I. TÊN ĐỀ TÀI: MÔ HÌNH HỆ THỐNG GIÁM SÁT NHÀ THÔNG MINH II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: Tìm hiểu các hệ thống giám sát nhà ở trên thị trường hiện nay. Tìm hiểu các cảm biến thích hợp để sử dụng trong đề tài. Đưa ra phương án, giải pháp thiết kế hệ thống phù hợp, tối ưu. Xây dựng mô hình, bố trí các cảm biến hợp lý. 2. Nội dung thực hiện: Thiết kế và thi công phần cứng: ● Lập trình các Module cảm biến, giao tiếp với vi điều khiển. ● Thiết kế, thi công khối điều khiển. ● Lập trình hệ thống phần cứng. Thiết kế và thi công phần mềm: ● Thiết kế giao diện điều khiển Web Server. Chạy thử và chỉnh sửa, viết báo cáo luận văn. Báo cáo đề tài tốt nghiệp. 3. Sản phẩm: Mô hình hệ thống điều khiển giám sát nhà thông minh.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
MODULE ESP32 [8]
ESP32 là một SoC giá rẻ do Espressif Systems phát triển, kế thừa từ ESP8266 Nó bao gồm cả biến thể lõi đơn và lõi kép của bộ vi xử lý 32-bit Xtensa LX6, tích hợp Wi-Fi và Bluetooth.
Hình 2.1 Module ESP32 NodeMCU Hình 2.2 Module ESP32S DevkitC
Một số thông số cơ bản của Module ESP32:
- Hỗ trợ chuẩn không dây 802.11 b/g/n
- Micro-MCU 32bit tích hợp, tốc độ 160 MHz - 240 MHz, hỗ trợ RTOS, SRAM, Flash
- WiFi 2.4GHz, Bluetooth 4.2 và BLE Hỗ trợ chế độ bảo mật WPA / WPA2
- Hỗ trợ UART, I2C, SPI, I2S, PWM, GPIO, điều khiển từ xa hồng ngoại
- Phạm vi nhiệt độ hoạt động: -40°C ~ 125°C
2.1.2 Thông số kỹ thuật của Module ESP32
Tất cả thông số kỹ thuật chi tiết của Module ESP32 được tổng hợp ở các bảng dưới đây:
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của ESP32-WROOM-32
Tên Nội dung Thông số kỹ thuật
Chứng nhận RF FCC/CE-
RED/IC/TELEC/KCC/SRRC/NCC
Chứng nhận Wifi Wi-Fi Alliance
Chứng nhận năng lượng tái tạo RoHS/REACH
Kiểm tra Độ tin cậy ( Độ bền ) HTOL/HTSL/uHAST/TCT/ESD
Kỹ thuật ghép kênh A-MPDU và A- MSDU và hỗ trợ giảm khoảng cách giữa các symbol (ký hiệu) từ 4 nano giây xuống còn 3,6 nano giây để tăng tốc độ
Dải tần số 2.4 GHz ~ 2.5 GHz
Giao thức Bluetooth v4.2 BR/EDR and BLE specification
Bộ thu NZIF với độ nhạy –97 dBm Class-1, class-2 and class-3 transmitter
AFH Âm thanh Tần số âm thanh CVSD & SBC
Phần cứng Giao diện Module
SD card, UART, SPI, SDIO, I2C, LED PWM, Motor PWM, I 2S, IR, pulse counter, GPIO, capacitive touch sensor, ADC, DAC, Two-Wire Automotive Interface (TWAI®),
Cảm biến trên chíp Cảm biến Hall
Giao động tích hợp 40 MHz crystal
SPI 4MB Điện áp hoạt động /
Dòng điện hoạt động Trung bình: 80 mA Dòng điện chuyển đổi từ nguồn cấp tối thiểu 500 mA
Nhiệt độ yêu cầu để hoạt động –40 °C ~ +85 °C
Kích thước (18.00±0.10) mm × (25.50±0.10) mm × (3.10±0.10) mm
Mức nhạy với hơi ẩm
Bảng 2.2 Thông số các chân của ESP32-WROOM-32
EN 3 I Tín hiệu cho phép Mức cao tích cực
SENSOR_VP 4 I GPIO36, ADC1_CH0, RTC_GPIO0
SENSOR_VN 5 I GPIO39, ADC1_CH3, RTC_GPIO3
IO34 6 I GPIO34, ADC1_CH6, RTC_GPIO4
IO35 7 I GPIO35, ADC1_CH7, RTC_GPIO5
IO32 8 I/O GPIO32, XTAL_32K_P (32.768 kHz giao động thạch anh đầu vào), ADC1_CH4,
IO33 9 I/O GPIO33, XTAL_32K_N (32.768 kHz giao động thạch anh đầu ra), ADC1_CH5,
IO25 10 I/O GPIO25, DAC_1, ADC2_CH8,
IO26 11 I/O GPIO26, DAC_2, ADC2_CH9,
IO27 12 I/O GPIO27, ADC2_CH7, TOUCH7,
RTC_GPIO17, EMAC_RX_DV
IO14 13 I/O GPIO14, ADC2_CH6, TOUCH6,
RTC_GPIO16, MTMS, HSPICLK, HS2_CLK, SD_CLK, EMAC_TXD2
IO12 14 I/O GPIO12, ADC2_CH5, TOUCH5,
RTC_GPIO15, MTDI, HSPIQ, HS2_DATA2, SD_DATA2, EMAC_TXD3
IO13 16 I/O GPIO13, ADC2_CH4, TOUCH4,
