Đề tài nghiên cứu nguyên lý hoạt Động của hệ thống Điều khiển Đèn bậttắt thông minh trong nhà sử dụng arduino uno r3, cảm biến pir, led

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈNBẬT/TẮT THÔNG MINH TRONG NHÀ 1.1 Định nghĩa Hệ thống điều khiển đèn bật/tắt thông minh trong nhà là một giải pháp côngnghệ sử dụng các thiết bị

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Nhóm: 08

Nguyễn Nhất Duy - B21DCVT163

Đỗ Ngọc An - B21DCVT049Nguyễn Mạnh Dũng - B21DCVT471

MỤC LỤC

Danh mục hình vẽ 2

LỜI MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈN 3

BẬT/TẮT THÔNG MINH TRONG NHÀ 3

1.1 Định nghĩa 3

1.2 Đặc điểm: 4

1.3.Phân loại: 4

1.3.1.Phân loại theo phương thức điều khiển: 4

1.3.3.Phân loại theo tính năng: 6

1.4 Ứng dụng: 6

1.5.Kết luận chương: 8

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG ARDUINO UNO R3, CẢM BIẾN PIR, LED 9

2.1 Arduino UNO R3: 9

2.1.1 Định nghĩa: 9

2.1.2 Thông số kỹ thuật 10

2.2 Cảm biến PIR: 13

2.2.1 Định nghĩa: 13

2.2.2 Thông số kỹ thuật: 15

2.2.3 Ưu nhược điểm: 15

2.2.4 Ứng dụng của cảm biến chuyển động PIR: 15

2.3 Led: 16

2.3.1 Định nghĩa: 16

2.3.2 Thông số kỹ thuật: 17

2.4 Kết luận chương: 18

Chương 3: Thiết kế hệ thống 19

3.1 Mô hình hệ thống: 19

3.2 Code hệ thống 19

3.3 Kết quả đạt được: 20

3.4 Kết luận chương: 22

Tài liệu tham khảo: 22

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Điều khiển đèn bằng smart phone 5

Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của bộ cảm biến siêu âm 6

Hình 1.3 Phân loại theo công nghệ kết nối 7

Hình 1.4 Ứng dụng công nghệ bật tắt đèn tự động trong gia đình 8

Hình 1.5 Điều khiển thông minh phòng họp 8

Hình 1.6 Mô hình nguyên lý hoạt động của hệ thống chiếu sáng thông minh đô thị .9

Hình 2.1 Arduino UNO R3 11

Hình 2.2 Cảm biến chuyển động HC-SR501 15

Hình 2.3 Cách hoạt động của cảm biến chuyển động 15

Hình 2.4 Ứng dụng cảm biến chuyển động để bật tắt đèn tự động 17

Hình 2.5 Cấu tạo của đèn LED 18

Hình 3.1 Mô hình hệ thống bật/tắt đèn bằng cảm biến chuyển động 20

Hình 3.2 Mô phỏng hệ thống tự động bật/tắt đèn LED ở chế độ tắt 22

Hình 3.3 Mô phỏng hệ thống tự động bật/tắt đèn LED ở chế độ bật 22

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

AVR Automatic Voltage Regulator Bộ điều chỉnh ổn áp tự độngRISC Reduced Instruction Set Computer Máy tính với tập lệnhđơn giản hóa

UART Universal AsynchronousReceiver/Transmitter Giao tiếp nối tiếpkhông đồng bộ

SPI Serial Peripheral Interface Giao thức truyền thông nối tiếpI2C Inter-Integrated Circuit Một giao thức giao tiếp nốitiếp đa thiết bị

ICSP In-Circuit Serial Programming

Một tiêu chuẩn kết nối để lậptrình trực tiếp vi điều khiển màkhông cần tháo rời nó khỏi

mạchUSB Universal Serial Bus Cổng giao tiếp thông dụng đểtruyền dữ liệu

LM016L Liquid Crystal Display dưới dạng văn bảnHiển thị thông tin

Một loại bộ nhớ khả biến chophép đọc - ghi ngẫu nhiên dữliệu đến bất kỳ vị trí nào trong

bộ nhớEEPROM Electrically Erasable ProgrammableRead-Only Memory Chip nhớ không bay hơi

