Đồ án thết kế đề tài cảm biến phát hiện chuyển động pir thôngminh

111Equation Chapter Section TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN - □ & □ - ĐỒ ÁN THẾT KẾ  Đề tài: Cảm biến phát chuyển động PIR thông minh Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Quốc Cường Sinh viên thực hiện: Lê Thành Long - 20181602 Hà Nội, năm 2022 MỤC LỤC CHƯƠNG I TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Giới thiệu cảm biến PIR Bài toán đặt ra: Mục tiêu đề tài: Cấu trúc hệ thống: CHƯƠNG II NHIỆM VỤ ĐƯỢC GIAO CHƯƠNG III CHI TIẾT CÔNG VIỆC Làm mạch in Thu thập liệu 2.1 Yêu cầu việc thu thập liệu .10 2.2 Các công cụ 10 2.3 Triển khai 11 2.4 Phương án thu thập liệu 13 CHƯƠNG I TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Giới thiệu cảm biến PIR  Định nghĩa: Cảm biến PIR mạch cảm biến điện tử cảm ứng ánh sáng hồng ngoại phát từ vật thể trường nhìn Về mặt kỹ thuật, PIR cảm biến nhiệt điện phát mức xạ hồng ngoại kháy PIR phát chuyển động người, động vật phạm vi yêu cầu cách thụ động,  bởi yêu cầu thông số kỹ thuật cụ thể  Nguyên lý cảm biến: Thấu kính Fresnel phía trước cảm biến PIR  giúp mở rộng phạm vi phát trường nhìn mong muốn cách tập trung lượng hồng ngoại vào phần tử cảm biến nhỏ cảm biến Cảm biến PIR phát tia hồng ngoại cách sử dụng đặc tính mà phân cực vật liệu nhiệt điện thay đổi theo nhiệt độ, chả hạn từ chuyển động người Khi nguồn phát chuyển động vào vùng phát (vùng có kính hội tụ) tín hiệu sin nhảy mức cho điện áp Sau đó, nguồn chuyển động khỏi vùng phát hiện, mạch trễ lưu giữ tín hiệu sau hẳn Cấu tạo: Ống kính fresnel đặt mặt kính cảm biến: Có chức mở rộng phạm vi phát cách thu nhiều xạ hồng ngoại tập trung vào phần tử cảm biến Sử dụng thấu kính fresnel, lượng hồng ngoại cho vung quan sát trải rộng tất phần tử cảm biến Thấu kính fresnel chia khu vực phát mong muốn thành phân đoạn Do đó, nhiều phân khúc tốt kích thước thấu kính fresnel lớn tốt Cảm  biến kích hoạt nhiệt phát kỳ đoạn thay đổi Các phân đoạn ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu suất cảm biến Do đó, hình dạng kích thước ống kính xác định góc  phát khu vực quan sát tổng thể Việc lựa chọn thấu kính fresnel xác định trường góc xem phạm vi phát mà ứng dụng yêu cầu Cấu tạo bên cảm biến: Bộ lọc thông thấp tạo R1 C1 chân cấp nguồn thành phần quan trọng tỷ lệ loại bỏ nguồn điện (PSRR) cảm biến PIR (nhỏ 10dB) Nguồn cung cấp gợn sóng/ nhiễu coi tín hiệu giai đoạn khuếch đại, dẫn đến kích hoạt sai đầu Do đó, lọc thông thấp nặng giúp hấp thụ biến động nguồn điện tăng PSRR cảm  biến PIR Giai đoạn đầu modul PIR điển hình theo nguồn JFET Dịng điện qua bóng bán dẫn đầu JFET cảm biến PIR  điều khiển bời điện trở bên R2 Điện trở (R2) chuyển đổi dịng điện JFET thành tín hiệu điện áp, tín hiệu cung cấp phân cực DC cho tầng khuếch đại Đầu PIR  điện áp chiều với tín hiệu xoay chiều nhỏ, tỷ lệ với chuyển động nguồn nhiệt Điện áp chiều thay đổi nhiệt “nền” thay đổi, ánh sáng, độ rung yếu tố khác Hầu hết nhà sản xuất khuyến