Tóm tắt đồ án Điều khiển thiết bị điện trong phòng thông qua hệ thống bluetooth

Nội dung text: Tóm tắt đồ án Điều khiển thiết bị điện trong phòng thông qua hệ thống bluetooth

1. TRƯỜNG CAO ĐẲNG CNTT HỮU NGHỊ VIỆT HÀN KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ- VIỄN THÔNG TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG PHÒNG THÔNG QUA HỆ THỐNG BLUETOOTH SVTH : Lê Huy Lớp : CCVT15A Niên Khóa : 2015 - 2018 CBHD : ThS. Dƣơng Hữu Ái Đà Nẵng, tháng 06 năm 2018
2. 1 LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm qua, khoa học máy tính và xử lý thông tin có những bước tiến vượt bậc và ngày càng phát triển mạnh mẽ. Đặc biệt, sự ra đời và phát triển nhanh chóng của kỹ thuật số đã làm cho ngành điện tử trở nên phong phú và đa dạng hơn, góp phần rất lớn trong việc đưa kỹ thuật hiện đại vào mọi lĩnh vực của hoạt động sản xuất, kinh tế và đời sống xã hội. Từ những hệ thống máy tính lớn đến những hệ thống máy tính cá nhân, từ những việc điều khiển các máy công nghiệp đến các thiết bị phục vụ đời sống hằng ngày của con người. Công nghệ số thực sự là một bước tiến lớn cho công nghệ hiện nay. Với mong muốn áp dụng công nghệ số vào thực tiễn vì vậy em đã chọn đề tài: “Điều khiển thiết bị điện trong phòng thông qua hệ thống Bluetooth”. Nội dung đồ án gồm 3 chương được thực hiện như sau: - Chương 1: Tổng quan về công nghệ Bluetooth. - Giới thiệu về Bluetooth. - Lịch sử ra đời và phát triển của Bluetooth. - Chương 2: Hệ thống điều khiển thiết bị điện thông qua Bluetooth. - Giới thiệu về hệ thống Bluetooth. - Giới thiệu tổng quan về các linh kiện trong hệ thống. - Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của hệ thống. - Chương 3: Thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển thiết bị điện thông qua hệ thống Bluetooth. - Tiến hành thực hiện xây dưng mô hình. - Hoàn tất và đưa ra kết quả.
3. 2 Do kiến thức còn hạn chế và thời gian tích lũy không nhiều nên đồ án của em không thể không tránh khỏi những sai sót về mặt nội dung lẫn sản phẩm. Rất mong nhận được sự góp ý và thông cảm của quý thầy cô.
4. 1 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BLUETOOTH 1.1 Tổng quan Trong những năm qua công nghệ truyền nhận dữ liệu không dây đang có những bước phát triển mạnh mẽ, góp công lớn trong việc phát triển các hệ thống điều khiển, giám sát từ xa, đặc biệt là các hệ thống thông minh. Hiện nay, có khá nhiều công nghệ truyền nhận dữ liệu không dây như RF, WIFI, Bluetooth, NFC, Trong đó, Bluetooth là một trong những công nghệ được phát triển từ lâu và luôn được cải tiến để nâng cao tốc độ cũng như khả năng bảo mật. Trên thị trường Việt Nam hiện nay có rất nhiều sản phẩm điều khiển thiết bị không dây. Việc nghiên cứu và thiết kế một bộ sản phẩm điều khiển thiết bị không dây có ý nghĩa rất lớn, giúp tăng thêm sự lựa chọn cho người sử dụng, góp phần phát triển các hệ thống điều khiển thông minh, 1.2 Lịch sử ra đời và phát triển của công nghệ Bluetooth Tên gọi Bluetooth được đặt theo tên gọi của một vị vua Đan Mạch – Harald Bluetooth. Ông vốn nỗi tiếng về khả năng giúp đỡ mọi người có thể giao tiếp, thương lượng với nhau. Các nhà nghiên cứu đã dùng tên này để nhấn mạnh việc các thiết bị có thể trao đổi, kết nối với nhau qua công nghệ Bluetooth. Ban đầu, Sven Mattison và Jaap Haartsen – 2 nhân viên của Ericsson (hiện này là Sony Ericsson và Ericsson Mobile Platforms) đã phát triển những tính năng đầu tiên của Bluetooth vào năm 1994. Sau đó, Bluetooth Special Interest Group tiếp tục triển khai công nghệ này từ ngày 20/5/1999. Dần dần, Sony Ericsson, IBM, Intel, Toshiba và Nokia cùng nhiều công ty khác đã tham gia phát triển công nghệ không dây tầm
