nghiên cứu phát triển cảm biến trạng thái cửa ứng dụng trong hệ điều khiển của nhà thông minh smarthome

năm 2022 Sinh viên thực hiện Chữ ký, họ tên hghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIÊP VIỆT NAM KHOA CƠ ĐIỆN VÀ CÔNG TRÌNH

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

BÁO CÁO KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN TRẠNG THÁI CỬA ỨNG DỤNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN CỦA NHÀ THÔNG MINH

(SMARTHOME)

NGÀNH : CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ MÃ SỐ : 7510203

Giáo viên hướng dẫn : TS Hoàng Sơn

Sinh viên thực hiện : Trần Quỳnh Trang

hghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohg

hghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohg

74Thursday, June 13, 20249:32:18 PM9:32:18 PM74Thursday, June 13, 20249:32:18 PM9:32:18 PM74Thursday, June 13, 20249:32:18 PM9:32:18 PM

hghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohg

hghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohg

74hghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohgThursday, June 13, 2024

Trang 2

LỜI NÓI ĐẦU

Sau hơn 4 năm học tại trường đại học, Đồ án tốt nghiệp là môn học cuối cùng đánh dấu sự kết thúc quá trình học tập và rèn luyện các kiến thức cơ bản, đồng thời mở ra con đường thực tế đi vào cuộc sống trong tương lai Quá trình làm luận văn đã giúp em thu thập, tổng hợp lại các kiến thức đã học trong suốt những năm qua, qua đó rèn luyện khả năng tính toán và giải quyết các vấn đề thực tế

Trong quá trình làm đồ án này em đã gặp không ít những khó khăn và trở ngại do vốn kiến thức còn hạn chế Dù bận rộn rất nhiều công việc nhưng các thầy cô vẫn giành nhiều thời gian và tâm huyết trong việc hướng dẫn em Các thầy cô luôn quan tâm, chỉ bảo và sửa chữa những vấn đề quan trọng giúp em định hướng và làm việc theo quan điểm đúng đắn, chính sự tận tâm và nhiệt huyết của thầy cô đã giúp cho em có được tinh thần, một niềm tin và khối lượng kiến thức phong phú để đến ngày hôm nay đồ án tốt nghiệp của em đã được hoàn thành

Trước hết, với tất cả tấm lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô khoa Cơ điện và Công trình Đặc biệt là các thầy, cô trong bộ môn Kỹ thuật điện và Tự động hóa đã tận tình chỉ dạy và trang bị cho em những kiến thức cần thiết trong suốt thời gian ngồi trên ghế giảng đường, làm nền tảng cho em có thể hoàn thành được bài khóa luận này

Em xin trân trọng cảm ơn thầy Hoàng Sơn đã tận tình giúp đỡ, định hướng cách tư duy và cách làm việc khoa học Đó là những góp ý hết sức quý báu không chỉ trong quá trình thực hiện khóa luận này mà còn là hành trang tiếp bước cho em trong quá trình học tập và lập nghiệp sau này

Và cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân, bạn bè đã luôn bên cạnh ủng hộ và động viện; cảm ơn tập thể lớp K63-CĐT đã gắn bó và cùng học tập, giúp đỡ em trong suốt thời gian qua, cũng như trong quá trình hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Tuy nhiên điều kiện về năng lực bản thân còn hạn chế, chuyên đề khóa luận tốt nghiệp chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, bạn bè để bài khóa luận của em được hoàn

thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2022

Sinh viên thực hiện

(Chữ ký, họ tên)

hghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohghghieh euu thu hghiem tao vah eu lou lvl lcmihcted veheer lumber bahg vah mohg xe tu go keo tci tuohg742413069:32:18 PM9:32:18 PM742413069:32:18 PM9:32:18 PM742413069:32:18 PM9:32:18 PM

Trang 3

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên sinh viên:

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

(Chữ ký, Họ tên)

Trang 4

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên sinh viên:

Trang 5

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦUMỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮTDANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1

1 Lí do chọn đề tài: 1

2 Mục tiêu nghiên cứu: 1

3 Đối tượng nghiên cứu: 1

4 Phạm vi nghiên cứu: 1

5 Phương pháp nghiên cứu: 1

6 Kết quả dự kiến đạt được: 1

PHẦN 2: NỘI DUNG KHÓA LUẬN 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NHÀ THÔNG MINH VÀ CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN CỦA NHÀ THÔNG MINH 2

1.1 Tổng quan về các thiết bị điều khiển dùng cho nhà thông minh 2

1.2 Tổng quan về các cảm biến cửa của nhà thông minh 3

1.2.1 Chức năng, công dụng của cảm biến cửa 5

1.2.2 Các loại cảm biến cửa ứng dụng cho nhà thông minh 5

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ VÀ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH PHẦN CỨNG 7

2.1 Mô hình hoạt động của thiết bị 7

2.1.1 Thiết bị trong mô hình hoạt động 7

2.1.2 Cloud server trong mô hình hoạt động 8

2.2 Sơ đồ khối phần cứng 8

2.3 Thiết kế mạch 9

2.3.1 Lựa chọn linh kiện cho mạch 9

2.3.1.1 Lựa chọn linh kiện cho mạch Điều khiển trung tâm (Gateway) 9

2.3.1.2 Lựa chọn linh kiện cho mạch Cảm biến (Sensor) 14

2.3.2 Thiết kế mạch nguyên lý và mạch in 18

2.3.2.1 Thiết kế mạch nguyên lý và mạch in cho mạch Điều khiển trung tâm (Gateway) 18

123docz.net - File bi loi xin lienhe: lethikim34079@hotmail.com

Trang 6

2.3.2.2 Thiết kế mạch nguyên lý và mạch in cho mạch Cảm biến (Sensor) 21

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC TRUYỀN THÔNG VÀ TRAO ĐỒI TÍN HIỆU 25

