Luận văn thiết kế hệ thống và điều khiển giám sát thiết bị qua internet

  • 13 trang
  • file .pdf
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ ....................................................................................1
1.1. Lý do chọn đề tài. .............................................................................................1
1.2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu. .....................................................................1
1.3. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu. ...........................................................2
1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. ........................................................2
1.5. Giới hạn đề tài. .................................................................................................2
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN ..............................................................................3
2.1. Thế nào là giám sát và điều khiển qua internet. ...............................................3
2.2. Tổng quan về internet. ......................................................................................3
2.3. Cấu trúc Internet. ..............................................................................................3
2.4. Các công trình nghiên cứu liên quan. ...............................................................4
2.4.1. Mô hình ngôi nhà thông minh. ................................................................ 4
2.4.2. Mô hình trồng rau thủy canh. .................................................................. 5
2.4.3. Phương pháp trồng rau ngoài trời. ......................................................... 6
2.4.4. Một số giao diện website điều khiển. ...................................................... 7
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................8
3.1. Tổng quang về Ethernet. ..................................................................................8
3.1.1. Cấu trúc khung tin Ethernet. ....................................................................8
3.1.2. Cấu trúc địa chỉ Ethernet. .........................................................................9
3.1.3. Đặc tính điện..............................................................................................9
3.1.4. Các loại khung Ethernet ..........................................................................10
3.1.5. Một số loại mạng Ethernet. .....................................................................10
3.1.6. Chuẩn IEEE 802. .....................................................................................11
3.2. Giao thức TCP/IP. ..........................................................................................11
3.2.1. Tổng quan về bộ giao thức TCP/IP. ........................................................11
3.2.2. Kiến trúc phân tầng của TCP/IP. ............................................................12
3.2.3. Quá trình gửi nhận dữ liệu giữa hai máy tính. ........................................13
3.2.4. Sơ lược chức năng các tầng.....................................................................13
3.2.5. Đóng gói dữ liệu trong TCP/IP. ..............................................................14
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ........................................................16
4.1. Các thiết bị sử dụng trong hệ thống trồng rau khí canh. ................................16
4.1.1. Urduino Mega. .........................................................................................16
4.1.2. Arduino Ethernet Shield. .........................................................................20
4.1.3. Relay. .......................................................................................................21
4.1.4. Cảm biến siêu âm SRF05. ........................................................................22
4.1.5. Cảm biến độ âm đất. ................................................................................22
4.1.6. LCD text LCD1602. .................................................................................23
4.1.7. Cảm biến độ ẩm, nhiệt độ AM2301. ........................................................24
4.1.8. Động cơ bơm............................................................................................25
4.1.9. Mạch thời gian thực RTC DS3231. .........................................................25
4.2. Sơ đồ khối. .....................................................................................................26
4.3. Sơ đồ nguyên lý. .............................................................................................27
4.4. Lưu đồ giải thuật. ...........................................................................................28
4.5. Thiết kế giao diện website. .............................................................................32
4.6. Code hệ thống.................................................................................................32
4.7. Lập trình cho Arduino. ...................................................................................33
4.8. Mô hình thực tế. .............................................................................................34
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN ......................................................................................35
5.1. Kết quả đạt được. ...........................................................................................35
5.2. Ưu điểm của hệ thống. ...................................................................................35
5.3. Nhược điểm của hệ thống. .............................................................................35
5.4. Hướng phát triển của đề tài. ...........................................................................35
