- Thiết kế hệ thống giao tiếp, quản lý và điểu khiển nhà thông minh quaInternet - Khả năng mở rộng mô hình với các thiết bị và hệ thống ngoại vi.. Nhà thông minh hay smart home, home aut
TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH
Tổng quan về nhà thông minh
1.1 Bối cảnh và nhu cầu sử dụng nhà thông minh
Trong bối cảnh đời sống ngày càng nâng cao, nhu cầu về tiện nghi và hỗ trợ tối ưu của con người ngày càng gia tăng Sự phát triển mạnh mẽ của mạng internet đã thúc đẩy việc giám sát và điều khiển hệ thống qua mạng trở nên cần thiết Từ đó, ý tưởng về ngôi nhà thông minh ra đời, nơi mọi hoạt động của con người được hỗ trợ linh hoạt, đồng thời ngôi nhà cũng có khả năng tự động quản lý một cách thông minh.
Vậy, như thế nào là nhà thông minh ?
Sự thông minh của một ngôi nhà được thể hiện trên 4 phương diện như sau:
Nhà thông minh mang lại khả năng tự động hóa vượt trội nhờ hệ thống cảm biến hiện đại như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, khí gas, báo cháy, vật cản và ánh sáng Những cảm biến này hoạt động tự động theo điều kiện môi trường, giúp người dùng giám sát hiệu quả mức tiêu thụ điện và nước, cải thiện đáng kể so với các phương pháp truyền thống.
Khả năng thỏa mãn nhu cầu của người sử dụng là yếu tố quan trọng trong thiết kế nhà thông minh Chủ nhân ngôi nhà có thể dễ dàng điều khiển các thiết bị theo ý muốn hoặc theo những kịch bản đã được lập trình sẵn, mang lại sự tiện lợi và linh hoạt trong việc sử dụng.
Khả năng bảo mật và giám sát an ninh là yếu tố quan trọng trong hệ thống nhà thông minh Hệ thống này bao gồm các thiết bị giám sát an ninh, báo cháy và phát hiện rò rỉ khí gas, cho phép tự động thông báo trạng thái của ngôi nhà qua internet.
Khả năng điều khiển và cảnh báo từ xa qua kết nối internet như wifi hoặc 3G là một trong những ưu điểm nổi bật của các thiết bị thông minh hiện nay Các thiết bị như bóng đèn, điều hòa, ti vi, và tủ lạnh đều có thể kết nối với mạng internet Người dùng chỉ cần một thiết bị kết nối internet để theo dõi dữ liệu từ các cảm biến và điều khiển các thiết bị trong nhà theo ý muốn của mình.
Hình 1.1 Mô hình tổng quát nhà thông minh.
Nhà thông minh hiện đang nổi lên như một thị trường tiềm năng với giá trị toàn cầu đạt hàng tỉ đô la Đặc biệt, thị trường Bắc Mỹ cho thấy những con số thống kê khả quan, khẳng định rằng nhà thông minh chính là tương lai mà chúng ta cần hướng tới.
Hình 1.2 Biểu đồ tăng trưởng thị trường Smarthome thế giới
Hình 1.3 Biểu đồ tăng trưởng thị trường Smarthome chỉ tính riêng thị trường Bắc Mỹ
1.2 Các mô hình nhà thông minh đang được áp dụng hiện nay
1.2.1 Các giải pháp nhà thông minh trên thế giới
Thị trường Smarthome lớn nhất thế giới hiện nay là Bắc Mỹ, nổi bật với các tính năng tiện nghi cho ngôi nhà 4 người Một thiết kế cơ bản bao gồm các hệ thống như cảnh báo đột nhập, cảnh báo khí gas, cửa tự động, camera an ninh và hệ thống giải trí.
Dưới đây là các ví dụ về ngôi nhà thông minh từ các nhà sản xuất tại Mỹ và châu Âu, bao gồm những tiêu chuẩn từ cơ bản đến cao cấp, phù hợp cho nhu cầu của một gia đình.
Hình 1.4 Mô hình Smart home của công ty Compro Technology.