RTC_GPIO14, MTCK, HSPID, HS2_DATA3, SD_DATA3, EMAC_RX_ER
SHD/SD2* 17 I/O GPIO9, SD_DATA2, SPIHD,
SWP/SD3* 18 I/O GPIO10, SD_DATA3, SPIWP,
SCS/CMD* 19 I/O GPIO11, SD_CMD, SPICS0, HS1_CMD,
SCK/CLK* 20 I/O GPIO6, SD_CLK, SPICLK, HS1_CLK,
SDO/SD0* 21 I/O GPIO7, SD_DATA0, SPIQ, HS1_DATA0,
SDI/SD1* 22 I/O GPIO8, SD_DATA1, SPID, HS1_DATA1,
IO15 23 I/O GPIO15, ADC2_CH3, TOUCH3, MTDO,
HSPICS0, RTC_GPIO13, HS2_CMD, SD_CMD, EMAC_RXD3
IO2 24 I/O GPIO2, ADC2_CH2, TOUCH2,
RTC_GPIO12, HSPIWP, HS2_DATA0,
IO0 25 I/O GPIO0, ADC2_CH1, TOUCH1,
RTC_GPIO11, CLK_OUT1, EMAC_TX_CLK
IO4 26 I/O GPIO4, ADC2_CH0, TOUCH0,
RTC_GPIO10, HSPIHD, HS2_DATA1, SD_DATA1, EMAC_TX_ER
IO16 27 I/O GPIO16, HS1_DATA4, U2RXD,
IO17 28 I/O GPIO17, HS1_DATA5, U2TXD,
IO5 29 I/O GPIO5, VSPICS0, HS1_DATA6,
IO18 30 I/O GPIO18, VSPICLK, HS1_DATA7
IO19 31 I/O GPIO19, VSPIQ, U0CTS, EMAC_TXD0
IO21 33 I/O GPIO21, VSPIHD, EMAC_TX_EN
RXD0 34 I/O GPIO3, U0RXD, CLK_OUT2
TXD0 35 I/O GPIO1, U0TXD, CLK_OUT3,
IO22 36 I/O GPIO22, VSPIWP, U0RTS, EMAC_TXD1
IO23 37 I/O GPIO23, VSPID, HS1_STROBE
2.1.3 Chế độ hoạt động của Module ESP32
Module ESP32 có năm chế độ năng lượng khác nhau, mỗi chế độ có mức tiêu thụ năng lượng riêng biệt Các chế độ năng lượng của ESP32 bao gồm:
- Active Mode - Chế độ hoạt động
- Modem Sleep Mode - Chế độ ngủ Modem
- Light Sleep Mode - Chế độ ngủ nhẹ
- Deep Sleep Mode - Chế độ ngủ sâu
- Hibernation Mode - Chế độ ngủ đông
Mỗi chế độ có các tính năng riêng biệt phụ thuộc vào các thành phần nào có thể hoạt động và khả năng tiết kiệm năng lượng riêng
Bảng 2.3 So sánh các chế độ hoạt động của Module ESP32
Hoạt động Active Modem sleep
CPU ON ON PAUSE OFF OFF
Bluetooth,Wifi,Radio ON OFF OFF OFF OFF
RTC, các ngoại vi ON ON ON ON OFF
ULP ON ON ON ON/OFF OFF
Dũng tiờu thụ 95-240mA 2-50mA 0,8mA 10-150àA 5àA
Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý Module ESP32.
CẢM BIẾN KHÍ GAS [9]
Cảm biến khí gas đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện rò rỉ gas, giúp ngăn chặn hỏa hoạn do bình gas rò rỉ, van hỏng hoặc ống gas thủng Ngoài việc phát hiện sự rò rỉ, cảm biến còn đo được mật độ khí rò rỉ, từ đó cho phép chúng ta thực hiện các biện pháp cảnh báo và ngăn chặn kịp thời.
2.2.2 Module cảm biến khí Gas MQ-2
Theo yêu cầu của đề tài, hệ thống giám sát và cảnh báo cho tòa nhà cần sử dụng cảm biến phát hiện khói bằng nồng độ khí, vì nó phù hợp hơn so với cảm biến quang điện Vì vậy, nhóm đã quyết định chọn cảm biến MQ-2 làm thiết bị phát hiện khí gas cho dự án của mình.
Hình 2.4 Module cảm biến khí
Hình 2.1 Ký hiệu của Module cảm biến khí Gas MQ-2
- Điện áp hoạt động: 4.5 VDC ~ 5.0 VDC
- Phạm vi phát hiện: 300 ~ 10000 ppm
- Điện áp ngõ ra: 2.5 VDC ~ 4.0 VDC
- Năng lượng tiêu thụ khi nóng: ≤ 950 mW
Sơ đồ chân của Module cảm biến khói MQ-2:
- Chân số 1: VCC Có chức năng cấp nguồn có cho Module cảm biến
- Chân số 2: GND Có chức năng nối đất cho Module cảm biến
- Chân số 3: Digital Out (DO) Có chức năng truyền dữ liệu phản hồi bằng tín hiệu số
- Chân số 4: Analog Out (AO) Có chức năng truyền dữ liệu phản hồi bằng tín hiệu analog
Độ nhạy với một số chất khí
Độ nhạy của Module cảm biến khí gas MQ-2 được xác định bằng công thức Rs/R0, trong đó Rs là điện trở trong các loại khí khác nhau và R0 là điện trở của cảm biến trong 1000ppm khí Hydro Hình 2.9 minh họa độ nhạy của Module cảm biến khí gas MQ-2 đối với một số chất khí trong khoảng từ 100 đến 10000ppm.