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................36
HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG ......................................................................................37
PHỤ LỤC .................................................................................................................38
DANH SÁCH KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
TCP/IP Transmision Control Protocol – Internet Protocol
HTML Hyper Text Markup Languages
Web World Wide Web (Website)
LCD Liquid Crystal Display
UART Universal Asynchronous Receiver – Transmitter
IC Integrated circuit
USB Universal Serial Bus
DC Direct Current
AC Alternating Current
PWM Pulse Width Modulation
SPI Serial Peripheral Bus
LED Light Emitting Diod
GND Gemeinsame Normdatei
ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line
LAN Local Area Network
PC Personal Computer
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection
OSI Open Systems Interconnection
ID Identification
HTTP Hyper Text Transfer Protocol Hype
ICMP Internet Control Message Protocol
FCS Frame Check Sequence
MAC Media Access Control
MAN Metropolitan Area Network
LLC Logical Link Control
WAN Wide Are Network
ARP Address Resolution Protocol
DANH SÁCH BẢNG VÀ HÌNH ẢNH
Bảng 3.1:Cấu trúc khung MAC theo IEEE 802.3/ Ethernet. ......................................8
Bảng 3.2: Hình một số giao thức của các tầng. ........................................................15
Hình 2.1: Mô hình nhà thông minh. ............................................................................4
Hình 2.2: Giao diện web điều khiển nhà thông minh. ................................................5
Hình 2.3: Mô hình trồng rau thủy canh. .....................................................................5
Hình 2.4: Mô hình trồng rau thổ canh. .......................................................................6
Hình 2.5: Giám sát nhiệt độ. .......................................................................................7
Hình 2.6: ON/OFF LED. ............................................................................................7
Hình 3.1: Hình Mã hóa Manchester. ..........................................................................9
Hình 3.2: Mô hình truyền thông unicast. ..................................................................10
Hình 3.3: Kiến trúc phân tầng của TCP/IP. .............................................................12
Hình 3.4: Quá trình gửi nhận dữ liệu giữa hai máy tính. .........................................13
Hình 3.5: Thực hiện đóng/mở gói dữ liệu trong giao thức TCP/IP. ........................14
Hình 4.1:Arduino mega2560. ....................................................................................18
Hình 4.2:Arduino Ethernet Shield.............................................................................20
Hình 4.3:Relay. .........................................................................................................21
Hình 4.4:Cảm biến siêu âm. ......................................................................................22
Hình 4.5:Cảm biến độ ẩm đất. ..................................................................................23
Hình 4.6:Màn hình LCD. ..........................................................................................23
Hình 4.7:Cảm biến AM230. ......................................................................................24
Hình 4.8: Máy bơm nước tăng áp. ............................................................................25
Hình 4.9:Thời gian thực DS3231. .............................................................................26
Hình 4.10: Sơ đồ khối. ..............................................................................................26
Hình 4.11: Sơ đồ nguyên lý mạch. ............................................................................27
Hình 4.12: Lưu đồ nút nhấn. .....................................................................................28
Hình 4.13: Lưu đồ xử lý chính. .................................................................................29
Hình 4.14: Lưu đồ điều khiển hiển thị trên webserver. ............................................31
Hình 4.15: Kết quả giao diện lập trình đạt được. .....................................................32
Hình 4.16: Giao diện lập trình cho Arduino. ............................................................33
Hình 4.17: Mô hình thực tế. ......................................................................................34
LỜI MỞ ĐẦU
Bài báo cáo đồ án “Thiết kế hệ thống và điều khiển giám sát thiết bị điện qua
internet”. Kiến thức được tổng hợp trong quá trình học tập và nghiên cứu thêm tài
liệu, bài báo cáo nói chi tiết cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các linh kiện được
sử dụng trong mô hình.
Bài báo cáo gồm có năm chương:
CHƯƠNG 1: Nói về vấn đề lý do chọn đề tài, mục tiêu, phương pháp, đối
tượng, phạm vi nghiên cứu của đề tài và giới hạn đề tài.
CHƯƠNG 2: Cơ sở lý luận: sơ lược về internet là gì? Cấu trúc của một
internet và các đề tài nghiên cứu liên quan.
CHƯƠNG 3: Cơ sở lý thuyết: tìm hiểu giao thức TCP/IP, cấu trúc một
Ethernet.
CHƯƠNG 4: Thiết kế và thi công: các linh kiện sử dụng trong mô hình, lưu
đồ giải thuật và code hệ thống.
CHƯƠNG 5: Chương kết luận: kết quả đạt được của đề tài, ưu khuyết điểm
của đề tài và đưa ra hướng phát triển của đề tài.
CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1. Lý do chọn đề tài.
Trong thời đại công nghệ thông tin phát triển như ngày nay, việc thiết kế và
chế tạo ra các thiết bị điện tiện dụng có khả năng giám sát và điều khiểu từ xa đang
và sẽ rất được quan tâm và rất hữu ích cho các ứng dụng trong cuộc sống hàng
ngày.
Vì mục tiêu công nghệ hiện đại hoá ngày càng phát triển, em đã quyết định
nghiên cứu đề tài về điều khiển và giám sát thiết bị qua mạng truyền dẫn internet.
