b
TRƢỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT
ĐÈN CHIẾU SÁNG KHU VỰC SÂN CHƠI CÔNG CỘNG

Giảng viên hƣớng dẫn

: TS. LÊ ANH NGỌC

Sinh viên thực hiện

:

Chuyên ngành

: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Lớp

:

Khoá

: 2013-2018

Hà Nội, Tháng 12 năm 2017




LỜI CẢM ƠN
Sau quá trình tìm hiểu và làm việc nghiêm túc cùng với sự đôn đốc và hƣớng
dẫn tận tình của thầy giáo TS. Lê Anh Ngọc, em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp
của mình. Em xin chân thành cảm ơn thầy-ngƣời đã động viên và giúp đỡ em cả về
mặt tinh thần và kiến thức để em có thể vƣợt qua những ngày tháng khó khăn nhất
của thời sinh viên. Thầy đã trực tiếp hỗ trợ, chỉ bảo và bổ sung kiến thức mà bản
thân em còn thiếu, giúp đỡ em trong suốt thời gian qua để em hoàn thiện đƣợc đề
tài của mình.
Qua đây, em xin cảm ơn toàn thể thầy cô giáo trong khoa Điện tử Viễn
Thông trƣờng Đại học Điện Lực đã trang bị cho chúng em những kiến thức chuyên
ngành quý báu để chúng em có nền tảng và hoàn thành đƣợc đồ án ngày hôm nay.
Sau cùng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã động viên, và
giúp đỡ em trong quá trình học tâp, nghiên cứu và hoàn thành đồ án.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn các thầy cô và các bạn !


NHẬN XÉT
(Của giảng viên hướng dẫn)
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………

smartphone có internet thì đã có thể theo dõi cụ thể, chính xác hoạt động của toàn
bộ hệ thống chiếu sáng mà không cần đi lại nhiều.
Cùng sự phối hợp của bạn xxx thiết kế chức năng điều khiển đèn không dây
sử dụng năng lƣợng mặt trời, chúng em đã hoàn thiện hệ thống chiếu sáng thông
minh giúp tiết kiệm chi phí đi dây cũng nhƣ tiết kiệm điện năng cho đất nƣớc, đảm
bảo an toàn cho ngƣời dùng mà lại vô cùng tiện lợi dễ sử dụng, phù hợp cho việc
điều khiển, giám sát từ xa. Bên cạnh đó còn có chế độ tự động điều chỉnh ánh sáng
của bóng đèn cho phù hợp với mục đích sử dụng giúp tiết kiệm năng lƣợng một
cách tối đa.
Sau quá trình tìm hiểu em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.
Nội dung đồ án gồm 3 chƣơng:

Chƣơng 1: Tổng quan đề tài
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết lien quan đến đề tài
Chƣơng 3: Thiết kế, triển khai và thử nghiệm hệ thống


ii
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.................................................................................................................... i
MỤC LỤC................................................................................................................. ii
DANH MỤC HÌNH ẢNH........................................................................................ iv
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.......................................................................... vi
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI................................................................. 1
1. Giới thiệu chung về đề tài....................................................................... 1
1.1. Đặt vấn đề........................................................................................ 1
1.2. Mục tiêu đề tài................................................................................. 1
2. Tổng quan về hệ thống........................................................................... 2
3. Lựa chọn phƣơng án thiết kế.................................................................. 4
4. Lựa chọn linh kiện cho hệ thống............................................................. 4

1.3. Thiết kế phần mềm......................................................................... 35
2. Triển khai mô hình hệ thống................................................................. 38
2.1. Lắp đặt mô hình hệ thống.............................................................. 38
2.2. Cài đặt chƣơng trình...................................................................... 38
3. Thử nghiệm mô hình hệ thống và phân tích kết quả.............................47
3.1. Thử nghiệm mô hình hệ thống....................................................... 47
3.2. Phân tích kết quả............................................................................ 48
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN............................................................... 49
PHỤ LỤC................................................................................................................ 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................... 70


iv

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Mô hình hệ thống............................................................................ 3
Hình 1.2: ATmega328P................................................................................... 5
Hình 1.3: IC AMS1117................................................................................... 5
Hình 1.4: Module ESP8266............................................................................ 6
Hình 1.5: Module NRF24L01......................................................................... 7
Hình 1.6: Nút bấm.......................................................................................... 9
Hình 1.7: Đèn led........................................................................................... 9
Hình 1.8: Quang trở...................................................................................... 10
Hình 1.9: Opto quang................................................................................... 11
Hình 1.10: Đèn năng lƣợng mặt trời............................................................ 12
Hình 1.11: Acquy......................................................................................... 13
Hình 1.12: Pin năng lƣợng mặt trời.............................................................. 14
Hình 1.13: Bộ điều khiển sạc........................................................................ 14
Hình 1.14: Mạch hạ áp.................................................................................. 15
Hình 2.1: Cơ chế hoạt động của Mqtt........................................................... 19