3.1 Công nghệ wifi và BLE 25

3.1.1 Wifi 25

3.1.2 Bluetooth Low Energy 25

3.1.3 Ứng dụng beacon của BLE 27

3.2 Mô hình truyền thông dữ liệu 28

3.2.1 Mô hình Center-Peripheral trong BLE 28

3.2.2 Mô hình Client-Server trong mạng 29

3.3 Giao thức truyền thông MQTT 31

3.4 Giới thiệu cloud server 32

3.4.1 Cloud server là gì 32

3.4.2 Cloud server Thingspeak 33

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN VÀ PHẦN MỀM 34

4.1 Lưu đồ giải thuật phần mềm 34

4.1.1 Lưu đồ phần mềm trên mạch cảm biến 34

4.1.2 Lưu đồ phần mềm trên mạch điều khiển trung tâm 34

4.2 Cài đặt các thông số trên cloud server 35

4.3 Lập trình phần mềm trên mạch điều khiển trung tâm và mạch cảm biến 374.3.1 Lâp trình mạch cảm biến 37

4.3.2 Lâp trình mạch điều khiển trung tâm 38

4.4 Tiến hành kiểm thử nghiệm (kết quả Demo, kết quả thử nghiệm thực) 39

4.4.1 Sản phầm sau khi hoàn thiện 39

4.4.2 Kết quả dữ liệu trên cloud 40

123docz.net - File bi loi xin lienhe: lethikim34079@hotmail.com

Trang 7

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ đầy đủ Nội dung

IoT Internet of Things

Là một liên mạng, trong đó các thiết bị, phương tiện vận tải, phòng ốc và các trang thiết bị khác được nhúng với các bộ phận điện tử, phần mềm, cảm biến, cơ cấu chấp hành cùng với khả năng kết nối mạng máy tính giúp cho các thiết bị này có thể thu thập và truyền tải dữ liệu

VPN

Virtual Private Network

Là mạng riêng ảo, cho phép người dùng thiết lập mạng riêng ảo với một mạng khác trên Internet

HTTP

HyperText Transfer Protocol

Giao thức truyền tải siêu văn bản, đây là một giao thức ứng dụng được sử dụng thường xuyên nhất trong bộ các giao thức TCP/IP (gồm một nhóm các giao thức nền tảng cho internet)

MQTT

Message Queuing Telemetry

Transport

Là giao thức truyền thông điệp (message) theo mô hình publish/subscribe (cung cấp/thuê bao), được sử dụng cho các thiết bị IoT với băng thông thấp, độ tin cậy cao và khả năng được sử dụng trong mạng lưới không ổn định

Trang 8

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Hoạt động của mô hình Center-Peripheral: 29

Trang 9

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Tổng quan về nhà thông minh 2

Hình 1.2: Cảm biến cửa 4

Hình 1.3: Cảm biến cửa với đèn và rèm cửa thông minh 5

Hình 1.4: Cảm biến cửa với cảm biến chuyển động và camera thông minh 6

Hình 1.5: Cảm biến cửa với còi hú thông minh 6

Hình 2.1: Mô hình hoạt động của thiết bị 7

Hình 2.2: Sơ đồ khối mạch Điều khiển trung tâm và mạch Cảm biến 8

Hình 2.3: Module thu phát wifi bluetooth ESP32 9

Hình 2.4: Sơ đồ chân của module thu phát wifi bluetooth ESP32 12

Hình 2.5: IC ổn áp nguồn AMS1117 SMD chân dán 12

Hình 2.6: Cuộn cảm dán 2.2uH 0805 SMD 13

Hình 2.7: Module Bluetooth E73 chip nRF52832 14

Hình 2.8: Sơ đồ chân của module bluetooth E73 16

Hình 2.9: Công tắc từ 16

Hình 2.10: Công tắc gạt 3 chân 17

Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý mạch Điều khiển trung tâm (Gateway) 18

Hình 2.12: Mô phỏng 2D mạch điều khiển trung tâm 19

Hình 2.13: Mô phỏng 3D mạch điều khiển trung tâm (mặt trước) 19

Hình 2.14: Mô phỏng 3D mạch điều khiển trung tâm (mặt sau) 20

Hình 2.15: Khối chuyển đổi nguồn của mạch Điều khiển trung tâm 20

Hình 2.16: Khối vi xử lý của mạch Điều khiển trung tâm 21

Hình 2.17: Sơ đồ nguyên lý mạch Cảm biến (Sensor) 21

Hình 2.18: Mô phỏng 2D mạch Cảm biến 22

Hình 2.19: Mô phỏng 3D mạch Cảm biến (mặt trước) 22

Hình 2.20: Mô phỏng 3D mạch Cảm biến (mặt sau) 22

Hình 2.21: Khối nguồn của mạch Cảm biến (Sensor) 23

Hình 2.22: Khối cảm biến của mạch Cảm biến (Sensor) 23

Hình 2.23: Khối xử lý của mạch Cảm biến (Sensor) 24

Hình 3.1: Mô hình Center-Peripheral 28

Hình 3.2: Mô hình Client-Server 29

Hình 3.3: Giao diện dashboard điều khiển và quản lý dữ liệu 33

Trang 10

Hình 4.1: Lưu đồ phần mềm trên mạch cảm biến 34

Hình 4.2: Lưu đồ hoạt động của điều khiển trung tâm 35

Hình 4.3: Cài đặt thông số đăng nhập cho thiết bị 36

Hình 4.4: Cài đặt thông số để lưu dữ liệu 36

Hình 4.5: Khung truyền của beacon 37

Hình 4.6: Xử lí đọc và update dữ liệu trạng thái cửa 37

Hình 4.7: Cấu hình kết nối cloud 38

Hình 4.8: Nhận và update dữ liệu lên cloud 38

Hình 4.9: Mạch Điều khiển trung tâm - Gateway (mặt trước) 39

Hình 4.10: Mạch Điều khiển trung tâm - Gateway (mặt sau) 39

Hình 4.11: Mạch Cảm biến - Sensor (mặt trước) 39

Hình 4.12: Mạch Cảm biến - Sensor (mặt sau) 40

Hình 4.13: Kết quả dữ liệu trên cloud 40

Trang 11

PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1 Lí do chọn đề tài:

Nhà thông minh là một xu hướng phát triển hiện nay của xã hội, việc ứng dụng các thiết bị điều khiển thông minh trong một ngôi nhà đem lại sự tiện ích cho người sử dụng Ngoài ra, hệ thống điều khiển nhà thông minh còn đem lại giải pháp an ninh tốt cho ngôi nhà như: báo trộm, báo cháy, báo khí ga …vv Do vậy, việc chọn đề tài “Nghiên cứu phát triển cảm biến trạng thái cửa ứng dụng trong hệ điều khiển nhà thông minh” sẽ đưa tới giải pháp giám sát trạng thái cửa, từ đó báo lên hệ thống và thông báo tới gia chủ qua điện thoại, từ đó gia chủ có thể biết được trạng thái các cửa có trong gia đình, đề phòng kẻ gian cũng như báo động tới gia chủ khi có kẻ gian đột nhập vào nhà Vấn đề nghiên cứu này là rất hữu ích, có tính cấp thiết cao, đem đến sự hoàn thiện cho hệ thống điều khiển nhà thông minh

