Giới thiệu chương
Chương này trình bày sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp điện tử xây dựng, nhấn mạnh tầm quan trọng của sự hỗ trợ từ nhiều lĩnh vực khác nhau nhằm đáp ứng nhu cầu hiện đại hóa Hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ ra đời sẽ mang lại nhiều tiện ích cho người sử dụng, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống tinh thần Nội dung chương cũng sẽ mô tả hoạt động của hệ thống giám sát này và đề xuất hướng ứng dụng cho đề tài.
Ý nghĩa khoa học của đề tài và nhiệm vụ
Ngày nay, sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật đã dẫn đến sự ra đời của nhiều thiết bị điện tử với đa dạng chủng loại và tính năng Nhu cầu sử dụng các thiết bị tự động ngày càng tăng cao, khi con người mong muốn có nhiều thiết bị giải trí và sinh hoạt hiện đại Mặc dù Việt Nam chưa phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực này, nhưng trên thế giới, đặc biệt là ở Châu Âu và Mỹ, mô hình nhà tự động điều khiển từ xa đang phát triển rất mạnh mẽ.
Nhóm nghiên cứu muốn áp dụng các kỹ thuật hiện đại vào thực tế trong nước để phát triển hệ thống điều khiển thiết bị trong nhà từ xa, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người Đề tài sử dụng sóng Bluetooth và mạng di động để điều khiển thiết bị, mang lại lợi ích về tiết kiệm chi phí và dễ dàng sử dụng Sản phẩm này có tính mở, phù hợp với nhiều đối tượng khác nhau trong cả lĩnh vực dân dụng và công nghiệp.
Ý tưởng từ khi bắt đầu dự án và phạm vi thực hiện đề tài
Với sự phát triển kinh tế, nhu cầu tiêu thụ điện năng tăng cao, trong khi khả năng cung cấp điện gặp nhiều khó khăn, dẫn đến việc tiết kiệm và sử dụng điện hiệu quả trở thành vấn đề cấp bách Ý thức tiết kiệm điện của người dân còn hạn chế, các biện pháp áp dụng chưa đủ và thực tiễn còn nhiều bất cập Việc tiết kiệm điện phụ thuộc vào thiết bị và thói quen sử dụng của con người, trong khi người dùng thường bận rộn, ít giám sát việc sử dụng thiết bị, gây lãng phí năng lượng và tăng chi phí điện Để giải quyết vấn đề này, nhóm đã thiết kế một hệ thống giám sát lượng điện tiêu thụ, cho phép người dùng định ngưỡng tiêu thụ hàng ngày hoặc hàng tháng Khi vượt mức giới hạn, hệ thống sẽ thông báo để người dùng điều chỉnh hoặc tắt thiết bị không cần thiết, với quy mô thực hiện ban đầu tại nhà ở, công ty và cửa hàng nhỏ.
Hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ là gì?
Hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ giúp quản lý theo dõi lượng điện sử dụng cho từng thiết bị, hộ gia đình và tòa nhà Hệ thống cung cấp các thông số rõ ràng và có chức năng cảnh báo khi phát hiện sự gia tăng đột biến trong tiêu thụ điện.
Mục đích nghiên cứu đề tài từ những tham khảo dữ liệu sản phẩm hiện tại 7
Đồ án nghiên cứu và thực hiện nhằm áp dụng kiến thức học được để thiết kế hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ Hệ thống tích hợp các module như SIM 800L, màn hình LCD để hiển thị trạng thái thiết bị, module Bluetooth HC-05 và module thời gian thực DS1307 Dữ liệu sẽ được xử lý và hiển thị trực tiếp trên màn hình LCD hoặc smartphone của người dùng, giúp theo dõi trạng thái thiết bị một cách dễ dàng.
• Dùng để điều khiển các thiết bị trong nhà với phạm vi rộng
• Các thông số dòng điện công suất của hệ thống được hiển thị trực tiếp lên màn hình LCD
• Việc kết hợp thêm Bluetooth, có thể điều khiển thiết bị bằng phần mềm trên Smartphone
• Thay thế các công tắt gia đình thông thường bằng loại công tắc cảm ứng hiện đại có thể thay đổi được trạng thái mặc định
Hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ hiệu quả gồm những bộ phận chính
Hệ thống giám sát điện năng được cấu thành từ 3 bộ phận quan trọng:
Cảm biến dòng điện là thiết bị đo lường dòng điện tiêu thụ của các thiết bị, đồng thời gửi thông tin này về bộ điều khiển trung tâm để phân tích và ghi chép.
• Bộ điều khiển trung tâm
Bộ điều khiển trung tâm được ví như trái tim của hệ thống giám sát điện năng
Có chức năng thu nhận toàn bộ dữ liệu từ các bộ phận cảm biến và sau đó tiến hành phân tích, xử lý các dữ liệu
• Phần mềm điều khiển thiết bị điện
Phần mềm điều khiển này cho phép người dùng theo dõi hoạt động của các thiết bị, từ đó điều chỉnh việc đóng mở thiết bị một cách hợp lý, phù hợp với lượng điện năng tiêu thụ và đáp ứng nhu cầu cá nhân.
Tổng hợp giải pháp của đề tài ứng dụng ở các khía cạnh kỹ thuật kinh tế xã hội môi trường
Giải pháp mới này mang đến khả năng điều khiển và vận hành dễ dàng, tập trung cho người dùng Với các tính năng giám sát và điều khiển tập trung, nó giúp quản lý hiệu quả các hệ thống cơ điện phức tạp trong tòa nhà, tạo ra sự tiện lợi và tối ưu hóa hoạt động.
• Hệ thống cung cấp điện tòa nhà
• Hệ thống điện chiếu sáng
• Hệ thống điều hòa không khí chiller, hệ thống thông gió tòa nhà
• Hệ thống cấp thoát nước
• Hệ thống phòng cháy chữa cháy
• Hệ thống an ninh ra vào
• Hệ thống cơ điện khác
Hệ thống quản lý và giám sát điện năng hiện đại, hiệu quả và tiết kiệm sẽ giúp các công trình và hệ thống thân thiện với môi trường, đồng thời đáp ứng xu hướng phát triển trong cuộc cách mạng công nghệ 4.0.
Nhiệm vụ nghiên cứu
Đề tài sẽ thực hiện những nghiên cứu, những nhiệm vụ cụ thể sau:
• Thiết kế sơ đồ nguyên lý, tìm hiểu những linh kiện tối ưu cho mạch
• Viết chương trình cho vi xử lý trung tâm
• Viết phần mềm điều khiển cho mạch qua Smartphone
Vấn đề và khó khăn khi thực hiện đề tài
Hiện tại, hệ thống chỉ dừng lại ở mức độ mô hình mẫu với số lượng và chức năng hạn chế do nhiều yếu tố khác nhau Nhóm đang xem xét áp dụng hệ thống vào các khu vực vừa và nhỏ, dễ quản lý như nhà cấp 4, kho xưởng quy mô nhỏ, phòng trọ sinh viên và căn hộ mini.
Kết quả của việc phát triển nghiên cứu từ các vấn đề và đề xuất giải pháp10
Sau khi thực hiện hoàn thành đề tài, sản phẩm cuối cùng cũng đáp ứng được những yêu cầu đề ra như:
Việc giám sát và quản lý hiệu quả các thông số điện năng không chỉ giúp giảm chi phí vận hành mà còn nâng cao hiệu suất sử dụng máy móc và thiết bị Do đó, hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ cần được áp dụng rộng rãi nhờ vào những tính năng vượt trội của nó.