Khi đề tài hoàn thành có thể điều khiểu và giám sát các thiết bị thông qua mạng
truyền dẫn internet, tương tác thông qua các thiết bị smart phone, máy tính bảng hay
máy vi tính; để kiểm soát các trạng thái và thông số của thiết bị cũng như các thông
số của môi trường xung quanh thiết bị như: nhiệt độ, độ ẩm, mức nước, lưu lượng...
Người sử dụng ở bất cứ nơi nào có mạng internet đều có thể giám sát các hoạt động
của thiết bị, các thông số cần thiết cho hệ thống và điều khiển được hoạt động các
thiết bị khi thiết bị đã kết nối với module điều khiển Ethernet này.
Vấn đề được đặt ra như trên đây, hướng nghiên cứu đề tài của em là nghiên
cứu, xây dựng mạch điều khiển và giám sát thiết bị qua mạng truyền dẫn internet.
Với hướng nghiên cứu đó, tên đề tài được chọn là: “Thiết kế hệ thống giám sát và
điều khiển thiết bị điện qua internet”. Và em đã làm một mô hình cụ thể đó là mô
hình trồng rau trong nhà lưới để giám sát nhiệt độ và độ ẩm môi trường, độ ẩm đất,
cường độ ánh sáng qua internet.
1.2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu.
 Thực hiện giao tiếp mạch điện tử với mạng Ethernet.
 Điều khiển các thiết bị trong mô hình nhà lưới.
 Giám sát hoạt động của các thông số các nhiệt độ - độ ẩm môi trường, độ ẩm
đất và cường độ ánh sáng.
 Tìm hiểu ngôn ngữ html trong lập trình giao diện web server nhúng vào vi
điều khiển.
 Tìm hiểu về giao thức TCP/IP.
 Tính toán, thiết kế và thi công phần cứng mạch điện tử.
 Xây dựng thuật toán và viết code cho ứng dụng dựa theo mục tiêu đã đề ra.
1
1.3. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu.
 Đối tượng nghiên cứu:
 Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm môi trường.
 Cảm biến ánh sáng, cảm biến độ ẩm và cảm biến mực nước.
 Arduino Mega2560.
 Arduino Ethernet Shield.
 Lập trình giao diện website.
 Ngôn ngữ lập trình HTML
 Phương pháp nghiên cứu.
 Thực hiện yêu cầu của giáo viên hướng dẫn.
 Tìm hiểu tổng quan về mạng Ethernet, giao thức TCP/IP, vi điều khiển
ATMEGA2560 và cách thức thiết kế web server nhúng vào vi điều khiển,
xây dựng thuật toán và viết code cho vi điều khiển ATMEGA2560.
 Xây dựng mạch điều khiển và viết code HTML nhúng vào vi điều khiển.
 Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của mạch.
 Tính toán, thiết kế, vẽ lưu đồ giải thuật và lập trình.
 Thi công mạch, tạo ra mô hình thực tế.
1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
Ý nghĩa khoa học: Đề tài là tài liệu tham khảo hữu ích cho những ai quan tâm
đến lĩnh vực điều khiển và giám sát thiết bị sử dụng mạng truyền dẫn internet.
Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần giải quyết vấn đề
điều khiển và giám sát các hệ thống nhà lưới ở mọi nơi khi có internet.
1.5. Giới hạn đề tài.
Đề tài chỉ dừng lại việc nghiên cứu trong phạm vi mô hình nhà lưới, lập trình
trang website đơn giảng để giám sát và điều khiển nhiệt độ và độ ẩm.
2
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN
2.1. Thế nào là giám sát và điều khiển qua internet.
Giám sát mạng là việc thu thập các thông tin, theo dõi các sự cố, hiệu năng,
tình trạng trên các thành phần, thiết bị của hệ thống, phân tích các thông tin, dấu
hiệu nhằm đánh giá và đưa ra cảnh báo cho người quản trị hệ thống.
 Theo nghĩa hẹp: Tạo giá trị đặt và hiệu chỉnh các tham số cho các bộ điều
khiển tự động phía dưới.
 Theo nghĩa rộng: Tất cả các chức năng điều khiển phía trên điều khiển tự
động, có sự tham gia giám sát của con người.
