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 HỆ THỐNG
GIÁM SÁT CHỈ SỐ MÔI TRƯỜNG VÀ
HIỂN THỊ THÔNG TIN TRÊN WEB
GVHD: PGS. TS Nguyễn Thanh Hải
SVTH: Trần Xuân Thức
Trần Văn Trí

Tp. Hồ Chí Minh – 6/2019

15141302
15141315


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

Trần Xuân Thức
Trần Văn Trí
Kỹ thuật Điện Tử, Truyền Thông
Đại học chính quy
2015

MSSV: 15141302
MSSV: 15141315
Mã ngành: 141
Mã hệ:
1
Lớp:
15141DT

I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHỈ SỐ MÔI
TRƯỜNG VÀ HIỂN THỊ THÔNG TIN TRÊN WEB
II. NHIỆM VỤ
Nội dung thực hiện:
- Đọc các tài liệu, đồ án tốt nghiệp, đề tài.
- Tìm hiểu cách thức hoạt động của các cảm biến sử dụng.
- Tìm hiểu các chuẩn truyền thông như UART, I2C.
- Thiết kế giao diện để giám sát: Web giám sát dữ liệu đo được từ cảm biến.
- Thiết kế và thi công mô hình trạm giám sát.
- Tính toán các thông số quy đổi cho các cảm biến.
- Viết chương trình điều khiển cho Arduino, nạp code và chạy thử nghiệm sản phẩm,
chỉnh sửa và hoàn thiện hệ thống.
- Thực hiện viết sách luận văn báo cáo.
- Tiến hành báo cáo đề tài tốt nghiệp.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
19/02/2019

Gặp gỡ GVHD và trao đổi về đề tài tốt nghiệp.

Tuần 2 (25/02 - 03/03)

Tìm hiểu các đề tài nghiên cứu có liên quan.

Tuần 3 (04/03 - 10/03)

Tìm hiểu các chuẩn giao tiếp sử dụng trong đề
tài.
Tìm hiểu tất cả các linh kiện sử dụng trong đề
tài.

Tuần 4 (11/03 - 17/03)

Tuần 5 (18/03 - 24/03)

Viết code arduino và chạy thử nghiệm một số
cảm biến liên quan đến đề tài.
Báo cáo tiến độ với GVHD.

Tuần 6 (25/03 - 31/03)

Hoàn thành vẽ mạch sử dụng tất cả các cảm
biến và làm mạch thử nghiệm 1.

Tuần 7 (01/04 - 07/04)

Viết báo cáo chương 1, 2 và báo cáo tiến độ
với GVHD.

Gặp GVHD để báo cáo tiến độ.

Tuần 14,15,16 (20/05 09/06)

Chỉnh sửa và hoàn thành toàn bộ bài báo cáo.

GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

iii


LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là do chúng em tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao
chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó.
Nhóm thực hiện đề tài
Trần Xuân Thức
Trần Văn Trí

iv


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong Bộ môn
Điện Tử Y Sinh nói riêng và các thầy cô giáo trong Khoa Điện – Điện Tử nói chung đã
nhiệt tình giúp đỡ chúng em về các kiến thức liên quan tới lĩnh vực nghiên cứu của đề tài
trong thời gian thực hiện đề tài, cũng như các kiến thức mà các thầy cô đã truyền đạt cho
chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến giáo viên hướng dẫn PGS. TS Nguyễn Thanh
Hải đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, cung cấp các kiến thức quan trọng tạo điều kiện thuận

2.2.1 Khối cảm biến ......................................................................................................... 4
2.2.2 Khối vi điều khiển ................................................................................................ 10
2.2.3 Khối nhận tín hiệu ................................................................................................ 13
2.2.4 Khối hiển thị ......................................................................................................... 14
2.2.5 Các chuẩn giao tiếp ............................................................................................... 17
Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ......................................................................... 23
3.1 GIỚI THIỆU ............................................................................................................... 23
3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ................................................................ 23
3.2.1 Tính toán và thiết kế mạch.................................................................................... 24
3.2.2 Điện áp và dòng điện của các linh kiện ................................................................ 29
3.3 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ........................................................................................... 31
3.3.1 Lưu đồ giải thuật ................................................................................................... 31
3.3.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển .................................................................. 33
3.3.3 Phần mềm lập trình cho Web sử dụng phần mềm ThingSpeak............................ 35
Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ................................................................................ 44
vi


4.1 GIỚI THIỆU ............................................................................................................... 44
4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG ............................................................................................ 44
4.2.1 Thi công bo mạch ................................................................................................. 44
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra ............................................................................................... 46
4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH .................................................................... 47
4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển......................................................................................... 47
4.3.2 Thi công mô hình .................................................................................................. 47
4.4 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG.............................................................. 48
Chương 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ........................................................... 49
5.1 KẾT QUẢ THỰC TẾ ................................................................................................. 49
5.2 ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG.......................................................... 53
Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...................................................... 54