• Kiểm soát dữ liệu điện năng liên tục 24/24
• Đo đếm điện năng sử dụng và hiển thị tất cả các thông số theo thời gian thực của thiết bị điện: I, P được biểu diễn dưới dạng số liệu,
• Giảm thời gian, chi phí nhân công để ghi lại dữ liệu từ các đồng hồ cơ, tự động xuất dữ liệu thống kê theo giờ, ngày, tháng
Người dùng có thể thiết lập giới hạn tiêu thụ điện hàng ngày hoặc hàng tháng để tối ưu hóa việc sử dụng và tiết kiệm năng lượng Khi lượng điện tiêu thụ vượt quá ngưỡng cho phép, hệ thống sẽ gửi thông báo cảnh báo để người dùng kịp thời điều chỉnh.
• Duy trì mức tải cho thiết bị hợp lý, tránh trường hợp quá tải
• Hiển thị tình trạng hoạt động và cảnh báo
• Dễ dàng kiểm tra hóa đơn điện thông qua báo cáo về năng lượng sử dụng
Những ưu, nhược điểm trong quá trình thử nghiệm và phương án thiết kế11
Hệ thống hoạt động ổn định và hiển thị các thông số cơ bản như dòng điện và công suất tiêu thụ Nó còn cho phép cảnh báo qua SMS và điều khiển thiết bị từ xa bằng nhiều phương thức khác nhau.
Hiện tại hệ thống vẫn còn ở quy mô nhỏ cấp độ mô hình hóa, tính năng còn đôi phần hạn chế
Khi kết hợp các module lại với nhau có xảy ra xung đột nhẹ trong quá trình xử lý dữ liệu
Tự đánh giá về những mặt còn tồn tại chưa giải quyết được của sản phẩm để khắc phục
Việc kết hợp các module chức năng có thể gây ra xung đột, dẫn đến sai số trong quá trình đo Chất lượng của mạch và linh kiện chưa đạt yêu cầu có thể gây ra sai số trong đo công suất của thiết bị, nhưng mức độ sai số này thường không quá nghiêm trọng.
Dựa trên các vấn đề đã nêu, phương án thiết kế sản phẩm được xây dựng với mục tiêu tối ưu hóa hiệu quả hoạt động và đảm bảo chất lượng cao nhất cho sản phẩm.
Phương pháp nghiên cứu
Trong đề tài này, nhóm đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp tham khảo tài liệu hiệu quả bao gồm việc thu thập thông tin từ sách, tạp chí chuyên ngành về điện tử và viễn thông, cũng như truy cập các nguồn tài nguyên trên internet và nghiên cứu các đồ án của các khóa học trước.
• Phương pháp quan sát: khảo sát một số mạch điện từ mạng internet, khảo sát các điện thoại di động để chọn lựa phương án thiết kế sau này
Nhóm đã áp dụng phương pháp thực nghiệm, kết hợp ý tưởng và kiến thức của mình cùng sự hướng dẫn của giáo viên, để lắp ráp và thử nghiệm nhiều dạng mạch khác nhau Qua quá trình này, nhóm đã chọn lọc ra những mạch điện tối ưu nhất.
Phương pháp thiết kế
Mạch điều khiển trung tâm được thiết kế để điều khiển các thiết bị điện từ xa thông qua Module SIM, cho phép hiển thị trạng thái quá tải và điều khiển bật tắt thiết bị Ngoài ra, nhóm nghiên cứu còn phát triển ứng dụng điều khiển trên điện thoại sử dụng công nghệ sóng Bluetooth.
Tổng quan Module Sim 800L
Giới thiệu Module Sim 800L
Module SIM800L là một thiết bị GSM nhỏ gọn, có khả năng thực hiện các chức năng tương tự như một chiếc điện thoại di động thông thường, bao gồm gửi tin nhắn SMS, thực hiện và nhận cuộc gọi, cũng như kết nối internet qua GPRS (2G) và TCP/IP Nó hỗ trợ bốn băng tần GSM: GSM850MHz, EGSM900MHz, DSC1800MHz và PCS1900MHz, cho phép hoạt động trên nhiều mạng khác nhau trên toàn cầu Việc điều khiển module SIM800L rất đơn giản nhờ vào bộ lệnh AT và kết nối thông qua chân rào đực chuẩn 100mil.
Thông số kỹ thuật
• Nguồn Cấp: 3.7 – 4.2VDC, có thể sử dụng với nguồn dòng thấp từ 500mAh trở lên ( như cổng USB, nguồn từ Board Arduino)
Hình 3 1: Module Sim 800L vả chi tiết từng chân
• Dòng khi ở chế độ chờ: 10mA
• Dòng khi ở chế hoạt động: 100mA đến 1A
• Hỗ trợ 4 băng tần phổ biến
Chức năng các chân của module sim 800L
Theo sơ đồ chân của hình 4.12 có chức năng từng chân:
• Chân NET: lắp anten , có thể dùng anten đi kèm hoặc ăng ten mở rộng
• TXD: Chân truyền Uart TX
• DTR: Chân UART DTR, thường không xài
• SPKP, SPKN: Ngõ ra âm thanh, nối với loa để phát âm thanh
• MICP, MICN: Ngõ vào âm thanh, phải gắn thêm Micro để thu âm thanh
• Reset: Chân khởi động lại Module Sim800L
• RING: Báo có cuộc gọi đến
Nguyên lý vận hành
Khi hệ thống được cấp điện, các thiết bị sẽ tắt và vi điều khiển sẽ chờ khoảng 10 đến 15 giây để module SIM 800L khởi động Sau khi khởi động hoàn tất, vi điều khiển sẽ khởi tạo các lệnh AT đã được lập trình sẵn cho module SIM và gửi tin nhắn đến điện thoại để thông báo thành công.
Bằng cách gửi tin nhắn theo cú pháp quy định, người dùng có thể điều khiển bật tắt thiết bị điện từ xa qua điện thoại Khi nhận được tin nhắn, vi điều khiển sẽ gửi phản hồi trở lại điện thoại thông qua module sim 800L.
Tổng quan cảm biến ACS712
Giới thiệu cảm biến ACS712
Cảm biến ACS712, hay còn gọi là cảm biến dòng điện hiệu ứng Hall, được thiết kế để đo dòng điện AC/DC với độ chính xác cao Với kích thước nhỏ gọn và dễ dàng kết nối, cảm biến này cung cấp giá trị điện áp Analog tuyến tính tương ứng với cường độ dòng điện cần đo, giúp đơn giản hóa quá trình lập trình và tích hợp với Vi điều khiển Đây là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu đo lường dòng điện hiệu quả và chính xác.
Module cảm biến dòng điện Hall ACS712 có các phiên bản 5A, 20A và 30A, sử dụng IC ACS712ELC Thiết bị này hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall, chuyển đổi dòng điện cần đo thành giá trị điện thế tương ứng.
Module cảm biến dòng điện Hall ACS712 là một IC cảm biến dòng tuyến tính hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall, cho phép đo dòng điện DC hoặc AC Chân Vout của ACS712 cung cấp tín hiệu analog biến đổi tuyến tính theo dòng điện cần đo, trong khi tụ Cf được sử dụng để giảm thiểu nhiễu.
Thông số kỹ thuật
Đường tín hiệu analog có độ nhiễu thấp
Thời gian tăng của đầu ra để đỏp ứng với đầu vào là 5às
Hình 3 2: Module cảm biến ACS712 Điện trở dây dẫn trong là 1.2mΩ
Nguồn : 5VDC Độ nhạy đầu ra từ 63 – 190mV/A Điện áp đầu ra cực kỳ ổn định
Ip: 5A, 20A, 30A Độ phân giải của cảm biến:
Cách sử dụng cảm biến ACS712
Khi đo DC với tải mắc nối tiếp, dòng điện sẽ di chuyển từ Ip+ đến Ip-, tạo ra điện áp Vout trong khoảng 2.5 – 5V tương ứng với dòng 0 – 5A Nếu mắc ngược, Vout sẽ thay đổi từ 2.5V xuống 0V, tương ứng với dòng từ 0A đến -5A.
