Tiểu luận nghiên cứu nguyên lý hoạt Động của hệ thống Điều khiển Đèn bậttắt thông minh trong nhà

Nguyên lý điều khiển từ xa - Điều khiển bằng điện thoại thông minh: Hệ thống có thể kết nối với điện thoạiqua mạng Wi-Fi hoặc Bluetooth, cho phép người dùng bật/tắt đèn từ xa thôngqua ứn

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-* -BÀI TIỂU LUẬN

NGHIÊN CỨU NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈN BẬT/TẮT THÔNG MINH

TRONG NHÀ

Môn học : Internet và các giao thức

Giáo viên : Hoàng Thị Thu

Thành viên: Nguyễn Trung Hiếu – B21DCVT194

Nguyễn Đình Hiệp – B21DCVT185 Trần Hữu Khương Duy – B21DCVT164

Vũ Văn Khánh – B21DCVT251 Hoàng Phúc – B21DCVT472

Đỗ Mạnh Tùng – B21DCVT451

MỤC LỤC

Danh mục bảng và hình ảnh

Thuật ngữ viết tắt

Chương 1: Tổng quan về đèn thông minh trong nhà

I Giới thiệu chung

2 Thu thập dữ liệu từ cảm biến

3 Nguyên lý điều khiển từ xa

4 Nguyên lý điều khiển tự động theo thời gian

5 Nguyên lý sử dụng công nghệ IoT (Internet of Things)

6 Nguyên lý điều khiển tiết kiệm năng lượng

7 Nguyên lý giao tiếp và điều khiển qua công nghệ không dây

III Ứng dụng

1 Chiếu sáng thông minh

2 Hệ thống an ninh

3 Quản lý nhiệt độ

4 Thiết bị gia dụng thông minh

5 Hệ thống âm thanh và video

6 Tưới tiêu tự động

7 Điều khiển giọng nói

8 Tích hợp với các thiết bị IoT khác

IV Cảm biến chuyển động, ánh sáng với Arduino

Chương 2: Tổng quan về Arduino Uno R3

1 Giới thiệu chung về Arduino Uno R3

2 Thông số kỹ thuật

3 Cấu trúc của Arduino Uno R3

Chương 3: Module Bluetooth HC-06, Module cảm biến ánh sáng DO

5 Mô phỏng hệ thống trên Proteus

6 Code lập trình cho Arduino

7 Giải thích hoạt động của chương trình

5 Mô phỏng hệ thống trên Proteus

6 Code lập trình cho Arduino

7 Giải thích code

8 Hình ảnh thực tế

DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH ẢNHChương 1:

Hình 1.1.1 : Đèn thông minh

Hình 1.2.1: Kết nối các thiết bị

Hình 1.2.2: Thu thập dữ liệu từ cảm biến chuyển động

Hình 1.2.3: Điều khiển thiết bị từ xa

Hình 1.2.4: Sử dụng công nghệ IOT

Hình 1.2.5: Điều khiển thiết bị qua công nghệ không dây

Hình 1.3.1 : Minh họa đèn thông minh

Hình 1.3.2: Camera giám sát

Hình 1.3.3: Thay đổi nhiệt độ

Hình 1.3.4: Các gia dụng thông minh

Hình 1.3.5: Hệ thống truyền thanh thông minh

Hình 2.1 : Arduino uno r3 chip cắm

Bảng 2.1 : Thông số kỹ thuật của arduino uno r3

Hình 2.2 : Sơ đồ cấu trúc arduino uno r3

Hình 2.3 : Những ứng dụng của arduino uno r3

Chương 3:

Hình 3.1.1: HC-06 Bluetooth

Hình 3.1.2: Sơ đồ kết nối với Arduino Uno R3

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Chương 1: Tổng quan về đèn thông minh trong nhà

I Giới thiệu chung

- Đèn thông minh có thể được điều khiển qua:

- Các thiết bị giao tiếp qua: Wifi, Bluetooth, Dây

- Trung tâm điều khiển kết nối với thiết bị của người dùng bằng internet thông

Hình 1.2.1: Kết nối các thiết bị

2 Thu thập dữ liệu từ cảm biến

- Cảm biến chuyển động (PIR - Passive Infrared Sensor): Hệ thống sử dụng cảmbiến PIR để phát hiện chuyển động của con người Khi có người di chuyểnvào vùng cảm biến, hệ thống sẽ tự động bật đèn Khi không còn chuyển động,đèn sẽ tự động tắt sau một khoảng thời gian nhất định

