Xây dựng cơ sở dữ liệu và giao diện giám sát điều khiển cho hệ thống điều chỉnh cường độ ánh sáng cho phòng học sử dụng thuật toán PID

LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại công nghệ 4.0, nước ta có nhu cầu rất lớn về năng lượng để thúc đẩy sự phát triển kinh tế,xã hội.Nguồn năng lượng có sẵn hiện nay không phải là vô tận,hơn thế nữa Việt Nam có nhiều hạn chế trong việc khai thác,chế biến và phát triển các nguồn năng lượng mới thay thế cho nguồn năng lượng cũ(than,dầu mỏ).Chúng ta đã ,đang và sẽ tiếp tục phải bỏ ra một khoản chi phí lớn để nhập khẩu năng lượng. Những năm gần đây,chúng ta đã có nhiều giải pháp tiết kiệm năng lượng cho các thiết bị,một trong số nhiều giải pháp đó là hệ thống tự động chiếu sáng được ứng dụng .Trong đó,một vấn đề rất được quan tâm là làm sao để sử dụng hợp lí công suất chiếu sáng phù hợp với từng nhu cầu chiếu sáng.Đặc biệt đối với chiếu sáng ở các phòng học,phòng họp,gia đình,khách sạn.v.v…Nhưng ánh sáng còn chưa được sử dụng hiệu quả dẫn tới thừa hoặc thiếu ánh sáng để sử dụng gây ra lãng phí điện năng,có thể mắc một số bệnh về mắt do thiếu ánh sáng. Lý do chọn đề tài: Dựa vào quá trình khảo sát việc sử dụng ánh sáng tại các phòng học và các hộ gia đình chưa hợp lí và hiệu quả,thừa hoặc thiếu ánh sáng để sử dụng gấy ra lãng phí năng lượng nên trong quá trình học tập môn học: Kỹ thuật đo lường và điều khiển bằng máy tính 2 và để củng cố kiến thức khi học môn học em đã quyết định chọn đề tài “ Xây dựng cơ sở dữ liệu và giao diện giám sát điều khiển cho hệ thống điều chỉnh cường độ ánh sáng cho phòng học sử dụng thuật toán PID”. Mục đích,yêu cầu của đề tài : - Xây dựng hệ thống tự động điều chỉnh ánh sáng trong phòng học để đảm bảo độ sáng luôn đạt được độ rọi trong phòng là 500lux phù hợp với chiếu sáng cho phòng học(theo TCVN 7114:2002). - Thiết kế mạch gọn nhẹ, đơn giản. - Đảm bảo độ tin cậy,chính xác thuận tiện cho người sử dụng. - Sử dụng thuật toán PID để ổn địnhcho cường độ ánh sáng. Báo cáo này được trình bày gồm 3 chương: Chương 1: Cở sở lý thuyết Chương 2: Phân tích thiết kế hệ thống Chương 3: Kết quả và đánh giá Được sự hướng dẫn tận tình của Thầy giáo Th.S Đặng Văn Ngọc, chúng em đã hoàn thành xong bản báo cáo này. Cùng với sự nỗ lực của bản thân nhưng do thời gian,trình độ,kiến thức và kinh nghiệm còn hạn hẹp nên không tránh được sai sót.Chúng em rất mong được quý thầy cô góp ý, bổ sung kiến thức, cũng như chỉ bảo cho chúng em để kiến thức của chúng em ngày càng vững vàng hơn và đặc biệt là có được vốn kinh nghiệm sâu rộng hơn khi tốt nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn ! Thái Nguyên, ngày 15 tháng 12 năm 2020 Sinh viên thực hiện CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1. Giới thiệu chung về hệ thống giám sát điều khiển cường độ ánh sáng trong phòng 1.1.1. Nhu cầu về việc điều chỉnh cường độ ánh sáng trong phòng Trong một cuộc sống đang không ngừng phát triển từng ngày thì mọi nhu cầu của con người đều cần thiết mà trong đó việc điều chỉnh cường độ ánh sáng vẫn là vấn đề đặt ra hàng đầu trên toàn thế giới. Khi ánh sáng của đèn ra đời cũng đồng nghĩa với việc các nhu cầu đặt ra của con người dần được giải quyết bằng việc sử dụng đèn chiếu sáng trong cuộc sống hiện đại. Chiếu sáng tốt sẽ tạo được môi trường thị giác đảm bảo cho mọi người quan sát,di chuyển an toàn và thực hiện các công việc thị giác hiệu quả,chính xác và an toàn không gây ra mệt mỏi thị giác và khó chịu.Ánh sáng có thể là ánh sáng ban ngày,ánh sáng đèn điện hoặc kết hợp cả hai. Hình 1.1. Đèn chiếu sáng cho lớp học Chiếu sáng tốt đòi hỏi phải quan tâm đến cả số lượng và chất lượng ánh sáng như nhau.Việc cung cấp đủ độ rọi khi làm việc là cần thiết,trong nhiều trường hợp độ nhìn rõ phụ thuộc vào cách chiếu sáng,màu sắc của nguồn phát sáng và các bề mặt được chiếu sáng có cùng một mức độ chói lóa từ hệ thống chiếu sáng. Trước tình hình đó, vấn đề phải tìm được những phương án mới để đáp ứng nhu cầu về điều chỉnh cường độ ánh sáng cho mọi người trong công việc,trong học tập và trong cuocj sống hang ngày ,để cải thiện những nguồn ánh sáng có hại cho con người . Mục đích của đề tài là tự động hóa quá trình điều khiển cường độ ánh sáng trong phòng học để ánh sáng có thể chiếu sáng một cách hiệu quả nhất. Vào những thời điểm ánh sáng ngoài trời không đủ cung cấp thì ánh sáng trong phòng sẽ một phần thay thế giúp các hoạt đông dạy và học trên giảng đường của học sinh,sinh viên và giáo viên vẫn đảm bảo . 