Hình 2.6 Độ nhạy của Module MQ-2 đối với một số loại khí
Khi nồng độ khí tăng, điện áp đầu ra tại chân A0 của cảm biến cũng tăng theo Tín hiệu tương tự này được xuất ra trực tiếp và chuyển đến bộ so sánh LM393 để thực hiện quá trình số hóa Bộ so sánh này kết hợp với một biến trở giúp điều chỉnh độ nhạy của cảm biến.
Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý Module cảm biến khí Gas MQ-2.
MODULE SIM 800L [12]
2.3.1 Giới thiệu về Module SIM 800L
Các hệ thống điều khiển từ xa thường gặp khó khăn trong việc giám sát và truyền dữ liệu từ các cảm biến ở những khu vực không có Internet Để khắc phục vấn đề này, việc sử dụng tin nhắn điện thoại trở thành giải pháp hiệu quả, nhờ vào khả năng không bị giới hạn bởi khoảng cách, độ ổn định cao và chi phí thấp Do đó, nhóm đã quyết định chọn Module SIM 800L cho dự án của mình.
Module SIM800L dùng để điều khiển thiết bị hoặc cảnh báo từ xa thông qua mạng di động như gọi điện, tin nhắn văn bản
Hình 2.8 Chức năng các chân của Module SIM 800L
- NET là chân kết nối với Ăng-ten bên ngoài
- VCC là chân cấp nguồn cho Module SIM 800L có mức điện áp từ 3.7V đến 4.2V
- Khe gắn SIM : Micro SIM
- RST (Reset) là chân dùng để reset Nối chân reset xuống mức thấp ở 100ms sẽ reset toàn bộ Module
- RxD (Receiver) Chân dùng để kết nối UART
- TxD (Transmitter) Chân dùng để kết nối UART
- GND Chân nối Ground, chúng ta cần nối Ground chung với Arduino
RING pin hoạt động tương tự như chuông điện thoại, thường được sử dụng để ngắt ngoài (Interrupt) trên Arduino Mặc định, pin này ở mức cao và sẽ được kéo xuống mức thấp trong 120ms khi nhận cuộc gọi Ngoài ra, bạn có thể điều chỉnh để xuất xung khi nhận tin nhắn SMS.
Chân DTR có chức năng kích hoạt hoặc hủy kích hoạt chế độ ngủ của Module Khi chân này ở mức CAO, Module sẽ vào trạng thái ngủ và tắt giao tiếp UART Ngược lại, khi kéo chân xuống mức THẤP, Module sẽ được đánh thức và hoạt động trở lại.
- MIC± là 2 kết nối microphone
- SPK± là 2 kết nối của loa
2.3.2 Đặc điểm kỹ thuật của Module SIM 800L
Hình 2.9 Module SIM 800L Hình 2.10 Ký hiệu Module SIM 800L
- Nguồn cấp: 3.7 VDC ~ 4.2 VDC nên dùng nguồn có dòng đủ 1.0 A để mạch hoạt động ổn định
- Khe gắn SIM : Micro SIM
- Dòng tiêu thụ ở chế độ chờ: 10 mA
- Dòng khi hoạt động: 100 mA đến 1 A
- Hỗ trợ 4 băng tần phổ biến
Một số chức năng của Module SIM 800L
- Gọi điện thoại, nhận cuộc gọi tới
- Gửi, nhận, đọc hay xóa tin nhắn
2.3.3 Khảo sát tập lệnh AT của Module SIM 800L
The AT command set is a standard protocol widely supported by mobile devices, such as mobile phones and GSM modems, enabling the sending and receiving of SMS (Short Message Service) messages and call control functionalities.
Lệnh AT chủ yếu được sử dụng để cấu hình modem và thiết lập kết nối mạng, đồng thời hỗ trợ truy cập thông tin và trạng thái hệ thống, điều này rất quan trọng cho việc xử lý sự cố và gỡ lỗi các ứng dụng.
Một tập lệnh AT thường bao gồm những thành phần sau:
AT Kiểm tra Module có hoạt động không
ATEx Bật (x=1) hoặc tắt (x=0) chế độ phản hồi lệnh vừa gửi trước đó
Trả về READY OK nếu tìm thấy sim
Kiểm tra chất lượng sóng
+CSQ: xx,0 OK (xx là chất lượng sóng, tối đa là 31)
Kiểm tra tên nhà mạng
Trả về +COPS: 0,0,”Viettel” OK nếu nhận dạng được nhà mạng là Viettel
Trả về +COPS: 0 nếu không thấy nhà mạng
Bảng 2.5 Các lệnh cuộc gọi
ATD + [ số điện thoại] Gọi điện đến số điện thoại cài đặt
ATA Chấp nhận cuộc gọi đến
AT*101# Kiểm tra tài khoản
Bảng 2.6 Các lệnh nhắn tin
CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ VÀ DỘ ẨM
AT+CMGF=x Cấu hình tin nhắn(x=0: DPU; x=1: dạng kí tự)
AT+CNMI=2,x,0,0 Chọn x=1 (chỉ báo vị trí lưu tin nhắn) hoặc x=2 (hiển thị ra ngay nội dung tin nhắn)
AT+CMGR=x Đọc tin nhắn tại vị trí lưu x
AT+CMGD=x Xóa tin nhắn được lưu tại vị trí x
AT+CMGS[số điện thoại] Gửi tin nhắn cho số điện thoại
2.4 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ VÀ DỘ ẨM
2.4.1 Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm
Cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm là thiết bị quan trọng giúp đo lường nhiệt độ và độ ẩm trong môi trường hiện tại Thiết bị này truyền dữ liệu đến trung tâm xử lý, cho phép chúng ta theo dõi và hiển thị thông tin một cách hiệu quả.