- Cảm biến ánh sáng (Light Sensor): Cảm biến ánh sáng đo độ sáng của môitrường Nếu ánh sáng tự nhiên đủ mạnh, hệ thống sẽ không bật đèn Ngượclại, nếu ánh sáng yếu, đèn sẽ tự động bật khi có người vào phòng

Hình 1.2.2: Thu thập dữ liệu từ cảm biến chuyển động

3 Nguyên lý điều khiển từ xa

- Điều khiển bằng điện thoại thông minh: Hệ thống có thể kết nối với điện thoạiqua mạng Wi-Fi hoặc Bluetooth, cho phép người dùng bật/tắt đèn từ xa thôngqua ứng dụng di động

- Điều khiển bằng giọng nói: Nhiều hệ thống thông minh hiện nay tích hợp trợ

lý ảo như Google Assistant, Amazon Alexa hoặc Siri, cho phép người dùngbật/tắt đèn thông qua lệnh giọng nói

Hình 1.2.3: Điều khiển thiết bị từ xa

4 Nguyên lý điều khiển tự động theo thời gian

- Hệ thống có thể lập trình theo lịch thời gian Người dùng có thể thiết lập thờigian cụ thể để đèn tự động bật hoặc tắt Ví dụ: đèn sẽ bật vào lúc hoàng hôn vàtắt vào lúc bình minh

5 Nguyên lý sử dụng công nghệ IoT (Internet of Things)

- Hệ thống đèn thông minh thường kết nối với Internet, cho phép theo dõi vàđiều khiển từ xa Nhờ công nghệ IoT, hệ thống có thể kết nối với các thiết bịthông minh khác như máy điều hòa, rèm cửa, v.v., để tạo thành một hệ thống

tự động hóa toàn diện

Hình 1.2.4: Sử dụng công nghệ IOT

6 Nguyên lý điều khiển tiết kiệm năng lượng

- Hệ thống đèn thông minh thường tích hợp chức năng điều chỉnh độ sáng(dimmer), giúp tiết kiệm năng lượng khi không cần thiết phải chiếu sáng ởmức độ cao

- Các cảm biến chuyển động giúp đảm bảo đèn chỉ bật khi có người, giúp giảmthiểu lãng phí điện năng khi không có ai trong phòng

7 Nguyên lý giao tiếp và điều khiển qua công nghệ không dây

- Wi-Fi: Kết nối không dây qua Wi-Fi cho phép điều khiển đèn từ xa bằng cácứng dụng trên điện thoại di động từ bất cứ đâu có kết nối Internet

- Bluetooth: Hệ thống có thể điều khiển qua Bluetooth khi không có kết nốiInternet, phù hợp cho các không gian nhỏ và các thiết bị điều khiển trongphạm vi gần

- Zigbee/Z-Wave: Đây là các giao thức không dây tiêu chuẩn cho nhà thôngminh, giúp thiết bị kết nối và giao tiếp với nhau một cách ổn định và tiết kiệmnăng lượng.

Hình 1.2.5: Điều khiển thiết bị qua công nghệ không dây

III Ứng dụng

1 Chiếu sáng thông minh

Hình 1.3.1 : Minh họa đèn thông minh.

- Hoạt động: Đèn có thể được điều khiển từ xa qua ứng dụng trên smartphone

hoặc bằng giọng nói Bạn cũng có thể cài đặt đèn tự động bật khi có người vàophòng nhờ cảm biến chuyển động

- Lợi ích: Tiết kiệm năng lượng (đèn sẽ tự tắt khi không có ai), tăng cường an

ninh (đèn tự bật khi phát hiện chuyển động vào ban đêm)

2 Hệ thống an ninh

quan liên quan.

Kiểm soát ra vào: Quản lý truy cập bằng thẻ từ, vân tay, hoặc mã PIN.

Lưu trữ và phân tích: Ghi lại, lưu trữ và phân tích dữ liệu sự cố để đánh giá Bảo mật thông tin: Mã hóa dữ liệu, bảo vệ mạng để ngăn chặn truy cập trái

phép

- Lợi ích: Giúp bạn theo dõi an ninh ngôi nhà từ xa, nhận thông báo tức thì nếu

có hoạt động lạ, tạo cảm giác an toàn hơn

3 Quản lý nhiệt độ

Hình 1.3.3: Thay đổi nhiệt độ

- Hoạt động:

Giám sát nhiệt độ: Cảm biến đo nhiệt độ liên tục.

So sánh với giá trị đặt trước: Bộ điều khiển so sánh nhiệt độ thực tế với

nhiệt độ mục tiêu

Điều chỉnh: Kích hoạt hoặc tắt thiết bị làm mát/sưởi để đạt nhiệt độ mong

muốn

Duy trì: Tự động điều chỉnh để giữ nhiệt độ ổn định.

