LINK TẢI LUẬN VĂN MIỄN PHÍ CHO AE KET-NOI
Ứng dụng IoT vào hệ thống quang báo sử dụng kit Raspberry PI
TÓM TẮT
Đề tài “Ứng dụng IoT vào hệ thống quang báo sử dụng KIT Raspberry Pi” sử dụng KIT Raspberry Pi, Esp32 cam, P5 led panel, cùng với các IC hỗ trợ giúp thực hiện các chức năng về hiển thị hình ảnh, video, GIF lên màn hình quang báo. Nhằm mô phỏng lại biển quảng cáo một cách chân thực, đơn giản hoá việc thao tác người dùng với hệ thống thông qua website thao tác cho người sử dụng.
Chủ đề cung cấp thông tin tổng quan về module led P5, phần cứng trong hệ thống. Bao gồm cả những thiết kế và xây dựng hệ thống, các yêu cầu về hệ thống, sơ đồ, thông số, cũng như là hệ thống IoT.
Hệ thống hiển thị còn có tích hợp IoT giúp cho người sử dụng cập nhật thông tin một cách nhanh chóng, chính xác và chân thật nhất.
Kết quả hoạt động, nhận xét, đánh giá cho thấy hệ thống hoạt động hiệu quả, công việc kết thúc với kết luận và hướng phát triển trong tương lai. Ngoài ra nhóm thực hiện đưa ra một trong các hướng phát triển đó là mở rộng mô hình giúp cho đề tài có nền móng phát triển mở rộng thuận lợi hơn trong tương lai gần, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội.
vi
MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ....................................................................................i PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN....................................................ii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN......................................................iii LỜI CAM ĐOAN...............................................................................................................iv LỜI CẢM ƠN......... .........................................................................................................iv TÓM TẮT...........................................................................................................................vi MỤC LỤC .........................................................................................................................vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................................. x DANH MỤC HÌNH ẢNH..................................................................................................xi DANH MỤC BẢNG BIỂU..............................................................................................xiii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................................... 1
1.1 Giới thiệu ................................................................................................................... 1 1.2 Tình hình nghiên cứu................................................................................................. 2 1.3 Mục tiêu đề tài ........................................................................................................... 2 1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................. 2 1.5 Bố cục đồ án .............................................................................................................. 3
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT....................................................................................4 2.1 Led RGB....................................................................................................................4 2.1.1 Cấu tạo....................................................................................................................4 2.1.2 Nguyên lý hoạt động .............................................................................................. 4 2.2 Panel led .................................................................................................................... 4 2.2.1 Giới thiệu panel led ................................................................................................ 4 2.2.2 Cấu tạo....................................................................................................................6
2.2.2.1 IC 74HC138..................................................................................................... 6 2.2.2.2 IC TLC5926 .................................................................................................... 8 2.2.2.3 IC SSF4953 ................................................................................................... 10 2.2.2.4 IC 74HC245................................................................................................... 11
2.2.3 Kết nối .................................................................................................................. 12 2.2.4 Nguyên lý hoạt động ............................................................................................ 16 2.3 Máy tính nhúng........................................................................................................ 16 2.3.1 Giới thiệu .............................................................................................................. 16
vii
2.3.2 Khảo sát một số loại máy tính nhúng thông dụng ................................................ 16 2.3.2.1 Raspberry Pi .................................................................................................. 16 2.3.2.2 LattePanda ..................................................................................................... 17 2.3.2.3 AI NVIDIA Jetson......................................................................................... 18
2.3.3 Lựa chọn máy tính nhúng ..................................................................................... 19 2.4 KIT Raspberry Pi 3.................................................................................................. 19 2.5 Esp 32 cam .............................................................................................................. 23 2.5.1 Giới thiệu .............................................................................................................. 23 2.5.2 Cấu tạo..................................................................................................................23 2.6 Điểm ảnh.................................................................................................................. 27 2.7 FrameBuffer............................................................................................................. 27 2.8 Pixel Format.........................................................................................................28 2.9 Khung ảnh................................................................................................................ 29 2.10 Chuẩn giao tiếp......................................................................................................30 2.10.1 Chuẩn giao tiếp không dây ................................................................................. 30 2.10.2 Chuẩn giao tiếp USB .......................................................................................... 33
