Công Nghệ Thông Tin, it, phầm mềm, website, web, mobile app, trí tuệ nhân tạo, blockchain, AI, machine learning - Khoa học xã hội - Công nghệ thông tin UBND TỈNH QUẢNG NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG NAM KHOA LÝ - HÓA – SINH ------ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: SMART HOUSE Sinh viên thực hiện NGUYỄN XUÂN LỘC MSSV: 2115013258 CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÝ HỌC KHÓA: 2015-2019 Cán bộ hướng dẫn TH.S NGÔ THỊ HỒNG NGA MSCB:……….. Quảng Nam, tháng 5 năm 2019 LỜI CẢM ƠN “Learning is the only thing the mind never exhausts, never fears, and never regrets” (Leonardo da Vinci) Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với sự cố gắng. Và cố gắng đó, luôn có những bàn tay cổ vũ từ phía sau, dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp. Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập tại trường đến nay, tôi đã nhận được rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ từ quý Thầy cô, bạn bè và người thân. Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô giáo khoa Lý – Hóa – Sinh trường Đại học Quảng Nam đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho tôi trong suốt thời gian học tập tại trường. Và đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô giáo Th.S Ngô Thị Hồng Nga – người đã tận tình dạy dỗ, hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành khóa luận này. Với vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình học tập không chỉ là nền tảng cho quá trình nghiên cứu khóa luận mà còn là hành trang quý báu để tôi bước vào đời một cách vững chắc và tự tin. Từ đáy lòng mình, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn vô hạn tới gia đình thân yêu của tôi, cảm ơn sâu sắc đến tập thể lớp đại học Vật Lý K15-01 cũng như tình cảm quý báu của những người bạn thân thiết – những nguồn động viên to lớn giúp tôi vượt qua những khó khăn từ lúc bắt đầu nghiên cứu cho đến khi hoàn thành khóa luận như ngày hôm nay. Tôi không dám khẳng định đề tài này có thật sự thành công hay không nhưng để đạt được kết quả này là cả một quá trình học tập và làm việc không ngừng nghỉ. Do kiến thức và thời gian còn hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót là điều chắc chắn, tôi rất mong nhận được sự góp ý quý báu của Thầy cô và bạn bè để đề tài ngày một hoàn thiện hơn. Xin kính chúc quý Thầy cô giáo trường Đại học Quảng Nam thật dồi dào sức khỏe để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan khóa luận có tên đề tài: “Smart House” là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn khoa học của Th.S Ngô Thị Hồng Nga. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây. Nếu phát hiện có điều gì không đúng tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về nội dung khóa luận của mình. Quảng Nam, tháng 5 năm 2019 Người nghiên cứu khóa luận Nguyễn Xuân Lộc DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu, chữ viết tắt Ý nghĩa Pic Programmable Interface Controller (chip vi xử lý) AI Artificial Intelligence (trí tuệ nhân tạo) AT Attention command (tập lệnh điều khiển) DC Direct Current MỤC LỤC PHẦN 1: MỞ ĐẦU ............................................................................................ 1 1. Lí do chọn đề tài .......................................................................................... 1 2. Mục tiêu của đề tài ....................................................................................... 1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................ 2 4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 2 5. Lịch sử nghiên cứu ...................................................................................... 2 6. Đóng góp của đề tài ..................................................................................... 3 7. Cấu trúc tổng quan của đề tài ....................................................................... 