nghị giá trị dòng xả cho cảm biến PIR từ 10μA đến 100μA Thông thường, giai đoạn đầu cảm biến PIR bị sai lệch  bởi đinẹ trở 47KΩ nối đất Một tụ điện kết nối song song với điện trở bên ngồi (R2) tạo thành lọc thơng thấp để ngăn chặn nhiễu nhiều từ tầng cảm biến đến tâng khuếch đại Bài toán đặt ra: Các mạch cảm biến PIR thông thường không tối ưu mặt điện năng, nhận diện sai chưa có linh hoạt với điều kiện môi trường tác động nhiễu: tín hiệu điện tử khơng khí gây cảnh báo giả, ánh sáng, độ rung,… ứng dụng chủ yếu điều kiện phòng Cần có cải tiến cấu hình mạch thuật tốn để giảm nguy cảnh báo sai, cung cấp tín hiệu đáng tin cậy cho hệ thống giám sát Thiết kế hướng đến cấu hình mạch, kết hợp với việc thu thập, phân tích liệu, sử dụng thuật tốn phân lớp tín hiệu dựa Deep Learning để cải thiện hiệu hoạt động cảm biến Từ giảm thiểu nhiễu tác động không cần thiết cải thiện độ trể làm việc mạch Dựa sở liệu đo đặc tổng hợp, gán nhãn triển khai thuật toán MCU Mục tiêu đề tài:  Ứng dụng điều khiển ánh sáng thơng minh (kiểm sốt ánh sáng đèn cầu thang, hành lang, nhà vệ sinh…)  Thông minh hóa “Ngưỡng tín hiệu” “Khoảng thời gian t” điều chỉnh theo mơi trường  Phân biệt tín hiệu nhiễu tín hiệu có ích  Chương trình chạy tài nguyên hạn chế Cấu trúc hệ thống: Khối Amplifier: có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu từ cảm biến Khối Filter: có nhiệm vụ lọc nhiễu, tạo dải tần Khối ML: có nhiệm vụ thực thuật toán học máy  CHƯƠNG II NHIỆM VỤ ĐƯỢC GIAO    Kết hợp với bạn K64 để tiến hành thiết kế, hoàn thiện mạch đo cảm biến Xây dựng phương án thu thập liệu Thu thập liệu cảm biến thực tế CHƯƠNG III CHI TIẾT CÔNG VIỆC Làm mạch in 1.1.1 Tổng quan - Khối Power Supply :  Đầu vào: Điện áp 12VDC cấp từ Adapter  Đầu ra: Điện áp 5VDC qua khối mạch lọc nguồn, điện áp lúc ổn định 5VDC, không bị sụt áp - Khối PIR Sensor :  Đầu vào: Tín hiệu hồng ngoại  Đầu ra: Điện áp khoảng 0-5mV - Khối Amplifier :  Chức : Khuếch đại tín hiệu nhận từ cảm biến PIR   Đầu vào : Tín hiệu điện áp từ cảm biến PIR   Đầu : Mức điện áp khoảng 0-4V - Khối Pre-Filter :  Chức : Lọc bỏ tín hiệu nhiễu cao tần thấp tần, tránh ảnh hưởng đến tín hiệu đầu  Đầu vào : Tín hiệu từ cảm biến PIR   Đầu : Mức điện áp khoảng 0-4V 1.1.2 Nguyên lý  Nguyên lý cảm biến vật cản hồng ngoại thụ động (PIR) hoạt động sử dụng cặp cảm biến nhiệt điện để phát lượng nhiệt từ sóng hồng ngoại mơi trường xung quanh Hai cảm biến thiết kế nằm cạnh có chênh lệch tín hiệu hai cảm  biến (ví dụ: người vào phòng), cảm biến hồng ngoại hoạt động Thiết bị kích hoạt báo động, thơng báo cho quan chức (có thể loa báo, đèn báo…) tự dộng bật tắt đèn, quạt Bức xạ hồng ngoại tập trung vào số hai cảm biến nhiệt điện cách sử dụng loạt thấu kính gọi thấu kính Fresnel cấu tạo vỏ cảm biến Những thấu kính giúp mở rộng vùng cảm nhận cảm biến thấy hầu hết vị mắt cảm biến hồng ngoại 1.1.3 Mạch nguyên lý 1.1.4 Mạch in 3D 1.1.5 Mạch in thực tế Thu thập liệu 2.1 Yêu cầu việc thu thập liệu Thu thập liệu công đoạn