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời đại công nghệ 4.0, việc áp dụng các giải pháp tự động hóa vào đời sốngsinh hoạt hằng ngày đang trở nên ngày càng phổ biến Một trong những ứng dụngđáng chú ý là hệ thống điều khiển đèn thông minh, giúp nâng cao sự tiện nghi vàtiết kiệm năng lượng trong ngôi nhà Dựa trên nền tảng Arduino UNO R3, cảmbiến PIR (Passive Infrared Sensor) và đèn LED, hệ thống này có thể tự động bật/tắtđèn dựa trên chuyển động của con người, tạo nên một giải pháp hiệu quả và tiếtkiệm điện năng Bài tiểu luận này sẽ nghiên cứu nguyên lý hoạt động của hệ thốngđiều khiển đèn bật/tắt thông minh, từ cách các linh kiện tương tác với nhau cho đếnviệc lập trình và triển khai trên thực tế Qua đó, cung cấp cái nhìn sâu sắc về tiềmnăng của tự động hóa trong việc tối ưu hóa môi trường sống hiện đại

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈN

BẬT/TẮT THÔNG MINH TRONG NHÀ

1.1 Định nghĩa

Hệ thống điều khiển đèn bật/tắt thông minh trong nhà là một giải pháp côngnghệ sử dụng các thiết bị và cảm biến tự động hóa để điều khiển hệ thống chiếusáng mà không cần tác động trực tiếp từ con người Hệ thống này cho phép đèntrong nhà có thể được bật, tắt, hoặc điều chỉnh độ sáng một cách linh hoạt, thôngqua các cảm biến, điều khiển từ xa, ứng dụng di động, hoặc thậm chí là giọng nói

Những hệ thống này thường sử dụng các công nghệ kết nối như Wi-Fi,Zigbee hoặc Bluetooth để giao tiếp giữa các thiết bị, tạo nên một mạng lưới thôngminh giúp tối ưu hóa việc sử dụng ánh sáng trong nhà Mục tiêu chính của hệ thống

là tăng cường sự tiện nghi, tiết kiệm năng lượng, và cải thiện trải nghiệm sử dụngkhông gian sống, đồng thời hỗ trợ các tính năng an ninh

Hình 1.1 Điều khiển đèn bằng smart phone

1.2 Đặc điểm

Hệ thống có khả năng tự động bật/tắt đèn dựa trên các điều kiện nhất địnhnhư chuyển động, mức độ ánh sáng tự nhiên, thời gian trong ngày, hoặc các cảmbiến khác giúp người dùng không cần phải can thiệp trực tiếp mà vẫn đảm bảochiếu sáng tối ưu

Người dùng có thể điều khiển hệ thống đèn thông qua ứng dụng di độnghoặc các thiết bị điều khiển từ xa như smartphone, tablet điều này mang lại sự tiệnlợi, cho phép điều chỉnh ánh sáng từ bất kỳ đâu, ngay cả khi không có mặt ở nhà

Hỗ trợ các trợ lý ảo như Google Assistant, Amazon Alexa, và Apple Siri,người dùng có thể sử dụng giọng nói để ra lệnh bật/tắt đèn, thay đổi độ sáng hoặcđặt thời gian để bật tắt đèn trong nhà

Sử dụng công nghệ không dây như Wi-Fi, Zigbee, hoặc Bluetooth để kết nốigiữa các thiết bị điều khiển và bóng đèn Điều này giúp dễ dàng cài đặt, mở rộng

và vận hành mà không cần đến hệ thống dây điện phức tạp

1.3.Phân loại

1.3.1.Phân loại theo phương thức điều khiển:

 Điều khiển từ xa qua ứng dụng: Đây là loại phổ biến nhất, người

dùng có thể điều khiển đèn thông qua ứng dụng trên điện thoại hoặccác thiết bị di động khác thông qua Wifi hoặc Bluetooth người dùng

có thể bật tắt hoặc điều chỉnh ánh sáng thông qua việc thao tác trênphần mềm

 Điều khiển bằng giọng nói: Đây là hệ thống tích hợp với các trợ lý

ảo như Amazon Alexa, Google Assistant hoặc Siri, người dùng chỉcần ra lệnh bằng giọng nói để điều khiển

 Điều khiển tự động qua cảm biến: Hệ thống dựa trên các cảm ứng

như cảm ứng âm thanh, cảm ứng chuyển động, đèn sẽ tự động bật khi

có sự tác động bên ngoài tới vùng cảm ứng của hệ thống, ví dụ nhưcảm ứng chuyển động sẽ tự động bật đèn khi có người bước vào vùngcảm ứng

