(Đồ án) xây dựng mô hình hệ thống nhà thông minh

TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH

Tổng quan về nhà thông minh

1.1.1 Khái niệm về nhà thông minh

Nhà thông minh, hay còn gọi là "Smart Home", là một ngôi nhà được trang bị các công nghệ tiên tiến nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống của con người Nó tự động điều chỉnh các thông số kỹ thuật theo nhu cầu của người sử dụng Khác với nhà thông thường, nhà thông minh tích hợp nhiều hệ thống như điều khiển nhiệt độ, ánh sáng, đóng ngắt mạch, quản lý cửa ra vào và giám sát cảnh báo cháy, tạo thành một mạng lưới thống nhất và hiệu quả.

1.1.2 Bối cảnh và nhu cầu sử dụng nhà thông minh

Ngôi nhà thông minh được trang bị nhiều hệ thống cảm biến như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, gas, báo cháy và hồng ngoại, cùng với các thiết bị điện như bóng đèn, điều hòa, tivi và tủ lạnh kết nối Internet Người dùng chỉ cần một thiết bị kết nối để theo dõi dữ liệu cảm biến và điều khiển các thiết bị gia dụng theo ý muốn Nhà thông minh giúp giám sát lượng điện và nước tiêu thụ, đồng thời các hệ thống an ninh, báo cháy và rò rỉ gas tự động cập nhật tình trạng ngôi nhà qua mạng Internet, từ đó đơn giản hóa quá trình giám sát và kiểm soát ngôi nhà.

Hình 1-1 Mô hình tổng quát nhà thông minh h

Phan Tấn Trường – Trần Đại Thắng GVHD: ThS Hoàng Bá Đại Nghĩa 2

1.1.3 Các mô hình nhà thông minh đang được áp dụng hiện nay

▪ Các giải pháp nhà thông minh trên thế giới

Hình 1-2 Mô hình Smart home của công ty Compro Technology

Hình 1-3 Mô hình Smart home của công ty IEI Integration h

Hình 1-4 Mô hình Smart home Eco-Future-World

▪ Các giải pháp nhà thông minh ở Việt Nam

Hình 1-5 Mô hình Smart home của BKAV

Hình 1-6 Mô hình Smart home của Lumi h

Lựa chọn hướng thiết kế

Nhà thông minh đang trở thành một lĩnh vực nghiên cứu và phát triển rộng lớn, với hệ thống điều khiển và giám sát đóng vai trò quan trọng Sự tiến bộ công nghệ liên tục đã mang lại nhiều giải pháp nhà thông minh phong phú và tiện lợi hơn cho người dùng.

Ngôi nhà thông minh đã phát triển từ việc chỉ trang bị các thiết bị điều khiển từ xa sang việc kết nối và điều khiển các thiết bị qua Internet, nhờ vào sự phát triển của công nghệ Điều này không chỉ mang lại tiện ích như hệ thống bảo mật mà còn cho phép chủ nhân điều khiển thiết bị từ xa, vượt ra ngoài giới hạn của ngôi nhà Gần đây, xu hướng điều khiển thiết bị bằng giọng nói đã được tích hợp, giúp người dùng dễ dàng tương tác và sử dụng các tiện ích trong ngôi nhà thông minh.

Trong tương lai, nhờ vào sự phát triển của công nghệ mới và trí tuệ nhân tạo, ngôi nhà sẽ có khả năng nhận diện giọng nói của từng thành viên trong gia đình và ghi nhớ thói quen của họ.

Hình 1-7 Xu hướng phát triển của smarthome.

Hiện nay, giải pháp xây dựng ngôi nhà thông minh tại Việt Nam đang ngày càng được ưa chuộng và phát triển Hệ thống điều khiển và giám sát qua Internet mang lại sự tiện lợi và hiệu quả trong quản lý không gian sống.

Phan Tấn Trường và Trần Đại Thắng dưới sự hướng dẫn của ThS Hoàng Bá Đại Nghĩa đã lựa chọn đề tài nghiên cứu phù hợp với khả năng kỹ thuật và điều kiện kinh tế hiện tại Đề tài tập trung vào việc thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị trong nhà thông qua Internet, đặc biệt là mạng wifi trong mô hình nhà thông minh Hệ thống có quy mô 60cm x 50cm, với các chức năng như tự động đóng mở cửa, giám sát và cảnh báo cháy, cảnh báo rò rỉ khí gas, cảnh báo xâm nhập trái phép, cùng với việc tự động bật đèn và quạt.

Hình 1-8 Phát cảnh báo kẻ đột nhập Ai cũng mong muốn bảo vệ ngôi nhà khỏi rủi ro từ trộm cắp Cảm biến chuyển động, dù không hoàn hảo, vẫn có khả năng nhận diện những tác động bất thường từ bên ngoài Ngay lập tức, tín hiệu cảnh báo khẩn cấp sẽ được gửi đến chủ nhà, giúp họ kịp thời phản ứng Quan trọng hơn, những tín hiệu này có thể làm cho kẻ xâm nhập phải e ngại.

Khách không mời đã khiến chủ nhà nản lòng và không còn muốn nhìn vào ngôi nhà nữa Tất cả các thiết bị tự động hóa trong ngôi nhà sẽ được kết nối và quản lý bởi một hệ thống máy chủ, chỉ có chủ sở hữu thực sự mới có quyền truy cập vào hệ thống này.

TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ PHẦN CỨNG

Giới thiệu chung về hệ thống xử lí

Một board mạch arduino mega 2560 chính và Ethernet shield W5100: nhận, xử lý tín hiệu từ các thiết bị những 2 board arduino uno và đẩy dữ liệu lên web sever

Gồm 2 động cơ servo có nhiệm vụ đóng mở cửa chính

Một cảm biến hồng ngoại ở cầu thang, khi phát hiện có người lên xuống cầu thang thì sẽ tự động bật đèn

▪ Cơ cấu bảo mật và giám sát

Cảm biến chuyển động được lắp đặt tại cửa chính và cửa phụ của phòng bếp có khả năng giám sát hoạt động bên ngoài Khi chế độ báo động được kích hoạt và cảm biến phát hiện sự hiện diện của người, còi báo động sẽ vang lên để cảnh báo.

Bàn phím ma trận 4x4 cho phép người dùng nhập mật mã Khi mật mã đúng được nhập, động cơ servo sẽ xoay và mở cửa Nếu người dùng nhập sai quá 3 lần, hệ thống sẽ tạm dừng trong 15 giây trước khi cho phép nhập lại.

Cảm biến DHT11 sẽ giám sát nhiệt độ và độ ẩm trong nhà, và hiển thị các thông số này trên màn hình LCD.

Bo mạch Arduino Uno R3 có khả năng nhận và xử lý tín hiệu từ các cảm biến, đồng thời thực hiện các lệnh được lập trình cho các thiết bị gắn trên bo mạch.

Một động cơ servo được sử dụng để điều khiển việc đóng mở rèm, kết hợp với cảm biến ánh sáng giúp tự động hóa quá trình này theo điều kiện ánh sáng môi trường Người dùng có thể điều khiển rèm thông qua giao diện web, mang lại sự tiện lợi và linh hoạt trong việc quản lý ánh sáng trong không gian sống.

▪ Cơ cấu bảo mật, giám sát

Cảm biến nhiệt độ LM35 được sử dụng để theo dõi nhiệt độ môi trường, với dữ liệu được hiển thị trên màn hình LCD Khi nhiệt độ trong phòng tăng cao, hệ thống sẽ điều khiển động cơ DC để tăng vòng quay, giúp duy trì điều kiện môi trường ổn định.

Board mạch Arduino Uno R3 có khả năng nhận và xử lý tín hiệu từ các cảm biến, đồng thời thực hiện các lệnh đã được lập trình cho các thiết bị gắn trên board.

Bên ngoài tường bếp có một động cơ servo và cảm biến mưa giúp kéo dây phơi về phía mái hiên khi trời mưa

▪ Cơ cấu giám sát, cảnh báo

Cảm biến chuyển động gần cửa sổ có chức năng gửi tín hiệu đến bảng mạch để bật báo động khi phát hiện có kẻ gian đột nhập

Cảm biến nhiệt độ LM35 và cảm biến khí MQ6 sẽ phát ra âm thanh báo động khi nhiệt độ hoặc nồng độ khí gas vượt quá mức quy định.

Sơ đồ nguyên lí hoạt động

Hình 2-1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống điện tử

(khí gas, chuyển động, nhiệt độ…)

Bàn phím mật khẩu 4x4 cùng với các cảm biến thu thập tín hiệu từ môi trường sẽ gửi dữ liệu về bộ xử lý trung tâm Bộ xử lý này sẽ phân tích và xử lý dữ liệu, sau đó truyền tải lên Web server, từ đó cho phép giám sát và điều khiển các thiết bị trong nhà một cách hiệu quả.

Khi cảm biến nhiệt độ và cảm biến khí gas phát hiện sự thay đổi, dữ liệu sẽ được gửi về bộ xử lý trung tâm, từ đó quạt tự động bật lên để giảm nồng độ gas trong phòng.

Màn hình LCD hiển thị thông số của nhiệt độ độ ẩm, nhiệt độ, báo động, tốc độ động cơ DC, nhập mật khẩu

Khối cảm biến bao gồm nhiều loại với các tín hiệu đầu ra khác nhau Cảm biến nhiệt độ cung cấp tín hiệu tương tự, trong khi cảm biến nhiệt độ và độ ẩm, cảm biến chuyển động, cảm biến khí gas, cảm biến hồng ngoại, cảm biến ánh sáng và cảm biến mưa đều cho tín hiệu số Những cảm biến này đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập và truyền tải dữ liệu trong các ứng dụng tự động hóa và điều khiển.

▪ Khối xử lý o Arduino Uno R3 o Arduino Mega 2560 o Arduino Ethernet W5100 o Router wifi kết nối với khối xử lý thông qua cổng RJ45

▪ Khối chấp hành o Cửa ra vào o Rèm cửa phòng ngủ o Dây phơi o Đèn, quạt o Còi báo động h

Sơ đồ mạch điện hệ thống

Hình 2-2 Sơ đồ mạch điện phòng khách

▪ Cách thức hoạt động phòng khách:

Khi nhập mật khẩu, cảm biến chuyển động sẽ bật đèn sáng trước cửa Nếu mật khẩu đúng, cửa sẽ tự động mở và đèn trong phòng khách cũng sẽ sáng Để đóng cửa và tắt đèn, bạn chỉ cần nhấn nút.

Phòng khách được trang bị cảm biến nhiệt độ và độ ẩm, cùng với nút bật/tắt chế độ báo động Khi có kẻ đột nhập, loa sẽ kêu và thông tin sẽ hiển thị trên màn hình LCD Ngoài ra, quạt có thể được bật hoặc tắt bằng tay hoặc thông qua web server.