2 Mục tiêu nghiên cứu:

Nghiên cứu thiết bị cảm biến phát hiển trạng thái cửa, thiết bị có chức năng truyền tín hiệu thông qua Bluetooth đến một thiết bị khác có kết nối mạng internet để báo hiệu trạng thái cũng như cảnh báo sự đột nhập tới gia chủ thông qua điện thoại, máy tính hoặc thiết bị kết nối internet khác

3 Đối tượng nghiên cứu:

Cửa và cảm biến cửa sử dụng trong nhà thông minh

4 Phạm vi nghiên cứu:

Nghiên cứu cảm biến được sử dụng trong nhà ở dân sự, không nghiên cứu cảm biến sử dụng trong các công xưởng, nhà kho, nhà máy, đơn vị công an, quân đội

5 Phương pháp nghiên cứu:

Phương pháp lý thuyết: Nghiên cứu qua sách báo, mạng và các phương tiện thông tin khác

Phương pháp kế thừa: Kế thừa các nghiên cứu trước của đồng nghiệp

6 Kết quả dự kiến đạt được:

Bộ cảm biến trạng thái cửa

Trang 12

PHẦN 2: NỘI DUNG KHÓA LUẬN

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NHÀ THÔNG MINH VÀ CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN CỦA NHÀ THÔNG MINH

1.1 Tổng quan về các thiết bị điều khiển dùng cho nhà thông minh

Nhà thông minh (Smart Home) là căn nhà được tích hợp các thiết bị, điện tử được điều khiển, giám sát, truy cập từ xa Smart Home được xây dựng trên nền tảng khái niệm Internet vạn vật (IoT) Tại đây, các thiết bị trong nhà có thể trao đổi thông tin với nhau, điều chỉnh các chức năng theo thói quen sinh hoạt hàng ngày của người dùng Hệ thống điện tử này giao tiếp với người dùng thông qua bảng điện tử đặt trong nhà, ứng dụng trên điện thoại di động, máy tính bảng hoặc một giao diện web

Nhờ ứng dụng các công nghệ như hồng ngoại, điện thoại thông minh, IoT, công nghệ đám mây… Nhà thông minh tích hợp các hệ thống cơ bản như hệ thống điều khiển ánh sáng, hệ thống an ninh, hệ thống điều khiển rèm, hệ thống kiểm soát môi trường, thiết bị cảm ứng… Việc điều khiển các hệ thống này thông qua một phần mềm cài đặt trên điện thoại hoặc máy tính có kết nối internet, có thể điều khiển nó từ bất kỳ đâu hoặc điều khiển bằng giọng nói

Hình 1.1: Tổng quan về nhà thông minh

Trong một căn nhà thông minh hay Smarthome, mọi nơi sẽ được kiểm soát bằng các thiết bị điện tử Chúng sẽ sử dụng các cách giao tiếp riêng đề hiểu nhau như: Bluetooth, Zigbee, Z-Wave, Wifi, Matter, KNX, … Và con người sẽ điều khiển qua chính chiếc điện thoại hay giọng nói của mình

Sử dụng công nghệ trong nhà, con người có thể kiểm soát và xem những gì đang diễn ra trong nhà của mình Ngay cả khi không có ai ở đó, sử dụng điện thoại

Trang 13

thông minh, máy tính bảng hoặc đôi khi là máy tính Chẳng hạn, nếu có con nhỏ ở nhà thì cũng có thể biết được mọi hoạt động của chúng

Nhà thông minh giúp tiết kiệm năng lượng vì bây giờ không cần phải đốt tiền bằng cách quên tắt máy lạnh khi đi làm Bằng cách theo dõi hệ thống sưởi, nước và điện, sẽ có rất ít khả năng chi trả quá mức hóa đơn điện

Sử dụng các Camera thông minh và thiết bị an ninh để bảo vệ căn nhà Những camera chất lượng cao thường kết nối trực tiếp với điện thoại

Hệ thống điều khiển rèm cửa, cửa sổ, cửa ra vào cũng luôn được tích hợp trong một ngôi nhà thông minh Với hệ thống điều khiển này thì chỉ cần ngồi tại chỗ mà vẫn có thể dễ dàng điều khiển hệ thống rèm rửa, cửa cuốn… thông qua một cái chạm tay Đồng thời cũng có thể thiết lập kịch bản cho rèm cửa như hạ xuống vào lúc 21h và mở lên vào lúc 6h sáng hôm sau Hoặc điều khiển mở rèm bằng giọng nói với loa thông minh

Nhà thông minh còn có chức năng vô cùng đặc biệt đó là điều khiển bằng giọng nói Đây là một chức năng rất đặc biệt được nhiều người yêu thích bởi chúng cho phép chủ nhà điều khiển, kiểm soát tất cả các thiết bị trong gia đình bằng giọng nói của chính mình

Chỉ với một thiết bị có trợ lý ảo là có thể điều khiển mọi thứ trong nhà của mình Cho dù ở bất cứ nơi đâu, dù đi công tác, du lịch nghỉ dưỡng, … Phổ biến nhất hiện nay đó là trợ lý ảo Siri, Google Assistant, Amazon Alexa

Hệ thống điều hòa đều có thể thông minh hơn mà không cần phải lắp đặt phức tạp hay tu sửa Chỉ với một thiết bị hồng ngoại không dây, cũng có thể điều khiển máy lạnh từ điện thoại

Cảm biến thông minh cũng là một yếu tố quan trọng và không thể thiếu trong internet vạn vật (IoT), môi trường ngày càng phổ biến trong đó hầu hết mọi thứ có thể tưởng tượng đều có thể được trang bị một mã nhận dạng duy nhất và khả năng truyền dữ liệu qua internet hoặc một mạng tương tự Một cách triển khai của cảm biến thông minh là các thành phần của mạng cảm biến và thiết bị truyền động không dây (WSAN) có các nút có thể lên tới hàng nghìn, mỗi nút được kết nối với một hoặc nhiều cảm biến và trung tâm cảm biến khác, cũng như các thiết bị truyền động riêng lẻ

1.2 Tổng quan về các cảm biến cửa của nhà thông minh

Cảm biến cửa (Door Sensor hay Door Contact) là sản phẩm có chức năng phát hiện trạng thái đóng/mở cửa Thiết bị có thể lắp đặt để đảm bảo an ninh cho mọi hệ thống cửa như: cửa sổ, cửa ra vào, cổng nhà để xe… Thiết bị rất quan trọng trong hệ