5. 2 gần này nhằm hỗ trợ việc truyền dữ liệu qua các khoảng cách ngắn giữa các thiết bị di động và cố định, tạo nên các mạng cá nhân không dây. Bluetooth còn được gọi là IEEE 802.15.1. Ngày nay, Bluetooth trở thành một trong những kết nối không dây thông dụng nhất trên toàn thế giới. Năm 2006, có khoảng 1 tỉ người sử dụng các thiết bị Bluetooth, tương đương với dân số của Ấn Độ. Cũng có tới 1/3 số lượng xe hơi mới sản xuất tích hợp công nghệ này. Trong số đó, các thiết bị liên quan đến âm thanh stereo có tốc độ phát triển nhanh nhất và có nhiều ứng dụng nhất. Các thế hệ Bluetooth: - Bluetooth 1.0 ra đời tháng 7/1999. - Bluetooth 1.1 ra đời năm 2001. - Bluetooth 1.2 ra mắt vào tháng 11/ 2003. - Bluetooth 2.0 + ERD ra mắt vào tháng 11/2004. - Bluetooth 2.1 + ERD, đây chính là thế hệ nâng cấp của Bluetooth 2.0. - Bluetooth 3.0 + HS ra mắt vào tháng 4/2009. - Bluetooth 4.0 có nhiều đặc điểm chung với chuẩn 3.0 nhưng khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao lên tới 25 Mbps. - Bluetooth 5.0 ra chuẩn Bluetooth mới nhất được SIG thông qua vào ngày 7/12/2016. 1.3 Khái niệm Bluetooth là một công nghệ cho phép truyền thông giữa các thiết bị với nhau mà không cần cáp và dây dẫn. Nó là một chuẩn điện tử, điều đó có nghĩa là các hãng sản xuất muốn có đặc tính này trong sản phẩm thì họ phải tuân theo các yêu cầu của chuẩn này cho sản phẩm của mình. Những chỉ tiêu kỹ thuật này đảm bảo cho các thiết bị có thể nhận ra và tương tác với nhau khi sử dụng công nghệ
6. 3 Bluetooth. Ngày nay phần lớn các nhà mày đều sản xuất các thiết bị có sử dụng công nghệ Bluetooth. Các thiết bị này gồm có điện thoại di động, máy tính và thiết bị hỗ trợ khác. Công nghệ Bluetooth là một công nghệ dựa trên tần số vô tuyến và bất cứ một thiết bị nào có tích hợp bên trong công nghệ này đều có thể truyền thông với các thiết bị khác với một khoảng cách nhất định về cự ly để đảm bảo công suất cho việc phát và nhận sóng. Công nghệ này thường được sử dụng để truyền thông giữa 2 loại thiết bị khác nhau. 1.4 Đặc điểm của công nghệ Bluetooth
7. 4 CHƢƠNG II: HỆ THỐNG ĐỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN THÔNG QUA BLUETOOTH 2.1 Sơ đồ khối hệ thống Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống. Chức năng của các khối: - Khối nguồn 220V: Cung cấp nguồn cho các thiết bị hoạt động. - Khối điện thoại: Là điện thoại di động (hệ điều hành Android). Với phần mềm được lập trình riêng dành cho việc điều khiển các thiết bị điện. - Khối Arduino Uno R3: Nhận tín hiệu từ khối Bluetooth HC05, sau đó xử lý tín hiệu nhận được. Tín hiệu thu sau khi được xử lý thì đưa sang khối thực hiện lệnh. - Khối thực hiện lệnh (Khối điều khiển Relay, khối Relay, khối thiết bị): Thực hiện các lệnh của bộ xử lý để đóng mở relay.
8. 5 2.2 Linh kiện Qua tìm hiểu về các hệ thống điều khiển thông minh không dây thông qua Bluetooth và hệ thống điện trong nhà. Các linh kiện cần có để thực hiện bài đồ án của em như sau: - Module Bluetooth HC05. - Module Arduino Uno R3. - Module giảm áp LM2596. - IC đệm dòng ULN2803. - Adapter 12V2A và đế nguồn 12V. - Relay 5 chân (Role 12V). - Domino 2. - Hệ điều hành Android (điện thoại di động có cài đặt phần mềm tương thích). - Đèn LED. - Điện trở 1,2K. - Quạt tản nhiệt 12V (mô phỏng thay thế cho các thiết bị khác: ti vi, tủ lạnh, điều hòa, máy giặt, ). 2.2.1 Module Bluetooth HC05 Hình 2.2 Module Bluetooth HC-05.