Hình 1.5 Mô hình Smart home của công ty IEI Integration
Hình 1.6 Mô hình Smart home Eco-Future-World
1.2.2 Các giải pháp nhà thông minh ở Việt Nam
Tại Việt Nam, thị trường nhà thông minh đang phát triển mạnh mẽ với sự tham gia của nhiều nhà sản xuất, nổi bật nhất là BKAV và Lumi Smarthome Những công ty này không chỉ cung cấp đầy đủ các chức năng tương tự như các nhà sản xuất nước ngoài mà còn điều chỉnh sản phẩm phù hợp với nhu cầu và thói quen của người tiêu dùng Việt Nam Nhờ đó, họ đang chiếm ưu thế cạnh tranh đáng kể so với các thương hiệu quốc tế trong lĩnh vực này.
Hình 1.7 Mô hình Smart home của BKAV
Lựa chọn hướng thiết kế
Nhà thông minh là một lĩnh vực rộng lớn với nhiều vấn đề cần xem xét Việc thiết kế hệ thống nhà thông minh phụ thuộc vào mục đích sử dụng của chủ nhân, trong đó hệ thống điều khiển và giám sát đóng vai trò quan trọng.
Trước đây, khái niệm nhà thông minh chỉ có trong trí tưởng tượng và phim ảnh, nhưng nhờ sự tiến bộ của khoa học công nghệ, các giải pháp nhà thông minh hiện nay đã trở nên đa dạng và tiện lợi hơn cho người dùng.
Nhà thông minh đã phát triển từ những thiết bị điều khiển từ xa đơn giản đến việc tự động hóa hoàn toàn, cho phép các thiết bị tự điều chỉnh theo môi trường và nhu cầu của người sử dụng.
Với sự phát triển của internet, việc kết nối và điều khiển thiết bị trong nhà trở nên dễ dàng hơn thông qua mạng, cho phép chủ nhân quản lý an toàn và tính toán năng lượng sử dụng từ xa, không còn giới hạn trong không gian ngôi nhà.
Khả năng bảo mật an ninh là ưu tiên hàng đầu trong thời đại kết nối internet, khi nguy cơ bị hack vào hệ thống ngày càng gia tăng Chủ nhà có thể bảo vệ ngôi nhà của mình bằng cách sử dụng mật khẩu riêng để đăng nhập, cùng với các hình thức bảo mật như Passcode, bảo mật vân tay và bảo mật mống mắt Hệ thống cũng cung cấp khả năng cảnh báo đột nhập, giúp gia chủ phát hiện sự cố từ bất kỳ đâu thông qua kết nối Wifi hoặc GPRS.
Gần đây, xu hướng điều khiển thiết bị bằng giọng nói đã được tích hợp vào giải pháp xây dựng nhà thông minh, mang lại sự tiện lợi cho người sử dụng Trong tương lai, nhờ vào công nghệ mới kết hợp trí tuệ nhân tạo, ngôi nhà sẽ có khả năng phân biệt giọng nói của từng thành viên và ghi nhớ thói quen của mỗi người trong gia đình.
Hình 1.9 Xu hướng phát triển của smarthome
Hiện nay, giải pháp xây dựng nhà thông minh tại Việt Nam đang ngày càng phổ biến và phát triển, nhờ vào hệ thống điều khiển và giám sát qua internet, phù hợp với khả năng công nghệ và điều kiện kinh tế hiện tại.
Nhóm em chọn đề tài thiết kế ngôi nhà thông minh, phù hợp với chuyên ngành Cơ Điện Tử và xu hướng công nghệ cao Dự án sử dụng hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị qua mạng internet, cụ thể là wifi, trên mô hình nhà thông minh kích thước 1000cm x 800cm Các chức năng cơ bản bao gồm: cửa tự động đóng/mở, giám sát và cảnh báo cháy, cảnh báo rò rỉ khí gas, cảnh báo xâm nhập trái phép, rèm cửa tự động theo ánh sáng, và đèn cùng quạt tự động bật theo người sử dụng và nhiệt độ môi trường.
THIẾT KẾ TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH
Sơ đồ kết cấu ngôi nhà và chức năng
Từ một ngôi nhà thông thường, chúng em lựa chọn thiết kế ra một mô hình cơ bản dành cho 1 gia đình với 4 người ở, với thiết kế gồm:
1 phòng giải trí xem phim
Hình 2.1 Sơ đồ kết cấu ngôi nhà thông minh
Với tiêu chí ngôi nhà thông minh tại Việt Nam, chúng tôi đã lựa chọn các chức năng thiết yếu để tạo ra một không gian sống hiện đại và tiện nghi, bao gồm nhiều tiện ích thông minh.