Cảnh báo: Phát cảnh báo khi nhiệt độ vượt quá giới hạn an toàn.

Điều khiển từ xa: Hệ thống có thể được quản lý qua ứng dụng từ xa.

- Lợi ích: Tối ưu hóa sự thoải mái trong nhà và tiết kiệm điện bằng cách chỉ

chạy khi cần thiết

4 Thiết bị gia dụng thông minh

Hình 1.3.4: Các gia dụng thông minh

- Hoạt động:

Kết nối internet để điều khiển từ xa qua điện thoại

Tích hợp cảm biến để giám sát môi trường và tự điều chỉnh.

Tự động hóa các tác vụ theo lịch trình hoặc điều kiện môi trường

Sử dụng AI để học hỏi thói quen người dùng và tối ưu hóa hoạt động

Điều khiển giọng nói qua trợ lý ảo như Alexa hoặc Google Assistant

Phân tích dữ liệu và gửi thông báo về hiệu suất và sự cố

- Lợi ích: Tiết kiệm thời gian và công sức, cho phép bạn bắt đầu hoặc dừng

thiết bị mà không cần có mặt tại nhà

5 Hệ thống âm thanh và video

Hình 1.3.5: Hệ thống truyền thanh thông minh

- Lợi ích: Cho phép bạn phát nhạc hoặc video theo yêu cầu, tạo không gian giải

trí linh hoạt và thoải mái

6 Tưới tiêu tự động

Hình 1.3.6: Hệ thống tưới tiêu tự động

- Hoạt động:

Cảm biến độ ẩm: Đo độ ẩm đất và gửi tín hiệu khi cần tưới.

Bộ điều khiển: Nhận tín hiệu từ cảm biến, xác định lịch tưới và lượng nước

cần thiết

Kích hoạt bơm nước: Bơm nước từ nguồn cung cấp nếu cần.

Hệ thống ống dẫn: Dẫn nước đến khu vực cần tưới.

Thiết bị tưới: Sử dụng vòi phun hoặc đầu tưới nhỏ giọt để phân phối nước Giám sát thông minh: Kết nối với ứng dụng để điều chỉnh lịch tưới dựa trên

điều kiện thời tiết

Tự động dừng: Dừng tưới khi độ ẩm đạt mức cài đặt.

- Lợi ích: Tiết kiệm nước, giảm thiểu công sức chăm sóc vườn, đồng thời đảm

bảo cây trồng được tưới đúng cách

7 Điều khiển giọng nói

Hình 1.3.7: Điều khiển giọng nói

Phản hồi: Cung cấp phản hồi âm thanh xác nhận lệnh đã thực hiện.

Học hỏi: Hệ thống cải thiện độ chính xác qua thói quen người dùng.

Đa ngôn ngữ: Hỗ trợ nhiều ngôn ngữ cho phép giao tiếp linh hoạt.

- Lợi ích: Tiện lợi và dễ sử dụng, đặc biệt khi bạn bận tay hoặc không muốn di

chuyển

8 Tích hợp với các thiết bị IoT khác

Quản lý từ xa: Người dùng có thể điều khiển thiết bị qua ứng dụng.

Bảo mật: Bảo vệ dữ liệu và quyền truy cập với mã hóa và xác thực

Tích hợp hệ thống: Hoạt động đồng bộ trong hệ sinh thái IoT, nâng cao tự

động hóa

- Lợi ích: Tạo ra một mạng lưới thông minh giúp tự động hóa nhiều khía cạnh

trong cuộc sống, nâng cao trải nghiệm sống và bảo vệ sức khỏe của bạn

IV Cảm biến chuyển động, ánh sáng với Arduino

- Cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật

lý hay hóa học ở môi trường cần khảo sát, và biến đổi thành tín hiệu điện đểthu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó

A Cảm biến chuyển động

Hình 1.4.1: Minh họa cảm biến chuyển động

- Cảm biến chuyển động (Passive InfraRed sensor)PIR sensor, tức là bộ cảmbiến thụ động dùng nguồn kích thích là tia hồng ngoại

- Cảm biến PIR phát hiện chuyển động bằng cách đo những thay đổi trong bức

xạ hồng ngoại phát ra bởi các đối tượng

- Khi phát hiện chuyển động cảm biến PIR sẽ xuất ra 1 xung ở mức cao, xungnày được đọc bởi một vi điều khiển để thực hiện chức năng mong muốn