Hình 2-3 Sơ đồ mạch điện phòng ngủ

▪ Cách thức hoạt động phòng ngủ:

Khi bật điều hòa trong phòng ngủ, cảm biến nhiệt độ hiển thị trên màn hình LCD Nếu nhiệt độ tăng cao, điều hòa sẽ tự động tăng số vòng quay để duy trì nhiệt độ trong phòng ở mức hợp lý.

Đèn và rèm cửa phòng ngủ có thể điều khiển dễ dàng qua tay hoặc thông qua web server Cảm biến ánh sáng sẽ tự động điều chỉnh rèm, đóng lại khi trời sáng và mở ra khi trời tối, mang lại sự tiện lợi và thoải mái cho người sử dụng.

Hình 2-4 Sơ đồ mạch điện phòng bếp

Phòng bếp hoạt động với hệ thống an toàn thông minh, trong đó cảm biến chuyển động ở cửa phụ phát hiện người và gửi tín hiệu báo động đến loa phòng khách Khi nồng độ gas vượt quá mức cho phép, cảm biến nhiệt gas sẽ kích hoạt quạt tự động, đồng thời loa sẽ phát tín hiệu cảnh báo và gửi thông báo an toàn lên web server Ngoài ra, nếu nhiệt độ vượt quá giới hạn cho phép, loa cũng sẽ kêu và gửi cảnh báo đến web server để đảm bảo an toàn cho không gian bếp.

Cảm biến mưa tự động kéo dây phơi quần áo vào khi phát hiện mưa, đồng thời có thể điều khiển bằng tay hoặc qua web server Đèn phòng bếp cũng có tính năng bật tắt bằng tay hoặc điều khiển từ xa qua web server.

Giới thiệu modul Arduino

Arduino là một board mạch vi điều khiển do nền tảng điện tử mã nguồn mở Arduino phát triển, chủ yếu sử dụng vi điều khiển AVR Atmega328P Với Arduino, người dùng có thể tạo ra các ứng dụng điện tử tương tác thông qua sự kết hợp giữa phần mềm và phần cứng.

Arduino là một nền tảng phổ biến trên toàn cầu, ngày càng khẳng định sức mạnh của mình thông qua nhiều ứng dụng độc đáo từ cộng đồng mã nguồn mở.

Arduino là nền tảng lý tưởng cho hàng triệu dự án điện tử, từ những ứng dụng đơn giản trong đời sống hàng ngày cho đến các nghiên cứu khoa học phức tạp.

Thư viện mã nguồn mở ngày càng phát triển, hỗ trợ nhiều người mới tìm hiểu về Arduino, cũng như các lập trình viên nhúng và chuyên gia trong việc tham khảo và phát triển tiếp các dự án.

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều phiên bản Arduino như Arduino Uno R3, Arduino Uno R3 CH340, Arduino Mega2560, Arduino Nano, Arduino Pro Mino, Arduino Lenadro, Arduino Industrial

Khi nhắc đến dòng mạch Arduino trong lập trình, Arduino Uno là cái tên đầu tiên được nhắc đến Hiện tại, dòng mạch này đã phát triển đến thế hệ thứ 3, được gọi là R3.

Hình 2-5 Cấu trúc phần cứng của Arduino Uno h

▪ Một vài thông số của Arduino UNO R3

Bảng 2 1 Thông số của Arduino UNO R3

ATmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Tần số hoạt động Một6 MHz

Dòng tiêu thụ khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-Một2V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC

Số chân Digital I/O Một4 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog 6 (độ phân giải Một0bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA

Dòng ra tối đa (5V) 500 mA

Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA

Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader

Arduino UNO sử dụng ba vi điều khiển 8 bit AVR: ATmega8, ATmega168 và ATmega328 Với bộ não này, Arduino UNO có khả năng thực hiện các tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lý tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, và xây dựng trạm đo nhiệt độ - độ ẩm hiển thị trên màn hình LCD.

Hình 2-6 Vi điều khiển Atmega328 h

GND (Ground) là cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi sử dụng các thiết bị có nguồn điện riêng biệt, các chân GND này cần phải được nối với nhau để đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn cho hệ thống.

5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA; 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA

Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

IOREF trên Arduino UNO cho phép đo điện áp hoạt động của vi điều khiển, luôn duy trì ở mức 5V Tuy nhiên, không nên sử dụng chân này để cấp nguồn 5V, vì chức năng chính của nó không phải là cung cấp điện.

RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua một điện trở 10KΩ

Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:

Bộ nhớ Flash 32KB cho vi điều khiển cho phép lưu trữ các đoạn lệnh lập trình, trong đó khoảng vài KB thường được dành cho bootloader Tuy nhiên, bạn sẽ hiếm khi cần sử dụng quá 20KB bộ nhớ này.

SRAM (Static Random Access Memory) có dung lượng 2KB, nơi lưu trữ giá trị của các biến được khai báo trong lập trình Số lượng biến khai báo càng nhiều thì yêu cầu về bộ nhớ RAM càng lớn Tuy nhiên, bộ nhớ RAM thường không phải là vấn đề lớn mà bạn cần lo lắng Lưu ý rằng khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất.

EEPROM (Bộ nhớ chỉ đọc có thể lập trình và xóa điện tử) với dung lượng 1KB hoạt động như một ổ cứng mini, cho phép người dùng đọc và ghi dữ liệu mà không lo mất mát khi mất điện, điều này khác với dữ liệu trên SRAM.

Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ có

2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA Ở mỗi h

Phan Tấn Trường và Trần Đại Thắng, dưới sự hướng dẫn của ThS Hoàng Bá Đại Nghĩa, đã nghiên cứu rằng tất cả 15 chân của vi điều khiển ATmega328 đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt sẵn, tuy nhiên, các điện trở này không được kết nối theo mặc định.

Hình 2-7 Các cổng vào ra của Arduino UNO R3 Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:

Chân Serial 0 (RX) và 1 (TX) trên Arduino Uno được sử dụng để truyền (TX) và nhận (RX) dữ liệu TTL Serial, cho phép giao tiếp với các thiết bị khác Kết nối Bluetooth phổ biến chính là một dạng kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, nên tránh sử dụng hai chân này để tiết kiệm tài nguyên.

Chân PWM (3, 5, 6, 9, 10, 11) cho phép xuất xung PWM với độ phân giải 8 bit, tương ứng với giá trị từ 0 đến 255, biến đổi điện áp từ 0V đến 5V thông qua hàm analogWrite() Điều này giúp điều chỉnh điện áp đầu ra linh hoạt hơn so với các chân cố định chỉ ở mức 0V và 5V.

Chân giao tiếp SPI bao gồm 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO) và 13 (SCK) Ngoài việc thực hiện các chức năng thông thường, bốn chân này còn được sử dụng để truyền phát dữ liệu thông qua giao thức SPI với các thiết bị khác.

Giao thức UART [1]

2.5.1 Giới thiệu về giao tiếp UART

UART là giao thức truyền thông phần cứng sử dụng giao tiếp nối tiếp không đồng bộ với tốc độ có thể cấu hình Điều này có nghĩa là không có tín hiệu đồng hồ để đồng bộ hóa các bit từ thiết bị truyền đến thiết bị nhận Giao thức truyền thông rất quan trọng trong việc tổ chức giao tiếp giữa các thiết bị, được thiết kế linh hoạt dựa trên yêu cầu hệ thống và có quy tắc thống nhất giữa các thiết bị để đảm bảo việc truyền dữ liệu thành công.

Hình 2-10 Giới thiệu về giao tiếp UART

UART, viết tắt của "Universal Asynchronous Receiver / Transmitter", là một vi mạch tích hợp trong vi điều khiển, khác với các giao thức truyền thông như I2C và SPI Chức năng chính của UART là truyền dữ liệu nối tiếp, cho phép giao tiếp giữa hai thiết bị thông qua hai phương thức: giao tiếp dữ liệu nối tiếp và giao tiếp dữ liệu song song.

2.5.3 Truyền thông nối tiếp và song song

Giao tiếp dữ liệu nối tiếp cho phép truyền dữ liệu qua cáp hoặc đường dây dưới dạng bit, chỉ cần hai cáp để thực hiện So với giao tiếp song song, truyền thông dữ liệu nối tiếp có chi phí thấp hơn và yêu cầu ít mạch cũng như dây hơn Do đó, giao tiếp này trở nên hữu ích hơn trong các mạch ghép.

Trong giao tiếp dữ liệu song song, dữ liệu được truyền tải qua nhiều cáp đồng thời, mang lại tốc độ truyền nhanh chóng Mặc dù phương pháp này có chi phí cao, nhưng hiệu suất của nó trong việc xử lý dữ liệu là rất ấn tượng.

Phan Tấn Trường và Trần Đại Thắng, dưới sự hướng dẫn của ThS Hoàng Bá Đại Nghĩa, đã nghiên cứu về phần cứng và cáp bổ sung Các thiết bị tiêu biểu cho giao tiếp này bao gồm máy in cũ, PCI và RAM.

Hình 2-12Giao tiếp song song

Sơ đồ khối UART gồm hai thành phần chính: máy phát và máy thu Máy phát bao gồm ba khối: thanh ghi giữ truyền, thanh ghi dịch chuyển và logic điều khiển, trong khi máy thu có một thanh ghi giữ, thanh ghi thay đổi và logic điều khiển Cả hai phần này thường được cung cấp bởi một bộ tạo tốc độ baud, giúp thiết lập tốc độ truyền dữ liệu giữa máy phát và máy thu.

Thanh ghi trong máy phát chứa byte dữ liệu được truyền Các thanh ghi này di chuyển các bit sang phải hoặc trái cho đến khi hoàn tất việc truyền hoặc nhận một byte dữ liệu Logic điều khiển đọc và ghi được sử dụng để xác định thời điểm thích hợp để thực hiện các thao tác này.

Máy phát tốc độ baud giữa máy phát và máy thu có khả năng tạo ra tốc độ dao động từ 110 bps đến 230400 bps Thông thường, tốc độ truyền của vi điều khiển dao động trong khoảng 9600 bps.

Hình 2-13 Sơ đồ khối UART

Trong giao tiếp UART, có hai loại chính là truyền UART và nhận UART, cho phép giao tiếp trực tiếp với nhau thông qua hai cáp Dữ liệu được truyền từ chân Tx của UART này sang chân Rx của UART kia mà không cần tín hiệu đồng bộ CLK, tức là việc truyền diễn ra không đồng bộ.

Việc truyền dữ liệu của UART có thể thực hiện qua bus dữ liệu song song với các thiết bị như vi điều khiển, bộ nhớ, và CPU Sau khi nhận dữ liệu song song từ bus, hệ thống tạo gói dữ liệu bằng cách thêm ba bit bắt đầu, dừng và trung bình Hệ thống đọc từng bit trong gói dữ liệu và chuyển đổi dữ liệu nhận được thành dạng song song để loại bỏ ba bit của gói.