2.4.2 Module cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 [10]
Hình 2.11 Module cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11.
Hình 2.12 Ký hiệu Module cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11
Cảm biến DHT11 bao gồm một phần tử cảm biến độ ẩm điện dung và một nhiệt điện trở để đo nhiệt độ Giá trị điện dung thay đổi theo nhiệt độ, và IC sẽ đo và xử lý các giá trị này Cảm biến sử dụng nhiệt điện trở với hệ số nhiệt độ âm, khiến giá trị điện trở giảm khi nhiệt độ tăng Để đảm bảo đo được sự thay đổi nhỏ nhất của nhiệt độ, cảm biến thường được làm từ gốm hoặc polyme bán dẫn.
Tín hiệu từ cảm biến DHT11 được chuyển đổi thành định dạng kỹ thuật số và gửi đến vi điều khiển trong khung 40 bit Hai nhóm 8 bit đầu tiên chứa thông tin về độ ẩm, trong khi hai nhóm 8 bit tiếp theo ghi lại nhiệt độ Như vậy, dữ liệu bao gồm hai byte cho độ ẩm và hai byte cho nhiệt độ.
Module cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 có các thông số kỹ thuật chi tiết như sau: Độ ẩm được đo với độ phân giải 1% RH, với các giá trị từ mức tối thiểu đến tối đa là 1% RH.
Phản hồi ±1%RH Độ chính xác 25 o C ±4%RH
Thời gian phản hồi (giây) 25 o C 6s 10s 15s Độ trễ 1%RH
Nhiệt độ Độ phân giải
Phản hồi ±1 o C Độ chính xác ±1 o C ±2 o C
Thời gian phản hồi (giây 1/e (63%) 6s 30s
Sơ đồ chân của Module cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11:
- Chân số 1: VCC Có chức năng cấp nguồn có cho Module cảm biến.
CẢM BIẾN CƯỜNG ĐỘ SÁNG
- Chân số 2: Data Đầu ra cả nhiệt độ và độ ẩm thông qua dữ liệu nối tiếp
- Chân số 3: GND Có chức năng nối Ground cho Module cảm biến
Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý Module cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11
Cách đọc dữ liệu Nhiệt độ và Độ ẩm từ Module cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11
- Sử dụng thư viện “DHT.h”
- Sau khi khai báo và thiết lập giao tiếp cho Module DHT11, dùng hàm
“readHumidity()” để đọc dữ liệu độ ẩm và “readTemperature()” để đọc dữ liệu nhiệt độ float h = dht.readHumidity();
// Read temperature as Celsius (the default) float t = dht.readTemperature();
2.5 CẢM BIẾN CƯỜNG ĐỘ SÁNG
2.5.1 Khái niệm cường độ sáng và cảm biến cường độ sáng
Cường độ ánh sáng là một thông số để xác định năng lượng phát ra từ một nguồn sáng theo một hướng cố định
Lux là đơn vị đo cường độ của nguồn sáng cần thiết trên bề mặt có diện tích cụ thể
Cảm biến cường độ ánh sáng, hay còn gọi là cảm biến ánh sáng, là thiết bị quang điện dùng để đo lường cường độ ánh sáng từ các nguồn sáng khác nhau.
Cảm biến cường độ ánh sáng là linh kiện thiết yếu trong việc điều chỉnh mức độ chiếu sáng của các thiết bị đèn, đồng thời hỗ trợ tính toán số lượng đèn cần thiết cho không gian sử dụng.
2.5.2 Module cảm biến cường độ sáng BH1750 [11]
Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 được sử dụng để đo cường độ ánh sáng thông qua giao tiếp I2C
Bên trong BH1750 có tích hợp một bộ ADC 16 bit
Hình 2.14 Module cảm biến cường độ sáng BH1750
Hình 2.15 Ký hiệu Module cảm biến cường độ sáng BH1750
Bảng 2.8 Thông số kỹ thuật cảm biến cường độ sáng BH1750
Ký hiệu Thông số Min
Max (tối đa) Đơn vị
1 Vcc Điện áp cung cấp 3 5 V
2 ICCA Dòng tiêu thụ 10 mA
3 ISDA Dòng hút SDA 7 mA
4 VAH Điện áp vào ADDR mức cao 0.7* Vcc
5 VAL Điện áp vào ADDR mức thấp
- Vcc: Nguồn cung cấp 3.3 VDC ~ 5.0 VDC
SCL là chân dùng để kết nối dữ liệu nối tiếp qua giao tiếp I2C Chân SDA chịu trách nhiệm truyền dữ liệu và yêu cầu một điện trở kéo lên bên ngoài, với điện áp kéo lên có thể đạt tối đa 5.5V.
- SDA: Đầu vào nối tiếp SCL truyền xung Clock đầu vào sử dụng để đồng bộ hóa dữ liệu
- ADDR: Chân địa chỉ để lập trình
Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý Module cảm biến cường độ ánh sáng BH1750
Cách đọc dữ liệu cường độ ánh sáng từ Module cảm biến cường độ ánh sáng BH1750
- Sử dụng thư viện được thiết kế sẵn “BH1750.h”
After initializing and establishing communication with the BH1750 light intensity sensor module, utilize the function “lightMeter.readLightLevel()” to obtain the light intensity value Assign the read value from the sensor to the variable float lux using the command: float lux = lightMeter.readLightLevel(true); Then, display the result with Serial.print("Light: ");.