Mở cửa bằng mật khẩu
Hệ thống rèm cửa tự động theo ánh sáng môi trường
Hệ thống thông báo nhiệt độ, độ ẩm.
Hệ thống dây phơi quần áo tự động điều chỉnh theo thời tiết.
Chế độ xem phim tự động tại phòng giải trí xem phim.
Hệ thống báo cháy và rò rỉ khí Gas tự động.
Hệ thống điều hòa, đèn, quạt tự động.
Hệ thống điều khiển từ xa qua giao diện Web.
Hình 2.2 Các chức năng sử dụng
Sơ đồ nguyên lý hoạt động
Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống điện tử a) Khối cảm biến:
Cảm biến nhiệt độ: tín hiệu đầu ra là tín hiệu tương tự.
Cảm biến độ ẩm: tín hiệu đầu ra là tín hiệu số.
Cảm biến chuyển động: tín hiệu đầu ra là tín hiệu số.
Cảm biến khí gas: tín hiệu đầu ra là tín hiệu số.
Cảm biến hồng ngoại: tín hiệu đầu ra là tín hiệu số.
Cảm biến ánh sáng: tín hiệu đầu ra là tín hiệu số.
Cảm biến mưa: tín hiệu đầu ra là tín hiệu số. b) Khối xử lý:
Arduino Ethernet W5100. c) Router wifi kết nối với khối xử lý thông qua cổng RJ45. d) Khối chấp hành:
Rèm cửa phòng ngủ và phòng xem phim.
Sơ đồ mạch điện hệ thống
Hình 2.4 Sơ đồ mạch điện hệ thống.
Giới thiệu modul Arduino
Arduino đang ngày càng phổ biến trên toàn cầu nhờ vào nhiều ứng dụng sáng tạo từ cộng đồng nguồn mở Tuy nhiên, tại Việt Nam, Arduino vẫn chưa được nhiều người biết đến.
Hình 2.5 Hình ảnh Arduino Uno R3
Arduino là nền tảng tạo mẫu điện tử mã nguồn mở, bao gồm cả phần cứng và phần mềm Nó được xem như một bộ điều khiển logic có thể lập trình, cho phép tương tác với môi trường thông qua cảm biến và các hành vi đã được lập trình Thiết bị này giúp việc lắp ráp và điều khiển các thiết bị điện tử trở nên dễ dàng, đặc biệt hữu ích cho những người đam mê công nghệ nhưng không có nhiều thời gian để tìm hiểu sâu về lập trình và cơ điện tử.
Arduino được phát triển để đơn giản hóa việc thiết kế và lập trình các vi điều khiển, giúp những người có ít kiến thức về điện tử dễ dàng tiếp cận và tạo ra các sản phẩm công nghệ riêng Với khả năng lập trình bằng ngôn ngữ dễ hiểu, Arduino trở thành lựa chọn lý tưởng cho những ai muốn khám phá thế giới điện tử mà không cần đầu tư nhiều thời gian và kiến thức chuyên sâu Các ưu điểm của Arduino so với các nền tảng vi điều khiển khác sẽ được trình bày dưới đây.
Lập trình Arduino có khả năng chạy trên nhiều nền tảng khác nhau, bao gồm các hệ điều hành Windows, Mac OS, Linux trên máy tính để bàn và Android trên thiết bị di động.
Ngôn ngữ lập trình đơn giản dễ hiểu
Arduino là một nền tảng mở, cho phép phần mềm chạy trên nó được chia sẻ dễ dàng và tích hợp vào nhiều nền tảng khác nhau.
Mở rộng phần cứng: Arduino được thiết kế và sử dụng theo dạng module nên việc mở rộng phần cứng cũng dễ dàng hơn.
Đơn giản và nhanh: Rất dễ dàng lắp ráp, lập trình và sử dụng thiết bị
Dễ dàng chia sẻ: Mọi người dễ dàng chia sẻ mã nguồn với nhau mà không lo lắng về ngôn ngữ hay hệ điều hành mình đang sử dụng.