3 PHẦN 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .............................................................. 4 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ SMART HOUSE ........................................... 4 1.1. Giới thiệu về Smart House ........................................................................ 4 1.2. Lịch sử Smart House ................................................................................ 5 1.3. Ưu điểm và nhược điểm của Smart House ................................................ 6 1.3.1. Ưu điểm ................................................................................................. 6 1.3.2. Nhược điểm ........................................................................................... 7 1.4. Xu hướng phát triển Smart House trong tương lai ..................................... 7 1.4.1. Xu hướng phát triển Smart House điều khiển bằng giọng nói ................. 7 1.4.2. Xu hướng phát triển Smart House chẩn đoán được sức khỏe .................. 8 1.4.3. Xu hướng phát triển Smart House nhờ trang bị trí tuệ nhân tạo AI ......... 8 CHƯƠNG 2: LINH KIỆN VÀ MODUN SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG .. 9 2.1. Nguồn Laser, quang trở (cảm biến thu phát hồng ngoại) ........................... 9 2.2. Transistor C1815 ...................................................................................... 9 2.2.1. Giới thiệu Transistor .............................................................................. 9 2.2.2. Transistor C1815 ................................................................................. 10 2.3. OPAM LM358 ....................................................................................... 10 2.3.1. Giới thiệu về OPAM LM358 ............................................................... 10 2.3.2. Sơ đồ chân và chức năng...................................................................... 11 2.4. Cảm biến nhiệt độ LM35 ........................................................................ 11 2.4.1. Giới thiệu về cảm biến nhiệt độ LM35 ................................................. 11 2.4.2. Sơ đồ chân ........................................................................................... 12 2.5. Cảm biến khí Gas MQ2 .......................................................................... 12 2.5.1. Giới thiệu về cảm biến khí Gas MQ2 ................................................... 12 2.5.2. Sơ đồ chân và cách mắc vào modun cảm biến ...................................... 13 2.6. Cảm biến chuyển động HC – SR501 ....................................................... 14 2.6.1. Giới thiệu về cảm biến HC – SR501 .................................................... 14 2.6.2. Sơ đồ chân và chức năng. ..................................................................... 15 2.7. Modun Bluetooth HC05 .......................................................................... 15 2.7.1. Giới thiệu về modun Bluetooth HC05 .................................................. 15 2.7.2. Sơ đồ chân và chức năng...................................................................... 17 2.8. Modun Sim 900A ................................................................................... 17 2.8.1. Giới thiệu về modun Sim 900A ............................................................ 17 2.8.2 Sơ đồ chân và chức năng....................................................................... 18 2.9. Pic 16F877A ........................................................................................... 19 2.9.1. Giới thiệu về Pic 16F877A................................................................... 19 2.9.2. Sơ đồ chân và chức năng...................................................................... 20 2.10. Arduino Nano ....................................................................................... 24 2.10.1. Giới thiệu về Arduino Nano ............................................................... 