Phan Tấn Trường và Trần Đại Thắng, dưới sự hướng dẫn của ThS Hoàng Bá Đại Nghĩa, đã nghiên cứu về việc gói dữ liệu được nhận qua UART và chuyển đổi song song vào bus dữ liệu tại đầu nhận.

Start-bit, hay còn gọi là bit đồng bộ hóa, là tín hiệu được đặt trước dữ liệu thực tế trong quá trình truyền dữ liệu Khi một đường truyền dữ liệu không hoạt động ở mức điện áp cao, UART sẽ kéo đường dữ liệu từ mức điện áp cao (1) xuống mức điện áp thấp (0) để bắt đầu truyền dữ liệu Sự chuyển đổi này từ mức cao sang mức thấp được UART ghi nhận, từ đó bắt đầu hiểu dữ liệu thực Thông thường, chỉ có một start-bit trong quá trình này.

Bit dừng được đặt ở cuối gói dữ liệu, thường có độ dài 2 bit nhưng thường chỉ sử dụng 1 bit Để dừng sóng, UART duy trì đường dữ liệu ở mức điện áp cao.

Bit chẵn lẻ giúp người nhận xác nhận tính chính xác của dữ liệu thu thập Đây là một hệ thống kiểm tra lỗi đơn giản, với hai loại là chẵn lẻ – chẵn lẻ và chẵn lẻ – lẻ Mặc dù có chức năng hữu ích, nhưng bit chẵn lẻ không được áp dụng phổ biến và không phải là yêu cầu bắt buộc.

▪ Dữ liệu bit hoặc khung dữ liệu

Các bit dữ liệu bao gồm thông tin thực được gửi từ người gửi đến người nhận Độ dài khung dữ liệu thường nằm trong khoảng từ 5 đến 8 bit, và nếu không sử dụng bit chẵn lẻ, chiều dài có thể lên đến 9 bit Thông thường, bit ít quan trọng nhất (LSB) được truyền trước, điều này rất hữu ích cho quá trình truyền tải dữ liệu.

Hình dưới đây cho thấy UART giao tiếp với vi điều khiển Giao tiếp UART có h

Phan Tấn Trường – Trần Đại Thắng GVHD: ThS Hoàng Bá Đại Nghĩa 24 thể được thực hiện bằng ba tín hiệu như TXD, RXD và GND

Giới thiệu các thiết bị được sử dụng khác

2.6.1 Bàn phím ma trận mềm 4×4

▪ Giới thiệu phím ma trận mềm 4×4

Bàn phím ma trận mềm 4×4 nút có thiết kế giao diện đơn giản, dễ dàng tương tác với mọi vi điều khiển Mặt sau của bàn phím được trang bị lớp dính tiện lợi, cho phép dễ dàng gắn vào nhiều ứng dụng dự án khác nhau.

Hình 2-16 Bàn phím ma trận mềm 4×4

Bàn phím 4×4 là một loại bàn phím màng với 16 nút được sắp xếp theo dạng ma trận, không có bộ phận chuyển động Nó có lớp phủ tương tự như bàn phím điện thoại và bao gồm bốn nút chức năng bổ sung Bàn phím này được trang bị đầu nối nổi 8 chân để dễ dàng kết nối với các mạch điều khiển microcontroller của bạn.

▪ Thông số bàn phím ma trận mềm 4×4

Module bàn phím ma trận 4×4 loại phím mềm h

Phan Tấn Trường – Trần Đại Thắng GVHD: ThS Hoàng Bá Đại Nghĩa 26 Độ dài cáp: 88mm

Nhiệt độ hoạt động 0 ~ 70oC Đầu nối ra 8 chân

Kích thước bàn phím 77 x 69mm

Hình 2-17 Sơ đồ chân bàn phím ma trận mềm 4×4

Buzzer hay còn gọi là còi chíp hoặc còi xung, là thiết bị phát ra âm thanh (tiếng bíp bíp) để dùng trong các mạch điện tử

Buzzer được cấu tạo với hai chân: chân (+) và chân (-), vì vậy cần chú ý mắc đúng chân trong quá trình sử dụng để tránh hư hỏng Ứng dụng này sử dụng Buzzer 5V, có khả năng phát ra âm thanh với tần số tối đa lên đến 2.5kHz.

Nút nhấn 2 chân là thiết bị dùng để điều khiển trạng thái bật/tắt của các thiết bị khác, đồng thời có thể hoạt động như nút reset Thiết bị này cho phép người dùng thiết lập trạng thái hoạt động của các thiết bị một cách dễ dàng thông qua thao tác nhấn và nhả.

2.6.4 Màn hình hiển thị LCD

Màn hình LCD 16x2 có tổng cộng 16 chân, bao gồm 8 chân dữ liệu (D0 - D7) và 3 chân điều khiển (RS, RW, EN) Năm chân còn lại được sử dụng để cấp nguồn và chiếu sáng nền cho LCD Các chân điều khiển cho phép người dùng dễ dàng cấu hình LCD ở chế độ lệnh hoặc chế độ dữ liệu, cũng như thiết lập chế độ đọc hoặc ghi.

Hình 2-20 Màn hình hiển thị LCD

Các màn hình LCD được sử dụng phổ biến nhất trên thị trường hiện nay là LCD

Màn hình LCD có thể hiển thị 1, 2 hoặc 4 dòng với tối đa 80 ký tự, trong khi các màn hình hỗ trợ hơn 80 ký tự cần sử dụng 2 bộ điều khiển HD44780.