1 Sơ đồ chân PIR

- Cảm biến chuyển động (Passive InfraRed sensor)PIR sensor, tức là bộ cảmbiến thụ động dùng nguồn kích thích là tia hồng ngoại

- Cảm biến PIR phát hiện chuyển động bằng cách đo những thay đổi trong bức

xạ hồng ngoại phát ra bởi các đối tượng

- Khi phát hiện chuyển động cảm biến PIR sẽ xuất ra 1 xung ở mức cao, xungnày được đọc bởi một vi điều khiển để thực hiện chức năng mong muốn

Hình 1.4.2 : Cảm biến PIR

2 Nguyên lý hoạt động

- Cảm biến chuyển động (Passive InfraRed sensor)PIR sensor, tức là bộ cảmbiến thụ động dùng nguồn kích thích là tia hồng ngoại

- Cảm biến PIR phát hiện chuyển động bằng cách đo những thay đổi trong bức

xạ hồng ngoại phát ra bởi các đối tượng

- Khi phát hiện chuyển động cảm biến PIR sẽ xuất ra 1 xung ở mức cao, xungnày được đọc bởi một vi điều khiển để thực hiện chức năng mong muốn

Hình 1.4.3: Sơ đồ hoạt động bộ cảm biến

● Khi có ánh sáng chiếu vào thì điện trở của cảm biến ánh sáng giảm xuống

● Khi không có ánh sáng hoặc ánh sáng yếu thì điện trở tăng cao

2 Nguyên lý hoạt động

Hình 1.4.5: Sơ đồ của cảm biến ánh sáng

Cảm biến ánh sáng hoạt động dựa trên nguyên lý của hiệu ứng quang điện.Hiệu ứng quang điện là hiện tượng một số chất đặc biệt sau khi hấp thụ ánhsáng sẽ chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện

Hiệu ứng quang điện gồm có:

● Hiệu ứng quang điện trong: Hiện tượng quang điện trong thường diễn ravới chất bán dẫn Khi chiếu ánh sáng vào vật liệu, năng lượng này sẽ làmthay đổi điện trở suất bên trong vật liệu gây ra suất điện động làm thay đổitính chất điện của vật liệu

● Hiệu ứng quang điện ngoài: Khi bề mặt của vật liệu được chiếu bởi ánhsáng, các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng để tạo ra điện Khi các điện tử

từ bên trong vật liệu bật ra ngoài bề mặt của vật liệu sẽ tạo ra hiệu ứngquang điện ngoài

❖ Kết luận

Kết luận từ những nghiên cứu trên, hệ thống điều khiển đèn thông minh là sựkết hợp của các cảm biến, công nghệ không dây, IoT, và các tính năng điều khiểnthông minh để cung cấp trải nghiệm tiện lợi, tiết kiệm năng lượng và an toàn chongười sử dụng

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ARDUINO UNO R3

1 Giới thiệu chung về arduino uno r3

Dòng Arduino Uno là dòng phổ thông nhất trong các mạch arduino, hiện nay thế hệthứ 3(R3) đang là mạch được sử dụng phổ biến, được sử dụng để tự thiết kế các mạch điện

tử như điều khiển led, đo nhiệt độ - độ ẩm hiển thị lên lcd hay các ứng dụng khác

Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8, ATmega168,ATmega328 Bộ não này có thể xử lý những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấpnháy, xử lý tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thịlên màn hình LCD,…

Hình 2.1 : Arduino uno r3 chip cắm

2 Thông số kỹ thuật

Arduino Uno là sử dụng chip Atmega328 Nó có 14 chân digital I/O, 6 chân đầu vào(input) analog, thạch anh dao động 16Mhz Một số thông số kỹ thuật như sau :

Bảng 2.1 : Thông số kỹ thuật của arduino uno r3

3 Cấu trúc của Arduino Uno R3

Hình 2.2 : Sơ đồ cấu trúc arduino uno r3

Vi điều khiển: Arduino Uno R3 sử dụng vi điều khiển ATmega328P, một loại vi điều

khiển 8-bit mạnh mẽ và linh hoạt

Nguồn cấp điện: Có thể cấp điện cho Uno R3 qua cổng USB (5V) hoặc qua jack

nguồn ngoài (7-12V) Bo mạch có mạch ổn định điện áp để bảo vệ thiết bị khỏi điện

áp không phù hợp

Số chân I/O: Bo mạch có 14 chân digital input/output, trong đó có 6 chân có thể

dùng cho điều chế độ rộng xung (PWM), và 6 chân analog input để đọc các tín hiệubiến đổi từ cảm biến hoặc thiết bị tương tự