 Các chức năng điều khiển giám sát tiêu biểu:
– Giám sát vận hành.
– Điều khiển vận hành.
– Báo cáo & báo động.
– Điều khiển cao cấp.
– Quản lý & lưu trữ dữ liệu quá trình.
2.2. Tổng quan về internet.
Internet là một liên mạng máy tính toàn cầu được hình thành từ các mạng nhỏ
hơn, liên kết hàng triệu máy tính trên thế giới thông qua cơ sở hạ tầng viễn thông.
Internet là mạng của các mạng máy tính, các máy tính và thiết bị mạng giao
tiếp với nhau bằng một ngôn ngữ thống nhất. Đó là bộ giao thức TCP/IP
(Transmision Control Protocol – Internet Protocol).
2.3. Cấu trúc Internet.
Internet là một liên mạng kết nối các mạng nhỏ hơn với nhau. Như vậy, cấu
trúc Internet gồm các mạng máy tính được kết nối với nhau thông qua các kết nối
viễn thông.
Thiết bị dùng để kết nối các mạng máy tính với nhau là cổng nối Internet
(Internet Gateway) hoặc Bộ định tuyến (Router).
Phương thức kết nối :
 Kết nối thông qua kênh riêng.
 Kết nối quay số qua mạng điện thoại.
 Kết nối qua ADSL.
3
2.4. Các công trình nghiên cứu liên quan.
2.4.1. Mô hình ngôi nhà thông minh.
Nhà thông minh là ngôi nhà được trang bị các hệ thống tự động thông
minh cùng với cách bố trí hợp lý, các hệ thống này có khả năng tự điều phối các
hoạt động trong ngôi nhà theo thói quen sinh hoạt và nhu cầu cá nhân của gia chủ.
Chúng ta cũng có thể hiểu ngôi nhà thông minh là một hệ thống chỉnh
thể mà trong đó, tất cả các thiết bị điện tử gia dụng đều được liên kết với thiết bị
điều khiển trung tâm và có thế phối hợp với nhau để cùng thực hiện một chức năng.
Các thiết bị này có thể tự đưa ra cách xử lý tình huống được lập trình trước, hoặc là
được điều khiển và giám sát từ xa.
Hình 2.1: Mô hình nhà thông minh.
 Ưu điểm:
 Tất cả các sản phẩm trong nhà sẽ được lập trình theo nhu cầu của
người dùng.
 Người dùng có thể chọn nhiều hoặc ít sản phẩm theo sở thích.
 Hệ thống này được cài đặt nhanh chóng và đơn giản.
 Thân thiện với môi trường: bộ điều khiển nhiệt, điều hòa không khí và
ánh sáng dều có thể được kiểm soát để đạt được hiệu suất năng lượng tối
ưu.
 Giúp bảo vệ an ninh cho ngôi nhà.
4
 Nhược điểm:
 Một số sản phẩm thông minh có thể khá tốn kém.
 Có thể có một số đường cong học tập cho người không am hiểu về
công nghệ cao.
 Nhà thông minh phụ thuộc vào kết nối internet.
Hình 2.2: Giao diện web điều khiển nhà thông minh.
2.4.2. Mô hình trồng rau thủy canh.
Phương pháp trồng thủy canh sử dụng chính những chất dinh dưỡng pha
theo một tỷ lệ nhất định.Với mỗi loại cây khác nhau sẽ có tỷ lệ thành phần chất dinh
dưỡng khác nhau. Chính vì sử dụng trực tiếp dung dịch dinh dưỡng nên cây phát
triển tốt hơn, hạn chế tối đa sự phát triển của côn trùng, cỏ dại, các mầm bệnh từ đất
theo phương pháp trồng cây bằng đất truyền thống.
Để trồng bằng phương pháp thủy canh an toàn, bạn phải tìm hiểu về từng
loại cây để có tỉ lệ pha chế phù hợp. Mặt khác, phải tìm đúng dung dịch dinh dưỡng
chuẩn, có uy tín trên thị trường, tránh những dung dịch dinh dưỡng tự pha trôi nổi
trên thị trường. Nếu bạn không tuân thủ các quy tắc quy định trên, rau phát triển tốt
nhưng không phải là rau an toàn.
Hình 2.3: Mô hình trồng rau thủy canh.
5