1.1.2. Các sản phẩm trong thực tế 1.1.2.1. Hệ thống điều chỉnh ánh sáng bằng Smartphone Trong thiết kế nội thất ngôi nhà thì việc bài trí ánh sáng rất quan trọng và để tạo ra hiệu quả ánh sáng như mong muốn thì không thể không nhắc tới việc điều khiển ánh sáng bằng các hệ thống điều chỉnh cường độ ánh sáng để thay đổi các chế độ ánh sáng,… Hình 1.2. Đèn điện được điều khiển bằng Smartphone *Ưu điểm: - Có khả năng kết nối với thiết bị di động thông qua Bluetooth, Wi-Fi hoặc các kết nối không dây khác, đèn thông minh giúp người dùng có thể điều khiển từ xa. - Có tính năng tăng giảm độ sáng và màu sắc. - Cho phép bật tắt đèn từ điện thoại thông minh, điều chỉnh độ sáng hoặc màu đèn, hẹn giờ bật tắt đèn. => Những tính năng này được thực hiện thông qua kết nối điện thoại di động hoặc máy tính bảng. *Nhược điểm: - Thiết bị điều khiển cần kết nối mạng hoặc Wifi - Phải có ứng dụng qua điện thoại hoặc máy tính bảng - Chưa thay thế cho đèn có cường độ sáng cao - Chuỗi tiêu chuẩn phải gắn vào đèn - Yêu cầu mã để người dung đăng nhập và cài ứng dụng từ Appstore hoặc Play Store để kết nối 1.1.2.2. Hộp diều khiển ánh sáng. Hình 1.3. Hộp điều khiển ánh sáng LT-600 *Ưu điểm: - Tích hợp toàn bộ hệ thống đèn sử dụng trong phòng - Điều khiển ánh sáng được nhiều thời điểm và không gian khác nhau - Điều chỉnh được ánh sáng theo nhu cầu của người dùng * Nhược điểm: - Yêu cầu thiết bị nằm trong khu vực nhận được sóng - Dễ bị di chuyển sang một địa điểm khác gây mất ổn định ánh sáng - Có thể kết nối nhiều phương thức truyền thông nên xảy ra hiện tượng nhiễu - Bất kỳ máy tính để bàn và laptop có thể điều khiển nó dẫn đến tính bảo mật không đảm bảo 1.1.2.3. Bộ điều chỉnh ánh sáng Fibaro Dimmer 2 Hình 1.4. Bộ điều chỉnh ánh sáng Fibaro Dimmer 2 * Ưu điểm : - Được trang bị các đầu nối kết nối lớn cho phép kết nối dây có đường kính lớn hơn - Điều chỉnh từ xa với mọi thiết bị mạng không giây - Có khả năng bảo vệ quá nhiệt,quá tải hoặc sụt điện áp - Đo được năng lượng - Tự động nhận biết thiết bị kết nối * Nhược điểm - Chỉ hoạt động với bóng đèn sợi đốt, halogen 230V, halogen 12 V và đèn LED mờ. - Phụ thuộc vào thiết bị mà người dung lắp đặt 1.2. Các công nghệ sử dụng trong đề tài 1.2.1. Chuẩn truyền thông I2C I2C là viết tắt của từ Inter-Integrated Circuit là một chuẩn truyền thông do hãng điện tử Philips Semiconductor sáng lập và xây dựng thành chuẩn năm 1990.Phiên bản mới nhất của I2C là V3.0 phát hành năm 2007. Do tính đơn giản của nó nên loại giao thức này được sử dụng rộng rãi cho giao tiếp giữa vi điều khiển và mảng cảm biến, các thiết bị hiển thị, thiết bị IoT, EEPROMs, … Đây là một loại giao thức giao tiếp nối tiếp đồng bộ. Nó có nghĩa là các bit dữ liệu được truyền từng bit một theo các khoảng thời gian đều đặn được thiết lập bởi một tín hiệu đồng hồ tham chiếu.  Đặc điểm Sau đây là một số đặc điểm quan trọng của giao thức giao tiếp I2C: • Chỉ cần có hai đường bus (dây) chung để điều khiển bất kỳ thiết bị / IC nào trên mạng I2C • Không cần thỏa thuận trước về tốc độ truyền dữ liệu như trong giao tiếp UART. Vì vậy, tốc độ truyền dữ liệu có thể được điều chỉnh bất cứ khi nào cần thiết • Cơ chế đơn giản để xác thực dữ liệu được truyền • Sử dụng hệ thống địa chỉ 7 bit để xác định một thiết bị / IC cụ thể trên bus I2C • Các mạng I2C dễ dàng mở rộng. Các thiết bị mới có thể được kết nối đơn giản với hai đường bus chung I2C  Phần cứng Bus vật lý I2C Bus I2C (dây giao tiếp) chỉ gồm hai dây và được đặt tên là Serial Clock Line (SCL) và Serial Data Line (SDA). Dữ liệu được truyền đi được gửi qua dây SDA và được đồng