Trang 14

thống an ninh của smarthome Nó có chức năng báo động cho bạn biết khi có người đột nhập vào nhà Lúc này, cảm biến sẽ gửi tín hiệu nhận được về bộ điều khiển trung tâm (HC) HC xử lý tín hiệu và truyền dữ liệu về điện thoại, máy tính, ipad, … để thông báo, kích hoạt các hệ thống thiết bị “chống trộm” của chủ nhà hoạt động để cảnh báo

Hình 1.2: Cảm biến cửa

Cảm biến cửa kết nối với Wi-Fi và hoạt động thông qua một bộ điều khiển trung tâm (gồm cả không dây và có dây) Mặc dù có một số loại và kiểu cảm biến báo động cửa khác nhau, nhưng hầu hết đều sử dụng công tắc từ và nam châm để xác định thời điểm cửa mở hoặc đóng Khi công tắc đóng thì hai bộ phận của nam châm đặt gần nhau (song song nhau) và sẽ xuất hiện dòng điện chạy qua Khi công tắc bị mở thì hai thành phần nam châm tách ra, làm cho dòng điện ngừng và mạch hở Khi đó, sẽ có một thông báo được gửi tới bộ điều khiển trung tâm để kích hoạt cảnh báo trên điện thoại của bạn, và làm hoạt động các hệ thống báo động trong nhà

Cảm biến thông minh là một thiết bị lấy đầu vào từ môi trường vật lý và sử dụng tài nguyên máy tính tích hợp để thực hiện các chức năng được xác định trước khi phát hiện đầu vào cụ thể và sau đó xử lý dữ liệu trước khi chuyển nó

Tài nguyên máy tính thường được cung cấp bởi bộ vi xử lý di động công suất thấp Ở mức tối thiểu, một cảm biến thông minh được làm bằng một bộ cảm biến, một bộ vi xử lý và một số loại công nghệ truyền thông Tài nguyên máy tính phải là một phần không thể thiếu của thiết kế vật lý – một cảm biến chỉ gửi dữ liệu của nó để xử lý từ xa không được coi là một cảm biến thông minh

Trang 15

1.2.1 Chức năng, công dụng của cảm biến cửa

Cảm biến cửa là thiết bị giúp nhanh chóng nhận biết được khi nào cửa bị mở ra hoặc bị trộm bẻ khóa để đột nhập Vì vậy, nó thực sự hữu ích và an ninh cho ngôi nhà của bạn

Khi sử dụng cảm biến cửa cho mục đích phát hiện xâm nhập, cảm biến cửa có hai chức năng quan trọng sau:

- Bảo vệ không gian trong nhà hay văn phòng, ngăn người ngoài xâm nhập vào Cảm biến cửa cho sẽ biết nếu ai đó vào nhà, cũng có thể đặt nó để phát ra báo động ngăn cản ai đó xâm nhập vào

- Sử dụng cảm biến cửa để theo dõi bất kỳ ai đang ở trong nhà Điều đó đảm bảo rằng những đứa trẻ nhỏ (≤ 3 tuổi) không đi lung tung khi không có người lớn giám sát

Không chỉ bảo vệ ngôi nhà khỏi sự xâm nhập của người lạ từ bên ngoài mà còn có thể đảm bảo trẻ nhỏ vẫn an toàn khi ở trong nhà Khi kết nối với cảm biến với điện thoại, thì sẽ luôn theo dõi được tình trạng ngôi nhà Mỗi khi có sự cố không may, kẻ đột nhập thì có thể nhận biết kịp thời và hoàn toàn yên tâm trong những chuyến đi chơi hay công tác xa nhà

1.2.2 Các loại cảm biến cửa ứng dụng cho nhà thông minh

Đối với nhà thông minh, hoàn toàn có thể kết hợp nhiều thiết bị với nhau để chúng có thể tự động hoạt động theo những kịch bản có sẵn Cảm biến cửa cũng không phải ngoại lệ vì nó dễ dàng kết nối với các thiết bị thông minh khác Tuy nhiên, việc kết hợp cảm biến cửa với những thiết bị dưới đây sẽ là tốt nhất

Hình 1.3: Cảm biến cửa với đèn và rèm cửa thông minh

Cảm biến cửa với đèn và rèm cửa thông minh: kết hợp hệ thống chiếu sáng trong nhà và cảm biến cửa là kịch bản được rất nhiều gia chủ sử dụng Có thể thiết

Trang 16

lập ngữ cảnh trở về nhà vào buổi tối lúc 18h, khi cửa mở là cảm biến sẽ truyền tín hiệu để đèn sẽ tự động sáng và rèm cửa cũng tự động kéo ra

Hình 1.4: Cảm biến cửa với cảm biến chuyển động và camera thông minh

Cảm biến cửa với cảm biến chuyển động và camera thông minh: đây là sự kết hợp hoàn hảo để đảm bảo an ninh trong nhà Với 3 thiết bị này, thì hoàn toàn yên tâm khi trời tối hoặc khi đi xa Vì ngay khi phát hiện có hành động phá cửa bất thường theo ngữ cảnh đã cài đặt thì tín hiệu từ thiết bị sẽ giúp hệ thống đèn tự động chiếu sáng, còi hú to, rèm cửa trong nhà mở, đồng thời gửi cảnh báo đến trực tiếp smartphone cho gia chủ

Hình 1.5: Cảm biến cửa với còi hú thông minh

Cảm biến cửa với còi hú thông minh: đây cũng là một sự kết hợp đáng tham khảo, trong trường hợp có ai mở cửa vào nhà thì còi sẽ hú lên để cảnh báo Giúp con người khi đang không cầm điện thoại để nhận thông báo của cảm biến cửa gửi tới vẫn biết có người ra vào nhà mình

Trang 17

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ VÀ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH PHẦN CỨNG

2.1 Mô hình hoạt động của thiết bị

Hệ thống thiết kế bao gồm: mạch Cảm biến (Sensor) và mạch Điều khiển trung tâm (Gateway)

Hình 2.1: Mô hình hoạt động của thiết bị

Mô hình hoạt động của thiết bị sẽ được chia làm 2 phần chính: phần thiết bị và phần cloud server

2.1.1 Thiết bị trong mô hình hoạt động

Phần thiết bị sẽ bao gồm 1 thiết bị có khả năng phát hiện được trạng thái đóng mở của cửa gọi mà thiết bị cảm biến Thiết bị cảm biến sử dụng công nghệ Bluetooth low energy (BLE) để truyền dữ liệu đi