➢ Cấp nguồn 5V cho module khi chưa có dòng Ip, thì Vout = 2.5V Khi dòng
Ip = 5A thì Vout = 5V, Vout tuyến tính với dòng Ip, trong khoảng 2.5V đến 5V tương ứng với dòng 0 đến 5A
Khi cấp nguồn 5V cho module mà chưa có dòng điện Ip, điện áp đầu ra Vout sẽ là 2.5V Khi dòng điện xoay chiều Ip xuất hiện, do độ lớn của dòng điện xoay chiều thay đổi liên tục theo hàm sin, điện áp Vout cũng sẽ biến đổi theo hình sin với độ lớn tuyến tính từ 0 đến 5V, tương ứng với dòng xoay chiều từ -5A đến 5A.
Tổng quan LCD 1602
Giới thiệu LCD 1602
Màn hình text LCD1602 xanh lá sử dụng driver HD44780, có khả năng hiển thị
2 dòng với mỗi dòng 16 ký tự.
Thông số kỹ thuật
• Điện áp hoạt động là 5 V.
• Chữ đen, nền xanh lá
• Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 0.1 inch tiện dụng khi kết nối với Breadboard.
• Tên các chân được ghi ở mặt sau của màn hình LCD hỗ trợ việc kết nối, đi dây điện.
• Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chỉnh độ sáng để sử dụng ít điện năng hơn.
• Có thể được điều khiển với 6 dây tín hiệu.
• Có bộ ký tự được xây dựng hỗ trợ tiếng Anh và tiếng Nhật, xem thêm HD44780 datasheet để biết thêm chi tiết.
Sơ đồ chân và chức năng từng chân LCD1602
Số chân Ký hiệu chân Mô tả chân
4 RS Lựa chọn thanh ghi địa chỉ hay dữ diệu
5 RW Lựa chọn thanh ghi đọc hay viết
6 EN Cho phép xuất dữ liệu
15 A Chân dương đèn màn hình
16 K Chân âm đèn màn hình
Bảng 3 1 Chức năng từng chân LCD 1602
Trong 16 chân của LCD được chia làm 3 dạng tín hiệu như sau:
Chân cấp nguồn: Chân số 1 là chân nối mass (0V), chân thứ 2 là Vdd nối với nguồn +5V Chân thứ 3 dùng để chỉnh contrast thường nối với biến trở
Các chân điều khiển của mạch bao gồm chân RS, R/W và E Chân RS được sử dụng để lựa chọn thanh ghi, trong khi chân R/W điều khiển quá trình đọc và ghi dữ liệu Cuối cùng, chân E đóng vai trò là chân cho phép dạng xung chốt, đảm bảo hoạt động chính xác của mạch.
Các chân dữ liệu : D7 – D0: Chân số 7 đến chân số 14 là 8 chân dùng để trao đổi dữ liệu giữa thiết bị điều khiển và LCD
4.4.3 Nguyên lý hoạt động LCD 1602
Khi hệ thống được cấp điện, vi điều khiển sẽ hiển thị thông tin ban đầu và chờ tín hiệu từ cảm biến ACS712 để nhận giá trị điện áp mà ADC đọc được Sau khi nhận tín hiệu, vi điều khiển sẽ tiến hành tính toán, xử lý dữ liệu và xuất tín hiệu ra màn hình LCD1602 để hiển thị thông tin theo yêu cầu của người lập trình.
Tổng quan Module mạch chuyển đổi I2C
Giới thiệu Module mạch chuyển đổi I2C
Mạch điều khiển màn hình LCD I2C sử dụng IC điều khiển ký tự với 16 cột và 2 dòng, giúp tiết kiệm dây nối với vi điều khiển hoặc Arduino Thiết kế này mang lại khả năng hiển thị nhanh và nhiều chức năng đa dạng.
Mạch được sử dụng để điều khiển màn hình LCD
Thông thường, để điều khiển và hiển thị được ký tự từ vi điều khiển xuất ra màn hình cần tới 7-8 dây nối đến chân vi điều khiển
Mạch điều khiển màn hình đã được cải tiến đáng kể với chỉ 2 dây tín hiệu nhờ vào việc áp dụng giao tiếp I2C Điều này cho phép IC xử lý trên mạch đảm nhiệm việc điều khiển màn hình một cách trực tiếp, mang lại nhiều lợi ích cho hệ thống.
Giao tiếp I2C chỉ sử dụng duy nhất 2 dây tín hiệu: SDA và SCL giúp tiết kiệm chân trên vi điều khiển
Tốc độ truyền dữ liệu lên đến 400Kbps
Dữ liệu truyền nhận đảm bảo tính toàn vẹn vì sử dụng cơ chế phản hồi (ACK) trên mỗi byte dữ liệu
Có khả năng kết nối nhiều thiết bị với nhau: trên mạch có sẵn các mối hàn A0, A1, A2 để thay đổi địa chỉ của module
Thông số kỹ thuật
Giao tiếp: I2C Địa chỉ mặc định: 0x27, có thể mắc vào I2C bus tối đa 8 module (3bit address set)
Hình 3 4: Module mạch chuyển đổi I2C
Jump Chốt: Cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt
Biến trở xoay độ tương phản cho LCD
Tổng quan Module Bluetooth HC 05
Giới thiệu Module Bluetooth HC 05
Bluetooth là công nghệ truyền thông không dây cho phép trao đổi dữ liệu trong khoảng cách ngắn, sử dụng sóng radio UHF trong dải tần số ISM từ 2.4 đến 2.485 GHz Khoảng cách truyền tối đa của module Bluetooth thường đạt khoảng 10 mét.
Module Bluetooth HC-05 được phát triển dựa trên chip BC417, một chip phức tạp với bộ nhớ flash ngoài 8Mbit Tuy nhiên, việc sử dụng module này rất dễ dàng nhờ vào việc nhà sản xuất đã tích hợp tất cả các thành phần cần thiết trên HC-05.
Mạch thu phát Bluetooth HC05 có thiết kế nhỏ gọn với chân tín hiệu giao tiếp cơ bản và nút bấm để vào chế độ AT COMMAND Mạch này hỗ trợ cấp nguồn và giao tiếp qua 3.3VDC hoặc 5VDC, phù hợp cho nhiều ứng dụng đa dạng.
Khi kết nối với máy tính, HC-05 hoạt động như một cổng COM ảo trong chế độ truyền Half Duplex, cho phép chỉ một trong hai hoạt động truyền hoặc nhận tín hiệu tại một thời điểm.
Thông số kỹ thuật
Điện áp hoạt động: 3.3 – 5VDC
Mức điện áp chân giao tiếp: TTL tương ứng 3.3VDC và 5VDC
Dòng điện khi hoạt động: khi Paring 30mA, sau khi hoạt động truyền nhận bình thường 8mA
Baudrate UART có thể được chọn: 1200, 2400, 9600, 19200, 38400, 57600,
Giao thức Bluetooth: Đặc điểm kỹ thuật Bluetooth v2.0 + EDR
Tần số: Băng tần ISM 2,4 GHz Điều chế: GFSK (khóa dịch chuyển tần số Gaussian)
Công suất phát: = 4 dBm, lớp 2 Độ nhạy: = -84 dBm ở 0,1% BER
Tốc độ: Không đồng bộ: 2,1 Mbps (tối đa) / 160 kbps Đồng bộ: 1 Mbps / 1 Mbps
Các tính năng bảo mật: xác thực và mã hóa
Chức năng các chân của Module Bluetooth HC-05
Hình 3 6: Chi tiết và cấu tạo bluetooth HC - 05
Chân này được sử dụng để chọn chế độ hoạt động AT Mode hoặc Data Mode VCC của chân này có thể cung cấp nguồn từ 3.6V đến 6V Bên trong module đã tích hợp một IC nguồn để chuyển đổi điện áp về 3.3V, từ đó cung cấp cho IC BC417.