bộ với tín hiệu đồng hồ (clock) từ SCL. Tất cả các thiết bị / IC trên mạng I2C được kết nối với cùng đường SCL và SDA như sau: Hình 1.5. Mạng I2C với nhiều thiết bị và 2 điện trở kéo lên cho SDA,SCL Cả hai đường bus I2C (SDA, SCL) đều hoạt động như các bộ lái cực máng hở (open drain). Nó có nghĩa là bất kỳ thiết bị / IC trên mạng I2C có thể lái SDA và SCL xuống mức thấp, nhưng không thể lái chúng lên mức cao. Vì vậy, một điện trở kéo lên (khoảng 1 kΩ đến 4,7 kΩ) được sử dụng cho mỗi đường bus, để giữ cho chúng ở mức cao (ở điện áp dương) theo mặc định. Lý do sử dụng một hệ thống cực máng hở (open drain) là để không xảy ra hiện tượng ngắn mạch, điều này có thể xảy ra khi một thiết bị cố gắng kéo đường dây lên cao và một số thiết bị khác cố gắng kéo đường dây xuống thấp. Thiết bị chủ (Master) và tớ (Slave) Các thiết bị kết nối với bus I2C được phân loại hoặc là thiết bị Chủ (Master) hoặc là thiết bị Tớ (Slave). Ở bất cứ thời điểm nào thì chỉ có duy nhất một thiết bị Master ở trang thái hoạt động trên bus I2C. Nó điều khiển đường tín hiệu đồng hồ SCL và quyết định hoạt động nào sẽ được thực hiện trên đường dữ liệu SDA. Tất cả các thiết bị đáp ứng các hướng dẫn từ thiết bị Master này đều là Slave. Để phân biệt giữa nhiều thiết bị Slave được kết nối với cùng một bus I2C, mỗi thiết bị Slave được gán một địa chỉ vật lý 7-bit cố định. Khi một thiết bị Master muốn truyền dữ liệu đến hoặc nhận dữ liệu từ một thiết bị Slave, nó xác định địa chỉ thiết bị Slave cụ thể này trên đường SDA và sau đó tiến hành truyền dữ liệu. Vì vậy, giao tiếp có hiệu quả diễn ra giữa thiết bị Master và một thiết bị Slave cụ thể. Tất cả các thiết bị Slave khác không phản hồi trừ khi địa chỉ của chúng được chỉ định bởi thiết bị Master trên dòng SDA.  Giao thức truyền dữ liệu Giao thức sau đây (tập hợp các quy tắc) được theo sau bởi thiết bị Master và các thiết bị Slave để truyền dữ liệu giữa chúng. Dữ liệu được truyền giữa thiết bị Master và các thiết bị Slave thông qua một đường dữ liệu SDA duy nhất, thông qua các chuỗi có cấu trúc gồm các số 0 và 1 (bit). Mỗi chuỗi số 0 và 1 được gọi là giao dịch (transaction) và dữ liệu trong mỗi giao dịch có cấu trúc như sau: Hình 1.6. Giao thức truyền dữ liệu chuẩn truyền thông I2C Điều kiện bắt đầu (Start Condition) Bất cứ khi nào một thiết bị chủ / IC quyết định bắt đầu một giao dịch, nó sẽ chuyển mạch SDA từ mức điện áp cao xuống mức điện áp thấp trước khi đường SCL chuyển từ cao xuống thấp. Khi điều kiện bắt đầu được gửi bởi thiết bị Master, tất cả các thiết bị Slave đều hoạt động ngay cả khi chúng ở chế độ ngủ (sleep mode) và đợi bit địa chỉ. Hình 1.7. Điều kiện bắt đầu Khối địa chỉ Nó bao gồm 7 bit và được lấp đầy với địa chỉ của thiết bị Slave đến / từ đó thiết bị Master cần gửi / nhận dữ liệu. Tất cả các thiết bị Slave trên bus I2C so sánh các bit địa chỉ này với địa chỉ của chúng. Bit Read / Write Bit này xác định hướng truyền dữ liệu. Nếu thiết bị Master / IC cần gửi dữ liệu đến thiết bị Slave, bit này được thiết lập là ‘0’. Nếu IC Master cần nhận dữ liệu từ thiết bị Slave, bit này được thiết lập là ‘1’. Bit ACK / NACK ACK / NACK là viết tắt của Acknowledged/Not-Acknowledged. Nếu địa chỉ vật lý của bất kỳ thiết bị Slave nào trùng với địa chỉ được thiết bị Master phát, giá trị của bit này được set là ‘0’ bởi thiết bị Slave. Ngược lại, nó vẫn ở mức logic ‘1’ (mặc định). Khối dữ liệu Nó bao gồm 8 bit và chúng được thiết lập bởi bên gửi, với các bit dữ liệu cần truyền tới bên nhận. Khối này được theo sau bởi một bit ACK / NACK và được set thành ‘0’ bởi bên nhận nếu nó nhận thành công dữ liệu. Ngược lại, nó vẫn ở mức logic ‘1’. Sự kết hợp của khối dữ liệu theo sau bởi bit ACK / NACK được lặp lại cho đến quá trình truyền dữ liệu được hoàn tất. Điều kiện kết thúc (Stop condition) Sau khi các khung dữ liệu cần thiết được truyền qua đường SDA, thiết bị Master chuyển đường SDA từ mức điện áp thấp sang mức điện áp cao trước khi đường SCL chuyển từ cao xuống thấp. Hình 1.8. Điều kiện kết thúc 1.2.2. Thuật toán PID