24 2.10.2. Sơ đồ chân và chức năng .................................................................... 25 CHƯƠNG 3: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ VẬN HÀNH HỆ THỐNG SMART HOUSE ............................................................................................. 28 3.1. Sơ đồ kết nối toàn hệ thống Smart House ................................................ 28 3.2. Sơ đồ khối và chức năng từng khối của toàn hệ thống ............................. 28 3.2.1. Sơ đồ khối............................................................................................ 28 3.2.2. Chức năng của từng khối ..................................................................... 29 3.3. Sơ đồ và nguyên lý hoạt động ................................................................. 33 3.3.1. Mạch điều khiển qua modun Bluetooth HC05 ...................................... 33 3.3.1.1. Sơ đồ................................................................................................. 33 3.3.1.2. Nguyên lý hoạt động ......................................................................... 35 3.3.2. Mạch điều khiển qua modun Sim 900A ............................................... 35 3.3.2.1. Sơ đồ................................................................................................. 35 3.3.2.2. Nguyên lý hoạt động ......................................................................... 37 3.4. Mạch thực tế ........................................................................................... 38 3.5. Mô hình lắp ráp mạch thực tế.................................................................. 39 PHẦN III: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................... 40 1. Kết luận ..................................................................................................... 40 2. Kiến nghị ................................................................................................... 40 PHẦN IV: TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................ 42 PHẦN V: PHỤ LỤC ........................................................................................ 43 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Mô hình Smart House .......................................................................... 5 Hình 2.1: Cấu tạo Transistor thuận – ngược ......................................................... 9 Hình 2.2: Transitor C1815 ................................................................................. 10 Hình 2.3: Sơ đồ chân OPAM LM358 ................................................................ 11 Hình 2.4: Sơ đồ chân cảm biến nhiệt độ LM35 .................................................. 12 Hình 2.5: Sơ đồ chân và ảnh thực của MQ2....................................................... 13 Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý của modun cảm biến MQ2 ....................................... 14 Hình 2.7: Sơ đồ chân modun HC – SR501 ......................................................... 15 Hình 2.8: Sơ đồ chân modun Bluetooth HC05 ................................................... 17 Hình 2.9: Sơ đồ chân modun Sim 900A............................................................. 18 Hình 2.10: Sơ đồ chân (bên ngoài) modun Sim 900A ........................................ 19 Hình 2.11: Sơ đồ chân Pic 16F877A.................................................................. 20 Hình 2.12: Sơ đồ chân Arduino Nano ................................................................ 26 Hình 3.1: Sơ đồ kết nối toàn hệ thống Smart House ........................................... 28 Hình 3.2: Sơ đồ khối.......................................................................................... 28 Hình 3.3: Sơ đồ mạch điều khiển qua modun Bluetooth HC05 .......................... 