GND: nối với chân nguồn GND
TXD,RXD: đây là hai chân UART để giao tiếp module hoạt động ở mức logic 3.3V
Chân trạng thái của mô-đun cho biết tình trạng kết nối Khi mô-đun không kết nối với thiết bị nào, chân này sẽ ở mức THẤP Ngược lại, khi mô-đun được ghép nối với thiết bị, chân trạng thái sẽ chuyển sang mức CAO.
Cơ chế hoạt động
Module Bluetooth HC-05 có hai chế độ hoạt động chính: Command Mode và Data Mode Trong Command Mode, người dùng có thể giao tiếp với module thông qua cổng serial bằng lệnh AT Ngược lại, ở Data Mode, module cho phép truyền và nhận dữ liệu với các module Bluetooth khác Chân KEY được sử dụng để chuyển đổi giữa hai chế độ này, và có hai cách để chuyển module sang chế độ Data Mode.
Khi đưa chân KEY lên mức logic cao trước khi cấp nguồn, module sẽ vào chế độ Command Mode với baudrate mặc định 38400, hữu ích khi không biết tốc độ baudrate của module Trong chế độ này, đèn LED trên module sẽ nháy chậm khoảng 2 giây Ngược lại, nếu chân KEY nối với mức logic thấp trước khi cấp nguồn, module sẽ hoạt động ở chế độ Data Mode.
Hình 3 7: Chi tiết chân của bluetooth HC - 05
Để chuyển module Bluetooth HC-05 từ chế độ Data Mode sang Command Mode, bạn cần đưa chân KEY lên mức cao, lúc này module sẽ hoạt động ở Command Mode với Baud Rate đã được thiết lập trước đó Việc biết Baud Rate hiện tại là cần thiết để tương tác với thiết bị Module Bluetooth HC-05 có khả năng hoạt động ở cả hai chế độ MASTER và SLAVE, cho phép thiết lập kết nối Serial giữa hai thiết bị qua sóng Bluetooth, trong khi module HC-06 chỉ hỗ trợ chế độ SLAVE.
Để thiết lập chế độ SLAVE, bạn cần kết nối smartphone, laptop và USB Bluetooth để tìm kiếm module, sau đó thực hiện ghép nối bằng mã PIN 1234 Sau khi ghép nối thành công, bạn sẽ có một cổng serial từ xa hoạt động với baud rate 9600.
Trong chế độ MASTER, module sẽ tự động tìm kiếm các thiết bị Bluetooth khác như module HC-06, USB Bluetooth hoặc Bluetooth của laptop, và thực hiện quá trình ghép nối chủ động mà không cần bất kỳ thiết lập nào từ máy tính hoặc smartphone.
Tổng quan IC thời gian thực ds1307
Giới thiệu IC thời gian thực ds1307
Module DS1307 là một đồng hồ thời gian thực (Real Time Clock) có khả năng lưu trữ thông tin về ngày, tháng, năm, cũng như giờ, phút, giây Nó hoạt động như một chiếc đồng hồ và cho phép xuất dữ liệu qua giao thức I2C Đặc biệt, module này được thiết kế với một viên pin đồng hồ, giúp lưu trữ thông tin lên đến 10 năm mà không cần nguồn điện.
Hình 3 8: Module thời gian thực Ds1307 nguồn 5V từ bên ngoài Module đi kèm với EEPROM AT24C32 có khả năng lưu trữ thêm thông tin lên đến 32KBit.
Thông số kỹ thuật
• Khả năng lưu trữ 32K bit với EEPROM AT24C32
• Sử dụng giao thức 2 dây I2C
• Lưu trữ thông tin giờ phút giây AM/PM
• Lịch lưu trữ chính xác lên đến năm 2100
• Có pin đồng hồ lưu trữ thông tin
• Có ngõ ra tần số 1Hz
Cấu tạo của ds1307
DS1307 là một chip thời gian thực (RTC) do Dallas sản xuất, cung cấp độ chính xác cao về thời gian với khả năng theo dõi thứ, ngày, tháng, năm, giờ, phút và giây Chip này bao gồm 7 thanh ghi 8 bit, giúp lưu trữ và quản lý thông tin thời gian một cách hiệu quả.
DS1307 là một chip thời gian thực có cấu tạo bao gồm các thông số như thứ, ngày, tháng, năm, giờ, phút và giây Chip này cũng bao gồm một thanh ghi điều khiển ngõ ra phụ và 56 thanh ghi trống, có thể được sử dụng như RAM Để đọc và ghi dữ liệu từ DS1307, người dùng cần sử dụng giao thức truyền thông I2C, giúp việc giao tiếp với chip trở nên đơn giản và hiệu quả.
Cơ chế hoạt động và chức năng của DS1307
X1 và X2 là đầu vào dao động cho DS1307 Cần giao động thạch anh 32.768 Khz
Vbat là nguồn cung cấp năng lượng cho chip, với mức điện áp từ 2V đến 3.5V Chúng ta có thể sử dụng pin 3V để duy trì hoạt động liên tục của chip Nhờ vào nguồn Vbat, chip DS1307 vẫn có thể hoạt động theo thời gian ngay cả khi không có nguồn Vcc.
Vcc là nguồn cung cấp cho giao tiếp I2C với điện áp chuẩn 5V, thường được sử dụng chung với vi xử lý Nếu không có Vcc nhưng vẫn có Vbat, DS1307 vẫn hoạt động bình thường nhưng không thể ghi và đọc dữ liệu.
GND là nguồn mass chung cho cả Vcc và Vbat
SQW/OUT là một chân ngõ ra phụ dùng để tạo xung vuông, nhưng không ảnh hưởng đến thời gian thực Do đó, chân này không được sử dụng trong các ứng dụng thời gian thực và thường để trống.
SCL và SDA là hai bus dữ liệu của DS1307 Thông tin truyền và ghi đều được truyền qua 2 đường truyền này theo chuẩn I2C.
Tổng quan Module Micro SD Card
Giới thiệu Module Micro SD Card
Module Micro SD Card là thiết bị đọc và ghi thẻ nhớ micro SD dành cho Arduino, sử dụng giao tiếp SPI Nó dễ dàng tích hợp với thư viện SPI.h và SD.h trong Arduino IDE, giúp người dùng dễ dàng thao tác và phát triển dự án.
Có thể đọc/ghi dữ liệu từ micro SD Cho phép thực hiện các dự án lưu trữ dữ liệu (data logging), phát nhạc MP3…
Thông số kỹ thuật
Hỗ trợ thẻ nhớ micro SD, micro SDHC
Các ngõ ra của module : CS, CLK, MOSI, MISO, VSS, GND
Thẻ nhớ Micro SD hỗ trợ định dạng FAT16 và FAT32
Hỗ trợ việc recording và playback cho lượng âm thanh lớn Điệp áp cung cấp: 5VDC
Tổng quan Arduino nano
Giới thiệu Arduino Nano Error! Bookmark not defined
Arduino Nano nổi bật với sự tiện dụng và đơn giản, cho phép lập trình trực tiếp từ máy tính giống như Arduino Uno R3 Đặc biệt, kích thước nhỏ gọn của nó (1.85cm x 4.3cm) là một ưu điểm vượt trội, giúp dễ dàng tích hợp vào các dự án khác nhau.