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời đại công nghệ 4.0, nước ta có nhu cầu rất lớn về năng lượng để thúcđẩy sự phát triển kinh tế,xã hội.Nguồn năng lượng có sẵn hiện nay không phải là vô tận,hơn thế nữa Việt Nam có nhiều hạn chế trong việc khai thác,chế biến và phát triển các nguồn năng lượng mới thay thế cho nguồn năng lượng cũ(than,dầu mỏ).Chúng ta

đã ,đang và sẽ tiếp tục phải bỏ ra một khoản chi phí lớn để nhập khẩu năng lượng

Những năm gần đây,chúng ta đã có nhiều giải pháp tiết kiệm năng lượng cho các thiết bị,một trong số nhiều giải pháp đó là hệ thống tự động chiếu sáng được ứng dụng Trong đó,một vấn đề rất được quan tâm là làm sao để sử dụng hợp lí công suất chiếu sáng phù hợp với từng nhu cầu chiếu sáng.Đặc biệt đối với chiếu sáng ở các phòng học,phòng họp,gia đình,khách sạn.v.v…Nhưng ánh sáng còn chưa được sử dụng hiệu quả dẫn tới thừa hoặc thiếu ánh sáng để sử dụng gây ra lãng phí điện

Mục đích,yêu cầu của đề tài :

- Xây dựng hệ thống tự động điều chỉnh ánh sáng trong phòng học để đảm bảo độ sáng luôn đạt được độ rọi trong phòng là 500lux phù hợp với chiếu sáng cho phòng học(theo TCVN 7114:2002)

- Thiết kế mạch gọn nhẹ, đơn giản

- Đảm bảo độ tin cậy,chính xác thuận tiện cho người sử dụng

- Sử dụng thuật toán PID để ổn địnhcho cường độ ánh sáng

Báo cáo này được trình bày gồm 3 chương:

Chương 1: Cở sở lý thuyết

Chương 2: Phân tích thiết kế hệ thống

Chương 3: Kết quả và đánh giá

Được sự hướng dẫn tận tình của Thầy giáo Th.S Đặng Văn Ngọc, chúng em

đã hoàn thành xong bản báo cáo này

Cùng với sự nỗ lực của bản thân nhưng do thời gian,trình độ,kiến thức và kinh nghiệm còn hạn hẹp nên không tránh được sai sót.Chúng em rất mong được quý thầy

cô góp ý, bổ sung kiến thức, cũng như chỉ bảo cho chúng em để kiến thức của chúng

em ngày càng vững vàng hơn và đặc biệt là có được vốn kinh nghiệm sâu rộng hơn

khi tốt nghiệp.

Em xin chân thành cảm ơn !

Thái Nguyên, ngày 15 tháng 12 năm 2020

Sinh viên thực hiện

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT1.1 Giới thiệu chung về hệ thống giám sát điều khiển cường độ ánh sáng

trong phòng

1.1.1 Nhu cầu về việc điều chỉnh cường độ ánh sáng trong phòng

Trong một cuộc sống đang không ngừng phát triển từng ngày thì mọi nhu cầu củacon người đều cần thiết mà trong đó việc điều chỉnh cường độ ánh sáng vẫn là vấn đề đặt

ra hàng đầu trên toàn thế giới Khi ánh sáng của đèn ra đời cũng đồng nghĩa với việc cácnhu cầu đặt ra của con người dần được giải quyết bằng việc sử dụng đèn chiếu sángtrong cuộc sống hiện đại

Chiếu sáng tốt sẽ tạo được môi trường thị giác đảm bảo cho mọi người quan sát,di

chuyển an toàn và thực hiện các công việc thị giác hiệu quả,chính xác và an toàn khônggây ra mệt mỏi thị giác và khó chịu.Ánh sáng có thể là ánh sáng ban ngày,ánh sáng đènđiện hoặc kết hợp cả hai

Hình 1.1 Đèn chiếu sáng cho lớp học

Chiếu sáng tốt đòi hỏi phải quan tâm đến cả số lượng và chất lượng ánh sáng như nhau.Việc cung cấp đủ độ rọi khi làm việc là cần thiết,trong nhiều trường hợp độ nhìn

rõ phụ thuộc vào cách chiếu sáng,màu sắc của nguồn phát sáng và các bề mặt được chiếu sáng có cùng một mức độ chói lóa từ hệ thống chiếu sáng

Trước tình hình đó, vấn đề phải tìm được những phương án mới để đáp ứng nhu cầu về điều chỉnh cường độ ánh sáng cho mọi người trong công việc,trong học tập

và trong cuocj sống hang ngày ,để cải thiện những nguồn ánh sáng có hại cho con người

Mục đích của đề tài là tự động hóa quá trình điều khiển cường độ ánh sáng trong phòng học để ánh sáng có thể chiếu sáng một cách hiệu quả nhất

         Vào những thời điểm ánh sáng ngoài trời không đủ cung cấp thì ánh sáng trong phòng sẽ một phần thay thế giúp các hoạt đông dạy và học trên giảng đường của học sinh,sinh viên và giáo viên vẫn đảm bảo

1.1.2 Các sản phẩm trong thực tế

1.1.2.1 Hệ thống điều chỉnh ánh sáng bằng Smartphone

Trong thiết kế nội thất ngôi nhà thì việc bài trí ánh sáng rất quan trọng

và để tạo ra hiệu quả ánh sáng như mong muốn thì không thể không nhắc tới việc điều khiển ánh sáng bằng các hệ thống điều chỉnh cường

độ ánh sáng để thay đổi các chế độ ánh sáng,…

Hình 1.2 Đèn điện được điều khiển bằng Smartphone

*Ưu điểm:

- Có khả năng kết nối với thiết bị di động thông qua Bluetooth, Wi-Fi hoặc các kết nốikhông dây khác, đèn thông minh giúp người dùng có thể điều khiển từ xa

- Có tính năng tăng giảm độ sáng và màu sắc

- Cho phép bật tắt đèn từ điện thoại thông minh, điều chỉnh độ sáng hoặc màu đèn, hẹn giờ bật tắt đèn

=> Những tính năng này được thực hiện thông qua kết nối điện thoại di động hoặc máy tính bảng

*Nhược điểm:

- Thiết bị điều khiển cần kết nối mạng hoặc Wifi

- Phải có ứng dụng qua điện thoại hoặc máy tính bảng

- Chưa thay thế cho đèn có cường độ sáng cao

- Chuỗi tiêu chuẩn phải gắn vào đèn

- Yêu cầu mã để người dung đăng nhập và cài ứng dụng từ Appstore hoặc Play Store

để kết nối

1.1.2.2 Hộp diều khiển ánh sáng.

Hình 1.3 Hộp điều khiển ánh sáng LT-600

*Ưu điểm:

- Tích hợp toàn bộ hệ thống đèn sử dụng trong phòng

- Điều khiển ánh sáng được nhiều thời điểm và không gian khác nhau

- Điều chỉnh được ánh sáng theo nhu cầu của người dùng

* Nhược điểm:

- Yêu cầu thiết bị nằm trong khu vực nhận được sóng

- Dễ bị di chuyển sang một địa điểm khác gây mất ổn định ánh sáng

- Có thể kết nối nhiều phương thức truyền thông nên xảy ra hiện tượng nhiễu

- Bất kỳ máy tính để bàn và laptop có thể điều khiển nó dẫn đến tính bảo mật không đảm bảo

1.1.2.3 Bộ điều chỉnh ánh sáng Fibaro Dimmer 2

Hình 1.4 Bộ điều chỉnh ánh sáng Fibaro Dimmer 2

* Ưu điểm :

- Được trang bị các đầu nối kết nối lớn cho phép kết nối dây có đường kính lớn hơn

- Điều chỉnh từ xa với mọi thiết bị mạng không giây

- Có khả năng bảo vệ quá nhiệt,quá tải hoặc sụt điện áp

- Đo được năng lượng

- Tự động nhận biết thiết bị kết nối

* Nhược điểm

- Chỉ hoạt động với bóng đèn sợi đốt, halogen 230V, halogen 12 V và đèn LED mờ

- Phụ thuộc vào thiết bị mà người dung lắp đặt

1.2 Các công nghệ sử dụng trong đề tài

1.2.1 Chuẩn truyền thông I2C

I2C là viết tắt của từ Inter-Integrated Circuit là một chuẩn truyền thông do hãng

điện tử Philips Semiconductor sáng lập và xây dựng thành chuẩn năm 1990.Phiên bản mới nhất của I2C là V3.0 phát hành năm 2007

Do tính đơn giản của nó nên loại giao thức này được sử dụng rộng rãi cho giao tiếpgiữa vi điều khiển và mảng cảm biến, các thiết bị hiển thị, thiết bị IoT, EEPROMs, …

Đây là một loại giao thức giao tiếp nối tiếp đồng bộ Nó có nghĩa là các bit dữ liệu được truyền từng bit một theo các khoảng thời gian đều đặn được thiết lập bởi một tín hiệu đồng hồ tham chiếu

 Đặc điểm

Sau đây là một số đặc điểm quan trọng của giao thức giao tiếp I2C:

 Chỉ cần có hai đường bus (dây) chung để điều khiển bất kỳ thiết bị / IC nào trên mạng I2C

 Không cần thỏa thuận trước về tốc độ truyền dữ liệu như trong giao tiếp UART Vì vậy, tốc độ truyền dữ liệu có thể được điều chỉnh bất cứ khi nào cần thiết

 Cơ chế đơn giản để xác thực dữ liệu được truyền

 Sử dụng hệ thống địa chỉ 7 bit để xác định một thiết bị / IC cụ thể trên bus I2C

 Các mạng I2C dễ dàng mở rộng Các thiết bị mới có thể được kết nối đơn giản với hai đường bus chung I2C

 Phần cứng

Bus vật lý I2C

Bus I2C (dây giao tiếp) chỉ gồm hai dây và được đặt tên là Serial Clock Line (SCL) vàSerial Data Line (SDA) Dữ liệu được truyền đi được gửi qua dây SDA và được đồng

bộ với tín hiệu đồng hồ (clock) từ SCL Tất cả các thiết bị / IC trên mạng I2C được kết nối với cùng đường SCL và SDA như sau:

Hình 1.5 Mạng I2C với nhiều thiết bị và 2 điện trở kéo lên cho SDA,SCL

Cả hai đường bus I2C (SDA, SCL) đều hoạt động như các bộ lái cực máng hở (open drain) Nó có nghĩa là bất kỳ thiết bị / IC trên mạng I2C có thể lái SDA và SCL xuốngmức thấp, nhưng không thể lái chúng lên mức cao Vì vậy, một điện trở kéo lên (khoảng 1 kΩ đến 4,7 kΩ) được sử dụng cho mỗi đường bus, để giữ cho chúng ở mức cao (ở điện áp dương) theo mặc định

Lý do sử dụng một hệ thống cực máng hở (open drain) là để không xảy ra hiện tượng ngắn mạch, điều này có thể xảy ra khi một thiết bị cố gắng kéo đường dây lên cao và một số thiết bị khác cố gắng kéo đường dây xuống thấp

Thiết bị chủ (Master) và tớ (Slave)

Các thiết bị kết nối với bus I2C được phân loại hoặc là thiết bị Chủ (Master) hoặc là thiết bị Tớ (Slave) Ở bất cứ thời điểm nào thì chỉ có duy nhất một thiết bị Master ở trang thái hoạt động trên bus I2C Nó điều khiển đường tín hiệu đồng hồ SCL và quyết định hoạt động nào sẽ được thực hiện trên đường dữ liệu SDA

Tất cả các thiết bị đáp ứng các hướng dẫn từ thiết bị Master này đều là Slave Để phânbiệt giữa nhiều thiết bị Slave được kết nối với cùng một bus I2C, mỗi thiết bị Slave được gán một địa chỉ vật lý 7-bit cố định.

