BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN

GVHD: ThS. Nguyễn Đình Phú
SVTH: Nguyễn Tri Phương
Võ Duy Tâm

Tp. Hồ Chí Minh – 7/2019

14141238
14141276


BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:

Nguyễn Tri Phương

MSSV: 14141238

Võ Duy Tâm

MSSV: 14141276

Chuyên ngành:

Công nghệ kỹ thuật điện tử truyền thông

Mã ngành: 141

Hệ đào tạo:

Đại học chính quy

Mã hệ: 1

Khóa:

2014

Lớp: 14141DT

I. TÊN ĐỀ TÀI:


V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

ThS. Nguyễn Đình Phú

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

ii


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA 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 28 tháng 6 năm 2019

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Nguyễn Tri Phương
Lớp: 14141DT1B

MSSV: 14141238


(1/4 – 7/4)

Xác nhận
GVHD

Tìm hiểu các đề tài có liên quan
Báo cáo hướng thực hiện đề tài với GVHD
Viết đề cương chi tiết, lịch trình thực hiện
Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý
Lựa chọn linh kiện
Tìm hiểu module Wifi ESP32
Báo cáo tiến độ cho GVHD
Lập trình cho ESP32 điều khiển Led đơn
Tìm hiểu hệ điều hành Android, Web Server

iii


Tuần 8
(8/4 – 14/4)
Tuần 9
(15/4 – 21/4)

Thiết kế ứng dụng, giao diện Web

Lập trình ESP32 điều khiển được thiết bị điện
Báo cáo tiến độ cho GVHD

Tuần 10, 11
(22/4 – 5/5)


LỜI CAM ĐOAN
Chúng tôi xin cam kết khóa luận tốt nghiệp này là đề tài do chính chúng tôi
nghiên cứu và thực hiện. Chúng tôi chỉ dựa trên mà không sao chép từ bất kì tài liệu
hay công trình nào đã được thực hiện trước đó. Nếu có bất kỳ vi phạm nào, chúng tôi
xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Người thực hiện
Nguyễn Tri Phương
Võ Duy Tâm

v


LỜI CẢM ƠN
Chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Đình Phú.
Trong suốt quá trình thực hiện đề tài này, Thầy luôn là người đồng hành cùng chúng
em với sự chỉ dẫn tận tình, những lời góp ý nhận xét và những kinh nghiệm quý báu
được Thầy truyền đạt lại đã tạo điều kiện thuận lợi để chúng em hoàn thành tốt đề tài.
Chúng em xin cảm ơn đến các Thầy, Cô trong khoa Điện – Điện tử đã giảng
dạy cho chúng em những kiến thức nền tảng để chúng em có tiền đề thực thiện đề tài
này.
Cảm ơn cha mẹ đã tạo điều kiện tốt nhất, là động lực mạnh mẽ để con hoàn
thành khóa luận này.
Xin chân thành cảm ơn.
Người thực hiện
Nguyễn Tri Phương
Võ Duy Tâm

vi



2.3. CÔNG NGHỆ WIFI ....................................................................................10
2.3.1.

Giới thiệu ...........................................................................................10

2.3.2.

Công nghệ truyền nhận dữ liệu .........................................................10

2.3.3.

Thành phần của mạng Wifi ...............................................................11

2.3.4.

Cấu trúc liên kết ................................................................................11

2.3.5.

Hotspot ..............................................................................................12
vii


2.3.6.

Cách thức hoạt động ..........................................................................12

2.3.7.



2.4.6.

Ưu nhược điểm ..................................................................................18

2.5. GIAO THỨC MQTT ...................................................................................19
2.5.1.

Giới thiệu ...........................................................................................19

2.5.2.

Lịch sử ...............................................................................................19

2.5.3.

Thành phần của MQTT .....................................................................20

2.5.4.

MQTT QoS ........................................................................................21

2.5.5.

Broker trong IoT ................................................................................21

2.5.6.

Ưu điểm .............................................................................................22




2.7.1.3.

Sơ đồ chân của module ESP32-WOOM-32 ..................................28

2.7.1.4.