Một thiết bị trung gian nằm ở giữa gọi là thiết bị điều khiển trung tâm Thiết bị điều khiển trung tâm sử dụng công nghệ BLE để tiếp nhận dữ liệu từ 1 hoặc nhiều cảm biến, mỗi cảm biến sẽ được phân biệt bằng chỉ số ID Trong phạm vi khóa luận sẽ sử dụng 1 cảm biến duy nhất Trên thiết bị điều khiển trung tâm còn được trang bị thêm công nghệ wifi để có khả năng kết nối ra ngoài phạm vi nội bộ, kết nối nối với internet để gửi được dữ liệu ra bên ngoài Cụ thể ở đây là thiết bị điều khiển trung tâm sẽ gửi dữ liệu lên cloud Thingspeak

Trang 18

2.1.2 Cloud server trong mô hình hoạt động

Phần cloud server: trong mô hình sử dụng 1 cloud server của bên thứ 3 đó là

Thingspeak Thingspeak là một nền tảng mà có thể hiển thi dữ liệu trên Cloud Chúng

ta có thể truy cập để hiển thị hoặc lấy dữ liệu từ Cloud về thiết bị IOT thông qua giao thức HTTP và MQTT Thingspeak hoàn toàn miễn phí và giao diện cũng khá đẹp nên có rất nhiều người trên thế giới sử dụng

Thông qua Thingspeak dữ liệu mà thiết bị điều khiển trung tâm gửi lên thông qua giao thức MQTT sẽ được lưu trữ và có thể hiển thị thông qua các giao diện như

Hình 2.2: Sơ đồ khối mạch Điều khiển trung tâm và mạch Cảm biến

- Sơ đồ khối mạch Điều khiển trung tâm (Gateway) bao gồm: cổng USB micro để có thể cấp nguồn 5V (từ adapter, cổng USB laptop máy tính, ); Khối chuyển đổi nguồn 5V sang 3,3V, cấp nguồn hoạt động cho module ESP32; Module ESP32 đã tích hợp sẵn antenna chạy Wifi và Bluetooth năng lượng thấp (BLE)

- Sơ đồ khối mạch Cảm biến (Sensor) bao gồm: khối nguồn (2 viên PIN AAA 1.5V mắc nối tiếp) cấp nguồn hoạt động cho Công tắc từ và Module E73 chạy Bluetooth năng lượng thấp Công tắc từ sẽ phát hiện sự kiện đóng mở cửa, tín hiệu được đọc bởi Module E73

Trang 19

2.3 Thiết kế mạch

2.3.1 Lựa chọn linh kiện cho mạch

2.3.1.1 Lựa chọn linh kiện cho mạch Điều khiển trung tâm (Gateway)

a Module ESP

Hình 2.3: Module thu phát wifi bluetooth ESP32

Module thu phát wifi bluetooth ESP32 được phát triển trên nền module trung tâm là ESP32 với công nghệ Wifi, BLE và nhân ARM SoC tích hợp mới nhất hiện nay, kit có thiết kế phần cứng, firmware và cách sử dụng tương tự Kit NodeMCU ESP8266, với ưu điểm là cách sử dụng dễ dàng, ra chân đầy đủ, tích hợp mạch nạp và giao tiếp UART CP2102, Kit Wifi BLE ESP32 NodeMCU LuaNode32 là sự lựa chọn hàng đầu trong các nghiên cứu, ứng dụng về Wifi, BLE và IoT

- 8 KBytes SRAM in RTC SLOW; - 8 KBytes SRAM in RTC FAST;

Trang 20

- 1 Kbit of EFUSE, 256 bits MAC;

- WiFi: 802.11 b/g/n/d/e/i/k/r (802.11n up to 150 Mbps); - Bluetooth v4.2 BR/EDR and BLE specification;

- Wi-Fi mode Station/softAP/SoftAP+station/P2P; - Security WPA/WPA2/WPA2-Enterprise/WPS; - Encryption AES/RSA/ECC/SHA;

- IPv4, IPv6, SSL, TCP/UDP/HTTP/FTP/MQTT;

- Interfaces: SD-card, UART, SPI, SDIO, I2C, LED PWM, Motor PWM, I2S, IR, GPIO, capacitive touch sensor, ADC, DAC, Hall sensor, temperature sensor

+) Bộ đồng xử lý (co-processor) công suất cực thấp (Ultra low power, viết tắt: ULP)

- Hệ thống xung nhịp: CPU Clock, RTC Clock và Audio PLL Clock +) Bộ nhớ nội: 448 KB bộ nhớ ROM cho việc booting và các tính năng lõi +) 520 KB bộ nhớ SRAM trên chip cho dữ liệu và tập lệnh

- Kết nối không dây: +) Wi-Fi: 802.11 b/g/n

+) Bluetooth: v4.2 BR/EDR và BLE (chia sẻ sóng vô tuyến với Wifi) - 34 GPIO pad vật lý với các ngoại vi:

+) ADC SAR 12 bit, 18 kênh +) DAC 2 × 8-bit

+) 10 cảm biến cảm ứng (touch sensor) (GPIO cảm ứng điện dung)

+) 3 SPI (SPI, HSPI và VSPI) hoạt động ở cả 2 chế độ master/slave Module ESP32 hỗ trợ 4 ngoại vi SPI với SPI0 và SPI1 kết nối đến bộ nhớ flash của ESP32 còn SPI2 và SPI3 tương ứng với HSPI và VSPI.[9]

+) 2 I²S

Trang 21

+) 2 I²C, hoạt động được ở cả chế độ master và slave, với chế độ Standard mode (100 Kbit/s) và Fast mode (400 Kbit/s) Hỗ trợ 2 chế độ định địa chỉ là 7-bit và 10-bit Các GPIO đều có thể được dùng để triển khai I²C

+) 3 UART (UART0, UART1, UART2) với tốc độ lên đến 5 Mbps +) SD/SDIO/CE-ATA/MMC/eMMC host controller

+) SDIO/SPI slave controller

+) Ethernet MAC interface cho DMA và IEEE 1588 Precision Time Protocol (tạm dịch: Giao thức thời gian chính xác IEEE 1588)

+) 1024-bit OTP, lên đến 768-bit cho khách hàng

+) Tăng tốc mã hóa phần cứng: AES, SHA-2, RSA, elliptic curve cryptography (ECC, tạm dịch: mật mã đường cong ellip), trình tạo số ngẫu nhiên (random number generator, viết tắt: RNG)