Giao tiếp kết nối: Uno R3 tích hợp cổng giao tiếp UART (TX/RX), SPI và I2C, giúp

kết nối dễ dàng với các module ngoại vi khác như cảm biến, màn hình LCD, vàmodule truyền thông

❖ Tính năng nổi bật của arduino uno r3

➢ Tính đơn giản: Arduino Uno R3 dễ sử dụng nhờ vào sự hỗ trợ của Arduino

IDE, phần mềm lập trình với ngôn ngữ lập trình đơn giản, dễ tiếp cận, dựatrên C/C++ IDE này cung cấp nhiều thư viện để điều khiển các cảm biến,động cơ, và các thiết bị ngoại vi khác

➢ Khả năng tương thích cao: Uno R3 tương thích với nhiều loại shield khác

nhau, là các bảng mở rộng được gắn trực tiếp lên bo mạch để thêm chức năng(ví dụ: Wi-Fi, Bluetooth, Ethernet, GPS)

➢ Tính cộng đồng: Arduino có một cộng đồng lớn với hàng ngàn dự án mã

nguồn mở, tài liệu hướng dẫn, và hỗ trợ từ người dùng trên toàn thế giới Điều

này giúp những người mới học có thể dễ dàng tìm được giải pháp và phát triểncác dự án của riêng mình.

❖ Ứng dụng của Arduino Uno R3

Hình 2.3 : Những ứng dụng của arduino uno r3

Arduino Uno R3 được sử dụng trong nhiều lĩnh vực và dự án khác nhau, bao gồm:

➢ Dự án DIY (Do It Yourself): Tạo ra các sản phẩm thủ công như hệ thống

chiếu sáng thông minh, hệ thống tự động hóa nhà cửa

➢ Giáo dục: Arduino Uno R3 thường được dùng để dạy học về lập trình, điện

tử, và robot trong các trường học

➢ Nghiên cứu và phát triển: Nhiều kỹ sư và nhà phát triển sử dụng Arduino để

tạo ra các nguyên mẫu sản phẩm nhanh chóng trước khi tiến hành sản xuấtchính thức

➢ Tự động hóa: Từ các hệ thống cảm biến nhiệt độ, độ ẩm cho đến điều khiển

động cơ trong các dự án tự động hóa công nghiệp

❖ Kết luận

Arduino Uno R3 là một công cụ mạnh mẽ và dễ sử dụng, đặc biệt phù hợp chonhững ai mới bắt đầu học về điện tử và lập trình nhúng Với cộng đồng hỗ trợ rộnglớn, thư viện phong phú và khả năng mở rộng cao, Uno R3 có thể đáp ứng được nhucầu của người dùng ở nhiều mức độ khác nhau, từ các dự án nhỏ lẻ cho đến các ứngdụng phức tạp trong thực tế

CHƯƠNG 3 : MODULE BLUETOOTH HC-06, MODULE CẢM

BIẾN ÁNH SÁNG DO

I Module Bluetooth HC-06

1 Giới thiệu

Hình 3.1.1 : HC-06 Bluetooth

HC06 Module Bluetooth là một trong những module giao tiếp khoảng cách ngắn và

rẻ nhất Tiêu thụ điện năng rất thấp và có công nghệ Bluetooth 2.0

Chức năng cơ bản của module là thiết lập giao tiếp khoảng cách ngắn giữa hai bộ viđiều khiển và hệ thống Module Bluetooth chủ yếu chỉ sử dụng với Arduino / vi điều khiểntrong các dự án đang phát triển vì module này có các giao tiếp dữ liệu qua công nghệ

Bluetooth hiện đại

Module chỉ thực hiện các chức năng của slave và Module có phương thức lưu trữ dữliệu bên trong để thiết bị slave cuối cùng kết nối mà không cần bất kỳ sự cho phép hoặc xácminh nào Tự động kết nối và các phương pháp khác có thể thay đổi bằng cách sử dụng chế

độ dòng lệnh cho HC06

Module thu phát bluetooth HC-06 ra chân hoàn chỉnh giúp dễ dàng kết nối để thựchiện các thí nghiệm, module được thiết kế để cho thể hoạt động từ mức điện áp 3V3 => 5V.Khi kết nối với máy tính, HC-06 được sử dụng như 1 cổng COM ảo, việc truyền nhận vớiCOM ảo sẽ giống như truyền nhận dữ liệu trực tiếp với UART trên module

2 Thông số kỹ thuật module thu phát BLUETOOTH HC-06

● Điện áp hoạt động: 3.3 ~ 5VDC.

● Điện áp giao tiếp: TTL tương thích 3.3VDC và 5VDC.