Hình 3-7. Lưu đồ chương trình chính của hệ thống giám sát chỉ số môi trường qua Web.
........................................................................................................................................... 31
Hình 3-8. Lưu đồ chương trình con về quá trình thu thập dữ liệu và đưa dữ liệu lên Web.
........................................................................................................................................... 33
Hình 3-9. Các vùng làm việc của phần mềm. .................................................................. 34
Hình 3-10. Cảnh báo có thể xuất hiện khi sử dụng phần mềm IDE ................................. 35
Hình 3-11. Trình duyệt truy cập vào ThingSpeak ............................................................ 36
Hình 3-12. Giao diện ban đầu của Thingspeak ................................................................ 36
Hình 3-13. Giao diện khởi tạo tài khoản ThingSpeaks .................................................... 37
Hình 3-14. Giao diện cài đặt một số thông số của Web ................................................... 38
Hình 3-15. Giao diện điểm thể hiện giá trị cảm biến đo được tại các khoảng thời gian
khác nhau của ThingSpeaks .............................................................................................. 38
Hình 3-16. Giao diện cột thể hiện giá trị cảm biến đo được tại các khoảng thời gian khác
nhau. .................................................................................................................................. 39
Hình 3-17. Thông tin của cảm biến muốn hiển thị lên Server Web ................................. 40
Hình 3-18. Giáo sát bằng giao diện đồng hồ của Thingspeaks ........................................ 40
Hình 3-19. Thông tin của BH1750 với giao diện đồng hồ. .............................................. 41
Hình 3-20. Giao diện giám sát thời gian gửi dữ liệu lên Server Web. ............................. 42
Hình 3-21. Giao diện cảnh báo của Thingspeaks ............................................................. 42
Hình 3-22. Thông tín giao diện cảnh báo của độ ẩm. ...................................................... 43
viii


Hình 4-1. Lớp dưới PCB của toàn mạch .......................................................................... 45
Hình 4-2. Mạch thực tế ..................................................................................................... 46
Hình 4-3. Mô hình vẽ trên AutoCAD của hệ thống ......................................................... 47
Hình 4-4. Mô hình thực tế sau khi cố định các mặt cắt .................................................... 48

Hình 5-1. Hình chụp hệ thống thực tế .............................................................................. 49
Hình 5-2. Kết quả đo được lúc 16:00 ............................................................................... 50

càng được nâng cao. Khi mức sống con người được nâng cao thì đòi hỏi môi trường sống
của con người cần được cải thiện nhiều hơn. Sống trong một xã hội mà các chỉ số môi
trường an toàn với sức khỏe của con người là mục tiêu hướng tới của cộng đồng. Chính vì
lẽ đó con người cần phải biết được các chỉ số môi trường sống hiện tại để từ đó có các biện
pháp phòng tránh và cải thiện nó.
Hiện nay với sự phát triển mạnh mẽ của IoT (Internet of Things) và giám sát dữ liệu
đã được mở rộng thông qua web và các thiết bị được kết nối Internet. Từ đó tạo được sự
thuận tiện và hiện đại trong cuộc sống của con người.
Nội dung của đề tài là áp dụng những kiến thức điện tử đã học để thiết kế mạch đo
các chỉ số môi trường. Mạch gồm các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, bụi, cường độ ánh sáng
giao tiếp với bộ điều khiển trung tâm là Aduino Uno R3. Không chỉ hiển thị các dữ liệu
thông qua LCD 20x4, mạch còn giám sát dữ liệu qua Web nhờ module ESP8266-V1. Mô
hình cũng được thiết kế dạng hình khối chứa đựng tất cả mạch và cảm biến sử dụng. Số
liệu hiển thị trên trên LCD và Web trực quan, dễ nhìn. Người dùng có thể dựa vào những
dữ liệu đó để có các quyết định và biện pháp phòng tránh hiệu quả.

xi


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong quá trình phát triển của đất nước cùng với việc đẩy mạnh phát triển kinh tế thì
yếu tố không kém phần quan trọng là vấn đề về môi trường cần phải được quan tâm đặc
biệt. Trong nông nhiệp, muốn đạt được hiệu quả sản xuất được tốt nhất thì những kinh
nghiệm trong quá trình lao động sản xuất từ xưa đến nay vẫn chưa đủ, cần phải có những
thiết bị chuyên dụng để đo chính xác yếu tố môi trường ngay lúc đó. Xã hội càng phát triển
thì sản xuất nó không chỉ dừng lại ở việc làm ra chỉ để phục vụ cho mình, cho xã hội mà
chúng ta còn phải quan tâm đến các vấn đề bảo vệ môi trường. Vì các yếu tố môi trường

giám giám sát chỉ số môi trường và hiển thị thông tin trên Web”. Hệ thống này sử dụng
vi điều khiển trung tâm là module Arduino, module Wifi ESP8266V1 và các cảm biến ánh
sáng, nhiệt độ, độ ẩm, bụi. Hệ thống sẽ phân tích, tổng hợp dữ liệu để đưa ra gợi ý cho
người sử dụng. Người dùng có thể truy cập và giám sát dữ liệu thời tiết đo được trên Web.