Hình 3 10: Module Micro SD Card
Arduino Nano có thông số kỹ thuật tương tự như Arduino Uno R3, cho phép các thư viện trên Arduino Uno hoạt động tốt trên Nano Tuy nhiên, điểm mạnh nổi bật của Arduino Nano chính là kích thước nhỏ gọn, điều này đã giúp nó trở thành lựa chọn phổ biến trong nhiều dự án DIY Khi bắt đầu làm quen với lập trình Arduino, người dùng thường tiếp cận với dòng Arduino UNO trước tiên.
Thông số kỹ thuật
Vi điều khiển Atmega328 (họ 8-bit) Điện áp hoạt động 5VDC
Tần số hoạt động 16MHz
Hình 3 11: Module Arduino nano Điện áp vào khuyên dùng 7 – 12 VDC Điện áp vào giới hạn 6 – 20VDC
Số chân Digital I/O 14 (6 chân PWM)
Số chân Analog 8 (độ phân giải 10-bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 40mA
Dòng ra tối đa (5V) 500mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nhớ flash 32 KB ( Atmega328) với 2 KB dùng bởi bootloader
Bảng 3 2: Thông số kỹ thuật Arduino nano
Chức năng từng chân của Arduino Nano
Số thứ tự chân Tên Kiểu Chức năng
1 D0 I/O Chân I / O kỹ thuật số Chân TX nối tiếp
2 D1 I/O Chân I / O kỹ thuật số Chân RX nối tiếp
3, 28 RESET Đầu vào Chân reset (hoạt động mức thấp)
4, 29 GND Nguồn Chân nối đất
17 3V3 Đầu ra Đầu ra 3.3V (từ FTDI)
18 AREF Đầu vào Tham chiếu ADC
Hình 3 12: Chức năng chân Arduino nano
19 – 26 A7-A0 Đầu vào Kênh đầu vào tương tự 0-7
27 +5V Đầu vào/ Đầu ra Đầu ra 5V (từ bộ điều chỉnh
Onboard) hoặc +5V(đầu vào từ nguồn điện bên ngoài)
30 VIN Nguồn Chân nối với nguồn vào từ 5V-12V
Bảng 3 3 Chức năng từng chân của Arduino nano
Giao thức truyền
Tổng quan giao tiếp UART
a) Giới thiệu giao tiếp UART
UART (Bộ truyền nhận dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ) là giao thức truyền thông phổ biến giữa các thiết bị, thường được sử dụng để kết nối với các module như Wifi, Bluetooth, Xbee và đầu đọc thẻ RFID trên Raspberry, Arduino hoặc các vi điều khiển khác Giao tiếp UART không chỉ được ứng dụng rộng rãi trong các dự án cá nhân mà còn là chuẩn giao tiếp thông dụng trong ngành công nghiệp.
Khi được cấu hình chính xác, UART có khả năng tương tác với nhiều giao thức nối tiếp khác nhau để truyền và nhận dữ liệu Trong giao tiếp nối tiếp, dữ liệu được truyền từng bit qua một dây duy nhất, trong khi giao tiếp hai chiều yêu cầu hai dây để đảm bảo việc truyền tải dữ liệu hiệu quả.
UART là giao thức truyền thông phần cứng sử dụng giao tiếp nối tiếp không đồng bộ với tốc độ có thể được cấu hình Khái niệm không đồng bộ có nghĩa là không có tín hiệu đồng hồ để đồng bộ hóa các bit đầu ra từ thiết bị phát đến thiết bị nhận.
Trong giao tiếp UART, hai thiết bị UART tương tác trực tiếp với nhau UART chuyển đổi dữ liệu từ dạng song song của thiết bị điều khiển như CPU sang dạng nối tiếp, sau đó truyền dữ liệu nối tiếp đến UART nhận, nơi dữ liệu được chuyển đổi trở lại thành dạng song song cho thiết bị nhận.
Hai đường dây mà mỗi thiết bị UART sử dụng để truyền dữ liệu đó là:
UART là phương pháp truyền dữ liệu không đồng bộ, không sử dụng tín hiệu đồng hồ để đồng bộ hóa việc truyền và nhận bit Thay vào đó, UART thêm các bit start và stop vào gói dữ liệu, giúp xác định rõ ràng điểm bắt đầu và kết thúc của gói, từ đó cho phép UART nhận biết thời điểm bắt đầu đọc các bit.
Khi UART phát hiện một bit start, nó bắt đầu đọc các bit tiếp theo với tốc độ truyền (baud rate) nhất định, được đo bằng bit trên giây (bps) Để đảm bảo giao tiếp hiệu quả, cả hai UART phải hoạt động ở cùng một tốc độ truyền, với sự chênh lệch tối đa khoảng 10% Nếu tốc độ truyền giữa UART truyền và nhận lệch quá nhiều, thời gian của các bit sẽ không còn chính xác, dẫn đến lỗi trong quá trình truyền dữ liệu.
UART nhận dữ liệu từ bus dữ liệu, thiết bị khác như CPU, bộ nhớ hoặc vi điều khiển Dữ liệu được chuyển từ bus đến UART ở dạng song song Sau khi nhận, UART sẽ thêm một bit start, một bit chẵn lẻ và một bit stop để tạo thành gói dữ liệu Gói dữ liệu này sau đó sẽ được truyền đi.
Hình 4.1 mô tả cách truyền dữ liệu giữa hai thiết bị qua giao thức UART, trong đó dữ liệu được xuất ra nối tiếp từng bit tại chân Tx UART nhận gói dữ liệu từng bit tại chân Rx, sau đó chuyển đổi về dạng song song Quá trình này bao gồm việc loại bỏ bit start, bit chẵn lẻ và bit stop, cuối cùng UART chuyển gói dữ liệu song song qua bus dữ liệu ở đầu nhận.
Dữ liệu được truyền qua giao thức UART được tổ chức thành các gói, mỗi gói bao gồm 1 bit start, từ 5 đến 9 bit dữ liệu tùy thuộc vào cấu hình của UART, một bit chẵn lẻ (parity bit) tùy chọn và 1 hoặc 2 bit stop.
Đường truyền dữ liệu UART thường duy trì mức điện áp cao khi không có dữ liệu được truyền Để bắt đầu quá trình truyền, UART sẽ kéo đường truyền từ mức cao xuống mức thấp trong một chu kỳ đồng hồ, và khi nhận, UART phát hiện sự chuyển đổi này.
Hình 4 2: Phương thức truyền dữ liệu của 2 thiết bị
Hình 4 3: Dữ liệu được tập hợp thành gói
Hình 4.4 cho thấy rằng bit đầu tiên của gói dữ liệu UART chuyển đổi từ điện áp cao xuống thấp, đánh dấu thời điểm bắt đầu đọc các bit trong khung dữ liệu với tần số tương ứng của tốc độ truyền.
Data frame (Khung dữ liệu)
Khung dữ liệu chứa dữ liệu thực tế đang được truyền Nó có thể dài từ 5 bit đến
8 bit nếu sử dụng bit chẵn lẻ Nếu không sử dụng bit chẵn lẻ, khung dữ liệu có thể dài
9 bit Trong hầu hết các trường hợp, dữ liệu được truyền với bit có trọng số bé nhất (LSB) trước tiên
Parity Bit (Bít chẵn lẻ)
Tính chẵn lẻ xác định liệu một số là chẵn hay lẻ, trong khi bit chẵn lẻ là phương pháp mà UART sử dụng để kiểm tra sự thay đổi dữ liệu trong quá trình truyền Những thay đổi này có thể xảy ra do bức xạ điện từ, tốc độ truyền không đồng nhất hoặc khi truyền dữ liệu qua khoảng cách dài.