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNG.......................................................36 3.1 Yêu cầu hệ thống ..................................................................................................... 36 3.2 Sơ đồ khối................................................................................................................36 3.3 Thiết kế từng khối.................................................................................................... 37 3.3.1 Khối quang báo..................................................................................................... 37 3.3.2 Khối đệm .............................................................................................................. 38 3.3.3 Khối ứng dụng ...................................................................................................... 40 3.3.4 Khối phản hồi ....................................................................................................... 40 3.3.5 Khối xử lý trung tâm ............................................................................................ 41 3.3.6 Khối nguồn ........................................................................................................... 42 3.4 Sơ đồ nguyên lý ....................................................................................................... 43 3.5 Thiết kế mở rộng ..................................................................................................... 45 3.6 Lưu đồ giải thuật...................................................................................................... 47 3.6.1 Lưu đồ chương trình chính của hệ thống ............................................................. 47 3.6.2 Chương trình con Web program........................................................................... 48 3.6.3 Chương trình con Run web .................................................................................. 49 3.6.4 Chương trình con thay đổi nội dung FrameBuffer ............................................... 50 3.6.5 Chương trình con khởi tạo vùng nhớ tạm............................................................. 51
viii
3.6.6 Chương trình con nạp ảnh vào bộ nhớ đệm ......................................................... 52 3.6.7 Chương trình con dữ liệu xuống màn hình Led ................................................... 53 3.6.8 Chương trình con đọc ảnh .................................................................................... 54 3.6.9 Chương trình con hiển thị hình ảnh......................................................................55 3.6.10 Chương trình con hiển thị video.........................................................................56
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ................................................................................................... 57 4.1 Kết quả thực hiện..................................................................................................... 57 4.2 Website điều khiển .................................................................................................. 57 4.3 Kết quả thu được ..................................................................................................... 60 4.4 Nhận xét kết quả ...................................................................................................... 62
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN & HƯỚNG PHÁT TRIỂN.....................................................64 5.1 Kết luận.................................................................................................................... 64 5.2 Hướng phát triển......................................................................................................65
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 66 PHỤ LỤC 1 ....................................................................................................................... 67 PHỤ LỤC 2 ....................................................................................................................... 68
ix
LCD Liquid Crystal Display IoTs internet of Things
PC Personal Computer SMD Surface Mount Device
IC Integrated Circuit LED Light Emitting Diode
PWM Pulse Width Modulation BJT Bipolar Junction Transistor
I/O Input/Output
AI Artificial Intelligence
CPU Central Processing Unit USB Universal serial bus
SD Secure Digital
TV Television
RAM Random Access Memory
BLE Bluetooth Low Energy
Màn hình tinh thể lỏng
Internet kết nối vạn vật
Máy tính cá nhân Thiết bị gắn bề mặt Mạch tích hợp
Diode phát quang Điều chế độ rộng xung Transistor lưỡng cực Ngõ vào/Ngõ ra
Trí tuệ nhân tạo Bộ xử lý trung tâm
Thẻ nhớ
TiVi
Bộ nhớ tạm thời
3
HTML
Hypertext Markup Language
Ngôn ngữ Đánh dấu Siêu văn bản
14
GPIO
General-purpose input/output
18
IEEE
Institute of Electrical
and Electronics Engineers
Viện kỹ sư điện và điện tử
x
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2. 1 Led RGB dán ....................................................................................................... 4 Hình 2. 2 Sơ đồ chân led RGB dán ..................................................................................... 4 Hình 2. 3 Panel led P5 64x32 .............................................................................................. 5 Hình 2. 4 Mặt sau panel led P5 64x32................................................................................. 6 Hình 2. 5 Sơ đồ chân IC giải mã 74HC138.........................................................................7 Hình 2. 6 ký hiệu logic ........................................................................................................ 7 Hình 2. 7 Sơ đồ chân IC TLC 5926.....................................................................................9 Hình 2. 8 Cấu tạo IC SSF4953 .......................................................................................... 10 Hình 2. 9 sơ đồ chân IC SSF4953 ..................................................................................... 10 Hình 2. 10 Mosfet kênh p .................................................................................................. 11 Hình 2. 11 Sơ đồ chân IC 74HC245..................................................................................11 Hình 2. 12 Cấu tạo bên trong của IC 74HC245 ................................................................ 12 Hình 2. 13 Các linh kiện cần thiết kết nối các panel led ................................................... 13 Hình 2. 14 Cổng kết nối HUB75 ....................................................................................... 13 Hình 2. 15 Dây bus cho HUB75 chuyên dụng cho màn hình led ..................................... 13 Hình 2. 16 Sơ đồ kết nối IC điều khiển trong panel led .................................................... 14 Hình 2. 17 Sơ đồ nguyên lý một module led RGB 64x32 ................................................ 15 Hình 2. 18 Raspberry Pi3 .................................................................................................. 17 Hình 2. 19 Máy tính nhúng LattePanda............................................................................. 18 Hình 2. 20 Máy tính nhúng AI NVIDIA Jetson ................................................................ 18 Hình 2. 21 Raspberry Pi 3B............................................................................................... 19 Hình 2. 22 Sơ đồ chân Raspberry Pi 3B............................................................................20 Hình 2. 23 Cấu trúc phần cứng Raspberry Pi 3 Model B..................................................20 Hình 2. 24 Sơ Đồ chân ESP32_CAM ............................................................................... 23 Hình 2. 25 Module ESP32_CAM...................................................................................... 24 Hình 2. 26 Ký hiệu module ESP32_CAM ........................................................................ 24 Hình 2. 27 Số lượng pixels trong một đơn vị diện tích ..................................................... 27 Hình 2. 28 FrameBuffer 24bit màu ................................................................................... 28 Hình 2. 29 Thiết bị sử dụng wifi ....................................................................................... 30 Hình 2. 30 Các thiết bị sử dụng Bluetooth ........................................................................ 32 Hình 2. 31 Ứng dụng zigbee trong điều khiển nhà thông minh ........................................ 32 Hình 2. 32 Mô hình LORA trong thành phố ..................................................................... 33 Hình 2. 33 USB type A...................................................................................................... 34
xi