Chức năng tích hợp trong ESP32 ...................................................31

2.7.1.4.1. CPU và kiến trúc bộ nhớ .............................................................31
2.7.1.4.2. Timers và Watchdogs..................................................................32
2.7.1.4.3. Hệ thống xung đồng hồ (Clock) ..................................................33
2.7.1.4.4. Wifi .............................................................................................33
2.7.1.4.5. Bluetooth .....................................................................................34
2.7.1.4.6. RTC và quản lý năng lượng thấp ................................................34
2.7.1.5.

Thiết bị ngoại vi và cảm biến của ESP32 ......................................34

2.7.1.6.

Đặc tính về điện .............................................................................36

2.7.1.7.

Sơ đồ nguyên lý module ESP32-WOOM-32 .................................37

2.7.2.



Khối cảm biến ................................................................................47

3.2.2.4.

Khối nguồn .....................................................................................49

3.2.2.5.

Sơ đồ nguyên lý toàn mạch ............................................................51

Chương 4: THI CÔNG HỆ THỐNG ........................................................................52
4.1. GIỚI THIỆU ................................................................................................52
4.2. THI CÔNG HỆ THỐNG .............................................................................52
ix


4.2.1.

Thi công board mạch .........................................................................52

4.2.2.

Lắp ráp và kiểm tra ............................................................................56

4.3. ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ....................................................56
4.3.1.

Đóng gói bộ điều khiển .....................................................................56



Web Server ........................................................................................65

4.4.4.

Ứng dụng Android .............................................................................71

4.5. HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC ....................................................74
4.5.1.

Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng ........................................................74

4.5.2.

Quy trình thao tác ..............................................................................74

Chương 5: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ .............................................76
5.1. GIỚI THIỆU ................................................................................................76
5.2. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC ..............................................................................76
5.3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .......................................................................76
5.3.1.

Mô hình .............................................................................................76

5.3.2.

Điều khiển và giám sát thiết bị, cảm biến qua Web Server ..............77

5.3.3.


LIỆT KÊ HÌNH
Hình 2.1. Internet of things .........................................................................................5
Hình 2.2. Ứng dụng của IoT .......................................................................................6
Hình 2.3. Smart Home .................................................................................................7
Hình 2.4. IoT trong giao thông vận tải .......................................................................7
Hình 2.5. IoT trong y tế ...............................................................................................8
Hình 2.6. IoT trong nông nghiệp .................................................................................9
Hình 2.7. Smart City....................................................................................................9
Hình 2.8. Biểu tượng Wifi .........................................................................................10
Hình 2.9. Cấu trúc liên kết ngang hàng ....................................................................11
Hình 2.10. Cấu trúc liên kết dựa trên AP .................................................................12
Hình 2.11. Cách thức hoạt động của mạng Wifi .......................................................13
Hình 2.12. Cách thức giao tiếp trong mạng Wifi ......................................................13
Hình 2.13. Biểu tượng Android .................................................................................15
Hình 2.14. Một số ứng dụng Android .......................................................................18
Hình 2.15. Giao thức MQTT .....................................................................................19
Hình 2.16. Hoạt động của client ...............................................................................20
Hình 2.17. Hoạt động của Topic ...............................................................................20
Hình 2.18. Thành phần của một MQTT trong hệ thống IoT .....................................21
Hình 2.19. Một Node - RED cơ bản ..........................................................................23
Hình 2.20. Node – RED và IoT .................................................................................24
Hình 2.21. Giao diện Node – RED ............................................................................24
Hình 2.22. Module ESP32-WOOM-32 .....................................................................26
Hình 2.23. Kiến trúc của ESP32 ...............................................................................26
Hình 2.24. Sơ đồ bố trí chân của module ESP32-WOOM-32 ..................................31
Hình 2.25. Cấu trúc và địa chỉ bộ nhớ của ESP32 ...................................................32
Hình 2.26. Sơ đồ nguyên lý module ESP32-WOOM-32 ...........................................37
Hình 2.27. Sơ đồ nguyên lý thiết bị ngoại vi module ESP32-WOOM-32 .................38
Hình 2.28. Sơ đồ chân DHT11 ..................................................................................38
Hình 2.29. Xung bắt đầu DHT11 ..............................................................................39

Hình 4.13. Cài đặt PlatformIO IDE ..........................................................................63
Hình 4.14. Tạo dự án lập trình cho board ESP32-DevKitC .....................................64
Hình 4.15. Giao diện lập trình ..................................................................................64
Hình 4.16. Đăng ký tài khoản Cloud MQTT .............................................................65
Hình 4.17. Tạo một dự án mới trong Cloud MQTT ..................................................66
Hình 4.18. Thông tin cần thiết cho dự án trong Cloud MQTT .................................66
Hình 4.19. Một số dự án sau khi tạo .........................................................................66
xiii