Sau khi UART nhận khung dữ liệu, nó sẽ đếm số bit có giá trị 1 và kiểm tra tính chẵn lẻ của tổng số này Nếu bit parity là 0 (parity chẵn), tổng số bit 1 phải là số chẵn Ngược lại, nếu bit parity là 1 (parity lẻ), tổng số bit 1 sẽ là số lẻ.
Khi bit chẵn lẻ khớp với dữ liệu, UART xác nhận rằng quá trình truyền không có lỗi Ngược lại, nếu bit chẵn lẻ là 0 trong khi tổng là số lẻ, hoặc bit chẵn lẻ là 1 và tổng là số chẵn, UART nhận ra rằng các bit trong khung dữ liệu đã bị thay đổi.
Hình 4 5: Khung dữ liệu của gói dữ liệu UART
Hình 4 6: Bit chẵn lẻ của gói dữ liệu UART
Để đánh dấu sự kết thúc của gói dữ liệu, UART sử dụng tín hiệu Stop Bit, điều khiển đường truyền dữ liệu từ điện áp thấp lên điện áp cao trong ít nhất hai khoảng thời gian bit.
Tổng quan giao thức I2C
I2C là giao thức truyền thông do Philips Semiconductors phát triển, cho phép trao đổi dữ liệu giữa một bộ xử lý trung tâm và nhiều IC trên cùng một bảng mạch thông qua chỉ hai đường tín hiệu.
Giao thức này rất phổ biến trong việc giao tiếp giữa vi điều khiển và các thiết bị như mảng cảm biến, thiết bị hiển thị, thiết bị Internet of Things và EEPROMs Đây là một loại giao thức giao tiếp nối tiếp đồng bộ, trong đó các bit dữ liệu được truyền từng bit một theo các khoảng thời gian đều đặn được thiết lập bởi một tín hiệu đồng hồ tham chiếu.
Hình 4 7: Bit kết thúc của gói dữ liệu UART
Hình 4 8: Cách thức truyền của giao thức I2C Đặc điểm quan trọng của giao thức giao tiếp I2C:
• Chỉ cần có hai đường bus (dây) chung để điều khiển bất kỳ thiết bị / IC nào trên mạng I2C
Giao tiếp không yêu cầu thỏa thuận trước về tốc độ truyền dữ liệu như trong UART, cho phép điều chỉnh tốc độ truyền một cách linh hoạt khi cần thiết.
• Cơ chế đơn giản để xác thực dữ liệu được truyền
• Sử dụng hệ thống địa chỉ 7 bit để xác định một thiết bị / IC cụ thể trên bus I2C
• Các mạng I2C dễ dàng mở rộng Các thiết bị mới có thể được kết nối đơn giản với hai đường bus chung I2C b) Giao thức truyền dữ liệu I2C
Giao thức được tập hợp các quy tắc bởi thiết bị Master và các thiết bị Slave để truyền dữ liệu giữa chúng
Dữ liệu được truyền giữa thiết bị Master và thiết bị Slave qua một đường dữ liệu SDA duy nhất, sử dụng các chuỗi bit được cấu trúc từ số 0 và 1 Mỗi chuỗi này được gọi là giao dịch (transaction), và dữ liệu trong mỗi giao dịch có cấu trúc cụ thể.
Hình 4 9: Cấu trúc dữ liệu I2C được truyền đi Điều kiện bắt đầu (Start Condition)
Khi một thiết bị chủ hoặc IC khởi động một giao dịch, nó sẽ hạ mức điện áp của SDA từ cao xuống thấp trước khi SCL chuyển từ mức cao xuống thấp.
Khi thiết bị Master gửi tín hiệu bắt đầu, tất cả các thiết bị Slave sẽ hoạt động ngay cả khi đang ở chế độ ngủ và chờ nhận bit địa chỉ.
Giao thức I2C sử dụng 7 bit để chỉ định địa chỉ của thiết bị Slave mà thiết bị Master cần gửi hoặc nhận dữ liệu Tất cả các thiết bị Slave trên bus I2C sẽ so sánh các bit địa chỉ này với địa chỉ của chính chúng để xác định thiết bị nào sẽ giao tiếp.
Bit này xác định hướng truyền dữ liệu giữa thiết bị Master và thiết bị Slave Khi thiết bị Master cần gửi dữ liệu, bit này được thiết lập là ‘0’ Ngược lại, khi thiết bị Master cần nhận dữ liệu từ thiết bị Slave, bit này sẽ được thiết lập là ‘1’.
ACK/NACK là viết tắt của Acknowledged/Not-Acknowledged Khi địa chỉ vật lý của thiết bị Slave trùng với địa chỉ do thiết bị Master phát, thiết bị Slave sẽ đặt giá trị của bit này thành '0' Nếu không, bit này sẽ giữ mức logic '1', là trạng thái mặc định.
Hình 4 10: Điều kiện bắt đầu của I2C khi được truyền đi
Khối dữ liệu bao gồm 8 bit được thiết lập bởi bên gửi, chứa thông tin cần truyền tới bên nhận Sau khối này là một bit ACK/NACK, được đặt thành '0' nếu bên nhận nhận thành công dữ liệu, trong khi nếu không thành công, nó vẫn giữ mức logic '1'.
Quá trình truyền dữ liệu diễn ra thông qua việc lặp lại khối dữ liệu kèm theo bit ACK/NACK cho đến khi hoàn tất Điều kiện kết thúc (Stop condition) sẽ được xác định để kết thúc quá trình này.
Sau khi các khung dữ liệu cần thiết được truyền qua đường SDA, thiết bị Master sẽ chuyển đổi đường SDA từ mức điện áp thấp sang mức điện áp cao Tiếp theo, đường SCL sẽ chuyển từ mức cao xuống mức thấp.
Tổng quan về tin nhắn SMS
SMS là công nghệ cho phép gửi và nhận tin nhắn giữa các điện thoại Dữ liệu trong một tin nhắn SMS rất hạn chế, với dung lượng tối đa là 140 byte (1120 bit) Do đó, mỗi tin nhắn SMS chỉ có thể chứa một lượng thông tin nhất định.
• 160 ký tự nếu như mã hóa ký tự 7 bit được sử dụng
• 70 ký tự nếu như mã hóa ký tự 16 bit Unicode UCS2 được sử dụng
Hình 4 11 Điều kiện kết thúc của I2C được truyền đi
Tin nhắn SMS dạng text hỗ trợ nhiều ngôn ngữ khác nhau và hoạt động hiệu quả với các ngôn ngữ sử dụng mã Unicode, bao gồm cả tiếng Ả Rập, tiếng Trung, tiếng Nhật và tiếng Hàn.
Ngoài việc gửi tin nhắn văn bản, người dùng còn có thể gửi tin nhắn dưới dạng dữ liệu nhị phân Điều này cho phép truyền tải nhạc chuông, hình ảnh và nhiều tiện ích khác đến các điện thoại khác.
Tổng quan công nghệ Bluetooth
Khái niệm về công nghệ Bluetooth
Bluetooth là công nghệ không dây cho phép các thiết bị điện tử giao tiếp trong khoảng cách ngắn từ 10m bằng sóng vô tuyến qua băng tần ISM (2.40 – 2.48GHz) Công nghệ này có khả năng truyền tải giọng nói và dữ liệu với tốc độ 1Mbps, nhanh gấp 3 đến 8 lần so với cổng song song và cổng serial Băng tần này không cần đăng ký và được sử dụng cho các thiết bị không dây trong các lĩnh vực công nghiệp, khoa học và y tế.
