch nạp và

các cổng giao tiếp, tài liệu nhiều nhưng đồi hỏi ngoại ngữvà giá thành cũng hơi cao;

Raspberry Pi là 1 chip xử lý mạnh mẽ, phục vụ nhiều mục đích nhưng để sử dụng

được yêu cầu phải có kiến thức cao. Với AT89xxx thì đây là loại ra đời trước nhiều

loại vi điều khiển khác với công nghệ kém hơn, ít chức năng hơn. Với họ Pic thì dòng

Pic16fxxx được hỗ trợ nhiều và có nhiều chủng loại loại để lựa chọn, tuy giá thành

có cao hơn AT89xxx nhưng lại có nhiều chức năng hơn đồng thời Pic cũng đang được

dꢀng rất nhiều trong công nghiệp. Chính vì vậy đề tài chọn PIC 16F887 làm trung

tâm điều khiển.

Nguyên lý hoꢐt đꢑng

Trạng thái ngõ vào của vi điều khiển được phát hiện và được lưu vào bộ nhớ

đệm, (bộ nhớ trong vi điều khiển gồm các thành phần như sau: ROM, EPROM,

EEOROM) thực hiện các lệnh trên các trạng thái của chúng và thông qua chương

trình trạng thái, ngõ ra được cập nhật. Sau đó, trạng thái ngõ ra được điều khiển hoàn

toàn tự động theo chương trình trong bộ nhớ. Chương trình được truyền nạp vào vi

điều khiển thông qua những thiết bị lập trình chuyên dụng.

ꢄng dꢎng

Nhờ họat động theo chương trình nên VĐK có thể được ứng dụng để điều khiển

nhiều thiết bị máy móc khác nhau. Chỉ cần thay đổi chương trình điều khiển và cách

kết nối thì chính VĐK đó để điều khiển thiết bị, hay máy móc khác. Cũng như vậy,

nếu muốn thay đổi quy luật hoạt động của máy móc, thiết bị hay hệ thống sản xuất tự

động, rất đơn giản, chỉ cần thay đổi chương trình điều khiển. Các đối tượng mà VĐK

có thể điều khiển được rất đa dạng, từ máy bơm, máy cắt, máy khoan, lò nhiệt,

…VĐK có bộ ADC có đo nhiệt độ và độ ẩm, …

2.3.2 Cảm biến DHT11.

Giới thiꢌu

DHT11 Là cảm biến nhiệt độ, độ ẩm rất thông dụng hiện nay vì chi phí rẻ và rất

dễ lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1-wire (giao tiếp digital 1-wire truyền dữ liệu duy

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

16

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

nhất). Cảm biến được tích hợp bộ tiền xử lý tín hiệu giúp dữ liệu nhận về được chính

xác mà không cần phải qua bất kỳ tính toán nào.

Đꢔc điểm:

- Điện áp hoạt động: 3V - 5V (DC)

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

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

- Tần số lấy mẫu tối đa: 1 Hz

- Khoảng cách truyển tối đa: 20m

- Sơ đồ chân Cảm biến DHT11 gồm 2 chân cấp nguồn, và 1 chân tín hiệu. Hiện

nay, thông dụng ngoài thị trường có hai loại đóng gói cho DHT11: 3 chân và

4 chân. Xem các hình dưới

Hình 2.9 Cảm biến DHT11

Phân loꢐi

Để đọc nhiệt độ môi trường ta có thể sử dụng các loại cảm biến LM35,

DS18B20, LM335Z hay các module được tích hợp đo nhiệt độ như HR202, NTC, …

Với nhiệm vụ đọc nhiệt độ môi trường để xử lý thì cảm biến nhiệt độ DHT11 có thể

đáp ứng tốt yêu cầu đề tài. Với ưu điểm như hoạt động khá chính xác với sai số ít,

kích thước nhỏ và giá thành thấp, cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 là một trong

những cảm biến tương tự được sử dụng rất nhiều trong các ứng dụng đo nhiệt độ và

độ ẩm

ꢄng dꢎng

Cảm biến quang đóng vai trò rất quan trọng trong lĩnh vực công nghiệp tự động

hóa. Ứng dụng chủ yếu của cảm biến DHT11 là dꢀng để đo nhiệt độ và độ ẩm và để

phục vụ cho các hoạt động trong công nghiệp, …

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

17

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.3.3 Đꢑng cơ DC

Giới thiꢌu

Động cơ DC là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều. Đầu dây ra

của động cơ thường gồm hai dây (dây nguồn - VCC và dây tiếp đất - GND).