Hầu hết màn hình LCD sử dụng bộ điều khiển 14 chân, trong khi các màn hình LCD có hai bộ điều khiển thường có 16 chân, với hai chân bổ sung cho kết nối đèn LED chiếu sáng Mã pin được mô tả chi tiết trong bảng dưới đây.

Chân RS trên Arduino đóng vai trò quan trọng trong việc thông báo cho màn hình LCD về việc gửi lệnh hay dữ liệu Chân này giúp phân biệt rõ ràng giữa các lệnh và dữ liệu, đảm bảo việc truyền thông tin chính xác và hiệu quả.

Chân R/W trên màn hình LCD dùng để xác định xem bạn đang đọc hay ghi dữ liệu Khi màn hình LCD chỉ hoạt động như thiết bị OUTPUT, chân R/W sẽ được kéo xuống thấp, buộc nó vào chế độ ghi dữ liệu.

Chân E (bật) đóng vai trò quan trọng trong việc bật màn hình LCD Khi chân này ở trạng thái thấp, màn hình không chú ý đến tín hiệu R/W, RS và các đường bus dữ liệu Ngược lại, khi chân E được đặt ở trạng thái cao, màn hình LCD sẽ bắt đầu xử lý dữ liệu được gửi đến.

I2C là một giao thức truyền thông nổi tiếng trong lĩnh vực giao tiếp nối tiếp, sử dụng hai kênh chính và một kênh thứ ba kết hợp với tham chiếu hoặc GND Giao thức này còn được biết đến với tên gọi TWI (Two Wire Interface).

Một cho đồng hồ (SCL)

Khác cho dữ liệu (SDA)

Cả hai kết nối CMOS đều yêu cầu điện trở kéo lên Khi một thiết bị truyền số 0 và thiết bị khác truyền số 1, có thể xảy ra vấn đề Do đó, đường truyền luôn được thiết lập ở mức cao (1) trong khi các thiết bị thường truyền ở mức thấp (0).

Mô-đun giao tiếp I2C đơn giản chỉ cần kết nối cây thông 8 bán hướng (P0-P7) với các chip, cùng với SDA và SCL đến bảng Arduino, và cấp nguồn qua VCC và GND Ngoài ra, ba chân địa chỉ A0, A1, A2 được sử dụng để chọn thiết bị cần giao tiếp.

Kết nối của nó là một cống mở, cho phép sử dụng cả đầu vào và đầu ra Dòng điện cao điểm đạt 25mA khi hoạt động như một đầu ra (chìm, khi dòng điện chạy về phía PCF8574) và 300μA (nguồn, khi dòng điện chạy từ PCF8574).

Nguồn điện hoạt động với mức sức ộp từ 2.5 đến 6V, với mức tiêu thụ ở chế độ chờ rất thấp chỉ 10 µA Tất cả các kết quả đầu ra đều có chốt, cho phép duy trì trạng thái mà không cần can thiệp bên ngoài, và bạn chỉ cần thực hiện hành động khi muốn thay đổi trạng thái.

Nguyên lý hoạt động các hệ thống giám sát

Hình 2-40 Hệ thống giám sát

Hình 2-41 Hệ thống báo động h

2.7.2 Hệ thống báo cháy hoạt động dựa trên cảm biến nhiệt độ LM35

Hình 2-42 Sơ đồ nối cảm biến nhiệt độ

Khi nhiệt độ trong bếp đạt đến 60 độ C, hệ thống sẽ kích hoạt chế độ cảnh báo bằng âm thanh, trong khi đó, nếu nhiệt độ giảm xuống dưới 60 độ C, loa sẽ tự động tắt.

Tín hiệu chân số 2 cảm biến nhiệt độ LM35 sẽ gởi tín hiệu về chân A2 cho board Ardunio xử lí

2.7.3 Hệ thống báo rò rỉ khí gas

Hình 2-43 Sơ đồ nối cảm biến khí gas MQ6 h

Cảm biến MQ-6 (cảm biến khí) có khả năng đo nồng độ khí CO và chuyển đổi thành điện áp tại chân AOUT Biến trở trên module giúp điều chỉnh điện áp tham chiếu (ngưỡng) Khi nồng độ khí CO vượt ngưỡng quy định, chân DOUT sẽ thay đổi trạng thái.

Chân số 11 của cảm biến khí gas sẽ gửi tín hiệu về chân số 11 cho board Ardunio xử lí

2.7.4 Hệ thống cảnh báo xâm nhập

Hình 2-44 Sơ đồ nối cảm biến chuyển động HC-SR501

Khi ta bật chế độ báo động, thì cảm biến chuyển động phát hiện người, đèn trước cửa chính sẽ sáng, loa sẽ kêu

Chân số 2 của cảm biến chuyển động sẽ gửi tín hiệu về chân số 2 cho board Ardunio xử lí h

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN NHÀ

Mạng Internet (Ethernet)

Internet cung cấp nhiều tiện ích hữu ích cho người dùng, bao gồm hệ thống thư điện tử (e-mail), trò chuyện trực tuyến (chat) và công cụ tìm kiếm dữ liệu Nguồn thông tin phong phú trên Internet được tổ chức qua các trang web và tài liệu trên WWW (World Wide Web) Cần lưu ý rằng Internet và WWW không phải là từ đồng nghĩa; Internet là mạng lưới các máy tính kết nối qua dây đồng, cáp quang, trong khi WWW là tập hợp các tài liệu liên kết qua siêu liên kết và URL, có thể truy cập qua Internet Người dùng có thể truy cập Internet qua nhiều phương thức như dial-up, băng thông rộng, WiFi, vệ tinh và di động.