Hình 2. 34 USB type B......................................................................................................34 Hình 2. 35 USB type C......................................................................................................34 Hình 2. 36 Micro USB....................................................................................................... 35 Hình 3. 1 Sơ đồ khối hệ thống...........................................................................................37 Hình 3. 2 Sơ đồ kết nối led thông qua giao tiếp serial ...................................................... 38 Hình 3. 3 Kết nối khối ứng dụng với Raspberry Pi...........................................................40 Hình 3. 4 Kết nối ESP 32 CAM với khối ứng dụng.......................................................... 41 Hình 3. 5 Sơ đồ kết nối với vi điều khiển..........................................................................42 Hình 3. 6 Khối nguồn ........................................................................................................ 43 Hình 3. 7 Hướng mở rộng 1 .............................................................................................. 45 Hình 3. 8 Hướng mở rộng 2 .............................................................................................. 45 Hình 3. 9 Hướng mở rộng 3 .............................................................................................. 46 Hình 3. 10 Lưu đồ chương trình chính .............................................................................. 47 Hình 3. 11 Chương trình con Web program......................................................................48 Hình 3. 12 Chương trình con Run web ............................................................................. 49 Hình 3. 13 Lưu đồ hàm thay đổi nội dung FrameBuffer...................................................50 Hình 3. 14 Lưu đồ chương trình con khởi tạo vùng nhớ tạm............................................51 Hình 3. 15 Lưu đồ chương trình con nạp ảnh vào bộ nhớ đệm......................................... 52 Hình 3. 16 Lưu đồ chương trình con truyền dữ liệu xuống màn hình led.........................53 Hình 3. 17 Lưu đồ chương trình con đọc ảnh ................................................................... 54 Hình 3. 18 Lưu đồ chương trình con hiển thị hình ảnh ..................................................... 55 Hình 3. 19 Lưu đồ hiển thị video ...................................................................................... 56 Hình 4. 1 Cửa sổ yêu cầu đăng nhập user ......................................................................... 57 Hình 4. 2 Giao diện menu chọn chế độ ............................................................................. 58 Hình 4. 3 Hình ảnh giao diện website thao tác với người dùng ........................................ 58 Hình 4. 4 Giao diện thao tác với người dùng .................................................................... 59 Hình 4. 5 Giao diện camera watching ............................................................................... 60 Hình 4. 6 Mặt trước màn hình led RGB ............................................................................ 60 Hình 4. 7 mặt sau màn hình led RGB................................................................................61 Hình 4. 8 Ảnh tĩnh hiển thị trên màn hình led...................................................................61 Hình 4. 9 Ảnh được chụp từ ảnh động .............................................................................. 62 Hình 4. 10 Hình ảnh được chụp từ video .......................................................................... 62 Hình 5. 1 Màn hình led mở rộng cột ................................................................................. 65
xii
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2. 1 Bảng mô tả chân IC 74HC138 ............................................................................ 7 Bảng 2. 2 Bảng chức năng...................................................................................................8 Bảng 2. 3 Bảng mô tả chân..................................................................................................9 Bảng 2. 4 Trạng thái hoạt động của IC 74HC245 ............................................................. 12 Bảng 2. 5 Bảng chức năng các chân của HUB75..............................................................14 Bảng 2. 6 Thông số kỹ thuật Raspberry Pi ........................................................................ 21 Bảng 2. 7 Sơ đồ chân ESP32-CAM .................................................................................. 23 Bảng 2. 8 Thông số kỹ thuật..............................................................................................25 Bảng 2. 9 Bảng một số FrameBuffer size.......................................................................... 28 Bảng 2. 10 Bảng thổng hợp phiên bản wifi.......................................................................31 Bảng 3. 1 Bảng sơ đồ kết nối chân giữa raspberry pi với khối đệm ................................. 42
xiii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu
Xã hội ngày càng phát triển cùng với đó là sự tiến bộ về khoa học và công nghệ kỹ thuật, thì việc quảng bá hình ảnh xuất hiện ở khắp mọi nơi để truyền đạt thông tin, thông điệp đến con người là điều tất yếu. Những công nghệ mới được ra đời, sự bùng nổ của mạng xã hội và thiết bị thông minh đã mang đến cơ hội cực kỳ lớn cho ngành quảng cáo. Khác với những quảng bá bằng ngôn từ, văn bản khô khan thì quảng cáo bằng hình ảnh, video ngắn, hay những thông điệp lồng ghép hiển thị nhanh giúp cho mọi người quan tâm, chú ý và dễ tiếp nhận hơn.
Để đáp ứng vấn đề truyền tải thông điệp đến mọi người thì các thiết bị quảng cáo ngày càng được cải thiện, tân tiến, đại trà và phổ biến hơn như: các thiết bị hiển thị, màn hình hiển thị, màn hình LCD và các màn hình led ma trận,... Trong tất cả thì màn hình led ma trận sẽ là lựa chọn được ưu tiên bởi giá thành, tiết kiệm được chi phí cho người dùng, bên cạnh đó thì màn hình led ma trận khá là phổ biến và đa dạng, với nhiều loại và giá cả khác nhau phù hợp với mọi người.
Thông thường một hệ thống led ma trận hiển thị sẽ có cấu tạo gồm một số thành phần tiêu biểu như: bộ nguồn, bộ điều khiển, bộ xử lý, bảng led ma trận,... Và tuỳ từng trường hợp vào yêu cầu từng khách hàng muốn sử dụng mà bộ màn hình led ma trận sẽ có đặc tính khác nhau. Hiện nay các bộ xử lý, bộ điều khiển sẽ được ưu tiên thiết kế dựa trên nền tảng hệ thống nhúng bởi nó sẽ mang lại hiệu quả, thẩm mỹ, tiết kiệm về mặt chi phí mà vẫn đảm bảo về tuổi thọ và chất lượng của thiết bị. Hệ thống nhúng là sự kết hợp cả phần cứng và phần mềm, được thiết kế để thực hiện các chức năng chuyên biệt trong các lĩnh vực công nghiệp, tự động hóa, điều khiển, giám sát và truyền thông. Điểm nổi bật của hệ thống nhúng là tính tự động hóa cao và hoạt động ổn định, do được lập trình sẵn cho các nhiệm vụ cụ thể.
Trên cơ sở được đề ra, nhóm thực hiện đề tài muốn tìm hiểu thêm về cấu tạo của một hệ thống màn hình led hiển thị cũng như là tìm hiểu được rõ hơn về nguyên lý hoạt động. Bên cạnh đó là trao dồi kiến thức về lập trình và xử lý dữ liệu của một máy tính nhúng mà cụ thể thực hiện trong đề tài là KIT Raspberry Pi 3B. Ngoài ra người thực hiện đề tài còn xây dựng một hệ thống IoT với sự tương tác giữa người dùng và hệ thống. Hệ thống sẽ có được khả năng điều khiển truyền tải dữ liệu từ xa thông qua mạng wifi tạo điều
1
kiện thuận lợi và tiết kiệm thời gian cho người dùng.
1.2 Tình hình nghiên cứu
Về mặt thương mại, thị trường đã có rất nhiều các sản phẩm được thi công hoàn thiện, tỉ mỉ và hoàn thiện với đủ loại kích thước cũng như là chức năng nhu cầu người dùng. Bên cạnh đó thì chi phí cho mỗi màn hình cũng đa dạng từ thấp là vài trăm đến cao là hàng chục triệu đồng ví dụ như các màn hình led trong nhà tấm led P4, P5, màn led ngoài trời, các màn hình ghép trong các hội trường,...