Arduino là bộ não xử lý phổ biến cho nhiều thiết bị, từ đơn giản đến phức tạp, với khả năng thực hiện nhiều nhiệm vụ phức tạp Một số ứng dụng nổi bật của Arduino bao gồm công nghệ in 3D, robot dò đường theo nguồn nhiệt, thiết bị nhấp nháy theo âm thanh và đèn laser, cũng như thiết bị thông báo cho khách hàng khi bánh mì ra lò.
Mỗi phòng trong căn nhà chỉ sử dụng tối đa 3 cảm biến và 3 cơ cấu chấp hành Trong số đó, cảm biến nhiệt độ LM35 cung cấp tín hiệu dạng tương tự (analog), trong khi các cảm biến khác chủ yếu phát tín hiệu số (digital) Do đó, việc sử dụng module Arduino Uno là đủ để xử lý tất cả các tín hiệu này.
Hình 2.6 Cấu trúc phần cứng của Arduino Uno
Arduino Uno là bo mạch vi điều khiển sử dụng chip Atmega328, với 14 chân vào ra tín hiệu số, trong đó 6 chân hỗ trợ điều chế độ rộng xung Nó có 6 chân đầu vào tín hiệu tương tự để kết nối với cảm biến, sử dụng dao động thạch anh 16MHz Bo mạch được trang bị cổng USB để nạp chương trình, chân cấp nguồn, ICSP header và nút reset Nguồn cung cấp cho Arduino có thể từ máy tính qua USB, bộ nguồn chuyển đổi AC sang DC hoặc từ pin.
Arduino có thể được cấp nguồn qua kết nối USB hoặc nguồn bên ngoài, với dải điện áp khuyến nghị từ 7V đến 12V Nguồn bên ngoài từ 6V đến 20V có thể gây ra sự không ổn định cho vi điều khiển nếu dưới 7V, trong khi nguồn trên 12V có thể làm nóng bộ điều chỉnh điện áp và gây nguy hiểm cho bo mạch.
Chân Vin trên Arduino cho phép cung cấp điện áp đầu vào từ nguồn bên ngoài, khác với nguồn 5V lấy từ USB hoặc jack cắm nguồn riêng Người dùng có thể sử dụng chân này để cấp nguồn cho mạch Arduino một cách linh hoạt.
Chân 5V trên bo mạch cung cấp nguồn cho vi điều khiển và các linh kiện khác, đồng thời cũng cấp điện cho các thiết bị ngoại vi khi được kết nối.
Chân 3,3V: Cung cấp nguồn cho các thiết bị cảm biến
Chân GND: Chân nối đất.
Chân Aref: Tham chiếu điện áp đầu vào analog.
Chân IOREF cung cấp điện áp cần thiết cho hoạt động của các vi điều khiển Khi được cấu hình đúng, một shield có khả năng đọc điện áp từ chân IOREF, từ đó lựa chọn nguồn điện phù hợp hoặc kích hoạt bộ chuyển đổi điện áp để hoạt động ở mức 5V hoặc 3,3V.
Chip Atmega328 có 32KB (với 0,5KB sử dụng cho bootloader) Nó còn có 2KB SRAM và 1KB EEPROM. d) Thông số kỹ thuật
Arduino Uno được trang bị 14 chân digital (chân 0 – 13) và 6 chân analog (chân A0 – A5) Các chân digital có thể được cấu hình để nhận dữ liệu từ thiết bị ngoại vi hoặc truyền tín hiệu ra ngoài Việc điều khiển các chân này được thực hiện thông qua các hàm pinMode(), digitalWrite() và digitalRead() Mỗi chân có khả năng cung cấp hoặc nhận dòng điện tối đa 40mA và có điện trở kéo nội với giá trị mặc định không nối là 20kΩ.
50 kOhms Ngoài ra có một số chân có chức năng đặc biệt:
Chân 0 (Rx): Chân được dùng để nhận dữ liệu nối tiếp
Chân 1 (Tx): Chân được dùng để truyền dữ liệu nối tiếp.
Chân 2 và 3: Chân ngắt ngoài.
Chân 3, 5, 6, 9, 10 và 11 được sử dụng để vào/ra số hoặc điều chế độ rộng xung, trong khi chân 13 được kết nối với một LED đơn, LED này sẽ sáng hoặc tắt tùy thuộc vào mức logic của chân 13.
Chân 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK): Chuẩn giao tiếp SPI.