33 Hình 3.4: Sơ đồ mạch điều khiển qua modun Bluetooth HC05 .......................... 34 Hình 3.5: Sơ đồ mạch điều khiển qua modun Sim 900A .................................... 35 Hình 3.6: Sơ đồ mạch điều khiển qua modun Sim 900A .................................... 36 Hình 3.7: Hình ảnh mạch thực tế điều khiển qua modun Bluetooth HC05 ........ 38 Hình 3.8: Hình ảnh mạch thực tế điều khiển qua modun Sim 900A ................... 38 Hình 3.9: Hình ảnh mô hình lắp mạch thực tế .................................................... 39 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Chức năng các chân PIC 16F877A .................................................... 21 Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật Arduino Nano ....................................................... 25 Bảng 2.3: Chức năng các chân Arduino Nano.................................................... 26 1 PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Ngày nay trên thế giới với sự bùng nổ của các ngành công nghệ thông tin, điện tử v.v... đã làm cho đời sống của con người ngày càng hoàn thiện. Các thiết bị tự động hóa đã ngày càng xâm lấn vào trong sản xuất và thậm chí là vào cuộc sống sinh hoạt hằng ngày của mỗi con người. Nhờ vậy, con người ngày càng tận hưởng được cuộc sống một cách tiện nghi và thoải mái hơn. Chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy, thiết bị công nghệ hiện diện mọi nơi, trong mọi lĩnh vực. Ở khắp mọi nơi trên trái đất, hàng ngàn viện nghiên cứu với hàng triệu kỹ sư vẫn đang miệt mài nghiên cứu để đóng góp cho nhân loại những cải tiến, tìm tòi ra những kỹ thuật mới để phục vụ cho cuộc sống. Và khi cuộc sống con người ngày càng được nâng cao, những nhu cầu cuộc sống ngày càng đòi hỏi phải được hỗ trợ tốt hơn. Từ những nhu cầu thực tế đó, ý tưởng về một ngôi nhà mà nơi đó ngoài sự ấm áp của tình yêu - hạnh phúc, mọi hoạt động của con người đều được hỗ trợ và giúp đỡ một cách thật linh hoạt, không những được giúp đỡ mà ngôi nhà còn tự động quản lý một cách thông minh. Và nhà thông minh đang là một xu hướng công nghệ tất yếu trên thế giới, trở thành tiêu chuẩn của nhà ở hiện đại trong kỷ nguyên Internet of Things – kết nối vạn vật qua Internet. Bên cạnh đó, sự tiện nghi, tiết kiệm thời gian và công sức cũng dần trở thành một tiêu chuẩn cần thiết nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống của chúng ta. Chính vì thế, cùng với sự hứng thú, say mê, yêu thích và muốn tìm hiểu thêm về lĩnh vực này nên tôi đã chọn đề tài: “Smart House”. 2. Mục tiêu của đề tài - Tìm hiểu rõ về modun Bluetooth HC05, Sim 900A, vi điều khiển Arduino Nano và Pic 16F877A. - Tìm hiểu và sử dụng lập trình cho vi điều khiển để lập trình, xây dựng hệ thống điều khiển nhà thông minh theo nhu cầu người dùng. - Tìm hiểu về cách bố trí, lắp đặt các Sensor cảm biến để mang lại hiệu quả tối ưu nhất cho ngôi nhà. 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: các linh kiện điện tử, các modun Bluetooth HC05, modun Sim 900A, Arduino Nano, Pic 16F877A, phần mềm C, C++ - Phạm vi nghiên cứu: Trong ngôi nhà. 4. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp và phân tích lý thuyết dựa trên sách, vở, giáo trình, các Website,... để hiểu rõ về các linh kiện, hiểu được nguyên lý hoạt động của các dạng mạch chứa các modun. - Nghiên cứu thực nghiệm: thực hiện lắp ráp các mạch điện tử có các modun liên quan. Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống Smart House. 