Hình 1.2 Hình mô tả cách hoạt động của bộ cảm biến siêu âm

1.3.2.Phân loại theo công nghệ kết nối:

 Wi-Fi: Hệ thống sẽ kết nối trực tiếp với mạng Wi-Fi của ngôi nhà,

cho phép điều khiển từ bất kỳ đâu miễn là có kết nối internet với thiết

bị, tuy nhiên có nhược điểm đó là có thể không thể sử dụng hoặc thaotác bị chậm kết nối mạng của bạn không ổn định

 Bluetooth: Các thiết bị kết nối với nhau qua Bluetooth thích hợp cho

những khu vực nhỏ hơn vì phạm vi kết nối hạn chế, tuy không cónhược điểm giống sử dụng công nghệ Wi-Fi nhưng mà lại có nhượcđiểm khác đó là phạm vi điều khiển rất hạn chế

 Zigbee/Z-Wave: Đây là hai giao thức kết nối phổ biến trong hệ thống

nhà thông minh, cả 2 đều sử dụng công nghệ sóng vô tuyến để kết nốicác thiết bị với nhau mà không cần mạng Wi-Fi chúng hoạt động trêntần số thấp, ít gây nhiễu hơn so với Wi-Fi, và có khả năng mở rộngphạm vi thông qua cấu trúc lưới

Hình 1.3 Phân loại theo công nghệ kết nối

1.4 Ứng dụng

Ứng dụng trong gia đình: Tự động bật/tắt đèn qua cảm biến, điều khiển từ

xa qua ứng dụng, điều chỉnh ánh sáng theo ngữ cảnh (đọc sách, xem phim), giúptiết kiệm năng lượng và nâng cao tiện nghi

(Nguồn tham khảo:

https://tapchithangmay.vn/smart-home-thong-minh-de-an-toan/)

Hình 1.4 Ứng dụng công nghệ bật tắt đèn tự động trong gia đình

Ứng dụng trong văn phòng và công sở: Ở các văn phòng lớn, hệ thống đèn

có thể được tự động điều chỉnh theo lượng ánh sáng tự nhiên bên ngoài để đảm bảomôi trường làm việc thoải mái và tiết kiệm điện năng Hơn nữa, việc điều chỉnhánh sáng cũng giúp nâng cao năng suất làm việc của nhân viên, khi cường độ ánhsáng phù hợp giúp giảm mệt mỏi mắt

(Nguồn tham khảo:

Ứng dụng trong không gian công cộng: Các thành phố hiện đại đang dần

triển khai hệ thống đèn đường thông minh, giúp điều chỉnh cường độ sáng theo thờigian trong ngày hoặc lượng người qua lại Đèn đường có thể tăng độ sáng khi có xehoặc người qua, và giảm độ sáng khi khu vực vắng người để tiết kiệm điện năng

(Tài liệu tham khảo: nlt-group.com)

chỉnh tự động dựa trên tình trạng bệnh nhân, giúp tạo môi trường dễ chịu hơn choquá trình hồi phục

(Nguồn tham khảo:

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG ARDUINO

UNO R3, CẢM BIẾN PIR, LED2.1 Arduino UNO R3

2.1.1 Định nghĩa:

là một board vi điều khiển nổi tiếng và phổ biến thuộc dòng sản phẩm củaArduino, sử dụng vi điều khiển ATmega328P của hãng Microchip Đây là mộtboard mở rộng và dễ sử dụng, phù hợp cho cả người mới bắt đầu lẫn những người

đã có kinh nghiệm trong lập trình và điện tử nhúng Arduino Uno R3 là phiên bảnthứ ba của dòng Uno, và nó có một số cải tiến so với các phiên bản trước, đồng thờicung cấp nhiều tính năng và khả năng linh hoạt để phát triển các dự án phần cứng

o Điện áp vào (khuyến nghị): 7-12V

o Điện áp vào (giới hạn): 6-20V

 Chân cấp nguồn:

o Vin: Cấp nguồn từ 7-12V khi không dùng USB.

o 5V: Điện áp cấp cho board từ bộ ổn áp (5V).

o 3.3V: Nguồn 3.3V từ bộ ổn áp (tối đa 50mA).

o GND: Chân nối đất.