Các chân analog có độ phân giải 10 bit, tương ứng với 1024 mức giá trị khác nhau trong khoảng từ 0 đến 5V Bên cạnh đó, một số chân còn được trang bị các chức năng đặc biệt.
Chân A4 (SDA) và A5 (SCL): Hỗ trợ truyền thông TWI.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ CẤU CHẤP HÀNH
Sơ đồ mạch điện điều khiển các cơ cấu chấp hành
Hình 3.1 Sơ đồ mạch điện điều khiển
Tổng quan về các thiết bị sử dụng trong hệ thống cơ cấu chấp hành
2.1 Động cơ servo SG90 a) Sơ đồ chân
Hình 3.2 Sơ đồ chân động cơ servo SG90
Servo SG90 là một động cơ servo với 3 chân:
- Chân màu cam: cấp xung
- Chân màu đỏ: cấp nguồn 5V
- Chân màu nâu: nối đất b) Các thông số chính
Tốc độ hoạt động: 60 độ trong 0.1 giây Điện áp hoạt động: 4.8V(~5V)
Nhiệt độ hoạt động: 0 ºC – 55 ºC c) Nguyên tắc hoạt động
Khi ta cấp xung từ 1ms-2ms ta sẽ điều khiển động cơ quay 1 góc theo ý muốn. d) Ứng dụng trong hệ thống
Đóng mở gara để xe
2.2 Động cơ bước DC 5.6V/2.1A và modul điều khiển A4988 a) Sơ đồ chân
Hình 3.4 Sơ đồ mạch ĐC bước và A4988 b) Nguyên tắc hoạt động
Giao thức điều khiển số bước và chiều quay rất đơn giản.
5 cấp điều chỉnh bước: 1; 1/2; 1/4; 1/8 và 1/16 bước.
Điều chỉnh dòng định mức cấp cho động cơ bằng triết áp.
Có chức năng bảo vệ ngắn mạch, bảo vệ quá nhiệt, bảo vệ tụt áp và chống dòng ngược.
Để điều khiển động cơ, sử dụng chân ENABLE để bật tắt, với mức LOW để bật module và mức HIGH để tắt Chiều quay của động cơ được điều khiển qua pin DIR, trong khi việc điều khiển bước của động cơ được thực hiện thông qua pin STEP, với mỗi xung tương ứng với một bước hoặc vi bước.
Chọn chế độ hoạt động bằng cách đặt mức logic cho các chân MS1, MS2, MS3 Hai chân Sleep với Reset nối với nhau. c) Ứng dụng trong hệ thống
Sử dụng làm quạt thông gió phòng ngủ, có khả năng tăng giảm tốc độ theo nhiệt độ phòng.
Các modul thiết bị được sử dụng trong mô hình và chức năng
3.1 Vườn và ngoại vi a) Chức năng
- Đèn cổng tự động sáng khi có người xuất hiện trước cổng, tắt sau khi người rời đi 3s.
- Đèn cửa tự động sáng khi có người trước cửa, tắt sau khi người rời đi 3s.
- Bảo mật bằng Passcode, khi nhập sai mật khẩu 3 lần còi sẽ hú báo động. b) Bộ xử lý
Bảng mạch Arduino Uno R3 có khả năng nhận và xử lý tín hiệu từ các cảm biến, đồng thời thực hiện các lệnh đã được lập trình cho các cảm biến và thiết bị kết nối Cơ cấu chấp hành đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển các thiết bị này.
- 1 cảm biến hồng ngoại ở cổng, khi phát hiện có người xuất hiện sẽ sáng đèn, tự động tắt khi người rời khỏi sau 3s.
- 1 cảm biến hồng ngoại ở cửa, khi phát hiện có người xuất hiện sẽ sáng đèn, tự động tắt khi người rời khỏi sau 3s.
- 1 Passcode 4x4 gắn ở cửa với mật khẩu 6 pin. d) Sơ đồ nguyên lý
Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý vườn và ngoại vi
- Mở cửa tự động khi nhập mật khẩu đúng, hoặc sử dụng chức năng mở cửa trên giao diện web.
- Đèn, quạt tự động bật khi có người vào.
- Thông báo nhiệt độ, độ ẩm hiện tại trong nhà.
- Báo động khi nhiệt độ phòng tăng quá mức quy định.