5. Lịch sử nghiên cứu Từ trước đến nay đã có nhiều đề tài nghiên cứu về Smart House cũng như các modun Bluetooth, modun Sim 900A, các Board mạch Arduino, Pic và các dạng mạch ứng dụng vào thực tiễn. - Luận văn tốt nghiệp, đề tài: “Điều khiển thiết bị gia đình bằng SMS” của sinh viên Mai Trung Chính trường Đại học sư phạm kỹ thuật Hồ Chí Minh. - Luận văn tốt nghiệp, đề tài: “Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS” của sinh viên Đào Cửu Long trường Đại học bách khoa Hà Nội. - Bài nghiên cứu, đề tài: “Tìm hiểu và thiết kế mô hình nhà thông minh” của sinh viên Đỗ Văn Khuyến trường Đại học Mở Hà Nội. - Bài nghiên cứu, đề tài: “Thiết kế mạch điều khiển tự động hệ thống cửa, hệ thống chiếu sáng và cung cấp điện từ nguồn dự phòng một chiều cho ngôi nhà thông minh” của sinh viên Nguyễn Văn Huy trường Đại học Nha Trang. Với đề tài của mình, tôi thừa kế những cơ sở lý luận của các công trình nghiên cứu trước đây. Từ đó tìm hiểu và xây dựng hệ thống mạch ứng dụng cho ngôi nhà thông minh. 3 6. Đóng góp của đề tài Với đề tài này giúp sinh viên hiểu rõ hơn về các modun Bluetooth HC05, modun Sim 900A, vi điều khiển Arduino Nano, Pic 16F877A và ứng dụng vào việc xây dựng một hệ thống nhà thông minh. 7. Cấu trúc tổng quan của đề tài Phần I: Mở đầu Phần II: Nội dung nghiên cứu Chương 1: Giới thiệu về Smart House Chương 2: Linh kiện và modun sử dụng trong hệ thống Chương 3: Nguyên lý hoạt động và vận hành hệ thống Smart House Phần III: Kết luận và kiến nghị Phần IV: Tài liệu tham khảo Phần V: Phụ lục 4 PHẦN 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ SMART HOUSE 1.1. Giới thiệu về Smart House Nhà thông minh đang là một xu hướng công nghệ tất yếu trên thế giới, trở thành tiêu chuẩn của nhà ở hiện đại trong kỷ nguyên Internet of Things – kết nối vạn vật qua Internet. Bên cạnh đó, sự tiện nghi, tiết kiệm thời gian và công sức cũng dần trở thành một tiêu chuẩn cần thiết nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống của chúng ta. Nhà thông minh được trang bị các hệ thống tự động cùng với cách bố trí hợp lý, các hệ thống này có khả năng tự điều phối các hoạt động trong ngôi nhà theo thói quen sinh hoạt và nhu cầu cá nhân của gia chủ. Chúng ta cũng có thể hiểu ngôi nhà thông minh là một hệ thống chỉnh thể mà trong đó, tất cả các thiết bị điện tử gia dụng đều được liên kết với thiết bị điều khiển trung tâm và có thế phối hợp với nhau để cùng thực hiện một chức năng. Các thiết bị này có thể tự đưa ra cách xử lý tình huống được lập trình trước, hoặc là được điều khiển và giám sát từ xa. Dưới đây là cách mà một ngôi nhà thông minh giúp bạn có một cuộc sống tiện nghi và thoải mái hơn: - Các cánh cửa đều có thể đóng và mở chỉ bằng một nút nhấn trên Smart Phone. - Hệ thống đèn sân vườn, đèn hành lang và đèn nhà vệ sinh đều tự động bật và tắt khi có người đến gần. - Hệ thống đèn, quạt, máy lạnh, bình nóng lạnh, rèm cửa đều có thể hoạt động thông qua chiếc Smart Phone. - Tính năng an ninh như tự động cảnh báo và liên lạc với chủ nhà khi có người cố tình xâm nhập trái phép. - Hệ thống báo cháy, rò rỉ khí Gas luôn trong trạng thái sẵn sàng cảnh báo và liên lạc với chủ nhà khi có sự cố xảy ra. - Có thể giám sát và điều khiển các thiết bị trong ngôi nhà dù bạn đang ở bất cứ đâu. 5 Hình 1.1. Mô hình Smart House 1.2. Lịch sử Smart House Thời kỳ trước, khái niệm Smart House với khả năng điều khiển từ xa, điều khiển bằng nút bấm chỉ xuất hiện trong phim ảnh, điển hình là bộ phim hoạt hình nổi tiếng “Gia đình nhà Jetsons” (The Jetsons). Với việc phát hành X10 năm 1975, một giao thức truyền thông cho Home Automation. X10 gửi tín hiệu 120 kHz (Radio frequency - RF) của thông tin số lên hệ thống dây điện hiện tại trong nhà đến các đầu ra hoặc công tắc có thể lập trình được. Các tín hiệu này truyền tải lệnh đến các thiết bị tương ứng, kiểm soát cách thức và thời gian hoạt động của thiết bị. Ví dụ: Một máy phát có thể gửi tín hiệu dọc theo dây điện trong nhà, yêu cầu bật thiết bị vào một thời gian cụ thể. Tuy nhiên, vì dây điện không được thiết kế đặc biệt chống nhiễu sóng radio nên X10 không phải lúc nào cũng đáng tin cậy. Các tín hiệu sẽ bị mất và trong một số trường hợp, các tín hiệu không vượt qua các mạch nối với các cực 6 khác nhau, được tạo ra khi dịch vụ 220 Volt tách ra thành một cặp nguồn cấp dữ liệu 100 Volt, phổ biến ở Hoa Kỳ. X10 ban đầu là công nghệ một chiều, do đó các thiết bị thông minh có thể thực hiện lệnh nhưng không thể gửi dữ liệu trở lại