9. 6 Hình 2.3 Sơ đồ chân module Bluetooth HC-05. Hoạt động của module Bluetooth HC-05: Module Bluetooth là thiết bị không dây cho phép các thiết bị điện và các thiết bị điện tử có thể giao tiếp bằng sóng vô tuyến trong phạm vi ngắn và trong bằng tần từ 2,4 GHz đến 2,485 GHz. Module Bluetooth HC-05 được thiết kế để hoạt động trên 79 tần số đơn lẻ khác nhau. Sau khi được kết nối, Bluetooth sẽ tự tìm ra tần số tương thích với nó, sau đó nó sẽ di chuyển tới các thiết bị Bluetooth đó trong khoảng cách nhất định để việc kết nối không bị gián đoạn. Về khoảng cách giữa các thiết bị Bluetooth thì còn phụ thuộc vào công suất. Gồm 3 loại: - Loại thứ nhất có công suất 100 mW sẽ phủ sóng được trong khoảng cách 100m. - Loại thứ 2 có công suất 2,5 mW thì tầm phủ sóng chỉ khoảng 10m. - Loại thứ 3 có công suất 1 mW chỉ có thể kết nối trong phạm vi 5m. Vấn đề bảo mật trong Bluetooth:
10. 7 Về tính bảo mật thì Bluetooth cũng rất quan tâm vì nó cũng là 1 thiết bị để truyền thông tin. Để có thể an toàn thì khi các thiết bị Bluetooth kết nối với nhau phải có mật khẩu riêng mà chỉ có các thiết bị được trao đổi biết mật khẩu này. Tùy thuộc vào cấu hình Bluetooth mà các ký tự mật khẩu của Bluetooth có thể ngắn hay dài. 2.2.2 Module Arduino Uno R3 Hình 2.4 Arduino Uno R3. Arduino UNO R3 có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8 bit là ATmega8, ATmega168 và ATmega328. Bộ não này có thể xử lý các tác vụ đơn giản như điều khiển đèn led nhấp nháy, xử lý tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm 1 trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình Arduino UNO thường dùng là 1 bo mạch vi điều khiển dựa trên chip ATmega328P. UNO có 14 chân I/O digital (trong đó có 6 chân xuất xung PWM), 6 chân input analog, 1 thạch anh 16 MHz, 1 cổng USB, 1 jack nguồn DC và 1 nút reset.
11. 8 Hình 2.5 Các phần cứng của Module Arduino Uno R3. - Chân xuất tính hiệu ra: Có tất cả 14 chân xuất tín hiệu ra trong Arduino Uno, những chân có dấu “~” là những chân có thể băm xung (PWM), tức là có thể điều khiển tốc độ động cơ hoặc độ sáng của đèn. - IC ATmega328: là trung tâm xử lý của bo mạch Arduino. IC được sử dụng trong việc thu thập dữ liệu từ cảm biến, xử lý dữ liệu, xuất tính hiệu ra, - Chân ISCP của ATmega328: Các chân ISCP của ATmega328 được sử dụng cho các giao tiếp SPI (Serial Peripheral Interface), một số ứng dụng của Android có sử dụng chân này. - Các chân lấy tín hiệu Analog: Có tất cả 6 chân tín hiệu Analog từ A0 tới A5.
12. 9 - Chân cấp nguồn cho cảm biến: Các chân này dùng để cấp nguồn cho các thiết bị bên ngoài như role, cảm biến, RC servo, - Các linh kiện khác trên bo mạch Arduino: Ngoài các linh kiện được liệt kê ở trên, Arduino Uno còn có một số linh kiện đáng chú ý khác. Trên bo có tất cả 4 đèn led bao gồm 1 led nguồn, 2 led TX và RX, 1 led L. Các led TX và RX sẽ nhấp nháy khi có dữ liệu truyền từ board lên máy tính và ngược lại thông qua cổng USB. Led L được kết nối với chân số 13, led này được gọi là Led on Board giúp người dùng có thể thực hành các bài đơn giản mà không cần sử dụng led bên ngoài. Trong 14 chân ra của bo còn có 2 chân 0 và 1 có thể truyền nhận dữ liệu nối tiếp TTL. Có một số ứng dụng cần sử dụng đến tính năng này, ví dụ như ứng dụng điều khiển mạch Arduino Uno qua điện thoại sử dụng module Bluetooth HC-05. Thêm vào đó, chân 2 và 3 cũng được sử dụng cho lập trình ngắt (interrupt), đồng thời còn một vài chân khác có thể được sử dụng cho các chức năng khác. Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc của Arduino Uno R3.