 Chân I/O:

o Số chân digital: 14 chân (D0-D13), trong đó:

o 6 chân PWM: D3, D5, D6, D9, D10, D11.

o Dòng tối đa mỗi chân I/O: 40 mA.

 Giao tiếp

o UART: 1 cổng UART (TX/RX) để giao tiếp nối tiếp.

o SPI: Có hỗ trợ SPI thông qua các chân digital (D10-D13).

o I2C: SDA (A4) và SCL (A5) để giao tiếp I2C.

 Cổng kết nối

o USB: Cổng USB type-B để kết nối và cấp nguồn từ máy tính.

o Cổng nguồn ngoài (barrel jack): Để cấp nguồn từ adapter ngoài.

o ICSP Header: Để lập trình trực tiếp lên vi điều khiển.

2.1.3 Ưu nhược điểm

o Khả năng mở rộng:

Arduino Uno R3 có thể kết nối với nhiều loại shield (bảng mở rộng) và module,

cho phép phát triển nhiều loại dự án từ cơ bản đến phức tạp như kết nối Wi-Fi, điều

Có nhiều chân I/O số và analog cho phép dễ dàng kết nối với các linh kiện vàcảm biến.

Vi điều khiển ATmega328P chỉ có tốc độ xung nhịp 16 MHz và bộ nhớ RAM

2 KB, không đủ mạnh để xử lý các tác vụ phức tạp hoặc yêu cầu tính toán cao.Không phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất cao, như xử lý hình ảnhhoặc các hệ thống phức tạp

o Hạn chế về bộ nhớ:

Với bộ nhớ flash 32 KB và SRAM chỉ 2 KB, không gian lưu trữ rất hạn chế khiphát triển các dự án phức tạp hoặc khi cần sử dụng nhiều thư viện

EEPROM chỉ 1 KB, đủ để lưu trữ một lượng dữ liệu rất nhỏ

o Không hỗ trợ đa nhiệm:

o Khả năng giao tiếp không cao:

Mặc dù Arduino Uno R3 hỗ trợ các giao thức phổ biến như UART, SPI, và I2C,nhưng số lượng cổng giao tiếp có hạn Nếu cần sử dụng nhiều thiết bị ngoại vi cùnglúc, người dùng phải xử lý việc chia sẻ cổng hoặc sử dụng các kỹ thuật bổ sung.Không có giao tiếp tích hợp Wi-Fi hoặc Bluetooth, cần sử dụng thêm các mô-đun mở rộng

o Giới hạn điện áp và dòng điện:

Các chân I/O của Arduino Uno R3 chỉ có thể cung cấp tối đa 40 mA, không đủcho các thiết bị tiêu thụ dòng điện cao như động cơ lớn hoặc đèn LED công suấtcao Người dùng phải sử dụng mạch điều khiển hoặc transistor để cấp dòng điệncao hơn

2.1.4 Các chân năng lượng

 GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạn

dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân nàyphải được nối với nhau

 5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.

 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.

 Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực

dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.

 IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được

đo ở chân này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Mặc dù vậy bạn không được lấynguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấpnguồn

2.2 Cảm biến PIR

2.2.1 Định nghĩa

Cảm biến PIR (Passive Infrared Sensor) là thiết bị điện tử sử dụng để pháthiện chuyển động bằng cách cảm nhận sự thay đổi nhiệt độ từ cơ thể người hoặcđộng vật Cảm biến này hoạt động dựa trên nguyên lý nhận diện bức xạ hồng ngoạiphát ra từ các đối tượng sống Khi có chuyển động trong khu vực giám sát, cảmbiến sẽ kích hoạt

Hình 2.2 Cảm biến chuyển động HC-SR501

Hình 2.3 Cách hoạt động của cảm biến chuyển động

2.2.2 Thông số kỹ thuật

Thông số kỹ thuật của cảm biến PIR thường bao gồm:

 Điện áp hoạt động: Thường từ 5V đến 12V

 Dòng tiêu thụ: Khoảng 10-30 mA trong khi hoạt động

 Khoảng cách phát hiện: Từ 5m đến 12m, tùy thuộc vào thiết kế

 Góc phát hiện: Thường từ 90° đến 180°

 Thời gian phản hồi: Khoảng 0,2 đến 1 giây

 Nhiệt độ hoạt động: Thường từ -20°C đến 50°C

2.2.3 Ưu nhược điểm

Ưu điểm của cảm biến PIR:

 Tiết kiệm năng lượng: Chỉ hoạt động khi phát hiện chuyển động, giúp tiếtkiệm điện

 Dễ dàng lắp đặt: Cảm biến thường nhẹ và dễ gắn vào tường hoặc trầnnhà

Chi phí thấp: Giá thành hợp lý, phù hợp cho nhiều ứng dụng

Nhược điểm của cảm biến PIR:

 Phạm vi hạn chế: Khoảng cách phát hiện có giới hạn và có thể bị ảnhhưởng bởi môi trường

 Nhạy cảm với nhiệt độ: Có thể gặp khó khăn trong môi trường có nhiềunguồn nhiệt khác

 Khó phát hiện đối tượng không phát nhiệt: Không phát hiện được các vậtthể không có bức xạ hồng ngoại như đồ vật vô tri

 Yêu cầu lắp đặt đúng hướng: Nếu lắp sai hướng, hiệu suất phát hiện cóthể giảm

 Có thể bị kích hoạt giả: Do động vật hoặc chuyển động của vật thể khác

2.2.4 Ứng dụng của cảm biến chuyển động PIR

PIR có thể phát hiện chuyển động của động vật/con người trong một phạm viyêu cầu, được xác định bởi thông số kỹ thuật của cảm biến cụ thể Bản thân cảmbiến không phát ra bất kỳ năng lượng nào mà tiếp nhận một cách thụ động, pháthiện bức xạ hồng ngoại từ môi trường Khi có bức xạ hồng ngoại từ cơ thể ngườihay vật với nhiệt độ, tập trung vào hệ thống quang học khiến thiết bị nhiệt ra tínhiệu điện đột ngột và báo động được phát ra hay để điều khiển thiết bị

Cảm biến chuyển động rất hữu ích khi chúng hoạt động cùng với các thiết bịkhác như camera an ninh, đèn chiếu sáng Trên thực tế, cảm biến này được sửdụng phổ biến nhất để bảo vệ tài sản và cảnh báo xâm nhập trái phép trong nhà.Ngày nay, cảm biến chuyển động cũng được tích hợp vào một số công nghệ mớinhư cửa tự động, điện thoại thông minh, tay cầm chơi game, robot

Hình 2.4 Ứng dụng cảm biến chuyển động để bật tắt đèn tự động

2.3 Led

2.3.1 Định nghĩa:

LED (Light Emitting Diode) là một loại diode phát quang, một thiết bị điện

tử phát ra ánh sáng khi có dòng điện chạy qua Chúng được làm từ các vật liệu bándẫn, và ánh sáng phát ra có thể có nhiều màu sắc khác nhau tùy thuộc vào thànhphần vật liệu, Về bản chất LED là một đi-ốt, nó chứa một chíp bán dẫn có pha cáctạp chất để tạo ra một tiếp giáp P-N, kênh P chứa lỗ trống, kênh N chứa điện tử,dòng điện truyền từ A-nốt( kênh P) đến K-tốt (kênh N) Khi điện tử lấp đầy chỗtrống nó sinh ra bức xạ ánh sáng nhìn thấy

Hình 2.5 Cấu tạo của đèn LED

2.3.2 Thông số kỹ thuật

 Điện áp hoạt động: Thường từ 1.8V đến 3.3V, tùy thuộc vào loại LED

 Dòng điện định mức: Khoảng 20 mA cho nhiều loại LED tiêu chuẩn

 Độ sáng (Lumens): Thay đổi tùy thuộc vào loại LED, từ vài lumens đếnhàng trăm lumens

 Nhiệt độ màu: Đo bằng Kelvin (K), từ 2700K (ấm) đến 6500K (lạnh)

 Thời gian sử dụng: Thường từ 25.000 đến 100.000 giờ

2.3.3 Ưu nhược điểm

Ưu điểm của LED:

 Hiệu suất năng lượng cao: Tiêu thụ ít điện năng so với bóng đèn truyềnthống

 Tuổi thọ dài: Có thể sử dụng lên đến 25.000 đến 100.000 giờ

 Ít tỏa nhiệt: Giảm thiểu lượng nhiệt phát sinh, an toàn hơn khi sử dụng