- Quản lý năng lượng:

+) Bộ ổn áp nội với điện áp rơi thấp (internal low-dropout regulator) +) Miền nguồn riêng (individual power domain) cho RTC

+) Dòng 5 μA cho chế độ deep sleep

+) Trở lại hoạt động từ ngắt GPIO, timer, đo ADC, ngắt với cảm ứng điện dung

Trang 22

* Sơ đồ chân của module ESP32:

Hình 2.4: Sơ đồ chân của module thu phát wifi bluetooth ESP32

b IC ổn áp nguồn AMS1117 SMD chân dán

Hình 2.5: IC ổn áp nguồn AMS1117 SMD chân dán

Dòng bộ điều chỉnh cố định và điều chỉnh tích cực WR1117A được thiết kế để cung cấp 1A với hiệu suất cao Tất cả các mạch bên trong được thiết kế để hoạt động với mức chênh lệch đầu vào-đầu ra 1,4V Cắt trên chip điều chỉnh điện áp tham chiếu thành 2% Mạch giới hạn dòng điện bên trong cho phép giảm thiểu ứng suất trên cả bộ điều chỉnh và mạch nguồn trong điều kiện quá tải

Trang 23

* Thông số kỹ thuật:

- Điện áp đầu vào: 12V;

- Điện áp đầu ra:1.2, 1.5, 1.8, 2.5, 3.3, 5V, ADJ; - Dòng điện đầu ra: 1A;

- Nhiệt độ hoạt động: -40 đến 150 độ C; - Kiểu chân: SMD

- Nhiệt độ hoạt động: -40 ° C ~ 125 ° C

* Ứng dụng:

- Ứng dụng vào các mạch điện tử; - Thay thế IC bị hỏng;

Trang 24

* Tính năng:

- Dòng phân cực DC cao hơn và điện trở DC thấp hơn do công nghệ rãnh; - Cấu hình thấp và độ dày mỏng;

- Cấu trúc nguyên khối cho độ tin cậy cao;

- Khả năng hàn tuyệt vời và khả năng chịu nhiệt cao; - Không có khớp nối chéo do lá chắn từ tính

2.3.1.2 Lựa chọn linh kiện cho mạch Cảm biến (Sensor)

a Module E73

Hình 2.7: Module Bluetooth E73 chip nRF52832

E73-2G4M04S1B là mô-đun không dây bluetooth SMD dựa trên chip RF nRF52832 của NORDIC NRF52832 có lõi ARM CORTEX-M4 hiệu suất cao và ngăn xếp giao thức và thu phát Bluetooth 4.2 và Bluetooth 5 RF, đồng thời có các tài nguyên ngoại vi phong phú như UART, I2C, SPI, ADC, DMA, PWM, v.v Mô-đun mang lại hầu hết các cổng I/O, thuận tiện cho người dùng tiến hành phát triển nhiều mặt Mô-đun có ăng-ten PCB tích hợp và có thể kết nối các ăng-ten khác thông qua IPEX E73-2G4M04S1B đã đạt được FCC, CE, RoHS và các báo cáo chứng nhận có thẩm quyền quốc tế khác, người dùng không cần lo lắng về hiệu suất của nó Chúng tôi sử dụng tinh thể hoạt động trôi ở nhiệt độ thấp có độ chính xác cao 32MHz để đảm bảo tính ổn định và đặc tính công nghiệp của nó Mô-đun này là một mô-đun SoC phần cứng thuần túy nên cần phải lập trình nó trước khi có thể sử dụng

Trang 25

- IC nRF52832; - RAM 64 KB;

- Giao diện Truyền thông I/O;

- Tần số làm việc 2379 đến 2496 MHz; - Công suất truyền 4 dBm;

- Khoảng cách kiểm tra 100 m;

- Tốc độ dữ liệu không khí 1 Mbps, 2 Mbps; - Nguồn điện 1,8V đến 3,6V;

- Mức giao tiếp 3,3V; - Truyền dòng điện 18 mA; - Loại giao diện UART, I2C, SPI; - Nhiệt độ hoạt động -40 đến +85 ℃; - Kích thước 17,5 x 28,7 mm

* Tính năng:

- Khoảng cách giao tiếp được kiểm tra lên đến 100m;

- Công suất truyền tối đa 2,5mW, phần mềm có thể điều chỉnh nhiều cấp độ; - Hỗ trợ bluetooth 4.2 và bluetooth 5.0;

- Tích hợp bộ dao động tinh thể xung nhịp 32,768 kHz; - Hỗ trợ băng tần 2.4GHz ISM miễn phí giấy phép toàn cầu; - Tài nguyên phong phú, 512KB FLASH, 64KB RAM;

- Hỗ trợ nguồn điện 2.0V ~ 3.6V, nguồn điện hơn 3.3V có thể đảm bảo hiệu suất tốt nhất;

- Thiết kế tiêu chuẩn cấp công nghiệp, hỗ trợ -40 ~ 85°C trong thời gian dài; - Hỗ trợ ăng-ten PCB trên bo mạch và giao diện IPEX, người dùng có thể lựa chọn theo nhu cầu của mình

* Ứng dụng:

- Cảm biến nhà thông minh và công nghiệp; - Hệ thống an ninh và hệ thống định vị; - Điều khiển từ xa không dây, UAV; - Bộ điều khiển từ xa trò chơi không dây; - Sản phẩm chăm sóc sức khỏe;

Trang 26

- Giọng nói không dây, tai nghe không dây; - Các ứng dụng trong ngành ô tô

* Sơ đồ chân của module bluetooth E73:

Hình 2.8: Sơ đồ chân của module bluetooth E73

b Công tắc từ

Hình 2.9: Công tắc từ

Trang 27

Công tắc từ loại công tắc khi có từ trường mạnh tiến đến gần, sẽ bị tác động bởi lực từ trường, tiếp điểm đóng lại nối 2 đầu dây, công tắc đóng và dẫn điện

- Tổng chiều dài: 44.7mm; - Thân cảm biến: nhựa ABS; - Công suất tiếp điểm: 10W;

- Điện áp chuyển mạch tối đa: 100VDC; - Dòng điện chuyển mạch tối đa: 0.5A; - Điện áp phá hủy: 150VDC;

- Dòng điện truyền tải tối đa: 1A;

- Điện trở tiếp điểm tiếp xúc: < 100mΩ (không bao gồm dây dẫn); - Trở kháng vào: 109Ω;

