Trường học là nơi sử dụng rất nhiều điện năng để phục vụ quá trình giảng dạy và học tập của giáo viên và học sinh. Điện năng không phải nguồn năng lượng vô tận do đó nhà trường luôn có kế hoạch tiết kiệm điện trong trường học một cách thông minh, hiệu quả và tối đa nhất. Tuy nhiên đôi khi các em học sinh vẫn lơ là quên tắt các thiết bị trong phòng học như: quên tắt tèn khi ra về, quên tắt đèn khi không ở trong lớp, bật đèn khi đã đủ ánh sáng… từ đó dẫn đến việc lãng phí điện năng. Do đó việc sử dụng các thiết bị thông minh giúp tiết kiệm điện năng từ việc xây dựng hệ thống bật tắt đèn từ động là một nhu cầu cần thiết trong các trường học. Từ những lý do trên sau khi học về lập trình Arduino nhóm mạnh dạn xây dựng hệ thống tiết kiệm điện bằng các 2 ứng dụng là: Cảm biến nhiệt độ và cảm biến thân nhiệt chuyển động.
I Bài toán đặt vấn đề: Trường học nơi sử dụng nhiều điện để phục vụ trình giảng dạy học tập giáo viên học sinh Điện nguồn lượng vô tận nhà trường ln có kế hoạch tiết kiệm điện trường học cách thông minh, hiệu tối đa Tuy nhiên em học sinh lơ quên tắt thiết bị phòng học như: quên tắt tèn về, quên tắt đèn không lớp, bật đèn đủ ánh sáng… từ dẫn đến việc lãng phí điện Do việc sử dụng thiết bị thông minh giúp tiết kiệm điện từ việc xây dựng hệ thống bật tắt đèn từ động nhu cầu cần thiết trường học Từ lý sau học lập trình Arduino nhóm mạnh dạn xây dựng hệ thống tiết kiệm điện ứng dụng là: Cảm biến nhiệt độ cảm biến thân nhiệt chuyển động II Tiến trình thực hiện: Ý tưởng thực hiện: Xác định yêu cầu toán: Bạn muốn bật đèn có chuyển động tắt đèn khơng có chuyển động; Đồng thời hiển thị độ ẩm nhiệt độ lên hình LCD Vì vậy, bạn cần cảm biến nhiệt độ độ ẩm để đo nhiệt độ độ ẩm, hình LCD để hiển thị kết quả, hệ thống bật tắt đèn dựa cảm biến chuyển động để kiểm soát hệ thống Lựa chọn cảm biến: Để đo nhiệt độ, bạn sử dụng loại cảm biến nhiệt độ cảm biến NTC (Negative Temperature Coefficient), cảm biến RTD (Resistance Temperature Detector) cảm biến Thermocouple Đối với cảm biến chuyển động, bạn sử dụng cảm biến chuyển động PIR (Passive Infrared) cảm biến siêu âm Nhóm xác định yêu cầu toán, tiến hành xây dựng hệ thống gồm cảm biến : Cảm Biến Độ Ẩm, Nhiệt Độ DHT22 Cảm Biến Thân Nhiệt Chuyển Động PIR HCSR501 Board SIMULINO UNO SMD thiết bị khác thiết lập yêu cầu như: Cảm biến chuyển động: Khi phát chuyển động, replay bật đèn sáng Khi không phát chuyển động, replay không bật làm đèn không sáng Thiết bị sử dụng: 2.1 Board ARDUINO UNO R3: Arduino UNO R3 phiên bo mạch phát triển (development board) Arduino Nó thiết kế để dễ dàng sử dụng công cụ lý tưởng để bắt đầu học lập trình điện tử Arduino UNO R3 trang bị vi xử lý ATmega328P lập trình ngơn ngữ lập trình Arduino Nó hoạt động nguồn điện từ đến 12V cung cấp nhiều chân GPIO (General Purpose Input/Output) để kết nối với linh kiện điện tử khác cảm biến, động cơ, hình hiển thị, Arduino UNO R3 có tính bổ sung cổng USB để nạp chương trình giao tiếp với máy tính, LED báo trạng thái nút nhấn Reset để khởi động lại bo mạch Nó sử dụng rộng rãi ứng dụng điện tử, điều khiển tự động hóa Arduino UNO R3 SMD chip dán (kèm cáp) ❖ Nguyên lý hoạt động: Arduino UNO R3 board phổ biến dòng sản phẩm Arduino Board thiết kế với số thành phần sau đây: Microcontroller: Arduino UNO R3 sử dụng vi điều khiển Atmel AVR ATmega328P Đây vi điều khiển 8-bit có tốc độ xử lý lên đến 16 MHz Điện trở điện dung: Board có điện trở