Khi cung cấp năng lượng, động cơ DC sẽ bắt đầu quay, chuyển điện năng thành

cơ năng. Hầu hết các động cơ DC sẽ quay với cường độ RPM rất cao (số vòng quay/

phút). Tốc độ không tải của động cơ DC nếu không giảm tốc có thể đạt từ 1000RPM

tới 40.000RPM.

Cꢏu tꢐo vꢉ nguyên lý hoꢐt đꢑng

– Cấu tạo: gồm có 3 phần chính stator (phần cảm), rotor (phần ứng), và phần cổ

góp - chỉnh lưu.

+ Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh

cửu, hay nam châm điện.

+ Rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều.

+ Bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển

động quay của rotor là liên tục. Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và

một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp.

 Nguyên lý hoạt động:

Pha 2

Pha 1

Pha 3

Hình 2.10 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều

+ Pha 1: Từ trường của rotor cùng cực với stator, sẽ đẩy nhau tạo ra chuyển

động quay của rotor.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

18

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

+ Pha 2: Rotor tiếp tục quay.

+ Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ trường giữa stator và rotor

cùng dấu, trở lại pha 1.

Nếu trục của một động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngoài, động cơ

sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một sức điện động cảm ứng.

Phân loꢐi

- Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập.

- Động cơ điện 1 chiều kích từ song song.

- Động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp.

- Động cơ điện 1 chiều kích từ hỗn hợp.

ꢄng dꢎng

Bởi có thể dễ dàng điều chỉnh tốc độ và khả năng làm việc trong môi trường

quá tải nên động cơ điện một chiều giữ vai trò rất quan trọng trong công nghiệp. Ứng

dụng trong các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi lớn như máy

công cụ lớn, máy cán thép, máy kéo sợi, … Ngoài ra, động cơ điện một chiều còn

được ứng dụng trong học tập, các mô hình đồ án, các công trình nghiên cứu về điện

tử, tự động hóa.

2.3.4 NodeMCU 1.0 (ESP-12E Module)

Giới thiꢌu: ESP8266 NodeMCU

ESP8266 NodeMCU là dạng vi điều khiển tích hợp Wifi (Wifi SoC) được phát

triển bởi Espressif Systems, một nhà sản xuất Trung Quốc có trụ sở tại Thượng Hải.

Với vi điều khiển và Wifi tích hợp, ESP8266 cho phép lập trình viên có thể thực hiện

vô số các tác vụ TCP/IP đơn giản để thực hiện vô số các ứng dụng khác nhau, đặc

biệt là các ứng dụng IoT. Tuy nhiên, vào thời điểm ra mắt năm 2014, hầu như chỉ có

tài liệu bằng tiếng Trung Quốc nên ESP8266 chưa được phổ biến như hiện nay.

Module ESP8266 có giá thành rẻ nhất trong tất cả các loại Wifi SoC từ trước tới nay

(trước ESP8266 có series CC3xxx từ Ti rất mắc nên không phổ biến), chỉ khoảng

2USD cho phiên bản đầu tiên, điều này đã thu hút các IoT-er khám phá cũng như

dịch các tài liệu của ESP8266 sang tiếng Anh và phát triển vô số các ứng dụng kèm

theo. Sau nhiều năm phát triển, hiện nay đã có hơn 14 phiên bản ESP ra đời, trong đó

phổ biến nhất là ESP-12.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

19

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.11 Module ESP8266 ESP-12

Module ESP-12 kết hợp với firmware ESP8266 trên Arduino và thiết kế phần

cứng giao tiếp tiêu chuẩn đã tạo nên NodeMCU, loại Kit phát triển ESP8266 phổ biến

nhất trong thời điểm hiện tại. Với cách sử dụng, kết nối dễ dàng, có thể lập trình, nạp

chương trình trực tiếp trên phần mềm Arduino, đồng thời tương thích với các bộ thư

viện Arduino sẵn có, NodeMCU là sự lựa chọn hàng đầu cho các bạn muốn tìm hiểu

về ESP8266 hiện nay.

Hình 2.12 Module ESP8266 NodeMCU Lua CP2102

Đꢔc tính nổi bật

- Tích hợp 2 nút nhấn

- Tích hợp chip chuyển usb - uart CP2102

- Full IO: 10 GPIO, 1 Analog, 1SPI, 2 UART, 1 I2C/I2S, PWM, v.v....

- Được hỗ trợ bởi cộng đồng lớn mạnh Nod e mcu

Thông sꢍ kỹ thuật

- IC chính: ESP8266 Wifi SoC.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

20