- Thời gian mở tối đa: 0.3ms; - Thời gian thực thi tối đa: 1ms

Trang 28

- Kích thước 3x6x2.5mm; - Số chân: 3;

- Kiểu chân: Cắm

* Tính năng:

- Công tắc gạt thường được sử dụng trong các mạch điện tử; - Các thiết bị cần đóng cắt với trạng thái ON hoặc OFF; - Là loại công tắc nhỏ gọn, độ bền cao

2.3.2 Thiết kế mạch nguyên lý và mạch in

2.3.2.1 Thiết kế mạch nguyên lý và mạch in cho mạch Điều khiển trung tâm (Gateway)

Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý mạch Điều khiển trung tâm (Gateway)

Trang 29

Hình 2.12: Mô phỏng 2D mạch điều khiển trung tâm

Hình 2.13: Mô phỏng 3D mạch điều khiển trung tâm (mặt trước)

Trang 30

Hình 2.14: Mô phỏng 3D mạch điều khiển trung tâm (mặt sau)

a Khối chuyển đổi nguồn

Hình 2.15: Khối chuyển đổi nguồn của mạch Điều khiển trung tâm

Khối nguồn dùng để cung cấp năng lượng cho toàn hệ thống hoạt động Nguồn đầu vào được cung cấp thông qua cổng Micro USB có điện áp 5V Đèn led D1 dùng để báo trạng thái nguồn vào, khi đèn sáng thì có nguồn đang được cấp

Sử dụng IC hạ áp WR1117A để chuyển đổi nguồn từ 5V thành nguồn 3V3 để cung cấp cho vi điều khiển hoạt động ổn định Các tụ C1, C2, C3, C4, C7, C8,… để ổn định điện áp ra và chống nhiễu Ngoài ra còn có các cuộn lọc Ferrite Bead FB1, FB2 để chặn các tín hiệu cao tần, lọc xung nhiễu

Trang 31

b Khối vi xử lý

Hình 2.16: Khối vi xử lý của mạch Điều khiển trung tâm

Trung tâm điều khiển của hệ thống là module ESP32-WROOM-32 hoạt động với điện áp 3V3 Có khả năng thu phát sóng WIFI và BLUETOOTH Là một loại vi điều khiển có tốc độ xử lý mạnh mẽ đồng thời tiết kiệm năng lượng ESP32 được dùng làm chip điều khiển chính của mạch điều khiển trung tâm, làm trung tâm kết nối giữa các hệ thống node mạch cảm biến, đồng thời có khả năng kết nối internet

2.3.2.2 Thiết kế mạch nguyên lý và mạch in cho mạch Cảm biến (Sensor)

Hình 2.17: Sơ đồ nguyên lý mạch Cảm biến (Sensor)

Trang 32

Hình 2.18: Mô phỏng 2D mạch Cảm biến

Hình 2.19: Mô phỏng 3D mạch Cảm biến (mặt trước)

Hình 2.20: Mô phỏng 3D mạch Cảm biến (mặt sau)

Trang 33

a Khối nguồn

Hình 2.21: Khối nguồn của mạch Cảm biến (Sensor)

Khối nguồn của hệ thống mạch cảm biến sử dụng loại PIN AAA có điện áp 1.5V mắc nối tiếp trở thành 3V để cung cấp năng lượng PIN AAA là loại pin nhỏ gọn, phù hợp hệ thống Công tắc khoá K1 dùng để đóng ngắt nguồn điện khi cần thiết

b Khối cảm biến

Hình 2.22: Khối cảm biến của mạch Cảm biến (Sensor)

Khối cảm biến sử dụng công tắc từ, một loại công tắc khi có tác động bởi nam châm sẽ phát tín hiệu cho mạch cảm biến để nhận biết cửa có đang bị mở hay không

c Khối xử lý

Trang 34

Hình 2.23: Khối xử lý của mạch Cảm biến (Sensor)

Khối xử lý chính của hệ thống mạch cảm biến là chip NRF52832, dùng công nghệ sóng BLE (Bluetooth Low Energy) để truyền và nhận dữ liệu đến mạch điều khiển trung tâm Với khả năng tiêu thụ năng lượng vô cùng thấp nên được ứng dụng nhiều vào các mạng lưới IoT: node cảm biến, smarthome, thiết bị đeo tay, Khả năng hoạt động của thiết bị sử dụng NRF52832 được nhiều ngày mà không cần phải cung cấp thêm năng lượng

Cổng kết nối J1 được sử dụng để nạp code cho module thông qua JTAG interface SWD hoặc J-Link

Trang 35

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC TRUYỀN THÔNG VÀ TRAO ĐỒI TÍN HIỆU

3.1 Công nghệ wifi và BLE

3.1.1 Wifi

Fi là một giao thức mạng không dây dựa trên chuẩn IEEE 802.11 Với Fi, mạng cục bộ (LAN) được sử dụng để cung cấp truy cập internet trong một phạm vi nhất định Loại giao thức mạng phổ biến nhất ở trong nhà, văn phòng làm việc cho việc kết nối các máy tính bàn, laptop, tablet, điện thoại thông minh, máy in, mà không cần đến cáp mạng, cũng như việc kết nối Internet cho các thiết bị này và trong các không gian công cộng như quán cà phê, sân bay… để phục vụ nhu cầu kết nối Internet cho các thiết bị di động, khi các thiết bị đó nằm trong khu vực có sóng của những hệ thống WiFi này

Wi-Các sóng vô tuyến sử dụng cho WiFi gần giống với các sóng vô tuyến sử dụng cho thiết bị cầm tay, điện thoại di động và các thiết bị khác Nó có thể truyền và nhận sóng vô tuyến, chuyển đổi các mã nhị phân 1 và 0 sang sóng vô tuyến và ngược lại

Wifi phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz, 5 GHz hoặc 60 GHz Tần số này cao hơn so với các tần số sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay và truyền hình Tần số cao hơn cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn

Nhược điểm của Wi-Fi là chỉ hoạt động tốt cho phạm vi ngắn Xét về khả năng truyền tin, Wifi vượt trội hơn hẳn so với Zigbee hay Bluetooth Mesh (tốc độ truyền gấp khoảng 4200 lần), nhưng khi đặt vào tình huống điều khiển đèn thông minh, đặc điểm này lại trở nên không cần thiết Bởi, đặc thù của thiết bị IOT chính là lượng thông tin truyền tải khá nhỏ So với khả năng truyền bản tin lớn, thì thiết bị đèn thông minh cần tiết kiệm điện năng hơn