mạng trung tâm. Sau đó, các thiết bị X10 hai chiều được sản xuất với chi phí cao hơn. Từ năm 2000, khi mạng Internet phát triển mạnh mẽ và trở nên phổ biến, người ta bắt đầu đi vào nghiên cứu để tìm ra cách kết nối hệ thống điều khiển tự động hóa căn nhà với mạng Internet. Hiroshi Kanma và các đồng sự đã đề xuất việc hệ thống được điều khiển thông qua Bluetooth vào năm 2003. Năm 2006, hệ thống mạng lưới phức hợp các sản phẩm gia dụng được giới thiệu. Mạng lưới này sử dụng Bluetooth hoặc mạng điện thoại để gửi dữ liệu cho nhà cung cấp và truyền dẫn trở về căn nhà của người sử dụng. Bằng cách thức này, người dùng có thể điều khiển các thiết bị trong nhà kể cả khi ở bên ngoài. Khi các thiết bị công nghệ dần có giá thành rẻ hơn, chúng cũng được tích hợp nhiều hơn vào căn nhà của chúng ta. Cùng với sự phổ biến ấy, ngày càng có nhiều công ty đầu tư vào việc nghiên cứu nâng cấp và phát triển các công nghệ này để chúng hoạt động hiệu quả hơn và có giá thành rẻ hơn nữa. Hiện nay, công nghệ tự động hóa nhà ở xuất hiện ở hầu khắp mọi nơi, và chúng ta thậm chí đôi khi còn chẳng nhận ra. Giờ đây, rất nhiều người trong chúng ta đã có thể điều khiển ti vi, hệ thống sưởi, chuông báo động, đèn chiếu sáng, cửa ra vào từ điện thoại thông minh và các bộ điều khiển. Với sự phát triển như vũ bão này, có thể nói, những bước tiến hay thay đổi trong công nghệ nhà thông minh trong tương lai sẽ không còn có bất kỳ giới hạn nào ngoài chính trí tưởng tượng của con người. 1.3. Ưu điểm và nhược điểm của Smart House 1.3.1. Ưu điểm - Một trong những lợi ích nổi bật nhất của tự động hóa ngôi nhà là cung cấp sự an tâm cho chủ nhà, cho phép họ quan sát nhà từ xa, chống lại những nguy hiểm như quên khóa Gas hoặc ra khỏi nhà quên chưa khóa cửa,... 7 - Tăng thêm sự an toàn qua việc điều khiển chiếu sáng và thiết bị điện (Appliance and lighting control). - Tiết kiệm thời gian. - Mang lại sự thoải mái nhất cho người dùng. - Cho phép bạn điều khiển, kiểm soát ngôi nhà mỗi khi đi xa. - Giúp bảo vệ an ninh cho ngôi nhà. 1.3.2. Nhược điểm - Chi phí thiết kế và mua sắm trang thiết bị thông minh khá đắt. - Cần có thời gian để làm quen và học cách quản lý, sử dụng đối với người không am hiểu về công nghệ cao. - Vấn đề hỏng hóc sự cố phức tạp cần đến kỹ thuật xử lý. 1.4. Xu hướng phát triển Smart House trong tương lai Ở những nước phát triển, khái niệm Smart House đã quá quen thuộc với mỗi gia đình. Ngôi nhà nào cũng đều được trang bị các thiết bị thông minh tiên tiến nhất theo tiêu chuẩn quốc tế. Còn tại Việt Nam, Smart House cũng đang dần được phổ biến, bước đầu được ứng dụng tại một số dự án căn hộ cao cấp tại các thành phố lớn, tạo nên một trào lưu và xu hướng trải nghiệm sống mới. Rõ ràng Smart House đang trở thành xu thế công nghệ tất yếu trong cuộc sống. 1.4.1. Xu hướng phát triển Smart House điều khiển bằng giọng nói Công nghệ điều khiển bằng giọng nói đã ứng dụng thành công trên một số thiết bị: Smart Phone, Robot, Tivi Android box… Một số công ty Smart House hiện nay cũng đang nghiên cứu sản xuất các thiết bị có thể điều khiển bằng giọng nói thông qua trợ lý ảo. Điển hình như gã khổng lồ Amazon với sản phẩm Amazon Echo và phần mềm trợ lý ảo Alexa, đây là một thiết bị mạnh mẽ nhất hiện nay. Ở Việt Nam một số hãng áp dụng công nghệ này và xem nó là xu hướng nhà thông minh trong tương lai. Tuy nhiên hoạt động vẫn chưa ổn định, cần nhiều cải tiến hơn nữa. Và trong tương lai gần, thông minh điều khiển bằng giọng nói sẽ trở thành hiện thực, chỉ cần ra lệnh, ngôi nhà lập tức làm theo ngay. 8 1.4.2. Xu hướng phát triển Smart House chẩn đoán được sức khỏe Từ những chiếc đồng hồ thông minh tới Robot cải thiện giấc ngủ đang được phát triển mạnh mẽ. Với tầm nhìn rộng hơn khi muốn cải thiện con người thông qua dữ liệu sinh trắc học đã thu thập được, các nhà nghiên cứu vẫn đang tiếp tục phát triển các bộ theo dõi thể lực hay giường thông minh. Nó được kỳ vọng sẽ thay đổi nhịp sống sinh học của người bận rộn hay chỉ đơn giản là cải thiện sức khỏe cá nhân và cộng đồng. Giường ngủ thông minh được sáng tạo bởi Sleep Number là ví dụ điển hình. Nó phân tích SleepIQ từ dữ liệu sinh trắc học mỗi ngày của người dùng. Nó cũng dự đoán được điều kiện y học như khả năng ngưng thở, đau tim hoặc theo dõi bệnh nhân. Nó cũng xác định tình trạng bệnh nhân hiện tại, trước khi chúng kịp lan rộng hoặc phát triển. 