Nhà thông minh (tiếng Anh: home automation, domotics, smart home hoặc Intellihome): Là những ngôi nhà mà thiết bị điện có thể điều khiển tự động hoặc bán tự động hoặc thay thế con người trong việc thực hiện một số thao tác quản lý thiết bị trong nhà. • Ưu điểm: o Tiện nghi hơn: Giúp điểu khiển các thiết bị điện thông qua smartphone. o Tiết kiệm hơn, an toàn hơn: Các thiết bị có thể tự động bật tắt theo nhu cầu của người dùng.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN TỬ
BÁO CÁO
KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNGKHÔNG DÂY ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ ĐỘ ẨM
SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ BLUETOOTH
GVHD: ThS Bùi Như Phong
Sinh viên thực hiện: Lê Hoàng Anh - 2019605177Đào Minh Hiếu - 2019605218
Hà Nội - 2022
Trang 21.3 Nguyên lý hoạt động của Bluetooth 9
1.3.1 Tổng quan mô hình mạng của Bluetooth 9
1.3.2 Cách thức truyền thông của Bluetooth 10
1.4 Ứng dụng của Bluetooth trong truyền thông không dây 10
1.5 Phân chia công việc trong nhóm 11
PHẦN 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 12
2.1 Yêu cầu thiết kế 12
2.2 Sơ đồ khối thiết kế 12
2.3 Lựa chọn linh kiện thiết kế 13
2.3.1 Arduino Uno R3 13
2.3.2 Arduino Nano 14
Trang 32.4.2 Sơ đồ đấu nối 19
PHẦN 3: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG VÀ KẾT QUẢ 20
3.1 Đánh giá hiệu năng 20
3.2 Kết quả đạt được 22
TÀI LIỆU THAM KHẢO 23
PHỤ LỤC 24
Trang 4DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Mô hình truyền thông mạng Bluetooth 10
Hình 2.1 Sơ đồ khối tổng quan 12
Hình 2.2 Sơ đồ chân Arduino Uno R3 13
Hình 2.3 Sơ đồ chân Arduino Nano 14
Hình 2.4 Module Bluetooth HC05 15
Hình 2.5 Cảm biến nhiệt độ HDT11 16
Hình 2.6 Màn hình OLED 1.3” 17
Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý thiết bị truyền 18
Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý thiết bị nhận 18
Hình 2.9 Sơ đồ đấu nối thiết bị truyền 19
Hình 2.10 Sơ đồ đấu nối thiết bị nhận 19
Hình 3.1 Kết quả chạy mạch thực tế 22
DANH MỤC BẢNG BIỂUBảng 1.1 Bảng so sánh giữa các chuẩn truyền thông không dây 9
Bảng 1.2 Bảng phân chia công việc 11
Bảng 3.1 Bảng thành phần cấu tạo hệ thống 20
Bảng 3.2 Bảng đánh giá hiệu năng truyền thông 20
Trang 5MỞ ĐẦU
Lý do lựa chọn đề tài:
Ngày nay, với những ứng dụng của khoa học kĩ thuật tiên tiến, thế giớichúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh hiện đại hơn Trong đó sựphát triển của kỹ thuật tự động hoá đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với cácđặc điểm nổi bật như độ chính xác, bảo mật cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ lànhững yếu tố cần thiết cho sự tiện lợi trong cuộc sống.
Trong lĩnh vực tự động hoá hiện nay kĩ thuật vi điều khiển đã trở nênquen thuộc, hầu hết các dây chuyển tự động lớn và các sản phẩm dân dụng tađều thấy sự xuất hiện của vi điều khiển Và các vi điều khiển hiện nay đều rấthiện đại được tích hợp nhiều tính năng và các ngoại vi đa dạng đi kèm với khảnăng xử lý mạnh mẽ để xử lí những tác vụ phức tạp Và ngay cả các côngnghệ truyền thông không dây cũng đang phát triển và không ngừng cải thiệntốc độ cũng như độ bảo mật Chính từ những lí do đó, chúng em xin được
nghiên cứu và phát triển đề tài: “THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀNTHÔNG KHÔNG DÂY ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NHIỆT DỘ, ĐỘẨM SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ BLUETOOTH”.
Nội dung của bài tiểu luận này gồm 3 phần chính:- Phần 1: Cơ sở lý thuyết
- Phần 2: Thiết kế hệ thống
- Phần 3: Đánh giá hiệu năng và kết quả
Trang 6LỜI CẢM ƠN
Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến quý thầy/cô khoaĐiện tử đặc biệt là ThS Bùi Như Phong đã hướng dẫn, chỉ bảo tận tình chúngem trong quá trình tìm hiểu và thực hiện đề tài, nếu không có thầy thì chúngem không thể hoàn thành đề tài này được.