Internet là một hệ thống thông tin toàn cầu công cộng, bao gồm các mạng máy tính kết nối với nhau Hệ thống này truyền tải thông tin qua chuyển mạch gói dựa trên giao thức IP tiêu chuẩn Nó bao gồm hàng nghìn mạng nhỏ hơn từ các công ty, trung tâm nghiên cứu, viện, trường đại học, người dùng cá nhân và chính phủ trên toàn thế giới.

▪ Một số trình duyệt web phổ biến hiện nay:

Internet Explorer có sẵn trong Microsoft Windows, của Microsoft

Avant Browser của Avant Force (Ý)

Mozilla và Mozilla Firefox của Tập đoàn Mozilla

Safari trong Mac OS X, của Apple Computer

NeThS.cape Navigator của NeThS.cape.

Địa chỉ IP

Địa chỉ IP là một mã số duy nhất của máy tính trong mạng, giúp các thiết bị truyền thông tin chính xác và tránh thất thoát dữ liệu Nó giống như địa chỉ nhà riêng, cho phép nhân viên bưu điện gửi đúng thư đến bạn mà không nhầm lẫn với người khác.

▪ Mỗi địa chỉ IP gồm có 2 thành phần:

Mạng ID là một yếu tố quan trọng để xác định các hệ thống trong cùng một môi trường vật lý, thường được gọi là phân đoạn Tất cả các hệ thống trong một phân đoạn cần phải có cùng một địa chỉ mảng, và địa chỉ này phải là duy nhất trong số các phân đoạn của các mạng hiện có.

HOST ID là một thành phần quan trọng dùng để xác định một máy trạm, máy chủ, bộ định tuyến hoặc trạm TCP/IP trong cùng một phân đoạn mạng Địa chỉ này cần phải duy nhất để đảm bảo sự nhận diện chính xác trên mạng.

Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển qua internet

▪ Các thành phần của hệ thống giám sát và điều khiển

Giám sát an ninh, nhiệt độ, độ ẩm, báo cháy và rò rỉ khí gas là những yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho không gian sống và làm việc Hệ thống này cho phép kiểm soát và hiển thị trạng thái cửa, nhiệt độ, độ ẩm bên trong, cũng như mức gas, kết hợp với nhiều thiết bị truyền động khác để tạo ra một môi trường an toàn và tiện nghi.

▪ Yêu cầu hệ thống giám sát

Hiển thị trạng thái an ninh bật / tắt, hiển thị các giá trị nhiệt độ và độ ẩm trong nhà

Kiểm soát các thiết bị gia dụng qua Internet h

Hệ thống giám sát và điều khiển gồm 3 thành phần chính:

Khối cảm biến: thu thập dữ liệu từ các cảm biến và sau đó gửi đến khối vi xử lý

Khối xử lý có nhiệm vụ tiếp nhận và xử lý dữ liệu trước khi gửi lên web server hoặc nhận tín hiệu điều khiển từ web server để quản lý hệ thống chiếu sáng và điều hòa Web server thực hiện chức năng đọc thông tin từ khối vi xử lý và hiển thị trên giao diện web, đồng thời gửi lệnh điều khiển của người dùng trở lại khối vi xử lý Khối thực thi bao gồm các thiết bị như đèn, điều hòa và thiết bị ngoại vi cảnh báo, nhận lệnh trực tiếp từ khối vi xử lý để thực hiện các hành động phù hợp.

Trong bài viết này, hệ thống cảm biến được triển khai để thu thập dữ liệu từ môi trường xung quanh, thực hiện xử lý thông tin, gửi lệnh đến các cơ cấu chấp hành và truyền tải dữ liệu về máy chủ Giao diện người dùng được phát triển bằng ngôn ngữ HTML và CSS trong môi trường Arduino.

Arduino đã phát triển một bộ thư viện Ethernet cho phép người dùng viết HTML trực tiếp trong trình soạn thảo Arduino

Hình 3-2 Hệ thống giám sát và điều khiển qua internet

Thư viện Ethernet cho Arduino

Một số hàm hỗ trợ viết HTML trong môi trường Arduino: byte mac[]: khai báo địa chỉ mac cho web server client.connected(): kiểm tra kết nối

KHỐI XỬ LÍ KHỐI CHẤP

Phan Tấn Trường – Trần Đại Thắng GVHD: ThS Hoàng Bá Đại Nghĩa 52 readString.indexOf(): đọc và kiểm tra nội dung

IPAddress: Khai báo địa chỉ ip cho module Ethernet client.println(): nhập nội dung HTML

EtherneThS.erver: khởi động server

Ethernet.begin: khởi động địa chỉ IP và mac cho web h

GIỚI THIỆU PHẦN MỀM VÀ MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM

Giới thiệu phần mềm Altium Designer

Hình 4-1 Phần mềm Atium Designer

4.1.1 Altium Designer có một số đặc trưng sau

Giao diện thiết kế, quản lý và chỉnh sửa thân thiện, dễ dàng biên dịch, quản lý file, quản lý phiên bản cho các tài liệu thiết kế

Hệ thống hỗ trợ thiết kế tự động mạnh mẽ, cho phép đi dây tự động theo thuật toán tối ưu và phân tích lắp ráp linh kiện Nó cũng hỗ trợ tìm kiếm các giải pháp thiết kế hoặc chỉnh sửa mạch, linh kiện và netlist có sẵn dựa trên các tham số mới.