Hình 4.20. Thông tin chi tiết cho một dự án .............................................................67
Hình 4.21. Nơi giám sát và điều khiển dữ liệu..........................................................67
Hình 4.22. Khởi động Node – RED...........................................................................68
Hình 4.23. Màn hình giao diện thiết kế Web ............................................................69
Hình 4.24. Tạo kết nối với Server .............................................................................69
Hình 4.25. Cấu hình địa chỉ kết nối ..........................................................................69
Hình 4.26. Một nút điều khiển cơ bản .......................................................................70
Hình 4.27. Cấu hình cho một nút ..............................................................................70
Hình 4.28. Tiến hành deploy giao diện .....................................................................71
Hình 4.29. Giao diện nút điều khiển .........................................................................71
Hình 4.30. Ứng dụng MQTT Dashboard ..................................................................71
Hình 4.31. Bảng thuộc tính MQTT Dashboard ........................................................72
Hình 4.32. Tạo một Broker .......................................................................................73
Hình 4.33. Thiết kế và chỉnh sửa giao diện ứng dụng ..............................................73
Hình 4.34. Quy trình thao tác ...................................................................................74
Hình 5.1. Mô hình hệ thống khi được cấp nguồn 220VAC .......................................76
Hình 5.2. Các thiết bị khi chưa được bật trên màn hình điều khiển .........................77
Hình 5.3. Các thiết bị được bật trên màn hình điều khiển ........................................77
Hình 5.4. Nhiệt độ và độ ẩm bộ điều khiển hiển thị trên giao diện Web ..................78
Hình 5.5. Trạng thái thiết bị được giám sát trên Cloud MQTT ................................78

mới nên nhóm chúng tôi quyết định thực hiện đề tài “Thiết kế và thi công mô hình
điều khiển thiết bị điện”. Đề tài này sẽ là một hệ thống hoàn thiện bao gồm phần
cứng phần mềm, và có thể đáp ứng được cho các phòng học, phòng thí nghiệm, hộ
gia đình, …
Nội dung chính của đề tài
• Sử dụng board ESP32-DevKitC làm mạch điều khiển trung tâm.
• Điều khiển thiết bị trên ứng dụng Android và giao diện Web thông qua Internet.
• Giám sát trạng thái hoạt động của thiết bị qua Web Server.
• Lưu trữ trạng thái điều khiển của thiết bị.

xvi


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Xã hội ngày càng phát triển không ngừng, công nghệ ngày càng hiện đại để đáp
ứng nhu cầu càng cao của con người. Chính vì thế công nghệ bây giờ đang gần gũi
với cuộc sống hằng ngày hơn bao giờ hết, chúng ta đang ở trong thời đại mà sự bùng
phát kỹ thuật tiên tiến và các ứng dụng của nó rất mạnh mẽ. Dưới bóng của nó là các
công nghệ được tích hợp trong rất nhiều lĩnh vực như ôtô, tàu điện ngầm, các lĩnh
vực y tế, giáo dục và cả trong nhà ở, ...
Trong những năm trở lại đây, kỹ thuật truyền và nhận dữ liệu không dây có
những bước phát triển vượt bậc nhằm thay thế các hệ thống dây dẫn phức tạp còn
nhiều hạn chế, không đáp ứng được cho việc truyền dẫn đến những khu vực xa xôi.
Sự ra đời và phát triển của công nghệ này đã góp phần làm cho các hệ thống điều
khiển thông minh, giám sát từ xa trở nên dễ dàng hơn. Hiện nay, có nhiều công nghệ
truyền nhận dữ liệu không dây như RF, NFC, Bluetooth, Wifi, ... Trong đó Wifi là
một trong số công nghệ phổ biến, được sử dụng rộng rãi nhất.