Tuy nhiên trong quá trình nghiên cứu và phát triển đề tài, dù đã rất cốgắng tuy nhiên do kiến thức, kinh nghiệm còn nhiều hạn chế cũng như cònnhiều thiếu sót trong tìm hiểu và trình bày đề tài Rất mong nhận được sựquan tâm, góp ý của các quý thầy/cô giảng viên bộ môn Những ý kiến đónggóp đó chính là nguồn động lực to lớn để đề tài của chúng em có thể hoànthiện hơn cũng như là nguồn tư liệu quý giá giúp chúng em trên con đườnghọc tập cũng như nghiên cứu sau này.
Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn!
Trang 7Ngày nay hầu hết các nhà máy đều sản xuất các thiết bị có sử dụng côngnghệ Bluetooth: điện thoại di động, laptop, tablet và thiết bị hỗ trợ cá nhânkhác Công nghệ này được dự kiến sẽ là chìa khoá cho các sản phẩm IoT(Internet of Things).
- Năm 1999: Phiên bản Bluetooth thương mại đầu tiên nhắm vào ngườidùng phổ thông được ra mắt, chuẩn Bluetooth đầu tiên được ra đời. Thông số chính của Bluetooth:
- Chuẩn hoá: IEEE 802.15.1
- Giải tần hoạt động: sóng Radio tần số từ 2.4 GHz đến 2.480 GHz- Tốc độ truyền dữ liệu: 1Mbps
- Phạm vi: 50 -150m (Smart, BLE)
1.1.2 Ưu nhược điểm của Bluetooth
Ưu điểm:
- Kết nối giữa các thiết bị không cần dây
Trang 8- Bảo mật an toàn với công nghệ mã hoá trong- Sử dụng ít năng lượng
- Dễ bị nhiễu sóng với một số thiết bị sử dụng sóng radio khác
Bluetooth 2.0 + ERD: Ra mắt vào tháng 7/2007 với sự ổng định và tốc độchia sẻ nhanh hơn, tiết kiệm năng lượng hơn các phiên bản trước.
Bluetooth 2.1 + ERD: Bản nâng cấp của Bluetooth 2.0 với cơ chế kết nốiphạm vi nhỏ.
Bluetooth 3.0 + HS: Ra mắt vào năm 2009 với tốc độ lý thuyết lên đến 24Mbps Bluetooth 3.0 rất phổ biến trên các mẫu điện thoại lúc bấy giờ, phù hợpvới việc truyền dữ liệu nhỏ như hình ảnh, file nhạc,
Bluetooth 4.0: Bluetooth 4.0 được ra đời vào ngày 30/6/2010 là một phiênbản tối ưu hóa các chuẩn Bluetooth trước đó (Classic Bluetooth) cho phéptruyền tải tốc độ cao nhờ vào Bluetooth High Speed và tiêu tốn năng lượngthấp hơn nhờ vào Bluetooth Low Energy.
Trang 9Bluetooth 5.0: Là thế hệ mới nhất hiện tại được SIG trình làng vào ngày16/6/2016 với nhiều cải tiến vượt bật như tầm phủ sóng rộng gấp 4 lần, tốc độnhanh hơn gấp đôi và tiết kiệm điện hơn gấp 2.5 lần so với 4.0.
Bluetooth 5.1: Nâng cấp thêm khả năng tìm hướng AoA (Angle of Arrival) vàAoD (Angle of Departure) giúp xác định vị trí chính xác của thiết bị Ngoài raBluetooth 5.1 còn trang bị khả năng kết nối không cần gói dữ liệu giúp kếtnối, đồng bộ đơn giản và ít điện năng hơn.
Bluetooth 5.2: Được ra mắt năm 2020 với tính năng giao thức thuộc tính nângcao (EATT) giúp giảm độ trễ và tăng mã hóa trong kết nối, tính năng kiểmsoát LEPC để kiểm soát nguồn và ổn định chất lượng tín hiệu, giảm tỉ lệ lỗinhận tín hiệu và tính năng ISOC cho phép truyền dữ liệu hai chiều với cùnglúc nhiều thiết bị.
1.2 Các chuẩn truyền thông không dây và chuẩn truyền thông trong Bluetooth
Tiêu chuẩn 802.15 được IEEE đề xuất nhằm chia các loại mạng WPANtheo tốc độ truyền, mức tiêu hao năng lượng, chất lượng dịch vụ Cụ thể là:- WPAN tốc độ cao (chuẩn IEEE 802.15.3) phù hợp với các ứng dụng đaphương tiện yêu cầu chất lượng dịch vụ cao.