điện dung để giúp cho người dùng kết nối với linh kiện khác mạch Các cổng kết nối: Board có cổng kết nối để người dùng kết nối với linh kiện khác cảm biến, hình LCD, Kết nối USB: Board có kết nối USB để người dùng lập trình giao tiếp với board thơng qua máy tính Arduino UNO R3 hoạt động dựa nguyên lý điều khiển lập trình Khi nạp chương trình thơng qua kết nối USB, board tiếp nhận lệnh từ chương trình thực hành động tương ứng Các lệnh viết ngơn ngữ lập trình Arduino, dựa C/C++ Board sử dụng chân vào chân để giao tiếp với linh kiện khác mạch, thông qua chương trình viết, người dùng điều khiển linh kiện để thực chức đo đạc, điều khiển động cơ, hiển thị thơng tin hình, nhiều chức khác 2.2 Cảm biến hồng ngoại PIR Sensor: Cảm biến hồng ngoại PIR Sensor (Passive Infrared Sensor) loại cảm biến sử dụng để phát chuyển động vật thể cách sử dụng sóng hồng ngoại Khi vật thể qua khu vực phát cảm biến, nhiệt độ vật thể tương đối khác biệt so với nhiệt độ môi trường xung quanh Cảm biến PIR phát khác biệt nhiệt độ phát tín hiệu để báo hiệu xuất vật thể Cảm biến PIR thường sử dụng ứng dụng an ninh, đèn cảm ứng, điều khiển hệ thống điều hịa khơng khí hệ thống tự động khác Cảm biến PIR có khả phát chuyển động vật thể phạm vi tầm nhìn hoạt động tốt điều kiện ánh sáng thấp khơng có ánh sáng Tóm lại, cảm biến hồng ngoại PIR Sensor loại cảm biến sử dụng sóng hồng ngoại để phát chuyển động vật thể thường sử dụng ứng dụng an ninh tự động hóa Cảm Biến Thân Nhiệt Chuyển Động PIR HC-SR501 ❖ Nguyên lý hoạt động: Cảm biến PIR thường thiết kế với hai cảm biến hồng ngoại, đặt hai mặt đối diện cảm biến Khi vật thể di chuyển qua khu vực phát cảm biến, nhiệt độ vật thể khác biệt so với nhiệt độ môi trường xung quanh Sự khác biệt nhiệt độ gây khác biệt phân bố lượng hồng ngoại thu nhận hai cảm biến Cảm biến PIR sử dụng mạch điện tử để phân tích tín hiệu hồng ngoại phát khác biệt nhiệt độ Khi có khác biệt nhiệt độ xảy ra, cảm biến phát tín hiệu điện để báo hiệu có vật thể di chuyển qua khu vực phát cảm biến Cảm biến PIR thường sử dụng ứng dụng an ninh tự động hóa, đèn cảm ứng hệ thống bảo mật Nó phát chuyển động vật thể phạm vi tầm nhìn hoạt động tốt điều kiện ánh sáng thấp khơng có ánh sáng 2.3 Cảm biến DHT22 Cảm biến DHT22 loại cảm biến nhiệt độ độ ẩm Nó thiết kế để cung cấp thơng tin nhiệt độ độ ẩm môi trường xung quanh Cảm biến DHT22 sử dụng rộng rãi ứng dụng điều khiển thời tiết, hệ thống đo nhiệt độ độ ẩm, hệ thống điều khiển máy móc thiết bị điện tử khác Cảm biến DHT22 bao gồm hai phần chính: đọc nhiệt độ đọc độ ẩm Nó có đầu kỹ thuật số thường sử dụng với vi điều khiển Arduino Raspberry Pi Việc sử dụng cảm biến DHT22 đơn giản Bạn cần kết nối với vi điều khiển bạn sử dụng thư viện phần mềm để đọc liệu từ cảm biến Dữ liệu truyền dạng tín hiệu số, cho phép bạn dễ dàng xử lý hiển thị thông tin nhiệt độ độ ẩm lên hình gửi đến thiết bị khác để xử lý Module Cảm Biến Độ Ẩm, Nhiệt Độ DHT22 ❖ Nguyên lý hoạt động cảm biến DHT22 dựa thay đổi điện trở chất bên cảm biến nhiệt độ độ ẩm thay đổi Cảm biến DHT22 bao gồm đọc nhiệt độ đọc độ ẩm Bộ đọc nhiệt độ sử dụng cặp điện cực để đo nhiệt độ, đọc độ ẩm sử dụng kim loại nhúng vào chất hút ẩm để đo độ ẩm Cảm biến DHT22 sử dụng tín hiệu số để truyền liệu nhiệt độ độ ẩm Khi vi điều khiển yêu cầu liệu, cảm biến DHT22 trả xâu ký tự bao gồm nhiệt độ độ ẩm Các thơng số mã hóa dạng tín hiệu số truyền cho vi điều khiển Việc sử dụng cảm