Về mặt nghiên cứu, trên các diễn đàn tác giả trong và ngoài nước có đề tài về điều khiển các panel led ma trận RGB sử dụng KIT Raspberry pi trình bày nghiên lý hoạt động, cấu tạo,...
1.3 Mục tiêu đề tài Mục tiêu:
• Nghiên cứu cấu tạo và hoạt động của Kit Raspberry Pi và P5 LED panel RGB.
• Kết nối cơ sở dữ liệu với phần mềm và phần cứng, thiết lập giao tiếp và liên kết giữa các thành phần.
• Xây dựng hệ thống có đăng nhập, điều khiển từ xa qua IoT.
• Hiểu rõ datasheet của các linh kiện trong hệ thống.
• Xây dựng hệ thống quang báo. Thiết kế:
• Nghiên cứu và thiết kế sơ đồ khối, vẽ mạch nguyên lý và lưu đồ giải thuật.
• Giải thích chức năng của các khối trong hệ thống.
• Trang website giao tiếp giữa người dùng và hệ thống. Lập trình:
• Nghiên cứu ngôn ngữ lập trình giúp cho hệ thống hoạt động như Python, HTML, JavaScript, C, ...
• Thiết kế website tương tác cho hệ thống với người sử dụng hệ thống quang báo.
1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu
2
• KIT Raspberry Pi 3B.
• Led ma trận P5.
• ESP32 cam.
• Cơ sở dữ liệu, thư viện lập trình của python, HTML, javascript, C,... Phạm vi nghiên cứu
• Nguyên lý hoạt động của P5 led panel.
• Xuất dữ liệu: hình ảnh, video ra màn hình led ma trận RGB thông qua phát triển ứng dụng trên PC giao tiếp wifi với kit raspberry.
• Kích cỡ mô hình thi công gồm 9 tấm P5 led panel chia thành 3 hàng 3 cột.
• Thừa hưởng phần cứng từ đề tài trước, tiến hành cải tiến và phát triển hệ thống IoT.
1.5 Bố cục đồ án
Đồ án gồm 5 chương
Chương 1: Tổng quan. Giới thiệu về đề tài và trình bày tổng quát các nội dung được đề cập trong nghiên cứu, lý do chọn đề tài cũng như mục tiêu, đối tượng và phạm vi của đề tài.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Trong chương này sẽ trình bày về các lý thuyết cơ sở của các linh kiện được sử dụng trong đồ án như: Led RGB, panel led, kit raspberry, các khái niệm, các chuẩn giao tiếp được sử dụng trong đề tài.
Chương 3: Thiết kế xây dựng hệ thống. Trong chương này sẽ trình bày về phương pháp lựa chọn, xây dựng hệ thống. Trình bày hướng mở rộng và phương pháp mở rộng mô hình.
Chương 4: Kết quả: Trình bày kết quả thực hiện trên thực tế, và đưa ra nhận xét đánh giá.
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển: Trình bày những gì làm được và chưa làm được so với mục tiêu của đề tài và đưa ra hướng phát triển.
3
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Led RGB 2.1.1 Cấu tạo
Led RGB có 4 chân, trong đó có 1 chân dương chung và 3 chân âm riêng cho từng màu (R là màu đỏ, G là màu xanh lá, B là màu xanh dương). Led RGB trên thực tế là 3 con diode led bình thường được gộp lại chung thành một khối.
Hình 2. 1 Led RGB dán
Hình 2. 2 Sơ đồ chân led RGB dán
2.1.2 Nguyên lý hoạt động
Một đèn LED RGB SMD thường có ba đèn LED bên trong (Đỏ, Xanh lục và Xanh lam) có thể được kết hợp để tạo ra hầu hết mọi màu. Để tạo ra các loại màu khác nhau, cần thay đổi cường độ của từng đèn LED bên trong. Ngoài ra có thể sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) để điều chỉnh cường độ của từng đèn LED đỏ, xanh lục và xanh lam. Và mắt sẽ thấy được sự kết hợp của các màu thay vì các màu riêng lẻ, vì các led rất gần nhau ở bên trong.
2.2 Panel led
2.2.1 Giới thiệu panel led
Panel LED là một loại đèn LED được thiết kế dạng tấm lớn, đa dạng hình dáng như hình vuông hay hình chữ nhật. Đèn thường được lắp đặt âm trần, ốp trần hay thả trần 4
trong các không gian nội thất. Với ánh sáng mạnh mẽ và hiệu suất chiếu sáng cao, đèn là một giải pháp chiếu sáng tiết kiệm điện năng và bền bỉ.
Thông thường mỗi tấm sẽ có yêu cầu từ 12 hay nhiều chân điều khiển trở lên (gồm bit dữ liệu và bit điều khiển), tuỳ vào nhu cầu sử dụng cùng với hoàn cảnh thực tế, người dùng dễ dàng để tìm kiếm đèn LED Panel với các mức công suất khác nhau.
Trên thị trường có nhiều loại panel led RGB:
• Panel led
Giải thích lưu đồ:
Hình 3. 11 Chương trình con Web program
• Khai báo thư viện, khởi tạo port và các biến cần thiết cho hệ thống, thiết lập đường dẫn. Dựa trên hoạt động trước đó của chương trình main mà chương trình Web program sẽ bắt kiểm tra đến các nút nhấn. Nếu như có tín hiệu từ nút nhấn Web thì hệ thống sẽ được chuyển đến đường dẫn chứa chương trình con Run web. hay nếu có tín hiệu từ nút nhấn USB thì hệ thống sẽ thực hiện hiển thị dữ liệu được lưu trong USB và kết thúc. Nếu trường hợp không có tín hiệu từ 2 nút nhấn hệ thống sẽ tiếp tục chờ cho đến khi có tín hiệu từ nút nhấn hay ngắt nguồn.