Bluetooth được phát triển để thay thế các dây cáp giữa máy tính và thiết bị truyền thông cá nhân, tạo ra kết nối không dây tiện lợi giữa các thiết bị điện tử.
Khi Bluetooth được kích hoạt, nó có khả năng tự động phát hiện các thiết bị khác sử dụng công nghệ tương tự trong khu vực lân cận và bắt đầu quá trình kết nối Công nghệ này chủ yếu được thiết kế để truyền tải dữ liệu và âm thanh một cách hiệu quả.
Hình 4 12: Biểu tượng công nghệ Bluetooth
Công nghệ Bluetooth là một tiêu chuẩn không dây phổ biến, cho phép kết nối giữa các thiết bị nhỏ và chi phí thấp như PC di động và điện thoại di động mà không cần cáp Với khả năng tiêu thụ năng lượng thấp, Bluetooth hỗ trợ truyền thông giữa các thiết bị, mặc dù tốc độ truyền dữ liệu chậm hơn so với Wi-Fi Apple đã tích hợp Bluetooth vào máy Mac để kết nối với các thiết bị ngoại vi như bàn phím và chuột không dây, cũng như đồng bộ hóa dữ liệu với thiết bị di động và máy in hỗ trợ Bluetooth.
Bluetooth đang phải đối mặt với sự cạnh tranh gay gắt từ các nhà sản xuất PC, tuy nhiên, công nghệ này vẫn được ưa chuộng bởi các hãng sản xuất điện thoại di động, khi hầu hết các điện thoại đều hỗ trợ Bluetooth cùng với các thiết bị headset không dây Trong tương lai, phiên bản Bluetooth mới hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Các đặc điểm Bluetooth
Bluetooth có khả năng truyền dữ liệu với tốc độ lên đến 1Mb/s và hỗ trợ tốc độ 720Kbps trong khoảng cách 10m Khác với kết nối hồng ngoại (IrDA), Bluetooth hoạt động theo chế độ vô hướng và sử dụng dải tần 2.4GHz.
Hình 4 13 Các thiết bị được hỗ trợ kết nối Bluetooth
➢ Tiêu thụ năng lượng thấp,cho phép ứng dụng được trong nhiều thiết bị, bao gồm thiết bị cầm tay và điện thoại di động
➢ Giá thành hạ (giá của một con chip Bluetooth đang giảm dần)
➢ Khoảng cách giao tiếp giữa 2 thiết bị đầu cuối có thể lên đến 10m ngoài trời và 5m trong tòa nhà
➢ Khoảng cách thiết bị đầu cuối và Access Point có thể lên đến 100m ngoài trời và 30m trong nhà
Bluetooth hoạt động trên băng tầng 2.4GHz thuộc dãy băng tầng ISM, cho phép tốc độ truyền dữ liệu tối đa lên đến 1Mbps Điều đặc biệt là các thiết bị Bluetooth không cần phải nằm gần nhau để kết nối.
Bluetooth đơn giản hóa việc phát triển ứng dụng bằng cách kết nối các ứng dụng với nhau thông qua các chuẩn "Bluetooth Profiles", cho phép tính độc lập về phần cứng và hệ điều hành sử dụng.
Bluetooth được dùng trong giao tiếp dữ liệu tiếng nói: có 3 kênh để truyền tiếng nói và 7 kênh để truyền dữ liệu trong một mạng cá nhân.
Tông quan App diều khiển thiết bị bằng bluetooth
MIT App Inventor dành cho Android là một ứng dụng web nguồn mở được cung cấp bởi Google và hiện tại được duy trì bởi Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), cho phép nhà lập trình tạo ra các ứng dụng phần mềm cho hệ điều hành Android (OS) thông qua giao diện đồ họa kéo và thả các khối mã (blocks).
Ý tưởng mô hình
Lên kế hoạch thực hiện mô hình từ ý tưởng là bước quan trọng, bao gồm việc chọn vật liệu và linh kiện phù hợp Đối với mô hình sản phẩm, bìa fomex là lựa chọn lý tưởng nhờ vào giá thành thấp, dễ tìm kiếm và khả năng gia công linh hoạt theo kích thước đã đo đạc, giúp hiện thực hóa ý tưởng một cách hiệu quả.
Hình 4 15: Lên kế hoạch làm mô hình Hình 4 14: Cấu trúc để tạo app điều khiển thiết bị
Sau khi xác định hình dạng của mô hình, quá trình thi công sẽ bắt đầu bằng việc đo đạc và gia công vật liệu theo kích thước đã được phác thảo Để đảm bảo độ chính xác cao, các kích thước này sẽ được vẽ lên bề mặt vật liệu Mô hình xây dựng hiện tại có kích thước dài 70 cm, rộng 50 cm và cao 28 cm.
Sau khi cắt các phôi theo mẫu, tiến hành gắn kết các thiết bị như quạt, đèn, và công tắc để mô phỏng các thiết bị điều khiển thực tế Mô hình sẽ được xây dựng theo phương pháp lắp đặt thiết bị và dây dẫn âm trong tường, đảm bảo an toàn và thẩm mỹ cho tổng thể mô hình.
Sau khi lắp đặt hoàn tất, các hệ thống điện sẽ được kiểm tra độ ổn định và chắc chắn Tiếp theo, các phôi tường sẽ được dựng lên để che giấu các đường dây dẫn và khuyết điểm từ quá trình lắp đặt thiết bị điện Việc này không chỉ tăng cường độ cứng vững cho mô hình mà còn nâng cao tính thẩm mỹ hiện đại cho sản phẩm.
Nền móng giá đỡ của mô hình sẽ được thiết kế với cấu trúc các thanh ngang dọc đan xen, đảm bảo khả năng chịu lực tối ưu từ các tác động vật lý Hệ thống điện sẽ được đi âm từ mặt tường xuống nền móng, được sắp xếp gọn gàng thành các bó dây, nhằm đảm bảo an toàn và thẩm mỹ cho công trình.
Hình 4 16: Kích thước mô hình
Quá trình hoàn thiện mô hình sản phẩm và trang trí không chỉ tăng tính thẩm mỹ mà còn tạo cảm giác chân thật và chiều sâu cho người xem.
Hình 4 17: Cách đi dây cho mô hình
Hình 4 18: Mô hình hoàn chỉnh
Thiết kế hệ thống
Sơ đồ kết nối giữa các khối với nhau
Cam :12V ; Vàng : 4,2V ; Tím : 5V ; Xanh dương : Dây tín hiệu ; Xanh lá : Dòng điện chờ tín hiệu từ trung tâm điều khiển đến Relay
Cảm biến dòng điện ACS-712 Giao thức
Module thời gian thực DS1307
Mô hình hệ thống điều khiển thông qua module sim 800L từ xa qua cú pháp tin nhắn và báo quá tải của hệ thống
Mô hình hệ thống điều khiển thông qua module Bluetooth khi sử dụng tại nhà và hiển thị trạng thái bật bắt trên app điều khiển điện thoại
Cảm biến ACS712 là linh kiện thiết yếu trong hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ, giúp đo lường dòng điện một cách chính xác và hiệu quả.
Cảm biến trong hệ thống có nhiệm vụ đo đạc dòng điện tiêu thụ của tất cả các thiết bị, từ chính hệ thống đến các thiết bị tiêu thụ khác Sau khi đo, cảm biến xuất tín hiệu từ chân Vout dưới dạng điện áp Analog tuyến tính theo cường độ dòng điện cần đo Tín hiệu này được đưa vào Arduino, nơi Arduino sẽ đọc tín hiệu ADC, quy đổi ra trị số dòng điện và tính toán công suất mà hệ thống và các thiết bị đang tiêu thụ.