13. 10 Có hai cách cấp nguồn chính cho bo mạch Arduino Uno: - Thông qua cổng USB. - Thông qua jack DC. Giới hạn điện áp cấp cho Arduino Uno là từ 6 – 20V. Tuy nhiên giải điện áp khuyên dùng là 7 – 12V vì nếu nguồn cấp dưới 7V thì điện áp ở “chân 5V” có thể thấp hơn 5V và mạch hoạt động không ổn định, nếu cấp nguồn lớn hơn 12V có thể gây nóng bo mạch hoặc phá hỏng. Các chân nguồn trên Arduino Uno: - Vin: Chúng ta có thể cấp nguồn cho Arduino thông qua chân này. - 5V. - 3,3V. - GND: chân đất. Vi điều khiển ATmega 328P: Hình 2.7 Sơ đồ chân của vi điều khiển ATmega328P
14. 11 2.2.3 Module giảm áp LM2596 Hình 2.8 Module giảm áp LM2596. LM2596 là module giảm áp có khả năng điều chỉnh được dòng ra đến 3A. LM2596 là IC nguồn tích hợp đầy đủ bên trong. Khi cấp nguồn 9V vào module, sau khi giảm áp ta có thể nhận được nguồn 3A < 9V như 5V hay 3,3V. 2.2.4 IC đệm dòng ULN2803 2.2.5 Relay 5 chân 12V 2.2.6 CO32 Domino 2 – Nối nguồn 2 chân 2.2.7 Hệ thống App Android
15. 12 Hình 2.16 Giao diện app Android kết nối với module HC-05. 2.2.8 Các thiết bị khác 2.3 Nạp code cho module Arduino Uno R3 2.4 Mô tả hệ thống và nguyên lý làm việc Hình 2.21 Mạch in
16. 13 Hình 2.22 Hệ thống điều khiển thiết bị điện trong nhà thông qua Bluetooth. - Kết nối các thiết bị điện với Relay. - Kết nối các Relay với khối điều khiển là bo mạch Arduino Uno R3. - Kết nối khối thu module Bluetooth HC-05 với điều khiển Arduino Uno R3. - Kết nối thiết bị module giảm áp LM2596 với Arduino và ULN2803 với Relay. - Cấp nguồn cho các thiết bị. - Bật điện thoại Android đả cài đặt phần mềm tương ứng. - Bật Bluetooth của điện thoại, tìm kiếm và kết nối với thiết bị Bluetooth có tên là HC05. Nhập mật khẩu kết nối là “1234”. - Sau khi đã được kết nối, đèn báo hiệu của module Bluetooth HC- 05 sẽ tắt thông báo là đã kết nối thành công. - Sau khi thực hiện xong các bước trên thì ta sẽ tiến hành điều khiển các thiết bị bằng các nút biểu tượng trên màn hình điện thoại Android.
17. 14 - Với các biểu tượng “bật port 1” – “bật port 8” thì các thiết bị tương đương sẽ được bật lên. Ngược lại, với các biểu tượng “tắt port 1” – “tắt port 8” thì các thiết bị tương đương sẽ bị tắt.
18. 15 CHƢƠNG III: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN THÔNG QUA HỆ THỐNG BLUETOOTH 3.1 Chế tạo mô hình Hình 3.2 Xây dựng mô hình
19. 16 Hình 3.3 Lắp đặt hệ thống vào mô hình. 3.2 Kết quả đạt đƣợc - Hình 3.4 Hoàn tất sản phẩm. 3.3 Ƣu và nhƣợc điểm của sản phẩm 3.4 Đánh giá kết quả thực hiện
20. 17 KẾT LUẬN Mô hình điều khiển thiết bị điện trong phòng thông qua hệ thống Bluetooth đã hoạt động và đạt kết quả tốt. Trong quá trình làm đồ án em đã tìm hiểu thêm về chức năng của các module sử dụng và có thể ứng dụng được rất nhiều việc trong cuộc sống. Em hi vọng có thể ứng dụng các module và hệ thống trên vào thực tiễn cuộc sống chứ không đơn thuần là chỉ trên mô hình. Đồ án tốt nghiệp của em được thực hiện dưới sự cố gắng nỗ lực của bản thân và sự chỉ bảo tận tình của giáo viên hướng dẫn. Tuy nhiên, những sai sót và khuyết điểm trong bài đồ án của em là không thể không tránh khỏi. Em rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo trong hội đồng cũng như các bạn để đồ án của em được hoàn thiện hơn.