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
Ứng dụng IoT vào hệ thống quang báo sử dụng kit Raspberry PI
TÓM TẮT
Đề tài “Ứng dụng IoT vào hệ thống quang báo sử dụng KIT Raspberry Pi” sử dụng KIT Raspberry Pi, Esp32 cam, P5 led panel, cùng với các IC hỗ trợ giúp thực hiện các chức năng về hiển thị hình ảnh, video, GIF lên màn hình quang báo. Nhằm mô phỏng lại biển quảng cáo một cách chân thực, đơn giản hoá việc thao tác người dùng với hệ thống thông qua website thao tác cho người sử dụng.
Chủ đề cung cấp thông tin tổng quan về module led P5, phần cứng trong hệ thống. Bao gồm cả những thiết kế và xây dựng hệ thống, các yêu cầu về hệ thống, sơ đồ, thông số, cũng như là hệ thống IoT.
Hệ thống hiển thị còn có tích hợp IoT giúp cho người sử dụng cập nhật thông tin một cách nhanh chóng, chính xác và chân thật nhất.
Kết quả hoạt động, nhận xét, đánh giá cho thấy hệ thống hoạt động hiệu quả, công việc kết thúc với kết luận và hướng phát triển trong tương lai. Ngoài ra nhóm thực hiện đưa ra một trong các hướng phát triển đó là mở rộng mô hình giúp cho đề tài có nền móng phát triển mở rộng thuận lợi hơn trong tương lai gần, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội.
vi
MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ....................................................................................i PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN....................................................ii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN......................................................iii LỜI CAM ĐOAN...............................................................................................................iv LỜI CẢM ƠN......... .........................................................................................................iv TÓM TẮT...........................................................................................................................vi MỤC LỤC .........................................................................................................................vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................................. x DANH MỤC HÌNH ẢNH..................................................................................................xi DANH MỤC BẢNG BIỂU..............................................................................................xiii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................................... 1
1.1 Giới thiệu ................................................................................................................... 1 1.2 Tình hình nghiên cứu................................................................................................. 2 1.3 Mục tiêu đề tài ........................................................................................................... 2 1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................. 2 1.5 Bố cục đồ án .............................................................................................................. 3
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT....................................................................................4 2.1 Led RGB....................................................................................................................4 2.1.1 Cấu tạo....................................................................................................................4 2.1.2 Nguyên lý hoạt động .............................................................................................. 4 2.2 Panel led .................................................................................................................... 4 2.2.1 Giới thiệu panel led ................................................................................................ 4 2.2.2 Cấu tạo....................................................................................................................6
2.2.2.1 IC 74HC138..................................................................................................... 6 2.2.2.2 IC TLC5926 .................................................................................................... 8 2.2.2.3 IC SSF4953 ................................................................................................... 10 2.2.2.4 IC 74HC245................................................................................................... 11
2.2.3 Kết nối .................................................................................................................. 12 2.2.4 Nguyên lý hoạt động ............................................................................................ 16 2.3 Máy tính nhúng........................................................................................................ 16 2.3.1 Giới thiệu .............................................................................................................. 16
vii
2.3.2 Khảo sát một số loại máy tính nhúng thông dụng ................................................ 16 2.3.2.1 Raspberry Pi .................................................................................................. 16 2.3.2.2 LattePanda ..................................................................................................... 17 2.3.2.3 AI NVIDIA Jetson......................................................................................... 18
2.3.3 Lựa chọn máy tính nhúng ..................................................................................... 19 2.4 KIT Raspberry Pi 3.................................................................................................. 19 2.5 Esp 32 cam .............................................................................................................. 23 2.5.1 Giới thiệu .............................................................................................................. 23 2.5.2 Cấu tạo..................................................................................................................23 2.6 Điểm ảnh.................................................................................................................. 27 2.7 FrameBuffer............................................................................................................. 27 2.8 Pixel Format.........................................................................................................28 2.9 Khung ảnh................................................................................................................ 29 2.10 Chuẩn giao tiếp......................................................................................................30 2.10.1 Chuẩn giao tiếp không dây ................................................................................. 30 2.10.2 Chuẩn giao tiếp USB .......................................................................................... 33