Mở, xem và in các file thiết kế mạch dễ dàng với đầy đủ các thông tin linh kiện, netlist, dữ liệu bản vẽ, kích thước, số lượng…

Hệ thống thư viện linh kiện đa dạng và chi tiết bao gồm tất cả các linh kiện nhúng, số và tương tự Người dùng có thể đặt và chỉnh sửa các đối tượng trên các lớp cơ khí, định nghĩa luật thiết kế, tùy chỉnh các lớp mạch in, chuyển đổi từ sơ đồ nguyên lý sang PCB và xác định vị trí linh kiện trên PCB một cách chính xác.

Mô phỏng mạch PCB 3D cung cấp hình ảnh chân thực của mạch điện trong không gian ba chiều, hỗ trợ tích cực cho quy trình MCAD-ECAD Nó cho phép liên kết trực tiếp với mô hình STEP, giúp kiểm tra khoảng cách cách điện và cấu hình cho cả định dạng 2D và 3D.

Hỗ trợ thiết kế PCB sang FPGA và ngược lại h

Altium Designer nổi bật với nhiều ưu điểm so với các phần mềm khác, bao gồm khả năng thiết lập luật thiết kế, quản lý mô phỏng hiệu quả và giao diện thân thiện với người dùng Để khởi động phần mềm, người dùng có thể truy cập từ biểu tượng trên màn hình desktop hoặc thông qua Menu Start >> Tất cả chương trình >> Altium Designer.

Khi đó cửa sổ làm việc của Altium Designer có dạng như sau:

Hình 4-2 Cửa sổ làm việc của Altium Designer

4.1.2 Sơ đồ mạch của các phòng

Hình 4-3 Sơ đồ mạch in phòng khách h

Hình 4-4 Sơ đồ mạch 3D phòng khách

Hình 4-5 Sơ đồ mạch in phòng ngủ h

Hình 4-6 Sơ đồ mạch 3D phòng ngủ

Hình 4-7 Sơ đồ mạch in phòng bếp h

Hình 4-8 Sơ đồ mạch 3D phòng bếp

Giới thiệu phần mềm Arduino IDE

4.2.1 Arduino có một số đặc trưng sau

Arduino IDE là phần mềm mã nguồn mở chính thức, được thiết kế để viết và biên dịch mã cho các module Arduino Phần mềm này giúp đơn giản hóa quy trình biên dịch, cho phép ngay cả những người không có kiến thức kỹ thuật cũng có thể sử dụng một cách dễ dàng.

Nó hỗ trợ nhiều hệ điều hành như MAC, Windows và Linux, đồng thời hoạt động trên nền tảng Java Các chức năng và lệnh có sẵn của nó rất quan trọng cho việc gỡ lỗi, chỉnh sửa và biên dịch mã trong môi trường phát triển.

Có rất nhiều các module Arduino như Arduino Uno, Arduino Mega, Arduino Leonardo, Arduino Micro và nhiều module khác

Mỗi module chứa một bộ vi điều khiển trên bo mạch được lập trình và chấp nhận thông tin dưới dạng mã

Mã chính, hay còn gọi là sketch, được phát triển trên nền tảng IDE và sẽ tạo ra một file Hex File này sau đó được chuyển và tải lên bộ điều khiển trên bo mạch.

Môi trường IDE bao gồm hai thành phần chính: Trình chỉnh sửa và Trình biên dịch Trình chỉnh sửa được sử dụng để viết mã, trong khi Trình biên dịch có nhiệm vụ biên dịch và tải mã lên module Arduino.

Khi người dùng viết mã và biên dịch trong IDE, nó sẽ tạo ra file Hex cho mã nguồn File Hex là các tệp thập phân Hexa mà Arduino có khả năng hiểu, sau đó được truyền đến bo mạch qua cáp USB Mỗi bo Arduino đều được trang bị một bộ vi điều khiển, bộ vi điều khiển này sẽ nhận file Hex và thực hiện theo mã đã được viết.

Môi trường này hỗ trợ cả ngôn ngữ C và C ++

4.2.2 Cửa sổ làm việc của Arduino có dạng như sau

Hình 4-9 Cửa sổ làm việc của Arduino

Mô hình thực tế

Hình 4-10 Mô hình nhà thông minh thực tế h

Giao diện giám sát và điều khiển

Hình 4-11 Giao diện giám sát và điều khiển

▪ Giao diện điều khiển gồm có Điều khiển và báo trạng thái hoạt động của các thiết bị trong nhà

Giám soát rò rỉ khí gas

Chế độ an ninh cho khu nhà nếu được bật lên

Hiển thị cảnh báo nếu có sự cố xảy ra.

Trạng thái hiển thị trên LCD

Hình 4-12 Hiển thị nhập mật khẩu h

Hình 4-13 Hiển thị nhiệt độ, độ ẩm và chế độ báo động phòng khách

Hình 4-14 Hiển thị nhiệt độ và tốc độ động cơ

Kết quả đạt được

Trong quá trình thử nghiệm, mạch hoạt động ổn định với kết nối mạng tốt, tuy nhiên vẫn gặp một số sự cố nhỏ liên quan đến việc kết nối giữa các nguồn, gây trở ngại nhất định.

Về phần điều khiển cả trên Web và bằng tay đều bình thường và đạt như mong muốn h

Tiêu đề	Xây Dựng Mô Hình Hệ Thống Nhà Thông Minh
Tác giả	Trần Đại Thắng, Phan Tấn Trường
Người hướng dẫn	ThS. Hoàng Bá Đại Nghĩa
Trường học	Đại Học Đà Nẵng
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Điện – Điện Tử
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2022
Thành phố	Đà Nẵng

Định dạng
Số trang	107
Dung lượng	4,14 MB