quan trọng toàn Machine Learning Việc thu thập liệu trình hoạt động thực tế từ gán nhãn training để mơ hình tự phân loại liệu cụ thể phát chuyển động không Ở chúng em chọn tốc độ lấy mẫu liệu 100Hz, phù hợp với việc bắt trending liệu thực tế 2.2 Các công cụ 2.2.1 Phần cứng  Sử dụng vi điều khiển STM32F411 với ADC độ phân giải 12  bit, dải giá trị đầu 0-4095   Vi điều khiển ESP8266 để truyền liệu thông qua UART lên máy tính Module NRF24L01 để tiến hành truyền liệu từ điểm đo (PIR-STM32) vi điều khiển ESP8266 thông qua sóng RF 2.2.2 Phần mềm  Serial Plot để vẽ đồ thị realtime lưu trữ liệu nhận qua UART máy tính 2.3 Triển khai Lý chúng em định truyền liệu vi điều khiển thơng qua sóng RF thơng thường cảm biến gắn vị trí cao (Trần nhà, tường) nên việc kết nối có dây tới để truyền liệu xuống máy tính khó khăn Hơn nữa, việc sử dụng dây nối dài có nguy bị nhiễu với đường truyền tin nối tiếp UART Vì chúng em định truyền không dây, đảm bảo yêu cầu thông tin tiện lợi trình thu thập liệu 2.3.1 Mơ hình Dữ liệu từ cảm biến đọc từ STM32F411 thông qua ADC với tần số 100Hz, từ thơng qua Module NRF24L01(giao tiếp SPI) để truyền liệu tới khối thu Ở khối thu, Module ESP8266 nhận liệu từ module NRF24L01 sau truyền lên máy tính thơng qua UART 2.3.2 Triển khai thực tế 2.4 Phương án thu thập liệu 2.4.1 Danh sách hành động thu liệu Trong phòng khách(5mx5m) Các hoạt động phổ biến Hoạt động mạnh Hoạt động nhỏ, khó  phân biệt Chuỗi hoạt động Các tư phổ biến xảy - Ra vào phòng, lại Đi lại nghe điện thoại  Nội trợ  - Dọn dẹp, lau chùi Thể dục - Các tập thể dục, … Không đổi, hoạt  Ngồi (đọc sách, ăn uống, xem động tay, đầu TV, nói chuyện, nghe điện  Thay đổi thời gian thoại, làm việc) thực số hành động  Nằm (đọc sách, xem TV, ngủ,  Nằm im, thay đổi tư nghịch điện thoại, …)  Nghe điện thoại, Đứng đứng thời gian dài  Đi vào phòng   Ngồi sofa Xem TV  Đi gần khu vực gần cảm biến   Nghe  Nhìn chung hành điện thoại  Quay lại ngồi động rõ rang dễ Tập thể dục  Rời phòng  nhận biết Quay lại phòng  Ngồi ăn  Ngồi học  Đi lại quanh  phòng  Ngồi  Nằm Số lượng người Khoảng cách so với cảm  biến người nhiều người Thay đổi theo  phạm vi hoạt động Cá nhân Cá nhân Cá nhân Cá nhân Trong nhà vệ sinh Trạng thái Loại hành động Hành động lớn Đi vào Hành động nhỏ Khơng có thay đổi tư Hành động lớn Đang  phòng Hành động nhỏ Hoạt động bình thường Đứng yên (Hành động nhỏ) Hành động lớn Đi Hành động nhỏ Khơng có thay đổi tư Hành động Chạy vào Đi nhóm đơng người vào Đi nhún nhảy nhẹ Vừa vừa thực hành động nhỏ (Chỉnh tóc, cặp sách, …) Đi bình thường vào Vệ sinh+nhảy nhót, ơm vai bá cổ nhau, trêu đùa + Rửa tay Vệ sinh + Đi lại nói chuyện + Rửa tay Vệ sinh + Rửa tay Vào để rửa tay Vào chỉnh tóc Vào đứng nói chuyện Chạy Đi nhóm đơng người Đi nhún nhảy nhẹ Đi thực hành động nhỏ Đi bình thường vào 2.4.2 Thiết lập mơi trường thu thập Trong phòng khách Cảm biến đặt cách 2m nghiêng góc 60 độ hướng xuống Trong nhà vệ sinh Quay video trình thu thập để tiện cho việc gán nhãn liệu