- WPAN tốc độ trung bình (chuẩn IEEE 802.15.1 / Bluetooth) được ứng dụngtrong các mạng điện thoại tế bào đến máy tính cá nhân bỏ túi PDA và có QoSphù hợp cho thông tin thoại.
- WPAN tốc độ thấp (IEEE 802.15.4 / LR-WPAN) dùng trong các sản phẩmcông nghiệp dùng có thời hạn, các ứng dụng y học chỉ đòi hỏi mức tiêu haonăng lượng thấp, không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin và QoS Chính tốcđộ truyền dữ liệu thấp cho phép LR-WPAN tiêu hao ít năng lượng Trongchuẩn này thì công nghệ Zigbee/IEEE802.15.4 chính là một ví dụ điển hình.
So sánh giữa các chuẩn truyền thông không dây:
Bảng 1.1 Bảng so sánh giữa các chuẩn truyền thông không dây
Trang 10Bluetooth UWB Zigbee WifiKhoảng cách
Giám sát,điều khiển
Thay thế dâynối, cáp
mạng Độ rộng băng
1.3 Nguyên lý hoạt động của Bluetooth
1.3.1 Tổng quan mô hình mạng của Bluetooth
Trong mạng Bluetooth, chúng ta có khái niệm Piconet, được định nghĩalà vùng do từ hai thiết bị trở lên kết nối với nhau Trong một Piconet, mộtthiết bị đóng vai trị là Chủ (Master), thường là thiết bị đầu tiên tạo kết nối, cácthiết bị còn lại đóng vai trị khách (Client) Master là duy nhất trong mộtPiconet, có vai trị thiết lập đồng hồ đếm xung để đồng bộ với các thiết bị kháctrong Piconet, các slave không được truyền thông với nhau Vai trị của Mastertrong Piconet cũng không cố định, ví dụ khi không đủ tài nguyên nó có thểnhường lại cho slave nào đó đủ điều kiện thay nó làm Master.
Trang 11Hình 1.1 Mô hình truyền thông mạng Bluetooth
Hai hay nhiều Piconet kết hợp truyền thông, ta có mô hình Scatternet, có hai loại Scatternet:
- Slave trong Piconet này là slave trong Piconet khác Khi đó các Piconet hoạtđộng độc lập, không đồng bộ Mô hình này làm tăng hiện tượng nhiễu do mất gói Piconet này đồng bộ với nhau về xung nhịp (clock) và khoảng nhảy tần số(hopping) và hai mạng Piconet dần đồng bộ với nhau.
1.3.2 Cách thức truyền thông của Bluetooth
Sóng Radio của Bluetooth:
Sóng radio của Bluetooth được truyền đi bằng phương pháp “nhảy tần trải phổ” có nghĩa là mọi packet được truyền trên những tần số khác nhau.Tốc độ nhảy nhanh giúp cải thiện bảo mật và tránh nhiễu tốt.
Bluetooth thực hiện giao tiếp với nhau theo giao thức Chủ - Tớ (Master – Slave)
1.4 Ứng dụng của Bluetooth trong truyền thông không dây
- Kết nối tạo thành một mạng không dây giữa các máy tính trong cự ly ngắn.
- Có mặt trên: máy quét mã vạch, thiết bị giám sát giao thông, thiết bị y tế
Trang 12- Thay thế cho các kiểu điều khiển bằng tia hồng ngoại - Kết nối máy tính với các thiết bị ngoại vi
- Kết nối các thiết bị giải trí- Internet of Things
- Truyền tệp tin giữa các thiết bị cá nhân
1.5 Phân chia công việc trong nhóm
Bảng 1.2 Bảng phân chia công việc
Tìm hiểu cơ sở lý thuyết, cách thức hoạt động của công nghệ Bluetooth
Lê Hoàng Anh, Đào MinhHiếu
Thiết kế vận hành kỹ thuật phần cứng Đào Minh HiếuThiết kế, phát triển và xây dựng phần mềm Lê Hoàng Anh
Trang 132.2 Sơ đồ khối thiết kế
Hình 2.2 Sơ đồ khối tổng quan
Chức năng hoạt động từng khối:
Khối nguồn: Cấp nguồn cho các linh kiện trong mạch hoạt động ổn định Thiết bị truyền:
- Khối cảm biến: Đo nhiệt độ, độ ẩm không khí bằng cảm biến DHT11- Khối xử lý: Đọc nhiệt độ, độ ẩm từ cảm biến
- Khối truyền thông: Sử dụng công nghệ Bluetooth (Module HC05) để kết nối và gửi dữ liệu tới Master
Trang 14- Khối hiển thị: Hiển thị giá trị lên màn OLED
2.3 Lựa chọn linh kiện thiết kế
2.3.1 Arduino Uno R3
Arduino UNO R3 là kit Arduino UNO thế hệ thứ 3, với khả năng lậptrình cho các ứng dụng điều khiển phức tạp do được trang bị cấu hình mạnhcho các loại bộ nhớ ROM, RAM và Flash, các ngõ vào ra digital I/O trong đócó nhiều ngõ có khả năng xuất tín hiệu PWM, các ngõ đọc tín hiệu analog vàcác chuẩn giao tiếp đa dạng như UART, SPI, TWI (I2C).