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNG.......................................................36 3.1 Yêu cầu hệ thống ..................................................................................................... 36 3.2 Sơ đồ khối................................................................................................................36 3.3 Thiết kế từng khối.................................................................................................... 37 3.3.1 Khối quang báo..................................................................................................... 37 3.3.2 Khối đệm .............................................................................................................. 38 3.3.3 Khối ứng dụng ...................................................................................................... 40 3.3.4 Khối phản hồi ....................................................................................................... 40 3.3.5 Khối xử lý trung tâm ............................................................................................ 41 3.3.6 Khối nguồn ........................................................................................................... 42 3.4 Sơ đồ nguyên lý ....................................................................................................... 43 3.5 Thiết kế mở rộng ..................................................................................................... 45 3.6 Lưu đồ giải thuật...................................................................................................... 47 3.6.1 Lưu đồ chương trình chính của hệ thống ............................................................. 47 3.6.2 Chương trình con Web program........................................................................... 48 3.6.3 Chương trình con Run web .................................................................................. 49 3.6.4 Chương trình con thay đổi nội dung FrameBuffer ............................................... 50 3.6.5 Chương trình con khởi tạo vùng nhớ tạm............................................................. 51
viii
3.6.6 Chương trình con nạp ảnh vào bộ nhớ đệm ......................................................... 52 3.6.7 Chương trình con dữ liệu xuống màn hình Led ................................................... 53 3.6.8 Chương trình con đọc ảnh .................................................................................... 54 3.6.9 Chương trình con hiển thị hình ảnh......................................................................55 3.6.10 Chương trình con hiển thị video.........................................................................56
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ................................................................................................... 57 4.1 Kết quả thực hiện..................................................................................................... 57 4.2 Website điều khiển .................................................................................................. 57 4.3 Kết quả thu được ..................................................................................................... 60 4.4 Nhận xét kết quả ...................................................................................................... 62
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN & HƯỚNG PHÁT TRIỂN.....................................................64 5.1 Kết luận.................................................................................................................... 64 5.2 Hướng phát triển......................................................................................................65
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 66 PHỤ LỤC 1 ....................................................................................................................... 67 PHỤ LỤC 2 ....................................................................................................................... 68
ix
LCD Liquid Crystal Display IoTs internet of Things
PC Personal Computer SMD Surface Mount Device
IC Integrated Circuit LED Light Emitting Diode
PWM Pulse Width Modulation BJT Bipolar Junction Transistor
I/O Input/Output
AI Artificial Intelligence
CPU Central Processing Unit USB Universal serial bus
SD Secure Digital
TV Television
RAM Random Access Memory
BLE Bluetooth Low Energy
Màn hình tinh thể lỏng
Internet kết nối vạn vật
Máy tính cá nhân Thiết bị gắn bề mặt Mạch tích hợp
Diode phát quang Điều chế độ rộng xung Transistor lưỡng cực Ngõ vào/Ngõ ra
Trí tuệ nhân tạo Bộ xử lý trung tâm
Thẻ nhớ
TiVi
Bộ nhớ tạm thời
3
HTML
Hypertext Markup Language
Ngôn ngữ Đánh dấu Siêu văn bản
14
GPIO
General-purpose input/output
18
IEEE
Institute of Electrical
and Electronics Engineers
Viện kỹ sư điện và điện tử
x
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2. 1 Led RGB dán ....................................................................................................... 4 Hình 2. 2 Sơ đồ chân led RGB dán ..................................................................................... 4 Hình 2. 3 Panel led P5 64x32 .............................................................................................. 5 Hình 2. 4 Mặt sau panel led P5 64x32................................................................................. 6 Hình 2. 5 Sơ đồ chân IC giải mã 74HC138.........................................................................7 Hình 2. 6 ký hiệu logic ........................................................................................................ 7 Hình 2. 7 Sơ đồ chân IC TLC 5926.....................................................................................9 Hình 2. 8 Cấu tạo IC SSF4953 .......................................................................................... 10 Hình 2. 9 sơ đồ chân IC SSF4953 ..................................................................................... 10 Hình 2. 10 Mosfet kênh p .................................................................................................. 11 Hình 2. 11 Sơ đồ chân IC 74HC245..................................................................................11 Hình 2. 12 Cấu tạo bên trong của IC 74HC245 ................................................................ 12 Hình 2. 13 Các linh kiện cần thiết kết nối các panel led ................................................... 13 Hình 2. 14 Cổng kết nối HUB75 ....................................................................................... 13 Hình 2. 15 Dây bus cho HUB75 chuyên dụng cho màn hình led ..................................... 13 Hình 2. 16 Sơ đồ kết nối IC điều khiển trong panel led .................................................... 14 Hình 2. 17 Sơ đồ nguyên lý một module led RGB 64x32 ................................................ 15 Hình 2. 18 Raspberry Pi3 .................................................................................................. 17 Hình 2. 19 Máy tính nhúng LattePanda............................................................................. 18 Hình 2. 20 Máy tính nhúng AI NVIDIA Jetson ................................................................ 18 Hình 2. 21 Raspberry Pi 3B............................................................................................... 19 Hình 2. 22 Sơ đồ chân Raspberry Pi 3B............................................................................20 Hình 2. 23 Cấu trúc phần cứng Raspberry Pi 3 Model B..................................................20 Hình 2. 24 Sơ Đồ chân ESP32_CAM ............................................................................... 23 Hình 2. 25 Module ESP32_CAM...................................................................................... 24 Hình 2. 26 Ký hiệu module ESP32_CAM ........................................................................ 24 Hình 2. 27 Số lượng pixels trong một đơn vị diện tích ..................................................... 27 Hình 2. 28 FrameBuffer 24bit màu ................................................................................... 28 Hình 2. 29 Thiết bị sử dụng wifi ....................................................................................... 30 Hình 2. 30 Các thiết bị sử dụng Bluetooth ........................................................................ 32 Hình 2. 31 Ứng dụng zigbee trong điều khiển nhà thông minh ........................................ 32 Hình 2. 32 Mô hình LORA trong thành phố ..................................................................... 33 Hình 2. 33 USB type A...................................................................................................... 34
xi