3.1.2 Bluetooth Low Energy

Bluetooth Low Energy (BLE) là công nghệ giao tiếp không dây công suất thấp có thể được sử dụng trong một khoảng cách ngắn để cho phép các thiết bị thông minh giao tiếp với nhau Một số thiết bị bạn tương tác hàng ngày như điện thoại thông minh, đồng hồ thông minh, thiết bị theo dõi thể dục, tai nghe không dây và máy tính đang sử dụng BLE để tạo ra trải nghiệm liền mạch BLE hoạt động ở tần số 2.4 Ghz ISM band, giúp tránh nhiễu sóng giữa các thiết bị WiFi và Bluetooth Thủ tục thiết lập kết nối và truyền dữ liệu rất nhanh (khoảng 3 ms)

BLE là một tiêu chuẩn Bluetooth tương đối mới được "định danh" bởi SIG (Bluetooth Special Interest Group) với trọng tâm cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng khi truyền dữ liệu BLE có nhiều khả năng và được triển khai trong một loạt

Trang 36

các lĩnh vực như sức khỏe, thể dục, bảo mật, tự động hóa gia đình, giải trí gia đình, công nghiệp thông minh và IoT (Internet of Things) Nó cũng được ứng dụng trên các thiết bị quen thuộc hàng ngày như điện thoại thông minh và máy tính xách tay mà bạn đang sử dụng

Công nghệ BLE phù hợp với các ứng dụng không yêu cầu truyền một lượng lớn dữ liệu, do đó có thể chỉ khôi phục một số ít thông tin dữ liệu Và cũng nhờ thế mà thiết bị có thể chạy bằng năng lượng pin trong nhiều năm với chi phí thấp hơn Bluetooth vì nó không yêu cầu kết nối liên tục BLE không được xem là bản nâng cấp của Bluetooth thông thường, nó là một công nghệ mới tập trung vào IoT - những thiết bị có ít dữ liệu được truyền đi ở tốc độ thấp

BLE sử dụng cấu trúc dữ liệu phân cấp để xác định cấu trúc trao đổi thông tin Một thiết bị BLE hoạt động như một thiết bị ngoại vi sẽ quảng cáo các dịch vụ và đặc điểm của nó để có thể được sử dụng trong việc giao tiếp với thiết bị khác Các thuộc tính này được xác định bằng cách sử dụng cấu hình GATT (Generic Attributes: thuộc tính chung) Các đặc điểm này thể hiện các giá trị dưới dạng gói thông tin nhỏ có thể thay đổi theo thời gian

Các đặc tính có thể được xác định để chứa các giá trị theo kiểu đọc hoặc ghi Các thiết bị ngoại vi cung cấp các đặc tính kiểu đọc sẽ thường công bố thông tin cho trung tâm để gửi dữ liệu đi Các thiết bị ngoại vi cung cấp đặc điểm kiểu ghi thường có giao diện để nhận dữ liệu từ một trung tâm

Bluetooth Low Energy ra đời với hy vọng mang lại những hiệu quả tối ưu cho người dùng qua các thiết bị IoT, chính vì điều đó nó đã được ứng dụng một cách rộng rãi trong các thiết bị công nghệ thông minh với đa dạng lĩnh vực Chẳng hạn như:

- Phụ kiện định vị theo dõi vị trí đồ vật với độ chính xác cao - Samsung SmartTag Đây là thiết bị được gắn vào các vật dụng khác nhau để chủ nhân có thể dễ dàng tìm thấy khi cần

- Nhà thông minh (Smart home) với những đồ vật được điều khiển bằng smartphone Chẳng hạn August Smart Lock sẽ biến chiếc điện thoại của người dùng thành một chiếc chìa khóa điện tử

- Vòng đeo tay thông minh hỗ trợ tính năng theo dõi và ghi nhận thông tin về các chế độ luyện tập thể thao của người dùng và đồng bộ dữ liệu cho smartphone

-Trong chăm sóc sức khỏe, công nghệ BLE được áp dụng vào thiết bị CGMP, giúp theo dõi hàm lượng glucose

Trang 37

Hệ thống trung tâm của công nghệ BLE thường là smartphone, tablet, laptop có hỗ trợ các hệ điều hành iOS, Android, Windows Phone cũng như macOS, Linux, Windows 8 và Windows 10

Quan trọng nhất vẫn chính là sự tích hợp của công nghệ BLE trong hầu hết các điện thoại thông minh được bán trong thị trường hiện nay mang đến nhiều lợi thế hơn những công nghệ khác

3.1.3 Ứng dụng beacon của BLE

Về cơ bản, Beacon (hay còn được gọi là đèn hiệu) là các máy phát không dây

nhỏ chứa một lượng dữ liệu không đáng kể Công nghệ này có khả năng truyền tín hiệu vô tuyến đến smartphone hoặc máy tính bảng ở gần Beacon hoạt động dựa trên nền tảng Bluetooth Nhiệm vụ của Beacon là kết nối và truyền tải thông tin đến các thiết bị thông minh Nhờ đó, quá trình tương tác và tìm kiếm theo vị trí sẽ đạt hiệu quả cao hơn

Một số loại beacon:

IBeacon của Apple

Cuối năm 2013, Apple lần đầu tiên ra mắt giao thức Beacon của mình là iBeacon Đèn hiệu này hoạt động mạnh mẽ trên cả Android của Google và iOS của Apple Giao thức iBeacon truyền UUID với một chuỗi 24 số để giao tiếp với ứng dụng đã được cài đặt trên thiết bị di động

Eddystone của Google

Eddystone được tung ra thị trường bởi Google vào giữa năm 2015 Tên gọi đầu tiên của Eddystone là Uri Beacon Đèn hiệu của Eddystone được chế tạo đặc biệt để có thể truyền qua ba loại khung hình khác nhau

Giao thức này hoạt động mạnh mẽ trên cả nền tảng iOS và Android Eddystone được xem là đèn hiệu duy nhất truyền gửi cả ba loại khung của Google, bao gồm:

- URL: Liên kết trang web dẫn đến các thiết bị URL hỗ trợ điện thoại truy cập website mà không cần cài đặt ứng dụng

- UID: Hoạt động tương tự như UUID của Apple nhưng chuỗi chỉ có 16 số xác định đèn hiệu riêng lẻ Khung này có khả năng kích hoạt ứng dụng trên điện thoại hiệu quả

- TLM: Thông qua phép đo từ xa, loại khung này có thể thực hiện giao tiếp giữa dữ liệu quản trị và cảm biến