Serial.print(lux); // In giá trị biến lux ra màn hình
LCD [15]
LCD có nhiều loại khác nhau, được phân loại theo kích thước ký tự và số hàng Ví dụ, LCD 16x2 có 2 hàng, mỗi hàng chứa 16 ký tự, trong khi LCD 20x4 có 4 hàng với 20 ký tự mỗi hàng.
Hình 2.17 Màn hình LCD1602 Hình 2.18 Ký hiệu màn hình LCD1602 Bảng 2.9 Các chân của LCD
STT Tên tín hiệu I/O Chức năng tín hiệu
3 VO Điện áp Điều khiển ánh sáng nền
Trong 16 chân LCD được chia làm 3 dạng tín hiệu:
- Các 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
Chân điều khiển trong hệ thống bao gồm chân RS (chân số 4) dùng để lựa chọn thanh ghi, chân R/W để điều khiển quá trình đọc và ghi, và chân E cho phép dạng xung chốt.
- 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
2.6.3 Địa chỉ ba vùng nhớ
Bộ điều khiển LCD được trang bị ba vùng nhớ nội, mỗi vùng đảm nhiệm một chức năng riêng biệt Trước khi truy cập vào bất kỳ vùng nhớ nào, bộ điều khiển cần phải được khởi động.
Bộ nhớ DDRAM (Display Data RAM) lưu trữ mã ký tự để hiển thị trên màn hình, với mỗi mã ký tự tham chiếu đến bitmap ký tự được định nghĩa sẵn trong CGROM hoặc do người dùng tự định nghĩa.
Bộ phát kí tự ROM – CGROM
Bộ phát kí tự ROM (CGROM) chứa các kiểu bitmap cho từng kí tự theo bảng mã ASCII mà LCD có khả năng hiển thị Mã kí tự được lưu trữ trong DDRAM và mỗi vùng kí tự sẽ tham chiếu đến một vị trí tương ứng trong CGROM.
Bộ phát kí tự RAM – CGRAM
- Bộ phát kí tự RAM (Character Generator RAM: CG RAM) cung cấp vùng nhớ để tạo ra 8 kí tự tùy ý Mỗi kí tự gồm 5 cột và 8 hàng
2.7 MODULE CHUYỂN ĐỔI GIAO TIẾP I2C CHO LCD [15] Để sử dụng được LCD cần ít nhất 6 chân của vi điều khiển để kết nối với các chân RS, EN, D7, D6, D5, D4 Bằng việc sử dụng Module chuyển đổi giao tiếp I2C, chỉ với 2 chân SDA và SCL đã có thể kết nối và giao tiếp thành công LCD với vi điều khiển giúp việc điều khiển dễ dàng hơn đồng thời tiết kiệm số chân của vi điều khiển
Hình 2.19 Module chuyển đổi giao tiếp I2C cho LCD
Hình 2.20 Ký hiệu của mạch chuyển đổi giao tiếp I2C cho LCD
- Điện áp hoạt động: 5.0 VDC
- Hỗ trợ màn hình: LCD1602, LCD2004
- Tích hợp jumper để cung cấp hoặc ngắt đèn cho LCD
- Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD
Hình 2.21 Sơ đồ nguyên lý Module chuyển đổi giao tiếp I2C và LCD
Cách hiển thị thông tin lên LCD
Module chuyển đổi giao tiếp I2C giúp đơn giản hóa việc hiển thị thông tin lên LCD thông qua các lệnh có sẵn trong thư viện.
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16,2); // Khai báo địa chỉ I2C
Sau khi thiết lập kết nối giữa LCD và vi điều khiển, để hiển thị thông tin trên LCD, bạn chỉ cần sử dụng lệnh “lcd.print(“nội dung”)” Thư viện cũng cung cấp nhiều lệnh hữu ích như: khởi tạo LCD với “lcd.init();”, bật đèn nền bằng “lcd.backlight();”, xóa màn hình với “lcd.clear();”, in biến a ra màn hình bằng “lcd.print(a);”, đặt con trỏ tại vị trí cột 2 hàng 1 với “lcd.setCursor(2,1);” và in nội dung “System Start” với lệnh “lcd.print("System Start");”.
2.8 MODULE THỜI GIAN THỰC DS1307 [13]
Hệ thống yêu cầu hoạt động trong thời gian thực, tự động bật và tắt theo lịch trình đã cài đặt Nhằm đáp ứng các tiêu chí này với kích thước nhỏ gọn và chi phí thấp, nhóm đã lựa chọn sử dụng Module thời gian thực DS1307.
Hình 2.22 Module thời gian thực DS1307
Hình 2.23 Ký hiệu của Module thời gian thực DS1307
- Điện áp hoạt động: 3.3 VDC ~ 5.0 VDC
- Điện áp ngõ ra mức cao: 2.2 VDC ~ 5.5 VDC
- Điện áp ngõ ra mức thấp: 0.8 VDC
- Dũng khi ở chế độ chờ: 200 àA
- Tích hợp thạch anh 32768 kHz, điện trở kéo lên, tụ lọc nguồn
- Pin dự phòng duy trì thời gian khi mất điện
Sơ đồ chân của Module thời gian thực DS1307
- DS: Chân này dùng để đọc tín hiệu ngõ ra từ cảm biến nhiệt độ DS18B20 nếu Module DS1307 có lắp đặt cảm biến nhiệt độ DS18B20
- SQW: Ngõ xuất ra xung vuông, tần số có thể lập trình để thay đổi từ 1Hz, 4kHz, 8 kHz, 32 kHz
- VBAT: Chân này được kết nối với cực dương pin Lithium 3V để chip vẫn hoạt động đếm thời gian khi mất nguồn
- SCL: Chân đầu vào xung clock nối tiếp (Serial clock), ngõ vào xung nhịp của giao thức I2C
- SDA: Chân dữ liệu nối tiếp (Serial data) là chân dữ liệu vào, ra của giao thức I2C
- VCC: Chân cấp nguồn chính 3.3 – 5V
Hình 2.24 Sơ đồ nguyên lý Module thời gian thực DS1307
Các thanh ghi trong Module thời gian thực DS1307
Hình 2.25 Các thanh ghi trong Module thời gian thực DS1307
Module thời gian thực DS1307 bao gồm 7 thanh ghi (0x00 – 0x06) lưu trữ thông tin thời gian, 1 thanh ghi (0x06 – 0x07) điều khiển xung ra tại chân SQW, và một thanh ghi RAM (0x08 – 0x3F).