Hình 2. 34 USB type B......................................................................................................34 Hình 2. 35 USB type C......................................................................................................34 Hình 2. 36 Micro USB....................................................................................................... 35 Hình 3. 1 Sơ đồ khối hệ thống...........................................................................................37 Hình 3. 2 Sơ đồ kết nối led thông qua giao tiếp serial ...................................................... 38 Hình 3. 3 Kết nối khối ứng dụng với Raspberry Pi...........................................................40 Hình 3. 4 Kết nối ESP 32 CAM với khối ứng dụng.......................................................... 41 Hình 3. 5 Sơ đồ kết nối với vi điều khiển..........................................................................42 Hình 3. 6 Khối nguồn ........................................................................................................ 43 Hình 3. 7 Hướng mở rộng 1 .............................................................................................. 45 Hình 3. 8 Hướng mở rộng 2 .............................................................................................. 45 Hình 3. 9 Hướng mở rộng 3 .............................................................................................. 46 Hình 3. 10 Lưu đồ chương trình chính .............................................................................. 47 Hình 3. 11 Chương trình con Web program......................................................................48 Hình 3. 12 Chương trình con Run web ............................................................................. 49 Hình 3. 13 Lưu đồ hàm thay đổi nội dung FrameBuffer...................................................50 Hình 3. 14 Lưu đồ chương trình con khởi tạo vùng nhớ tạm............................................51 Hình 3. 15 Lưu đồ chương trình con nạp ảnh vào bộ nhớ đệm......................................... 52 Hình 3. 16 Lưu đồ chương trình con truyền dữ liệu xuống màn hình led.........................53 Hình 3. 17 Lưu đồ chương trình con đọc ảnh ................................................................... 54 Hình 3. 18 Lưu đồ chương trình con hiển thị hình ảnh ..................................................... 55 Hình 3. 19 Lưu đồ hiển thị video ...................................................................................... 56 Hình 4. 1 Cửa sổ yêu cầu đăng nhập user ......................................................................... 57 Hình 4. 2 Giao diện menu chọn chế độ ............................................................................. 58 Hình 4. 3 Hình ảnh giao diện website thao tác với người dùng ........................................ 58 Hình 4. 4 Giao diện thao tác với người dùng .................................................................... 59 Hình 4. 5 Giao diện camera watching ............................................................................... 60 Hình 4. 6 Mặt trước màn hình led RGB ............................................................................ 60 Hình 4. 7 mặt sau màn hình led RGB................................................................................61 Hình 4. 8 Ảnh tĩnh hiển thị trên màn hình led...................................................................61 Hình 4. 9 Ảnh được chụp từ ảnh động .............................................................................. 62 Hình 4. 10 Hình ảnh được chụp từ video .......................................................................... 62 Hình 5. 1 Màn hình led mở rộng cột ................................................................................. 65
xii
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2. 1 Bảng mô tả chân IC 74HC138 ............................................................................ 7 Bảng 2. 2 Bảng chức năng...................................................................................................8 Bảng 2. 3 Bảng mô tả chân..................................................................................................9 Bảng 2. 4 Trạng thái hoạt động của IC 74HC245 ............................................................. 12 Bảng 2. 5 Bảng chức năng các chân của HUB75..............................................................14 Bảng 2. 6 Thông số kỹ thuật Raspberry Pi ........................................................................ 21 Bảng 2. 7 Sơ đồ chân ESP32-CAM .................................................................................. 23 Bảng 2. 8 Thông số kỹ thuật..............................................................................................25 Bảng 2. 9 Bảng một số FrameBuffer size.......................................................................... 28 Bảng 2. 10 Bảng thổng hợp phiên bản wifi.......................................................................31 Bảng 3. 1 Bảng sơ đồ kết nối chân giữa raspberry pi với khối đệm ................................. 42
xiii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu
Xã hội ngày càng phát triển cùng với đó là sự tiến bộ về khoa học và công nghệ kỹ thuật, thì việc quảng bá hình ảnh xuất hiện ở khắp mọi nơi để truyền đạt thông tin, thông điệp đến con người là điều tất yếu. Những công nghệ mới được ra đời, sự bùng nổ của mạng xã hội và thiết bị thông minh đã mang đến cơ hội cực kỳ lớn cho ngành quảng cáo. Khác với những quảng bá bằng ngôn từ, văn bản khô khan thì quảng cáo bằng hình ảnh, video ngắn, hay những thông điệp lồng ghép hiển thị nhanh giúp cho mọi người quan tâm, chú ý và dễ tiếp nhận hơn.
Để đáp ứng vấn đề truyền tải thông điệp đến mọi người thì các thiết bị quảng cáo ngày càng được cải thiện, tân tiến, đại trà và phổ biến hơn như: các thiết bị hiển thị, màn hình hiển thị, màn hình LCD và các màn hình led ma trận,... Trong tất cả thì màn hình led ma trận sẽ là lựa chọn được ưu tiên bởi giá thành, tiết kiệm được chi phí cho người dùng, bên cạnh đó thì màn hình led ma trận khá là phổ biến và đa dạng, với nhiều loại và giá cả khác nhau phù hợp với mọi người.
Thông thường một hệ thống led ma trận hiển thị sẽ có cấu tạo gồm một số thành phần tiêu biểu như: bộ nguồn, bộ điều khiển, bộ xử lý, bảng led ma trận,... Và tuỳ từng trường hợp vào yêu cầu từng khách hàng muốn sử dụng mà bộ màn hình led ma trận sẽ có đặc tính khác nhau. Hiện nay các bộ xử lý, bộ điều khiển sẽ được ưu tiên thiết kế dựa trên nền tảng hệ thống nhúng bởi nó sẽ mang lại hiệu quả, thẩm mỹ, tiết kiệm về mặt chi phí mà vẫn đảm bảo về tuổi thọ và chất lượng của thiết bị. Hệ thống nhúng là sự kết hợp cả phần cứng và phần mềm, được thiết kế để thực hiện các chức năng chuyên biệt trong các lĩnh vực công nghiệp, tự động hóa, điều khiển, giám sát và truyền thông. Điểm nổi bật của hệ thống nhúng là tính tự động hóa cao và hoạt động ổn định, do được lập trình sẵn cho các nhiệm vụ cụ thể.
Trên cơ sở được đề ra, nhóm thực hiện đề tài muốn tìm hiểu thêm về cấu tạo của một hệ thống màn hình led hiển thị cũng như là tìm hiểu được rõ hơn về nguyên lý hoạt động. Bên cạnh đó là trao dồi kiến thức về lập trình và xử lý dữ liệu của một máy tính nhúng mà cụ thể thực hiện trong đề tài là KIT Raspberry Pi 3B. Ngoài ra người thực hiện đề tài còn xây dựng một hệ thống IoT với sự tương tác giữa người dùng và hệ thống. Hệ thống sẽ có được khả năng điều khiển truyền tải dữ liệu từ xa thông qua mạng wifi tạo điều
1
kiện thuận lợi và tiết kiệm thời gian cho người dùng.
1.2 Tình hình nghiên cứu
Về mặt thương mại, thị trường đã có rất nhiều các sản phẩm được thi công hoàn thiện, tỉ mỉ và hoàn thiện với đủ loại kích thước cũng như là chức năng nhu cầu người dùng. Bên cạnh đó thì chi phí cho mỗi màn hình cũng đa dạng từ thấp là vài trăm đến cao là hàng chục triệu đồng ví dụ như các màn hình led trong nhà tấm led P4, P5, màn led ngoài trời, các màn hình ghép trong các hội trường,...