Khi một thiết bị Master muốn truyền dữ liệu đến hoặc nhận dữ liệu từ một thiết bị Slave, nó xác định địa chỉ thiết bị Slave cụ thể này trên đường SDA và sau đó tiến hành truyền dữ liệu Vì vậy, giao tiếp có hiệu quả diễn ra giữa thiết bị Master và một thiết bị Slave cụ thể

Tất cả các thiết bị Slave khác không phản hồi trừ khi địa chỉ của chúng được chỉ định bởi thiết bị Master trên dòng SDA

 Giao thức truyền dữ liệu

Giao thức sau đây (tập hợp các quy tắc) được theo sau bởi thiết bị Master và các thiết

bị Slave để truyền dữ liệu giữa chúng

Dữ liệu được truyền giữa thiết bị Master và các thiết bị Slave thông qua một đường dữliệu SDA duy nhất, thông qua các chuỗi có cấu trúc gồm các số 0 và 1 (bit) Mỗi chuỗi

số 0 và 1 được gọi là giao dịch (transaction) và dữ liệu trong mỗi giao dịch có cấu trúcnhư sau:

Hình 1.6 Giao thức truyền dữ liệu chuẩn truyền thông I2C Điều kiện bắt đầu (Start Condition)

Bất cứ khi nào một thiết bị chủ / IC quyết định bắt đầu một giao dịch, nó sẽ chuyển mạch SDA từ mức điện áp cao xuống mức điện áp thấp trước khi đường SCL chuyển

Bit Read / Write

Bit này xác định hướng truyền dữ liệu Nếu thiết bị Master / IC cần gửi dữ liệu đến thiết bị Slave, bit này được thiết lập là ‘0’ Nếu IC Master cần nhận dữ liệu từ thiết bị Slave, bit này được thiết lập là ‘1’

Bit ACK / NACK

ACK / NACK là viết tắt của Acknowledged/Not-Acknowledged Nếu địa chỉ vật lý của bất kỳ thiết bị Slave nào trùng với địa chỉ được thiết bị Master phát, giá trị của bit này được set là ‘0’ bởi thiết bị Slave Ngược lại, nó vẫn ở mức logic ‘1’ (mặc định)

Khối dữ liệu

Nó bao gồm 8 bit và chúng được thiết lập bởi bên gửi, với các bit dữ liệu cần truyền tới bên nhận Khối này được theo sau bởi một bit ACK / NACK và được set thành ‘0’ bởi bên nhận nếu nó nhận thành công dữ liệu Ngược lại, nó vẫn ở mức logic ‘1’

Sự kết hợp của khối dữ liệu theo sau bởi bit ACK / NACK được lặp lại cho đến quá trình truyền dữ liệu được hoàn tất

Điều kiện kết thúc (Stop condition)

Sau khi các khung dữ liệu cần thiết được truyền qua đường SDA, thiết bị Master chuyển đường SDA từ mức điện áp thấp sang mức điện áp cao trước khi đường SCL chuyển từ cao xuống thấp

Hình 1.8 Điều kiện kết thúc

1.2.2 Thuật toán PID

Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ ( PID- Proportional Integral Derivative) là

một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (lý thuyết điều khiển tự động)|bộ điều khiển]]) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi

Hình 1.9 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản (mô hình toán học) về hệ thống điều khiển thì bộ điều khiển PID là sẽ bộ điều khiển tốt nhất.[1] Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống-trong khi kiểu điều khiển làgiống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống

Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi

khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm,

viết tắt là P, I, và D. Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác

động của tốc độ biến đổi sai số Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh

quá trình thông qua một phần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gia nhiệt Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ

thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ,

và D dự đoán các sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại.[2]

Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt Đáp ứng của bộ điều khiển

có thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển, giá trị mà bộ điều khiển vọt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống Lưu ý là công dụng của giải thuật PID trong điều khiển không đảm bảo tính tối ưu hoặc ổn định cho hệ thống Vài ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ thống Điều này đạt được bằng cách thiết đặt đội lợi của các đầu ra không mong muốn về 0 Một bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I nếu vắng mặt cáctác động bị khuyết. Bộ điều khiển PI khá phổ biến, do đáp ứng vi phân khá nhạy đối với các nhiễu đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống không đạt được giá trị mong muốn

Chú ý: Do sự đa dạng của lĩnh vực lý thuyết và ứng dụng điều khiển, nhiều qui ước đặt tên cho các biến có liên quan cùng được sử dụng

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 Đặc tả hệ thống

Quá trình khảo sát ánh sáng tại phòng học của mình em thu được kết quả như sau:

+ Nếu bật hết đèn đóng cửa lại: 430lux ± 20lux

+ Nếu mở hết cửa, đèn tắt hết, trời nắng: 550lux ± 10 lux

+ Nếu mở hết cửa, đèn tắt hết, trời không nắng: 350lux ± 30 lux

+ Nếu mở hết cửa, đèn bật hết, trời nắng: 600lux ± 15 lux

+ Nếu mở hết cửa, đèn bật hết, trời không nắng: 500lux ±10 lux

Một số yêu cầu từ người sử dụng:

+ Độ sáng phù hợp mắt người sử dụng

+ Ánh sáng luôn được ổn định không nhấp nháy gây khó chịu cho mắt

+ Khi ánh sáng ngoài trời đủ với yêu cầu thì đèn tắt

Vấn đề mà hệ thống đèn phòng học chưa đáp ứng được không tự điều chỉnh đượcánh sáng theo yêu cầu

Một số yêu cầu từ thiết bị:

+ Điều khiển tắt đèn khi ánh sáng ngoài trời đủ với yêu cầu (500lux)

+ Thiết bị gọn nhẹ dễ sử dụng

+ Đảm bảo độ tin cậy với người sử dụng

2.2 Sơ đồ khối hệ thống

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống

Chức năng của các khối:

 Khối cảm biến: Khối cảm biến có nhiệm vụ thu thập dữ liệu tín hiệu và đưađiều khiển xuống cho khối xử lý trung tâm

 Khối xử lý trung tâm: khối xử lý trung tâm làm nhiệm vụ nhận tín hiệu từ khốicảm biến, xử lý tín hiệu điều khiển khối cơ cấu chấp hành

 Khối cơ cấu chấp hành: khối này có nhiệm vụ thực hiện lệnh điều khiển từ viđiều khiển để điều khiển thiết bị

 Khối nguồn: Khối nguồn có nhiệm vụ cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống

 Khối hiển thị: Khối này có chức năng hiển thị thông số của đối tượng đo giúptăng khả năng giao tiếp giữa người với hệ thống

2.3 Phân tích và thiết kế hệ thống

2.3.1 Khối xử lý trung tâm

Khối xử lý trung tâm làm nhiệm vụ nhận tín hiệu từ khối cảm biến, xử lý tín hiệuđiều khiển khối cơ cấu chấp hành Hiện nay trên thị trường có các loại vi điều khiển phổbiến sau:

- Có tích hợp ADC và các tính năng cao cấp khác

- Arduino hỗ trợ một hệ thống thư viện cực kì mở, cực kỳ phong phú vàmạnh mẽ, gần như bạn sẽ không bao giờ cần phải tự viết thư viện choarduino

- Thiết kế nhỏ gọn

 8051

 Ưu điểm

- Giá thành rẻ

- Nhỏ gọn, mã lệnh ASM đơn giản trực quan dễ hiểu dễ học, chạy ổnđịnh.

- Vi điều khiển họ 8051 mang cấu trúc CSIC nên sẽ tiết kiệm nănglượng

 Nhược điểm:

- Ít các chức năng bên trong như các dòng chip mới

- Tính năng ADC rất quan trong, có mặt trong hầu hết các ứng dụngcũng không được tích hợp vào 8051,  Do vậy nếu dùng 8051 phải dùngthêm ADC ngoài nếu ứng dụng của bạn dùng đến ADC => thiết kếboard phức tạp, tốn công hơn, lập trình dài dòng hơn

 PIC

 Ưu điểm:

- Nhiều ngoại vi hơn, có tích hợp ADC 10 bit, PWM 10 bit và các tínhnăng cao cấp khác, có nhiều loại để lựa chọn

- Tích hợp chuẩn công nghiệp PI thích hợp sử dụng trong công nghiệp

- Ngôn ngữ lập trình đa dạng ngoài Asembly còn hỗ trợ sử dụng ngônngữ C (CCSC, HTPIC), sử dụng Basic thì có MirkoBasic, MPLABIDE

- Chế độ sleep tiết kiệm năg lượng

- TSL2561 có khả năng giao tiếp I2C trực tiếp.

- Độ ổn định và độ chính xác cao

- Cảm biến có ADC nội và bộ tiền xử lý nên giá trị được trả ra là giá trịtrực tiếp cường độ ánh sáng lux mà không phải qua  bất kỳ xử lý haytính toán nào thông qua giao tiếp I2C

 Giá thành khá đắt

 BH1750

 Ưu điểm:

- Chuyển từ tín hiệu ánh sáng sang kỹ thuật số

- Nhận tín hiệu trong phạm vi rộng với độ phân giải cao: từ 1-65535lx

- Tiêu thụ điện năng rất thấp nhờ tính năng tự ngắt

- Tính năng giảm nhiễu ánh sáng 50Hz/60Hz

- Giao diện I2C

- Không yêu cầu phụ kiện bổ sung ngoài

- Có thể lựa chọn 2 kiểu I2C slave-address

 Quang Trở

 Ưu điểm

- Độ nhạy có thể tùy chỉnh

- Thiết kế đơn giản

- Độ nhiễu thấp do được thiết kế mạch lọc tín hiệu trước khi so sánh vớingưỡng

 Do ưu điểm vượt trội của BH1750 nên ta sử dụng BH1750

2.4 Các thiết bị sử dụng trong đề tài

trạng thái trên board.