1.2 MỤC TIÊU
Xây dựng và phát triển mô hình Giám sát chỉ số môi trường hiển thị trên Web thông
qua Wifi. Hệ thống này sẽ đo các thông số chính xác tại khu vực đặt trạm như: nhiệt độ,
độ ẩm, bụi, cường độ ánh sáng. Từ đó đưa ra những cảnh báo quan trọng dựa trên dữ liệu
đo được từ cảm biến.

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Tìm hiểu cách thức hoạt động của các cảm biến sử dụng.
- Tìm hiểu các chuẩn truyền thông như UART, I2C.
- Thiết kế giao diện để điều khiển và giám sát: Web giám sát dữ liệu đo được từ cảm
biến.
- Thiết kế và thi công mô hình trạm giám sát.
- Tính toán các thông số quy đổi cho các cảm biến.
- Viết chương trình điều khiển cho Arduino, nạp code và chạy thử nghiệm sản phẩm,
chỉnh sửa và hoàn thiện hệ thống.
- Thực hiện viết sách luận văn báo cáo.
- Tiến hành báo cáo đề tài tốt nghiệp.

1.4 GIỚI HẠN
• Thiết kế mô hình trạm giám sát và chỉ thực hiện mô hình nhỏ để thực nghiệm.
• Dải nhiệt độ đo được từ 0 – 50 độ C, độ ẩm từ 20 – 90% RH.
• Nguồn cung cấp trực tiếp thông qua Adapter 12V.
• Mạch hoạt động ổn định trong môi trường từ 10 – 50 độ C, vượt quá sẽ ảnh
hưởng đến kết quả đo từ các cảm biến cũng như gây hư hỏng toàn mạch.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 QUY TRÌNH GIÁM SÁT CỦA HỆ THỐNG
Ban đầu Arduino giao tiếp với các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, bụi và ánh sáng thông qua
các chuẩn giao tiếp rồi hiển thị dữ liệu đo được lên LCD 20x4, đồng thời dữ liệu từ cảm biến
sẽ cập nhật liên tục và hiển thị trên Web qua Wifi. Dữ liệu cập nhật theo thời gian thực và
thời gian cập nhật là 15 giây.

2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
2.2.1 Khối cảm biến
2.2.1.1 Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11
Do mạch ứng dụng trong môi trường không khí bình thường nên giới hạn tiêu chí đo
nhiệt độ của mạch nằm trong khoảng 0 – 50ºC và độ ẩm là 40 - 80% RH.
Trên thị trường có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ và độ ẩm. Do vậy, chúng ta cần chọn
loại cảm biến thích hợp cho hệ thống. Bảng dưới đây liệt kê thông tin của một số loại cảm
biến đo nhiệt độ, độ ẩm thông dụng.
Bảng 2-1. Bảng so sánh các cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm thông dụng.
Thông số kỹ

DHT11

AS2301

SHT10

Nguồn sử dụng

3 – 5.5VDC


Giá thành

30.000đ

85.000đ

185.000đ

thuật

Khoảng cách
truyền

-40oC đến 80oC

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

-40oC đến 123.8oC

4


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Căn cứ vào số liệu bảng so sánh trên ta thấy cả 2 dòng AS2301 và SHT10 đều có dải
đo nhiệt độ và độ ẩm lớn hơn so với DHT11. Tuy nhiên nếu xét cụ thể từng dòng, SHT10
có giá thành quá cao, AS2301 cũng có giá thành cao và điều khiển phức tạp hơn nhiều so
với DHT11. Do đó, DHT11 là sự lựa chọn tốt nhất do được sử dụng phổ biến, giá thành rẻ,
thông số kĩ thuật phù hợp với nhu cầu và giới hạn của đề tài.
a. Mô tả chân và sơ đồ kết nối với vi điều khiển của cảm biến DHT11

mức logic 1. Nếu chân dữ liệu giữ mức logic 1 trong khoảng 26-28µs thì ta được bit 0, còn
nếu 70µs thì ta được bit 1.
c. Đọc giá trị trên DHT11
Sau khi giao tiếp được với khối điều khiển, cảm biến DHT11 sẽ trả về giá trị nhiệt độ
và độ ẩm dưới dạng 40 bit dữ liệu, tương ứng chia làm 5 byte. Trong đó:
Byte 1: giá trị phần nguyên của độ ẩm.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