Về mặt nghiên cứu, trên các diễn đàn tác giả trong và ngoài nước có đề tài về điều khiển các panel led ma trận RGB sử dụng KIT Raspberry pi trình bày nghiên lý hoạt động, cấu tạo,...
1.3 Mục tiêu đề tài Mục tiêu:
• Nghiên cứu cấu tạo và hoạt động của Kit Raspberry Pi và P5 LED panel RGB.
• Kết nối cơ sở dữ liệu với phần mềm và phần cứng, thiết lập giao tiếp và liên kết giữa các thành phần.
• Xây dựng hệ thống có đăng nhập, điều khiển từ xa qua IoT.
• Hiểu rõ datasheet của các linh kiện trong hệ thống.
• Xây dựng hệ thống quang báo. Thiết kế:
• Nghiên cứu và thiết kế sơ đồ khối, vẽ mạch nguyên lý và lưu đồ giải thuật.
• Giải thích chức năng của các khối trong hệ thống.
• Trang website giao tiếp giữa người dùng và hệ thống. Lập trình:
• Nghiên cứu ngôn ngữ lập trình giúp cho hệ thống hoạt động như Python, HTML, JavaScript, C, ...
• Thiết kế website tương tác cho hệ thống với người sử dụng hệ thống quang báo.
1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu
2
• KIT Raspberry Pi 3B.
• Led ma trận P5.
• ESP32 cam.
• Cơ sở dữ liệu, thư viện lập trình của python, HTML, javascript, C,... Phạm vi nghiên cứu
• Nguyên lý hoạt động của P5 led panel.
• Xuất dữ liệu: hình ảnh, video ra màn hình led ma trận RGB thông qua phát triển ứng dụng trên PC giao tiếp wifi với kit raspberry.
• Kích cỡ mô hình thi công gồm 9 tấm P5 led panel chia thành 3 hàng 3 cột.
• Thừa hưởng phần cứng từ đề tài trước, tiến hành cải tiến và phát triển hệ thống IoT.
1.5 Bố cục đồ án
Đồ án gồm 5 chương
Chương 1: Tổng quan. Giới thiệu về đề tài và trình bày tổng quát các nội dung được đề cập trong nghiên cứu, lý do chọn đề tài cũng như mục tiêu, đối tượng và phạm vi của đề tài.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Trong chương này sẽ trình bày về các lý thuyết cơ sở của các linh kiện được sử dụng trong đồ án như: Led RGB, panel led, kit raspberry, các khái niệm, các chuẩn giao tiếp được sử dụng trong đề tài.
Chương 3: Thiết kế xây dựng hệ thống. Trong chương này sẽ trình bày về phương pháp lựa chọn, xây dựng hệ thống. Trình bày hướng mở rộng và phương pháp mở rộng mô hình.
Chương 4: Kết quả: Trình bày kết quả thực hiện trên thực tế, và đưa ra nhận xét đánh giá.
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển: Trình bày những gì làm được và chưa làm được so với mục tiêu của đề tài và đưa ra hướng phát triển.
3
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Led RGB 2.1.1 Cấu tạo
Led RGB có 4 chân, trong đó có 1 chân dương chung và 3 chân âm riêng cho từng màu (R là màu đỏ, G là màu xanh lá, B là màu xanh dương). Led RGB trên thực tế là 3 con diode led bình thường được gộp lại chung thành một khối.
Hình 2. 1 Led RGB dán
Hình 2. 2 Sơ đồ chân led RGB dán
2.1.2 Nguyên lý hoạt động
Một đèn LED RGB SMD thường có ba đèn LED bên trong (Đỏ, Xanh lục và Xanh lam) có thể được kết hợp để tạo ra hầu hết mọi màu. Để tạo ra các loại màu khác nhau, cần thay đổi cường độ của từng đèn LED bên trong. Ngoài ra có thể sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) để điều chỉnh cường độ của từng đèn LED đỏ, xanh lục và xanh lam. Và mắt sẽ thấy được sự kết hợp của các màu thay vì các màu riêng lẻ, vì các led rất gần nhau ở bên trong.
2.2 Panel led
2.2.1 Giới thiệu panel led
Panel LED là một loại đèn LED được thiết kế dạng tấm lớn, đa dạng hình dáng như hình vuông hay hình chữ nhật. Đèn thường được lắp đặt âm trần, ốp trần hay thả trần 4
trong các không gian nội thất. Với ánh sáng mạnh mẽ và hiệu suất chiếu sáng cao, đèn là một giải pháp chiếu sáng tiết kiệm điện năng và bền bỉ.
Thông thường mỗi tấm sẽ có yêu cầu từ 12 hay nhiều chân điều khiển trở lên (gồm bit dữ liệu và bit điều khiển), tuỳ vào nhu cầu sử dụng cùng với hoàn cảnh thực tế, người dùng dễ dàng để tìm kiếm đèn LED Panel với các mức công suất khác nhau.
Trên thị trường có nhiều loại panel led RGB:
• Panel led
Giải thích lưu đồ:
Hình 3. 11 Chương trình con Web program
• Khai báo thư viện, khởi tạo port và các biến cần thiết cho hệ thống, thiết lập đường dẫn. Dựa trên hoạt động trước đó của chương trình main mà chương trình Web program sẽ bắt kiểm tra đến các nút nhấn. Nếu như có tín hiệu từ nút nhấn Web thì hệ thống sẽ được chuyển đến đường dẫn chứa chương trình con Run web. hay nếu có tín hiệu từ nút nhấn USB thì hệ thống sẽ thực hiện hiển thị dữ liệu được lưu trong USB và kết thúc. Nếu trường hợp không có tín hiệu từ 2 nút nhấn hệ thống sẽ tiếp tục chờ cho đến khi có tín hiệu từ nút nhấn hay ngắt nguồn.
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
You must be registered for see links