biến DHT22 đơn giản Bạn cần kết nối với vi điều khiển bạn sử dụng thư viện phần mềm để đọc liệu từ cảm biến Khi yêu cầu liệu, vi điều khiển gửi tín hiệu yêu cầu đến cảm biến DHT22 Sau đó, cảm biến trả liệu nhiệt độ độ ẩm dạng tín hiệu số cho vi điều khiển để xử lý hiển thị lên hình gửi đến thiết bị khác để xử lý 2.4 Màn hình LCD LM016L: Màn hình LCD LM016L loại hình hiển thị LCD (Liquid Crystal Display) sử dụng ứng dụng điều khiển hiển thị thiết bị điện tử, chẳng hạn thiết bị đo lường, máy tính, điều khiển, máy in, máy fax, nhiều ứng dụng khác Màn hình LCD LM016L có kích thước 16x2, hiển thị dịng văn với dịng có 16 ký tự Nó điều khiển điều khiển đơn giản kết nối với vi điều khiển Arduino, PIC thiết bị khác Màn hình LCD LM016L thiết kế để dễ dàng sử dụng hiển thị văn ký tự đơn giản ứng dụng Tuy nhiên, khơng có tính cao cấp màu sắc, độ phân giải cao hay khả hiển thị đa dịng Màn hình LCD hàn sẵn module giao tiếp I2C giúp việc giao tiếp dễ dàng nhanh chóng nhiều, người dùng tốn công hàn i2c, mà giá thành lại rẻ mua LCD 1602 kèm module I2C màu xanh ❖ Thông số kỹ thuật LCD 1602 kèm module I2C Điện áp hoạt động V Địa I2C: 0x27 (có thể thay đổi theo đơn hàng nhà sản xuất) Màu: Xanh Kích thước lỗ bắt ốc: 74mm x 30mm Kích thước mạch: 80mm x 36mm x 19m Trọng lượng 38g ❖ Sơ đồ kết nối i2C với Arduino UNO: VCC: 5V GND: GND SCL: A5 SDA: A4 2.5 PCF 8574: PCF8574 IC (Integrated Circuit) hãng NXP Semiconductors, sử dụng để mở rộng số lượng đầu vào/đầu vi điều khiển (microcontroller) thông qua giao tiếp I2C (Inter-Integrated Circuit) PCF8574 điều khiển tối đa đầu vào/đầu kỹ thuật số (IO) thông qua giao tiếp I2C Mỗi chân IO PCF8574 cấu hình đầu vào đầu ra, tùy thuộc vào chế độ hoạt động lập trình Khi cấu hình đầu vào, tín hiệu đầu vào đọc PCF8574 gửi đến vi điều khiển qua giao tiếp I2C Khi cấu hình đầu ra, tín hiệu đầu điều khiển PCF8574 gửi đến linh kiện điện tử ngoại vi khác Sử dụng PCF8574 giúp giảm số lượng chân IO vi điều khiển sử dụng, giảm chi phí cải thiện hiệu suất hệ thống PCF8574 sử dụng ứng dụng mở rộng số lượng đèn LED, thiết bị ngoại vi nút nhấn, đầu vào analog loại cảm biến khác PCF8574 IC phổ biến sử dụng dự án điện tử, đặc biệt dự án IoT (Internet of Things) dự án sử dụng vi điều khiển nhỏ gọn có số lượng chân IO giới hạn Mạch mở rộng I2C WaveShare PCF8574 2.6 Module Replay (lấy thêm thông số kỹ thuật) Module Replay 5v Module relay 5V module điều khiển relay thiết kế để sử dụng với mạch điện tử dự án điện tử Relay thiết bị điện tử sử dụng để điều khiển thiết bị điện từ bên ngồi thơng qua tín hiệu điện Module relay 5V hoạt động cách nhận tín hiệu điện từ mạch điều khiển kích hoạt relay để điều khiển thiết bị điện tử khác đèn LED, quạt, máy bơm, Module relay 5V thường sử dụng dự án điện tử điều khiển thiết bị thông qua Internet of Things (IoT) hay dự án điều khiển thiết bị vi điều khiển (MCU) Module Relay 5V 10A cấu tạo đơn giản, khơng có opto cách ly, kích thước nhỏ gọn so với loại khác Module relay 5V 10A Module kích hoạt relay gồm rơ le hoạt động điện áp 5VDC, kích trạng thái đóng mở múc cao Được sử dụng để đóng ngắt tải với cơng suất phù hợp, đầu có thường đóng, thường mở dễ sử dụng tiết kiệm chi phí Điện áp : 5VDC Kích mức cao + Tiếp điểm relay 220V 10A ( Lưu ý tiếp điểm , điện áp ra) + NC : Thường đóng + NO: Thường mở + COM: Chân chung Ký hiệu nguồn: + VCC, GND nguồn nuôi Relay + In chân tín hiệu điều khiển C ode Arduin o: Mô