Hình 2.3 Sơ đồ chân Arduino Uno R3
Thông số cơ bản Arduino Uno:- Vi điều khiển: ATmega328 8bit
- Điện áp hoạt động và dòng tiêu thụ: 5V DC (USB) – 30mA- Tần số hoạt động: 16 MHz
Trang 15- Bộ nhớ: - Flash: 32KB - SRAM: 2KB - EEPROM: 1KB - Số chân Digital I/O: 14 chân - Số chân Analog: 6 chân (10bit)
Arduino Uno là kit lập trình mạnh mẽ được trang bị chip Atmega328 cùng bộ nhớ ram và flash lớn và tài nguyên sử dụng đa dạng nên có thể nói đây là kit lập trình tốt nhất và phù hợp nhất để thiết kế.
2.3.2 Arduino Nano
Arduino Nano là phiên bản nhỏ gọn của Arduino Uno sử dụng MCUATMEGA328P-AU, mọi tính năng hay chương trình chạy trên Arduino Unođều có thể sử dụng trên Arduino Nano
Hình 2.4 Sơ đồ chân Arduino Nano
Thông số kĩ thuật chính:
- IC chính: ATmega328P-AU (giao tiếp qua IC CH340)- Điện áp cấp: 5VDC cổng USB hoặc 6-9VDC chân Raw.- Mức điện áp giao tiếp GPIO và dòng cấp: TTL 5VDC - 40mA
Trang 16- Số chân Digital: 14 chân, trong đó có 6 chân PWM.- Số chân Analog: 8 chân (hơn Arduino Uno 2 chân).- Flash Memory: 32KB (2KB Bootloader).
- SRAM: 2KB- EEPROM: 1KB- Clock Speed: 16Mhz.
Arduino Nano là kit lập trình thu nhỏ của Arduino Uno nên có đầy đủ chức năng như Arduino Uno và nhờ lợi thế nhỏ gọn nên đây có thể coi là kit lập trình tốt nhất và phù hợp nhất để thiết kế.
2.3.3 Module Bluetooth HC05
Module thu phát Bluetooth HC-05 dùng để thiết lập kết nối Serial giữa 2 thiết bị bằng sóng bluetooth Điểm đặc biệt của module bluetooth HC-05 là module có thể hoạt động được ở 2 chế độ: MASTER hoặc SLAVE
Hình 2.5 Module Bluetooth HC05
Thông số kỹ thuật chính:- Điện áp hoạt động: 3.3 – 6V
- Dòng điện hoạt động: 30mA (khi Paring), 8mA (sau khi paring)- Dòng điện: 100mA (hoạt động), 8mA (chế độ chờ)
- Giao thức Bluetooth: Bluetooth v2.0 + EDR- Tần số: 2.4GHz ISM
- Tốc độ truyền: - Không đồng bộ: 2.1 Mbps/160kbps - Đồng bộ: 1Mbps
Trang 17- Tính năng bảo mật: xác thực và mã hoá
HC-05 là thiết bị Bluetooth tốt nhất sử dụng giao thức truyền thôngUART và sử dụng công nghệ Bluetooth 2.0+EDR nên đây là thiết bị phù hợpnhất để truyền và nhận dữ liệu thông qua truyền thông không dây Bluetooth
2.3.4 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11
Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT11(Temperature Humidity Sensor) làcảm biến rất thông dụng hiện nay vì chi phí rẻ và rất dễ lấy dữ liệu thông quagiao tiếp 1 wire (giao tiếp digital 1 dây truyền dữ liệu duy nhất) Bộ tiền xử lýtín hiệu tích hợp trong cảm biến giúp có được dữ liệu chính xác mà khôngphải qua bất kỳ tính toán nào.
Hình 2.6 Cảm biến nhiệt độ HDT11
Thông số kĩ thuật chính:- Nguồn: 3 -> 5 VDC.