Hình 3.25: Kết quả thử nghiệm tự động....................................................... 47
Hình 3.26: Kết quả thử nghiệm bằng tay...................................................... 48


vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
Arduino
IDE

Tiếng Anh

Tiếng Việt

Arduino Integrated Development
Environment

Môi trƣờng phát triển
tích hợp Arduino

Electrically Erasable
Programmable Read-Only Memory

Bộ nhớ truy xuất ngẫu
nhiên

FTP

File Transport Protocol

văn bản
Giao thức thông báo
kiểm soát internet
Giao thức thông điệp
nhóm internet

IoT

Internet of Things

Vạn vật kết nối Internet

IP

Internet Protocol

Giao thức liên mạng

MQTT

Message Queuing Telemetry Transport

Giao thức truyền thông
điệp

PWM

Pulse Width Modulation

Phƣơng pháp điều xung


TCP

Transmission Control Protocol

Truyền thông nối tiếp
đồng bộ
Giao thức điều khiển
giao vận


vii
Universal Asynchronous
Receiver/Transmitter

Truyền thông tin nối tiếp
không đồng bộ

USB

Universal Serial Bus

Cổng kết nối các thiết bị
ngoại vi với máy tính

VCC

Voltage

Chân nối nguồn

lúc mọi nơi. Kết hợp hệ thống điều khiển đèn không dây năng lƣợng mặt trời để tạo
thành một hệ thống chiếu sáng hoàn chỉnh khắc phục đƣợc những nhƣợc điểm của
mô hình truyền thống.
1.2. Mục tiêu đề tài
Thiết kế đƣợc hệ thống điều khiển và giám sát đèn chiếu sáng không dây
phục vụ sân chơi công cộng khắc phục đƣợc những nhƣợc điểm của hệ thống cũ:
 Chức năng tự động bật khi trời tối và tắt khi trời sáng.

GVHD: T.S Lê Anh Ngọc


 Sử dụng smartphone để bật tắt một bóng đèn tùy ý qua internet, giám
sát đƣợc trạng thái đang bật hay đang tắt của từng bóng đèn và hiển thị
trên điện thoại.
 Điều khiển và giám sát đƣợc chế độ hoạt động của hệ thống là tự
động hoặc bằng tay.
 Điều chỉnh đƣợc độ sáng của đèn khi có vật thể chuyển động, và khi
không có vật thể chuyển động trong khu vực sân chơi.
 Khi có vật thể chuyển động và không có vật thể chuyển động đèn tự
động ở trạng thái ánh sáng đã đƣợc cài đặt.
2. Tổng quan về hệ thống
Hệ thống điều khiển và giám sát đèn chiếu sáng phục vụ sân chơi công cộng
là giải pháp thông minh giúp nâng cao hiệu quả sử dụng, tiết kiệm chi phí và mang
lại sự tiện lợi vƣợt trội so với hệ thống chiếu sáng thông thƣờng.
Ban ngày tấm pin mặt trời có nhiệm vụ thu năng lƣợng để chuyển hóa nhiệt
năng thành điện năng, đi qua bộ điều khiển sạc và lƣu trữ điện năng vào bình acquy.
Buổi tối đèn lấy nguồn từ acquy đã lƣu trữ trong ngày để hoạt động. Việc sử dụng
năng lƣợng mặt trời để duy trì hoạt động cho đèn giúp chúng ta tiết kiệm đƣợc một
lƣợng điện năng đáng kể cho quốc gia, giảm thiểu chi phí kéo dây từ nguồn vào, đặc
biệt là đảm bảo tính an toàn cho ngƣời sử dụng bởi không có dây điện lằng nhằng

bất tiện khi sử dụng remote để tắt mở đèn là ngƣời dùng phải nhớ nút nào trên
remote dùng để tắt mở đèn nào vì thế trong một khu vực rộng có rất nhiều đèn
thì cần nhiều nút và tốn diện tích cho các nút đó. Chính vì vậy hệ thống điều
khiển đèn bằng smartphone chính thức đƣợc sử dụng với sự ổn định đƣợc đặt lên
hàng đầu. Chúng ta có thể sử dụng bluetooth để truyền lệnh nhƣng bluetooth bị
hạn chế về mặt khoảng cách. Vì vậy chúng em đã chọn điều khiển bật tắt bóng
đèn qua smartphone có kết nối với internet. Đồng thời sử dụng smartphone để giám
sát trạng thái của các bóng đèn từ đó sẽ có những điều chỉnh tƣơng ứng với nhu cầu
sử dụng sao cho hợp lý nhất.
Ngoài ra chúng em đã lựa chọn bóng đèn năng lƣợng mặt trời có cảm biến
chuyển động để thiết kế chức năng tự động cho hệ thống. Tăng độ sáng khi có vật
thể chuyển động và giảm độ sáng khi không có vật thể chuyển động. Cƣờng độ sáng
có thể cài đặt tùy ý theo mong muốn ngƣời dùng qua biến trở vặn.
4. Lựa chọn linh kiện cho hệ thống
4.1. Vi điều khiển ATmega328P
ATmega328P thuộc họ vi điều khiển AVR do hãng Atmel sản xuất, có hiệu
suất làm việc cao, rất linh hoạt trong các mạch điều khiển, là trung tâm xử lý các
hoạt động chức năng của hệ thống.
Thông số kĩ thuật cần chú ý:
 Kiến trúc: AVR 8bit.
 Xung nhịp lớn nhất: 20 MHz.
 Bộ nhớ chƣơng trình (Flash): 32KB.
 Bộ nhớ EEPROM: 1KB.
 Bộ nhớ RAM: 2KB.
 Điện áp hoạt động: 1.8 đến 5.5V.
 Số timer: 3timer gồm 2 timer 8-bit và 1 timer 16-bit.