tả: Khai báo chân cảm biến DHT22, PIR đèn Replay, task liên quan Mô tả: Task dùng để đọc giá trị cảm biến DHT22 PIR HC-SR501 Mô tả: Task điều khiển LCD hiển thị nhiệt độ, độ ẩm DHT22 đồng thời hiển thị giá trị cảm biến PIR Mô tả: Task điều khiển replay điều khiển đèn Kịch kết quả: Khi hệ thống chạy, liệu nhiệt độ độ ẩm từ cảm biến DHT22 hiển thị hình LCD, đồng thời giá trị cảm biến chuyển động PIR HC-SR501 hiển thị lên hình LCD, giá trị cảm biến PIR HC-SR501 thay đổi có chuyển động khơng có chuyển động, cụ thể hình LCD hiển thị chữ “Cb” giá trị cảm biến PIR HC-SR501 replay điều khiển cho đèn sáng, cảm biến PIR HCSR501 phát có chuyển động ngược lại, hình LCD hiển thị chữ “Kcb” replay điều khiển cho đèn tắt Mô Proteus: Sơ đồ nối thiết bị Hình mơ Proteus III Kết luận: - Ứng dụng cảm biến nhiệt độ cảm biến di chuyển để xây dựng hệ thống mở tắt đèn tự động giúp tiết kiệm thời gian công sức cho người sử dụng đồng thời tiết kiệm kinh phí cho nhà trường tiết kiệm lương cho quốc gia - Ý tưởng áp dụng nhiều tình thực tế khác Ví dụ, sử dụng phịng thí nghiệm để giám sát bảo vệ mẫu, thiết bị khỏi tình trạng nhiệt độ cao thấp Nó áp dụng tịa nhà hệ thống điều hịa khơng khí để kiểm soát nhiệt độ, đảm bảo khu vực bên khơng q nóng q lạnh Ngồi ra, sử dụng thiết bị tủ đông, tủ lạnh hệ thống sưởi ấm gia đình để đảm bảo nhiệt độ phạm vi an toàn tiết kiệm điện IV Hướng phát triển: Có thể phát triển tốn theo số hướng sau đây: - Tích hợp hệ thống điều khiển thơng minh: Bạn tích hợp hệ thống điều khiển thông minh để tự động điều chỉnh nhiệt độ đèn, tạo hệ thống thông minh tiết kiệm lượng - Kết hợp với hệ thống giám sát từ xa: Bạn kết hợp hệ thống với hệ thống giám sát từ xa để giám sát nhiệt độ hoạt động hệ thống bật tắt đèn từ xa - Sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) học sâu (deep learning): Bạn sử dụng trí tuệ nhân tạo học sâu để phân tích liệu nhiệt độ động, tìm mơ hình xu hướng đưa dự đốn tình trạng hệ thống - Nâng cao tính an ninh: Bạn tích hợp hệ thống với tính an ninh khác camera cửa tự động để bảo vệ an toàn cho khu vực giám sát - Mở rộng ứng dụng: Bạn mở rộng ứng dụng tốn sang lĩnh vực khác y tế, sản xuất điện tử, nơi mà kiểm soát nhiệt độ quan trọng V Tài liệu tham khảo: Dưới số link tài liệu tham khảo đọc cảm biến nhiệt độ cảm biến chuyển động: "A Review of Temperature Sensors" (IEEE Xplore): https://ieeexplore.ieee.org/document/7918530 "A Comparative Study of Temperature Sensors" (ScienceDirect): https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2215038219304934 "Motion Detection in Video: A Survey" (IEEE Xplore): https://ieeexplore.ieee.org/document/7780678 "A Survey on Motion Detection and Tracking in Video Surveillance Systems" (ResearchGate): https://www.researchgate.net/publication/308716321_A_Survey_on_Motion_Detect ion_and_Tracking_in_Video_Surveillance_Systems "Temperature Control System Using IoT and Machine Learning Techniques" (IEEE Xplore): https://ieeexplore.ieee.org/document/9092513 "Smart Home Automation Using Internet of Things" (ResearchGate): https://www.researchgate.net/publication/334004529_Smart_Home_Automation_Us ing_Internet_of_Things "Introduction to Deep Learning" (Microsoft Academic): https://academic.microsoft.com/topics/53531891 "Artificial Intelligence Techniques for Temperature Control of Buildings" (ScienceDirect): https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128198950000092