- Dòng sử dụng: 2.5mA max (khi truyền dữ liệu).- Khoảng đo độ ẩm: 20%-90% RH (sai số 5%RH) - Khoảng đo nhiệt độ: 0-50°C (sai số 2°C)
- Tần số lấy mẫu tối đa: 1Hz (1 giây / lần)- Kích thước 15mm x 12mm x 5.5mm.
DHT11 là một cảm biến đơn giản để đo nhiệt độ và độ ẩm Dễ dàng lắpđặt và kết nối tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện nay nên đây làcảm biến thích hợp nhất để làm việc.
Trang 182.3.5 OLED 1.3” I2C
Màn hình LCD OLED giao tiếp I2C cho khả năng hiển thị đẹp, sang trọng, rõ nét với 1 mức chi phí phù hợp, LED sử dụng giao tiếp I2C ít tốn chân, cho chất lượng đường truyền ổn định và rất dễ giao tiếp, màn hình OLED thích hợp cho các ứng dụng tiết kiệm năng lượng, môi trường hiển thị sáng hoặc các ứng dụng cần đến sự sang trọng.
Hình 2.7 Màn hình OLED 1.3”
Thông số kĩ thuật:
- Điện áp sử dụng: 2.2~5.5VDC- Công suất tiêu thụ: 0.04w- Góc hiển thị : >160 độ
- Số điểm hiển thị: 128x64 điểm.- Độ rộng màn hình: 1.3 inches.- Màu hiển thị: Trắng
- Giao tiếp: I2C Driver SH1106
Nhờ mật độ điểm ảnh cao giúp hiển thị được nhiều chi tiết và “sắc nét”,góc hiển thị lớn giúp nhìn rõ hơn trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau.Ngoài ra nhờ vào kích thước nhỏ gọn và sử dụng giao tiếp I2C giúp tiết kiệm tối đa tài nguyên khi thiết kế hệ thống
Đây là linh kiện phù hợp nhất cho thiết kế khối hiển thị của hệ thống.
Trang 192.4 Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ đấu nối các khối
Trang 202.4.2 Sơ đồ đấu nối
Trang 21PHẦN 3: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG VÀ KẾT QUẢ
3.1 Đánh giá hiệu năng
Đánh giá hiệu năng hệ thống kiểm soát nhiệt độ & độ ẩm sử dụng kết nối không dây Bluetooth
Các điều kiện kiểm thử nghiệm hệ thống:- Khoảng cách
Bảng 3.4 Bảng đánh giá hiệu năng truyền thông
Vật cản Không vậtcản
Nhiễu từthiết bịngoại vi
Độ trễtruyền tin
Độ ổnđịnh
Trang 22- Với khoảng cách 10m hệ thống hoạt động với độ trễ cao hơn so với trong khoảng cách 5m tuy nhiên độ ổn định khi truyền tin vẫn tốt Độ trễ cao hơn từ các thiết bị ngoại vi gây nhiễu so với trong khoảng cách 5m
- Với khoảng cách lớn hơn 10m: hệ thống ổn định với độ trễ lớn và độ ổnđịnh thấp trong trường hợp không có vật cản Độ trễ và độ ổn định kém khi cóvật cản Độ trễ và độ ổn định đặc biệt cao khi có ảnh hưởng từ các thiết bị ngoại vi khác
Giải thích lý do gây nhiễu và giảm chất lượng đường truyền:
Do giới hạn kết nối phần cứng Module Bluetooth HC05 (master) vàModule Bluetooth HC06 (slave) có khoảng cách hoạt động là bán kính 105mdo vậy khi đi ra xa khỏi phạm vi hoạt động kết nối có độ trễ cao và kém ổnđịnh Ngoài ra do vật cản và bị nhiễu sóng bởi những thiết bị khác sử dụngchung tần số làm cho thiết bị không xác định được đường truyền.
Trang 23 Hệ thống hoạt động theo đúng thiết kế ban đầu.
Vận dụng được các kiến thức đã học và nghiên cứu trong phát triển đềtài và có thêm kinh nghiệm nghiên cứu và thiết kế các sản phẩm điện tử. Khó khăn và thuận lợi khi thực hiện đề tài:
Thuận lợi:
Sự giúp đỡ tận tình của thầy/cô bộ môn đặc biệt là thầy Bùi Như Phong Có nhiều nguồn tài liệu liên quan phục vụ tìm hiểu và nghiên cứu.
Khó khăn:
Vật liệu, linh kiện khó tiếp cận do yếu tố khan hiếm hàng hoá
Khó khăn trong việc tham khảo tài liệu ngoại ngữ do hạn chế về trìnhđộ ngoại ngữ chuyên môn.