Hình 2.26 Các thanh ghi chứa thông tin thời gian
Bảng 2.10 Chức năng của các thanh ghi chứa thông tin trong Module DS1307 Tên thanh ghi Địa chỉ thanh ghi Chức năng
-Bit 0 – 6: chứa giá trị giây
-Bit 7 = 1 vô hiệu hóa bộ dao động trong DS1307
MINUTES 0x01 Chứa giá trị phút
-Bit 0 – 4: chứa giá trị đơn vị của giờ
-24h: Bit 4 – 5: chứa giá trị chục của giờ
-12h: Bit 4 chứa giá trị chục của giờ, bit 5 có kí hiệu là A/P
Bit 4: Chứa giá trị chục của giờ
DAY 0x03 Chứa giá trị thứ
DATE 0x04 Chứa giá trị ngày
MONTH 0x05 Chứa giá trị tháng
YEAR 0x06 Chứa giá trị năm
Bảng 2.11 Thanh ghi Control trong Module DS1307
BIT 7 BIT 6 BIT 5 BIT 4 BIT 3 BIT 2 BIT 1 BIT 0
- OUT (Output Control): lựa chọn mức logic xuất ra tại chân SQW/OUT khi chức năng SQW không được kích hoạt (SQWE=0)
- SQWE (Square Wave Enable): khi bit này bằng 1, cho phép tạo xung vuông trên chân SQW/OUT, tần số xung vuông được thiết lập bởi các bit RS0, RS1
Bảng 2.12 Tần số xung vuông trên chân SQW/OUT.
Cách sử dụng Module thời gian thực DS1307
- Cài đặt thư viện “RTClib.h”
- Thiết lập các kết nối, khởi tạo giao tiếp để Module hoạt động if (! rtc.begin()) {
Serial.println("Couldn't find RTC");
Serial.println("RTC is NOT running, let's set the time!");
} rtc.adjust(DateTime(F( DATE ), F( TIME )));
Sử dụng hàm "rtc.now()" để lấy dữ liệu thời gian hiện tại, đồng thời sử dụng lệnh in để hiển thị thông tin thời gian lên màn hình LCD.
To display the current date and time using an RTC module, retrieve the current date and time with `rtc.now()`, and then print the day, month, year, hour, minute, and second to the LCD using the `lcd.print()` function for each respective value in decimal format.
Module 1 Relay 5VDC có kích thước nhỏ gọn, kết nối với vi điều khiển dễ dàng Trên Module có Opto và Transistor để cách ly dòng ngược về, giúp cách ly hoàn toàn
28 mạch điều khiển với Relay Có thể đặt các mức hoạt động cao hoặc thấp bằng cách thiết lập jumper trên Module
Trên relay có 3 kí hiệu là: NO, NC và COM
Chân COM (chân chung) của relay luôn được kết nối với một trong hai chân còn lại Việc chân COM kết nối với chân nào phụ thuộc vào trạng thái hoạt động của relay.
- NC là điểm thường đóng, chân COM/POLE được kết nối với NC khi cuộn dây relay không nhiễm từ (khi 2 đầu cuộn dây không được cấp điện)
- NO là điểm thường mở, COM/POLE được kết nối với NO khi cuộn dây relay được từ hóa (được cấp điện)
Ngoài ra, trên relay còn gồm 3 chân để kích thích, trong đó:
- Chân (+): Cấp hiệu điện thế kích tối ưu vào chân này
- Chân (-): Nối với cực âm
MODULE THỜI GIAN THỰC DS1307 [13]
Hệ thống yêu cầu hoạt động trong thời gian thực, với khả năng tự động bật và tắt theo thời gian đã cài đặt Nhóm đã lựa chọn Module thời gian thực DS1307, nổi bật với kích thước nhỏ gọn và giá thành hợp lý, nhưng vẫn đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của hệ thống.