 Số kênh xung PWM: 6 kênh (mỗi timer 2 kênh).


 CH-PD: chân này đƣợc kéo lên mức cao của module để thu phát wifi.
 GPIO0: kéo xuống thấp cho chế độ upgrade firmware.
 GPIO2: không sử dụng.


Trong hệ thống điều khiển và giám sát đèn chiếu sáng phục vụ sân chơi công
cộng thì ESP8266 làm nhiệm vụ kết nối wifi và nhận tín hiệu điều khiển mà ngƣời
dùng yêu cầu qua internet rồi truyền cho khối xử lý trung tâm.
ESP8266 giao tiếp với vi bộ xử lý trung tâm qua chuẩn giao tiếp UART và
giao tiếp với web bằng giao thức MQTT.
4.4. Module NRF24L01
NRF24L01 là một module có khả năng truyền và nhận tín hiệu hai chiều
trong phạm vi khoảng cách khoảng 100m với điều kiện không vật cản.
Hoạt động ở mức điện áp 3,3V.

Hình 1.5: Module NRF24L01
Trong hệ thống điều khiển và giám sát đèn thì module NRF24L01 có chức
năng nhận lệnh điều khiển từ vi điều khiển sau đó truyền dữ liệu sang module
NRF24L01 của mạch đèn để thực hiện bật/tắt đèn và ngƣợc lại, nhận tín hiệu trả về
để báo trạng thái của đèn lên điện thoại.
Sơ đồ chân
 Chân GND nối đất.
 Chân VCC nối với nguồn 3.3V.
 Chân CE nối với D9 của vi điều khiển.
 Chân CSN nối với D10 của vi điều khiển.
 Chân SCK nối với D13 của vi điều khiển.


 Chân MOSI nối với D11 của vi điều khiển.
 Chân MISO nối với D12 của vi điều khiển.

Hình 1.7: Đèn led


4.7. Quang trở
Quang trở là linh kiện điện tử có điện trở thay đổi giảm khi ánh sáng chiếu
vào, đƣợc dùng làm cảm biến nhạy sáng trong các mạch điều khiển nhƣ điều khiển
bật tắt bóng đèn.
Nguyên lý hoạt động:
Quang trở làm bằng chất bán dẫn trở kháng cao và không có tiếp giáp nào.
Trong bóng tối, quang trở có điện trở đến vào MΩ. Khi có ánh sáng làm phát sinh
các điện tử tự do tức là sự dẫn điện tăng lên và giảm điện trở của chất bán dẫn
xuống mức vài trăm Ω.

Hình 1.8: Quang trở
4.8. Opto quang
Opto quang là linh kiện cách ly quang tích hợp bên trong một led và một
photodiot hay một photo transitor dùng để cách ly giữa các khối chênh lệch nhau về
điện áp hay công suất.
Trong hệ thống điều khiển và giám sát đèn, khối cách ly công suất sử dụng
Opto quang để cách ly giữa tầng điều khiển và tầng ứng dụng đèn ngoài. Vì vậy nếu
có xảy ra sự cố cháy chập, tăng áp cũng hạn chế đƣợc rủi ro hỏng toàn bộ hệ thống.


Hình 1.9: Opto quang
Nguyên lý hoạt động:
Cho dòng điện nhỏ chạy qua hai đầu của led làm led phát sáng, khi led phát
sáng xảy ra hiện tƣợng quang điện làm thông hai cực của photodiot, mở cho dòng
điện chạy qua. Lúc đó điện áp cực B của transistor ở mức cao làm cho transistor
thông nghĩa là đèn sẽ đƣợc bật.
Ngƣợc lại khi không có dòng qua hai đầu led của Opto quang thì sẽ không


- 20 hour rate (0.25A to 5.25V) 5Ah.
- 10 hour rate (0.475A to 5.25V) 4.75Ah.
- 5 hour rate (0.85A to 5.1V) 4.25Ah.
-1C (5A to 4.8V) 2.83Ah.
-3C (15A to 4.8V) 2Ah.

 Nội trở @1KHz < 19mΩ.
 Trọng lƣợng: 830g (1.83Lbs).
 Kích thƣớc (mm): L70 x W47 x H102 x TH106 (±1).


 Dòng điện: Nạp lớn nhất < 1.2A | Phóng tối đa 5 giây: 60A.
 Nạp điện @25˚C: Cycle: 7.2 - 7.5V (Solar). Standby: 6.75 - 6.9V
(UPS).
 Nhiệt độ: -15˚C< nạp