1.4.3. Xu hướng phát triển Smart House nhờ trang bị trí tuệ nhân tạo AI Công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI) là trí tuệ do con người lập trình tạo nên với mục tiêu giúp máy tính có thể tự động hóa các hành vi thông minh như con người, có thể học hỏi và khả năng thích ứng thông minh của máy móc. Hiện nay, một số quốc gia đã áp dụng công nghệ AI này vào việc nhận diện khuôn mặt công dân và đánh giá đây là công dân tốt hay xấu thông qua hệ thống Camera được lắp đặt trên toàn quốc, tiêu biểu là Trung Quốc và các nước Châu Âu. Theo dự đoán đến năm 2050, xu hướng nhà thông minh có trí tuệ nhân tạo, Robot, thực tế ảo sẽ được áp dụng vào những căn nhà mà chúng ta đang sống. 9 CHƯƠNG 2: LINH KIỆN VÀ MODUN SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG 2.1. Nguồn Laser, quang trở (cảm biến thu phát hồng ngoại) Cảm biến thu - phát hồng ngoại: gồm 2 Led, một Led phát và một Led thu; Led phát hồng ngoại sẽ phát ra sóng ánh sáng có bước sóng hồng ngoại, tia hồng ngoại phát ra một tần số nhất định. Điện áp làm việc của cảm biến là 3.3V đến 5V. Độ nhạy sáng của cảm biến được điều chỉnh bằng chiết áp và có thể dễ dàng lắp ráp. 2.2. Transistor C1815 2.2.1. Giới thiệu Transistor Hình 2.1: Cấu tạo Transistor thuận – ngược - Transitor hay còn gọi là bóng dẫn gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối tiếp giáp P-N, nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận, nếu ghép theo thứ tự NPN ta được Transistor ngược. Về phương diện cấu tạo Transistor tương đương với hai Diode đấu ngược chiều nhau. Cấu trúc này được gọi là Bipolar Junction Transitor (BJT) vì dòng điện chạy trong cấu trúc này bao gồm cả hai loại điện tích âm và dương (Bipolar nghĩa là hai cực tính). - Ba lớp bán dẫn được nối ra thành ba cực, lớp giữa gọi là cực gốc ký hiệu là B (Base), lớp bán dẫn B rất mỏng và có nồng độ tạp chất thấp. - Hai lớp bán dẫn bên ngoài được nối ra thành cực phát (Emitter) viết tắt là E, và cực thu hay cực góp (Collector) viết tắt là C, vùng bán dẫn E và C có cùng 10 loại bán dẫn (loại N hay P) nhưng có kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên không hoán vị cho nhau được. 2.2.2. Transistor C1815 Transistor C1815 là Transistor thuộc loại Transistor NPN, có Uc cực đại là 50V và dòng Ic cực đại là 150mA, điều khiển tần số âm chung cho các mạch ứng dụng khuếch đại. Transitor C1815 hoạt động phụ thuộc vào dòng vào từ chân B . Khi chân B có dòng vào thì lớp bán dẫn sẽ được mở khiến xuất hiện dòng CE chạy qua IC. Nếu ở chân B không có dòng thì lớp bán dẫn không mở và không có dòng qua CE. Hình 2.2: Transitor C1815 2.3. OPAM LM358 2.3.1. Giới thiệu về OPAM LM358 - OPAM LM358 là bộ khuếch đại thuật toán kép công suất thấp. - OPAM IC LM358 có thể hoạt động ở nguồn điện áp thấp 3V hoặc cao lên tới 32V. LM358 có công suất cực máng thấp, tuy nhiên có độ lợi cao 100dB. Cấu tạo bên trong của IC LM358 gồm 2 bộ khuếch đại thuật toán, tương thích với nhiều loại mạch logic khác nhau. - Các tính năng của khuếch đại thuật toán: + Bảo vệ quá áp lối ra. + Tầng khuếch đại vi sai lối vào. 11 + Dòng cung cấp lối vào thấp. + Dải tín hiệu cùng pha mở rộng tới nguồn âm. 2.3.2. Sơ đồ chân và chức năng Hình 2.3: Sơ đồ chân OPAM LM358 OPAM LM358 gồm có 8 chân, ta chỉ quan tâm đến 5 chân trong số đó: - Chân số 2: đầu vào đảo, kí hiệu là (-) tín hiệu ra sẽ biến thiên ngược pha với tín hiệu ở đầu vào này. - Chân số 3: đầu vào không đảo, kí hiệu là (+) tín hiệu ra sẽ biến thiên cùng pha với tín hiệu ở đầu vào này. - Chân số 4: âm nguồn, kí