Hình 2.22 Module thời gian thực DS1307
Hình 2.23 Ký hiệu của Module thời gian thực DS1307
- Điện áp hoạt động: 3.3 VDC ~ 5.0 VDC
- Điện áp ngõ ra mức cao: 2.2 VDC ~ 5.5 VDC
- Điện áp ngõ ra mức thấp: 0.8 VDC
- Dũng khi ở chế độ chờ: 200 àA
- Tích hợp thạch anh 32768 kHz, điện trở kéo lên, tụ lọc nguồn
- Pin dự phòng duy trì thời gian khi mất điện
Sơ đồ chân của Module thời gian thực DS1307
- DS: Chân này dùng để đọc tín hiệu ngõ ra từ cảm biến nhiệt độ DS18B20 nếu Module DS1307 có lắp đặt cảm biến nhiệt độ DS18B20
- SQW: Ngõ xuất ra xung vuông, tần số có thể lập trình để thay đổi từ 1Hz, 4kHz, 8 kHz, 32 kHz
- VBAT: Chân này được kết nối với cực dương pin Lithium 3V để chip vẫn hoạt động đếm thời gian khi mất nguồn
- SCL: Chân đầu vào xung clock nối tiếp (Serial clock), ngõ vào xung nhịp của giao thức I2C
- SDA: Chân dữ liệu nối tiếp (Serial data) là chân dữ liệu vào, ra của giao thức I2C
- VCC: Chân cấp nguồn chính 3.3 – 5V
Hình 2.24 Sơ đồ nguyên lý Module thời gian thực DS1307
Các thanh ghi trong Module thời gian thực DS1307
Hình 2.25 Các thanh ghi trong Module thời gian thực DS1307
Module thời gian thực DS1307 bao gồm 7 thanh ghi (0x00 – 0x06) lưu trữ thông tin về thời gian, 1 thanh ghi (0x06 – 0x07) dùng để điều khiển xung ra tại chân SQW, cùng với thanh ghi RAM (0x08 – 0x3F) để lưu trữ dữ liệu.
Hình 2.26 Các thanh ghi chứa thông tin thời gian
Bảng 2.10 Chức năng của các thanh ghi chứa thông tin trong Module DS1307 Tên thanh ghi Địa chỉ thanh ghi Chức năng
-Bit 0 – 6: chứa giá trị giây
-Bit 7 = 1 vô hiệu hóa bộ dao động trong DS1307
MINUTES 0x01 Chứa giá trị phút
-Bit 0 – 4: chứa giá trị đơn vị của giờ
-24h: Bit 4 – 5: chứa giá trị chục của giờ
-12h: Bit 4 chứa giá trị chục của giờ, bit 5 có kí hiệu là A/P
Bit 4: Chứa giá trị chục của giờ
DAY 0x03 Chứa giá trị thứ
DATE 0x04 Chứa giá trị ngày
MONTH 0x05 Chứa giá trị tháng
YEAR 0x06 Chứa giá trị năm
Bảng 2.11 Thanh ghi Control trong Module DS1307
BIT 7 BIT 6 BIT 5 BIT 4 BIT 3 BIT 2 BIT 1 BIT 0
- OUT (Output Control): lựa chọn mức logic xuất ra tại chân SQW/OUT khi chức năng SQW không được kích hoạt (SQWE=0)
- SQWE (Square Wave Enable): khi bit này bằng 1, cho phép tạo xung vuông trên chân SQW/OUT, tần số xung vuông được thiết lập bởi các bit RS0, RS1
Bảng 2.12 Tần số xung vuông trên chân SQW/OUT.
Cách sử dụng Module thời gian thực DS1307
- Cài đặt thư viện “RTClib.h”
- Thiết lập các kết nối, khởi tạo giao tiếp để Module hoạt động if (! rtc.begin()) {
Serial.println("Couldn't find RTC");
Serial.println("RTC is NOT running, let's set the time!");
} rtc.adjust(DateTime(F( DATE ), F( TIME )));
Sử dụng hàm "rtc.now()" để lấy dữ liệu thời gian hiện tại, đồng thời hiển thị thông tin này trên màn hình LCD bằng lệnh in, giúp người dùng dễ dàng theo dõi thời gian.
To display the current date and time using an RTC module, retrieve the current time with `rtc.now()`, and print the day, month, year, hour, minute, and second in decimal format using the `lcd.print()` function for each respective value.
MODULE RELAY [14]
Module 1 Relay 5VDC có kích thước nhỏ gọn, kết nối với vi điều khiển dễ dàng Trên Module có Opto và Transistor để cách ly dòng ngược về, giúp cách ly hoàn toàn
28 mạch điều khiển với Relay Có thể đặt các mức hoạt động cao hoặc thấp bằng cách thiết lập jumper trên Module
Trên relay có 3 kí hiệu là: NO, NC và COM
Chân COM (chân chung) luôn được kết nối với một trong hai chân còn lại của relay, và mối kết nối này phụ thuộc vào trạng thái hoạt động của relay.
- NC là điểm thường đóng, chân COM/POLE được kết nối với NC khi cuộn dây relay không nhiễm từ (khi 2 đầu cuộn dây không được cấp điện)
- NO là điểm thường mở, COM/POLE được kết nối với NO khi cuộn dây relay được từ hóa (được cấp điện)
Ngoài ra, trên relay còn gồm 3 chân để kích thích, trong đó:
- Chân (+): Cấp hiệu điện thế kích tối ưu vào chân này
- Chân (-): Nối với cực âm
Chân S của module relay có vai trò quan trọng trong việc kích hoạt relay, tùy thuộc vào loại module đang sử dụng Nếu bạn sử dụng module relay kích ở mức cao và cung cấp điện dương cho chân S, relay sẽ được kích hoạt Ngược lại, nếu chân S không nhận điện, relay sẽ không hoạt động Tương tự, với module relay kích ở mức thấp, nguyên tắc hoạt động cũng tương tự.