• Nội dung 3:
Tìm hiểu cách gửi và nhận dữ liệu thông qua máy chủ Server MQTT.
• Nội dung 4:
Tìm hiểu module ESP32, thiết kế hệ thống giao tiếp.
• Nội dung 5:
Tính toán, thiết kế và thi công mạch phần cứng, phần mềm.
• Nội dung 6:
Thiết kế mô hình, lắp ráp các khối điều khiển.
• Nội dung 7:
Chạy thử, kiểm tra, cân chỉnh tối ưu hệ thống.
• Nội dung 8:
Đánh giá kết quả thực hiện.
• Nội dung 9:
Viết báo cáo luận văn tốt nghiệp.
• Nội dung 10:
Bảo vệ luận văn.

1.4. GIỚI HẠN
Mô hình giới hạn cho các thiết bị điện trong phòng học như: đèn, quạt, tivi, loa
hiển thị trạng thái hoạt động thông qua đèn báo trên mô hình.
Hệ thống điều khiển được 4 thiết bị điện 220VAC cho mỗi module.
Giao tiếp giữa ESP32, đồng bộ điều khiển thiết bị với ứng dụng Android và với
Web Server.
Giám sát được nhiệt độ và độ ẩm của bộ điều khiển.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Vấn đề sử dụng các thiết bị điện một cách hiệu quả và an toàn được đặt lên hàng
đầu đối với người sử dụng. Không chỉ ở những công trình, tòa nhà, hộ gia đình, mà
ngay cả văn phòng làm việc, phòng học thì việc tiết kiệm điện là hết sức cần thiết.
Dưới đây là bảng thống kê cho thấy các thiết bị điện chủ yếu được sử dụng trong một
phòng học và công suất của từng thiết bị.
Bảng 2.1: Thống kê các thiết bị điện trong phòng học và công suất tiêu thụ
STT

Tên thiết bị điện

Công suất tiêu thụ
P(W)

1

Đèn tuýp LED 1m2

36

2

TV LCD 32 inches

70

3

Điều hòa 2HP

1500


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Về cơ bản, IoT là một hệ thống mạng lưới mà trong đó tất cả các thiết bị, đối
tượng được kết nối Internet thông qua thiết bị mạng (network devices) hoặc các bộ
định tuyến (routers). IoT cho phép các đối tượng được điều khiển từ xa dựa trên hệ
thống mạng hiện tại. Công nghệ tiên tiến này giúp giảm công sức vận hành của con
người bằng cách tự động hóa việc điều khiển các thiết bị.

Hình 2.1. Internet of things
Các thành phần chính trong một hệ thống IoT:
• Thiết bị
Mỗi thiết bị sẽ bao gồm một hoặc nhiều cảm biến để phát hiện các thông số của
ứng dụng và gửi chúng đến Platform.
• IoT – Platform
Nền tảng này là một phần mềm được lưu trữ trực tuyến còn được gọi là điện
toán đám mây, các thiết bị được kết nối với nhau thông qua nó.
Nền tảng này thu thập dữ liệu từ thiết bị, toàn bộ dữ liệu được phân tích, xử lý,
phát hiện nếu có lỗi phát sinh trong quá trình hệ thống vận hành.
• Kết nối Internet
Để giao tiếp được trong IoT, kết nối Internet của các thiết bị là một điều bắt
buộc. Wifi là một trong những phương thức kết nối Internet phổ biến.
• Ứng dụng
Ứng dụng là giao diện để người dùng điều khiển.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

5


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

• Giao thông vận tải
An toàn là điều đầu tiên khi nghĩ đến tác động của IoT đối với giao thông vận
tải. Ý tưởng đưa ra là các phương tiện có khả năng liên lạc với nhau bằng cách sử
dụng dữ liệu đã được phân tích để có thể giảm đáng kể các sự cố tai nạn xảy ra khi
tham gia giao thông. Sử dụng cảm biến, các phương tiện như ô tô, xe buýt được cảnh
báo nguy cơ tiềm ẩn trên đường, hoặc thậm chí là tình trạng ùn tắt giao thông ở một
số tuyến đường.
Dịch vụ vận chuyển hàng hóa cũng được ứng dụng từ công nghệ này. Công
nghệ quản lý lịch trình vận chuyển, tối ưu hóa các tuyến giao hàng, mức tiêu thụ
nhiên liệu của phương tiện, giám sát tốc độ của tài xế giao hàng tuân thủ quy định an
toàn nhằm mang lại những lợi ích về kinh tế và sự hài lòng của khách hàng.

Hình 2.4. IoT trong giao thông vận tải
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

7