hiệu là –Vcc. - Chân số 6: đầu ra. - Chân số 7: dương nguồn, kí hiệu là +Vcc. Trong mạch này, OPAM LM358 có chức năng bảo vệ áp lối ra và làm tầng khuếch đại vi sai lối vào. 2.4. Cảm biến nhiệt độ LM35 2.4.1. Giới thiệu về cảm biến nhiệt độ LM35 - Cảm biến LM35 là bộ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác cao mà điện áp đầu ra của nó tỉ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius. Chúng cũng không yêu cầu cân chỉnh vì vốn chúng đã được cân chỉnh. - Đặc điểm chính của cảm biến LM35: + Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V. + Độ phân giải điện áp đầu ra là 10mV o C. 12 + Độ chính xác cao ở 25 o C là 0.5 C. + Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải. - Dải nhiệt độ đo được của LM35 từ -55o C => 150o C với các mức điện áp ra khác nhau. Xét một số mức điện áp sau: - Nhiệt độ - 55 o C điện áp đầu ra -550 mV. - Nhiệt độ 25 o C điện áp đầu ra 250 mV. - Nhiệt độ 150 o C điện áp đầu ra 1500 mV. Tùy theo cách mắc của LM35 để đo các dải nhiệt phù hợp. 2.4.2. Sơ đồ chân Hình 2.4: Sơ đồ chân cảm biến nhiệt độ LM35 Chân 1: Chân nguồn V cc nối nguồn 5V. Chân 2: Chân dữ liệu đầu ra V out. Chân 3: Chân GND nối Mass (0V). Trong mạch này, IC LM35 được dùng để đo nhiệt độ trong ngôi nhà và cảnh báo khi nhiệt độ vượt quá mức cho phép. 2.5. Cảm biến khí Gas MQ2 2.5.1. Giới thiệu về cảm biến khí Gas MQ2 - MQ2 là cảm biến khí, dùng để phát hiện các khí có thể gây cháy. Nó được cấu tạo từ chất bán dẫn SnO2. Chất này có độ nhạy cảm thấp với không khí sạch. Nhưng khi trong môi trường có chất ngây cháy, độ dẫn của nó thay đổi ngay. 13 Chính nhờ đặc điểm này người ta thêm vào mạch đơn gian để biến đổi từ độ nhạy này sang điện áp. - Khi môi trường sạch điện áp đầu ra của cảm biến thấp, giá trị điện áp đầu ra càng tăng khi nồng độ khí gây cháy xung quang MQ2 càng cao. - MQ2 hoạt động rất tốt trong môi trường khí hóa lỏng LPG, H2, và các chất khí gây cháy khác. Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng do mạch đơn giản và chi phí thấp. - Trên thị trường có nhiều loại module cảm biến khí Gas tích hợp sẵn có cách sử dụng đơn giản và hiệu quả. Trong module có sử dụng cảm biến khí Gas MQ2. Khi phát hiện khí Gas bị rò rỉ module sẽ xuất tín hiệu ở hai dạng DOUT - dạng số và AOUT - dạng tương tự. Người sử dụng có thể tùy vào mục đích sử dụng để lựa chọn tín hiệu phù hợp. 2.5.2. Sơ đồ chân và cách mắc vào modun cảm biến Hình 2.5: Sơ đồ chân và ảnh thực của MQ2 - Chân 1, 3 là A - Chân 2, 5 là H - Chân 4, 6 là B 14 Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý của modun cảm biến MQ2 Tổng quan về module: Có 2 chân đầu ra là Aout và Dout. Trong đó: - Điện áp sử dụng: +5V. - Aout: Điện áp ra tương tự. Nó chạy từ 0.3 và 4.5V, phụ thuộc vào nồng độ khí xung quang MQ2. - Dout: Điện áp ra số, giá trị 0, 1 phụ thuộc vào điện áp tham chiếu và nồng độ khí mà MQ2 đo được. - Việc có chân ra số Dout rất tiện để mắc các ứng dụng đơn giản, không cần đến vi điều khiển. Khi đó ta chỉ cần chỉnh giá trị biến trở tới giá trị nồng độ ta muốn cảnh báo. Khi nồng độ MQ2 đo được thấp hơn mức cho phép thì Dout = 1. Đèn Led tắt. Khi nồng độ khí đo được lớn hơn nồng khí cho phép, Dout = 0, đèn Led sáng. 2.6. Cảm biến chuyển động HC – SR501 2.6.1. Giới thiệu về cảm biến HC – SR501 - Cảm biến chuyển động HC-SR501 là cảm biến có khả năng nhận biết được một vật di chuyển vào vùng mà cảm biến hoạt động. Module cảm biến có thể điều chỉnh được độ nhạy nhờ 2 biến trở là Sx biến trở điều chỉnh độ nhạy của cảm biến, Tx biến trở điều chỉnh thời gian đóng của cảm biến, giúp cho cảm biến hoạt động phù hợp với những yêu cầu của người dùng. 15 - HC-SR501 có điện áp hoạt động vào khoản từ 4.5V đến 20V nguồn DC. Cho mức điện áp đầu ra 3.3V ở mức Hight và 0V mức Low. - HC-SR501 hoạt động ở 2 chế độ: + L không lặp lại kích hoạt. + H lặp lại kích hoạt - HC-SR501 có thời gian trễ từ 5 – 200s, có thể điều chỉnh từ 0,xx đến hàng chục giây và có góc quét