6


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Byte 2: giá trị phần thập phân của độ ẩm.
Byte 3: giá trị phần nguyên của nhiệt độ.
Byte 4: giá trị phần thập phân của nhiệt độ.
Byte 5: kiểm tra tổng.
Nếu (Byte 5) = (Byte 1 + Byte 2 + Byte 3 + Byte 4) thì giá trị độ ẩm và nhiệt độ là
chính xác, nếu sai thì kết quả đo không có ý nghĩa.
Ví dụ: Dữ liệu nhận 40 Bit: 00110101 00000000 00011000 00000000 01001101
Dữ liệu đã nhận chính xác về Độ ẩm: 00110101 = 35H = 53%RH
Dữ liệu đã nhận chính xác về Nhiệt độ: 00011000 = 18H = 24oC
2.2.1.2 Cảm biến bụi Sharp GP2Y10 (Dust Sensor)
Ô nhiễm môi trường không khí ngày càng trầm trọng. Điều này, ảnh hưởng trực tiếp
tới sức khỏe mỗi con người. Vì vậy module cảm biến bụi sẽ giúp chúng ta biết được mức
độ ô nhiễm môi trường không khí để có thể cải thiện chất lượng không khí.

Hình 2-3. Cảm biến bụi Sharp GP2Y10
a. Thông số cơ bản của cảm biến
▪ Nguồn : 3,3 – 5 VDC


Chân ngõ vào số

4. S-GND

Chân nối đất

5. Vo

Chân ngõ ra analog

6. VCC

Chân nguồn trực tiếp 3,3V

c. Nguyên lý hoạt động của cảm biến
Cảm biến bụi được cấu tạo bởi ba thành phần chính: IR LED, Phototransistor,
Amplifer. IR LED và Phototransistor là 02 bộ phận dùng để truyền và nhận hồng ngoại và
được đặt chệch gốc với nhau. Khi có bụi bay vào, tia hồng ngoại từ IR LED sẽ bị dội vào
Phototransistor, lúc này điện áp từ phototransistor sẽ được đưa đến mạch khuếch đại
(Amplifier) và xuất ra chân Vo.
2.2.1.3 Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

8


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Cảm biến BH1750 được sử dụng để đo cường độ ánh sáng, cảm biến có mạch
chuyển đổi tương tự ra số nội và bộ tiền xử lý nên giá trị được trả ra là giá trị trực tiếp


Chuẩn giao tiếp I2C

ADDR

Chân địa chỉ để lập trình.
ADDR = ‘H’ (ADDR > 0,7Vcc)
“1011100”
ADDR = ‘L’ ( ADDR < 0,3Vcc)

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

9


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
“0100011”
Cảm biến BH1750 có 3 chế độ đo:
• H-Resolution với độ nhậy sáng 0.5 lux
• H-Resolution với độ nhậy sáng 1 lux.
• L-Resolution với độ nhậy sáng 4 lux.

2.2.2 Khối vi điều khiển
Arduino là một board mạch vi xử lý tích hợp, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác
với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Phần cứng bao gồm một board mạch
nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8 bit, hoặc ARM Atmel 32-bit.
Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14
chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau.
Bảng 2-4. Một vài thông số lựa chọn Arduino trong các board Arduino phổ biến.
Thông số kĩ thuật

14 – 6 – 8

54 – 15 – 16

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O

30mA

40mA

40mA

Tốc độ

16MHz

16MHz

16MHz

Giá thành

130.000đ

75.000đ

240.000đ

Analog



7-12V DC

Điện áp vào giới hạn

6-20V DC

Số chân Digital I/O

14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog

6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O

30 mA

Dòng ra tối đa (5V)

500 mA

Dòng ra tối đa (3.3V)

50 mA

Bộ nhớ flash

32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi

▪ 5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.
▪ 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.
▪ Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO,nối cực dương
của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
▪ IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được
đo ở chân này và nó luôn bằng 5V. Mặc dù vậy không được lấy nguồn 5V từ chân
này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn.
▪ RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương
với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.

Hình 2-6. Arduino Uno R3
Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng chỉ có 2
mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA. Ở mỗi chân đều
có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc định thì
các điện trở này không được kết nối). Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như
sau:
• Chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive –
RX) dữ liệu TTL Serial. Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua
2 chân này. Ví dụ kết nối Bluetooth chính là kết nối Serial không dây.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

12