Hình 2.27 Module Relay Hình 2.28 Ký hiệu của
NHẬN DẠNG VÂN TAY VÀ MODULE CẢM BIẾN VÂN TAY AS608 29
Hình 2.29 Sơ đồ nguyên lý Module Relay
- Điện áp hoạt động: 5.0 VDC
- Dòng khi relay được kích: < 70 mA
- Điện thế đóng cắt tối đa: 250 VAC – 10 A hoặc 30 VDC – 10 A
- Module Relay có thể thay đổi mức kích hoạt động cao hoặc thấp bằng cách thiết lập jumper trên Module
2.10 NHẬN DẠNG VÂN TAY VÀ MODULE CẢM BIẾN VÂN TAY AS608 2.10.1 Giới thiệu sơ lược về vân tay và nhận dạng vân tay
2.10.1.1 Giới thiệu về sinh trắc vân tay Đầu thế kỷ 20, nhận dạng vân tay đã chính thức trở thành một phương pháp nhận dạng cá nhân có giá trị và tiêu chuẩn trong pháp luật
Có 2 phương pháp lấy dấu vân tay:
- Cách thứ nhất là sao chép lại hình dạng vân tay ( lăn tay bằng mực) và xử lí
- Cách thứ hai là sử dụng thiết bị quét vân tay để nhận dạng vân tay
2.10.1.2 Nguyên lý nhận dạng vân tay
Khi đăng kí vân tay mới vào thư viện, hình ảnh vân tay sẽ được hệ thống xác nhận hai lần thông qua cảm biến quang học
Sau khi thu thập hình ảnh vân tay, quá trình tổng hợp dữ liệu để tạo ra mẫu vân tay hoàn chỉnh bắt đầu Hệ thống sẽ kết hợp hai lần quét vân tay thành một mẫu duy nhất và lưu trữ nó vào thư viện vân tay.
2.10.2 Các bước xử lý nhận dạng vân tay
Quá trình xử lý vân tay được chia làm 2 bước: Xử lý hình ảnh và so sánh vân tay
2.10.2.1 Quá trình xử lý hình ảnh
Tăng cường ảnh (Image Enhancement)
Phân tích hình ảnh (Image Analysis)
Rút trích đặc trưng (Minutiae Extraction)
Hình 2.30 Sơ đồ quá trình xử lý hình ảnh
Mục đích của quá trình này là nâng cao chất lượng hình ảnh vân tay nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc rút trích các đặc trưng vân tay Quá trình này được thực hiện thông qua các bước cụ thể.
Tăng cường ảnh là bước quan trọng trong quá trình lấy vân tay, giúp làm rõ hình ảnh từ thiết bị đầu đọc Các thiết bị này có thể thu được ảnh không đạt chất lượng do nhiều nguyên nhân như ngón tay bị bẩn, ẩm ướt hoặc ấn lực quá mạnh Việc cải thiện chất lượng ảnh giúp rút trích các đặc trưng của vân tay một cách chính xác và đầy đủ hơn.
Phân tích ảnh (Image Analysis): Thông qua phân tích ảnh, ảnh sẽ được loại bỏ đi các thông tin không cần thiết
Nhị phân hóa là quá trình chuyển đổi hình ảnh thành định dạng trắng đen, giúp làm nổi bật các đặc điểm quan trọng trong ảnh Bước này có thể được áp dụng hoặc không, tùy thuộc vào thuật toán rút trích đặc trưng đang sử dụng.
Làm mỏng (Thinning): Là quá trình làm mỏng các đường vân tay của ảnh
Rút trích đặc trưng( Minutiae Extraction ): Rút trích những đặc trưng cần thiết cho quá trình so sánh vân tay
2.10.2.2 Quá trình so sánh vân tay
Mục đích của quá trình này là so sánh vân tay dựa trên các đặc trưng đã được rút trích từ bước trước Quá trình này được thực hiện theo sơ đồ đã được trình bày.
Phân tích đặc trưng (Minutiae Analysis)
Xét tương ứng cục bộ (Local Similarily)
Tính toán điểm trùng khớp (Calculate Matching Score)
Xét tương ứng toàn cục ( Global Similarily)
Hình 2.31 Sơ đồ quá trình so sánh vân tay
Phân tích đặc trưng (Minutiae Analysis): Phân tích các đặc điểm cần thiết của các đặc trưng để phục vụ cho quá trình so sánh vân tay
Xét tương ứng cục bộ (Local Similarity) là thuật toán so sánh vân tay dựa vào các thông tin cục bộ như tọa độ (xy), hướng và góc của đặc trưng vân tay Thuật toán này giúp xác định các cặp đặc trưng giống nhau giữa hai vân tay, từ đó nâng cao độ chính xác trong việc nhận diện và phân tích vân tay.
Xét tương ứng toàn cục ( Global Similarily): Từ những khu vực cục bộ tương tự nhau, thuật toán sẽ tiếp tục mở rộng so sánh trên toàn cục
Tính toán điểm trùng khớp là bước quan trọng trong việc xác định độ giống nhau giữa các hình ảnh Quá trình này liên quan đến việc so sánh và tính toán tỷ lệ giống nhau giữa các cặp đặc trưng của hình ảnh Giá trị của bước này sẽ cung cấp thông tin về độ giống nhau của ảnh, giúp chúng ta xác định được mức độ trùng khớp giữa chúng.
2 vân tay là bao nhiêu
2.10.3 Module cảm biến vân tay AS608 [16]
AS608 là module cảm biến vân tay sử dụng giao tiếp UART TTL hoặc USB 1.1, cho phép kết nối với vi điều khiển hoặc máy tính thông qua mạch chuyển đổi USB-UART.
Hình 2.32 Module cảm biến vân tay AS608
Hình 2.33 Ký hiệu Module cảm biến vân tay AS608
- Điệp áp hoạt động: 3.3 VDC
- Dòng điện tiêu thụ: < 120mA
- Phương thức giao tiếp: UART
- Tỉ lệ chấp nhận sai (FAR):