Hệ thống truyền phát thông tin và điều khiển thiết bị sử dụng module SIM 800L hoạt động dựa trên các câu lệnh được thiết lập, cho phép truyền dẫn tín hiệu khi điện năng vượt quá định mức cài đặt Ngoài ra, hệ thống còn nhận tín hiệu điều khiển từ xa thông qua cú pháp tin nhắn, giúp người dùng dễ dàng quản lý và điều khiển thiết bị.
Cảm biến dòng điện ACS-712
Tín hiệu quá tải từ Arduino sẽ được gửi đến module SIM để mã hóa và truyền đến số điện thoại đã thiết lập Người dùng có thể điều khiển thiết bị bằng cách gửi tin nhắn đến số điện thoại trong module SIM Sau khi nhận tín hiệu, module SIM sẽ giải mã và gửi tín hiệu đến Arduino, từ đó Arduino sẽ thực hiện lệnh tắt thiết bị theo cú pháp trong tin nhắn Tín hiệu báo quá tải sẽ có nội dung là "Overload", trong khi các lệnh điều khiển thiết bị sẽ được soạn với các nội dung như FAN1_ON/OFF, FAN2_ON/OFF, LAMP1_ON/OFF, LAMP2_ON/OFF, và LAMP3_ON/OFF.
Here is a code snippet to set two phone numbers for a SIM module responsible for sending and receiving signals: `mySerial.print("AT+CMGF=1\r"); mySerial.print("AT+CMGS=\"+84961975196\"\r"); mySerial.print("Overload"); delay(100);`
Hệ thống điều khiển thiết bị tại nhà qua Bluetooth sử dụng thiết bị di động để truyền tín hiệu Phương thức điều khiển dựa trên một ứng dụng được phát triển riêng, với giao diện đơn giản và tiện lợi, dễ dàng cài đặt trên điện thoại di động dưới định dạng file APK.
Tín hiệu điều khiển từ thiết bị di động sẽ được truyền đến module HC-05 qua kết nối Bluetooth với mã pin 1234 Sau khi kết nối thành công, tín hiệu điều khiển sẽ liên tục truyền tải, cho phép người dùng bật tắt thiết bị và theo dõi trạng thái hoạt động (bật hoặc tắt) trên ứng dụng điều khiển Dù điều khiển thủ công hay qua module SIM, trạng thái thiết bị luôn được cập nhật trên ứng dụng nhờ giao thức UART Thông tin được truyền qua Bluetooth sẽ được module HC-05 tiếp nhận và gửi đến Arduino để xử lý, từ đó gửi tín hiệu trạng thái hoạt động của thiết bị về di động để hiển thị trên ứng dụng điều khiển.
Module thời gian thực DS1307 và module micro SD card
Trong hệ thống giám sát điện năng, để thực hiện hiệu quả chức năng giám sát hoạt động sử dụng năng lượng, cần có hai thành phần chính: hệ thống thời gian thực để theo dõi điện năng tiêu thụ và hệ thống bộ nhớ lưu trữ dữ liệu tiêu thụ Hai yếu tố này giúp cung cấp các số liệu và biểu đồ hàng ngày, hàng giờ về mức tiêu thụ năng lượng, từ đó xác định thời điểm tiêu thụ cao nhất hoặc thấp nhất, góp phần vào việc phát triển các chiến lược tiết kiệm năng lượng hiệu quả.
Module thời gian thực DS1307
Việc sử dụng thẻ SD giúp tiết kiệm và tối ưu hóa thói quen sử dụng thiết bị điện, giảm tải vào giờ cao điểm Module thời gian thực DS1307 có khả năng lưu trữ thời gian lên đến 10 năm, mang lại hiệu quả cao và tính ổn định cho hệ thống Arduino sẽ đọc tín hiệu thời gian từ module này, sau đó đối chiếu với dữ liệu từ cảm biến ACS712 để tính toán chính xác dòng điện và công suất tiêu thụ Tất cả thông tin này được ghi lại vào thẻ micro SD, giúp hệ thống hoạt động ổn định mà không cần lo lắng về việc bảo trì hay thay thế trong thời gian dài.
Hệ thống cần một bộ lưu trữ dữ liệu để ghi lại các số liệu đo đạc theo thời gian, nhằm xem xét toàn bộ quá trình sử dụng năng lượng Điều này sẽ tạo cơ sở cho việc thay đổi thói quen sử dụng năng lượng và giải quyết các vấn đề liên quan, đồng thời việc sử dụng module micro sẽ hỗ trợ hiệu quả cho quá trình này.
Thay thế thẻ SD bằng thẻ micro SD giúp giảm kích thước hệ thống, làm cho nó nhỏ gọn và tiện dụng hơn, đồng thời tiết kiệm chi phí Thẻ micro SD dễ dàng truy xuất thông tin từ nhiều thiết bị như điện thoại di động Dữ liệu về số liệu và thời gian công suất tiêu thụ được Arduino xử lý và ghi lại vào thẻ micro SD dưới định dạng file txt, cho phép người dùng xem dữ liệu qua các phần mềm như Excel và Notepad.
Công tắc chạm và Module relay 5 kênh
Công tắc cảm ứng chạm
Hệ thống bật tắt thủ công vẫn hữu ích khi không có thiết bị di động, đặc biệt cho những ai ưa thích sự truyền thống nhưng cần sự tiện lợi hiện đại Công tắc cảm ứng chạm mang lại sự hiện đại và thao tác dễ dàng hơn so với công tắc nút nhấn hay nút gạt Người dùng có thể linh hoạt thay đổi trạng thái bật tắt mà không cần tìm kiếm công tắc trong bóng tối; chỉ cần đưa tay gần và lướt qua là có thể bật thiết bị Công tắc cảm ứng chạm còn có khả năng cảm ứng xuyên qua các vật liệu như nhựa hay giấy Tín hiệu bật tắt được xử lý qua Arduino, điều khiển module relay 5 kênh, giúp cách ly nguồn điện và đảm bảo an toàn cho hệ thống trung tâm.
Module Relay 5 kênh là thiết bị cần thiết để điều khiển các thiết bị điện có công suất lớn, đảm bảo an toàn và ổn định cho hệ thống điều khiển Do không thể điều khiển trực tiếp từ tín hiệu Arduino, module này hoạt động như một thiết bị trung gian, chịu được dòng tải lớn hơn Đặc biệt, module được trang bị linh kiện Opto quang, giúp cách ly nguồn điện của thiết bị với nguồn tín hiệu điều khiển, giảm thiểu nguy cơ hư hỏng cho hệ thống điều khiển trung tâm do điện áp cao.
Khi Arduino nhận tín hiệu điều khiển từ các nguồn như module SIM, module Bluetooth hoặc công tắc chạm cảm ứng, nó sẽ gửi tín hiệu đến module Relay Qua linh kiện Opto quang, Arduino gián tiếp điều khiển Relay để bật hoặc tắt nguồn điện cho thiết bị cần điều khiển.
Giao thức I2C và hiển thị thông tin lên LCD 16x2
LCD là một thành phần thiết yếu trong hệ thống, giúp người dùng theo dõi hoạt động của hệ thống một cách trực quan Màn hình LCD hiển thị các thông tin quan trọng như ngày giờ, công suất tiêu thụ và dòng điện đang chạy trên toàn bộ hệ thống và thiết bị Điều này cho phép người dùng giám sát và điều chỉnh kịp thời, thay vì phải trích xuất dữ liệu từ bộ lưu trữ micro SD card.