Trên board còn có 1 nút reset, 1 ngõ kết nối với máy tính qua cổng USB và 1 ngõcấp nguồn sử dụng jack 2.1mm lấy năng lượng trực tiếp từ AC-DC adapter hay thôngqua ắc-quy nguồn

Hình 2.2 Adruino Uno

Khi làm việc với Arduino board, một số thuật ngữ sau cần được lưu ý:

 Flash Memory: bộ nhớ có thể ghi được, dữ liệu không bị mất ngay cả khi tắt điện

Về vai trò, ta có thể hình dung bộ nhớ này như ổ cứng để chứa dữ liệu trên board.Chương trình được viết cho Arduino sẽ được lưu ở đây Kích thước của vùng nhớnày thông thường dựa vào vi điều khiển được sử dụng, ví dụ như ATmega8 có8KB flash memory Loại bộ nhớ này có thể chịu được khoảng 10,000 lần ghi /xoá

 RAM: tương tự như RAM của máy tính, sẽ bị mất dữ liệu khi ngắt điện nhưng bùlại tốc độ đọc ghi xoá rất nhanh Kích thước nhỏ hơn Flash Memory nhiều lần

 EEPROM: một dạng bộ nhớ tương tự như Flash Memory nhưng có chu kì ghi /xoá cao hơn - khoảng 100,000 lần và có kích thước rất nhỏ Để đọc / ghi dữ liệu ta

có thể dùng thư viện EEPROM của Arduino

Ngoài ra, board Arduino còn cung cấp cho ta các pin khác nhau như pin cấp nguồn3.3V, pin cấp nguồn 5V, pin GND

Thông số kỹ thuật của Arduino board được tóm tắt trong bảng sau:

Điện áp vào khuyên dùng 7-12V

Digital I/O pin 14 (trong đó 6 pin có khả năng băm xung)

0.5 KB được sử dụng bởi bootloader

Nếu không có sẵn nguồn từ cổng USB, có thể cấp nguồn cho Arduino UNO từ một bộ chuyển đổi AC→DC hoặc pin Các bộ chuyển đổi có thể được kết nối bằng một plug-2.1mm trung tâm tích cực vào jack cắm điện Trường hợp cấp nguồn quá ngưỡng trên sẽ làm hỏng Arduino UNO.

Các chân năng lượng:

 GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối vớinhau

 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 ở chân này là 50mA  Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, ta nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm 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 không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn

 RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ

Các chân Input/Output:

Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ có

2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng tối đa trên mỗi chân là 40mA

Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:

 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận

(receive – RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết

 Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28 -1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite().Nói một cách đơn giản, có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác

 Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài các chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác.

 LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm nút Reset, ta sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó được nối với chân số 13 Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 210 -1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V Với chân AREF trên board, ta có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog Tức là nếu cấp điện áp 2.5V vào chân này thì

ta có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý mạch Adruino

động brace matching, và tự động canh lề, cũng như compile(biên dịch) và uploadchương trình lên board chỉ với 1 cú click chuột Một chương trình hoặc code viết choArduino được gọi là một Sketch.

Các chương trình Arduino được viết bằng C hoặc C++ Arduino IDE đi kèm vớimột thư viện phần mềm được gọi là "Wiring", từ project Wiring gốc, có thể giúp cácthao tác input/output được dễ dàng hơn Người dùng chỉ cần định nghĩa 2 hàm để tạo ramột chương trình vòng thực thi (cyclic executive) có thể chạy được:

Setup(): hàm này chạy mỗi khi khởi động một chương trình, dùng để thiết lập các càiđặt

Loop(): hàm này được gọi lặp lại cho đến khi tắt nguồn board mạch

Hình 2.4 Phần mềm Arduino IDE

Hình 2.5 Giao diện phần mềm Arduino IDE

Arduino IDE này sử dụng GNU toolchain và AVR Libc để biên dịch chươngtrình, và sử dụng avrdude để upload chương trình lên board

Để tạo một chương trình mới Chọn File > New

Trước khi bắt đầu thực hiện lập trình , nên thực hiện bước Save as lưu lại chươngtrình tại thư mục mong muốn Chương trình được lưu dưới dạng đuôi ino

Sau khi thực hiện viết code cho chương trình , thực hiện bước Verify để Arduinotạo ra một file hex , file này giúp chúng ta nạp cho các vi điều khiển lúc mô phỏng hoặclàm mạch ngoài thực tế Ngoài ra chức năng Upload cũng giúp thực hiện việc nạpchương trình vào Arduino nhanh chóng mà không cần phải tìm đến vị trí của file hex ,bằng cách kết nối board Arduino theo cổng USB vào máy tính

2.4.2 Cảm biến ánh sáng BH1750

* Khái niệm:

Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 được sử dụng để đo cường độ ánh sáng theođơn vị lux, cảm biến có ADC nội và bộ tiền xử lý nên giá trị được trả ra là giá trị trực tiếpcường độ ánh sáng lux mà không phải qua bất kỳ xử lý hay tính toán nào thông qua giaotiếp I2C

Hình 2.6 Cảm biến BH1750

*Thông số:

+ Nguồn: 3~5VDC

+ Giao tiếp: I2C

+ Khoảng đo: 1 -> 65535 lux

+ Kích cỡ: 21*16*3.3mm

+ Độ phân giải: 16bit

*BH1750 có các ưu điểm sau:

+ Chuyển từ tín hiệu ánh sáng sang kỹ thuật số

+ Nhận tín hiệu trong phạm vi rộng với độ phân giải cao: từ 1-65535lx

+ Tiêu thụ điện năng rất thấp nhờ tính năng tự ngắt

+ Tính năng giảm nhiễu ánh sáng 50Hz/60Hz

+ Giao diện I2C

+ Không yêu cầu phụ kiện bổ sung ngoài

+ Có thể lựa chọn 2 kiểu I2C slave-address