- Đèn cầu thang tự động sáng khi có người đi qua, tự tắt sau 3s. b) Bộ xử lý
Bo mạch Arduino Uno R3 là thiết bị quan trọng trong việc nhận và xử lý tín hiệu từ các cảm biến, đồng thời thực thi các lệnh đã được lập trình cho các cảm biến và thiết bị gắn trên bo mạch.
The Arduino Mega 2560 board, combined with the Arduino Ethernet Shield W5100, enables the reception and processing of signals from various devices connected to other Uno boards, facilitating data transmission to a web server This setup serves as an effective actuator mechanism.
Hai động cơ servo đảm nhiệm chức năng đóng mở cửa chính khi nhận tín hiệu từ Arduino Uno R3, phản hồi khi người dùng nhập đúng mật khẩu hoặc lệnh mở cửa từ giao diện web.
- 1 cảm biến hồng ngoại ở cầu thang, khi phát hiện có người vào nhà thì sẽ tự động bật đèn và quạt.
- Còi sẽ báo động khi nhiệt độ phòng tăng quá mức quy định. d) Cơ cấu bảo mật, giám sát
- 1 cảm biến chuyển động đặt ngoài cửa giám sát hoạt động bên ngoài.
- Bàn phím và màn hình nhập mật mã, khi người dùng nhập đúng mã thì động cơ servo sẽ xoay và mở cửa.
Cảm biến nhiệt độ LM35 và cảm biến độ ẩm sẽ giám sát nhiệt độ và độ ẩm trong nhà, với thông số được hiển thị rõ ràng trên màn hình LCD.
- 1 còi báo động sẽ kêu khi nhiệt độ trong phòng đo được từ cảm biến nhiệt độ LM35 vượt quá mức cho phép. e) Sơ đồ nguyên lý
Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý phòng khách
3.3 Gara để xe a) Chức năng
- Mở cửa bằng nút bấm, hoặc ra lệnh bằng giao diện web. b) Bộ xử lý
Board mạch Arduino Uno R3 có thể được sử dụng trong phòng khách để nhận và xử lý tín hiệu từ các cảm biến, đồng thời thực thi các lệnh đã được lập trình cho các cảm biến và thiết bị gắn trên board Cơ cấu chấp hành đóng vai trò quan trọng trong việc thực hiện các chức năng này.
- 1 động cơ servo có chức năng đóng/mở cửa nhà xe, điều khiển qua nút bấm và giao diện web. d) Sơ đồ nguyên lý
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý gara để xe
Rèm cửa tự động có khả năng đóng mở theo ánh sáng tự nhiên, tự động khép lại khi trời sáng và mở ra khi trời tối Ngoài ra, người dùng còn có thể điều khiển rèm cửa trực tiếp thông qua giao diện web tiện lợi.
- Thông báo nhiệt độ, độ ẩm thông qua màn hình LCD.
- Thông báo tốc độ quay của quạt thông gió.
- Tự động tăng tốc độ quạt khi nhiệt độ tăng quá mức cho phép. b) Bộ xử lý
Bảng mạch Arduino Uno R3 có khả năng nhận và xử lý tín hiệu từ các cảm biến, đồng thời thực hiện các lệnh đã được lập trình cho các thiết bị gắn trên mạch Cơ cấu chấp hành của nó cho phép điều khiển hiệu quả các thiết bị ngoại vi.
Hệ thống rèm thông minh bao gồm một động cơ servo kết hợp với bánh răng-dây đai, cho phép tự động kéo rèm đóng hoặc mở Đặc biệt, cảm biến ánh sáng được tích hợp để điều chỉnh động cơ tự động dựa trên điều kiện ánh sáng môi trường, giúp rèm tự động đóng khi trời tối và mở khi có ánh sáng Người dùng có thể dễ dàng điều khiển rèm thông qua giao diện web tiện lợi.
- 1 động cơ 1 chiều DC gắn vào quạt để điều khiển tốc độ quạt quay. d) Cơ cấu bảo mật, giám sát
Cảm biến nhiệt độ LM35 sẽ giám sát nhiệt độ trong phòng và hiển thị thông số lên màn hình LCD Nếu nhiệt độ vượt quá mức cho phép, động cơ một chiều sẽ được điều khiển để tăng vòng quay nhằm giảm nhiệt độ Sơ đồ nguyên lý của hệ thống này sẽ thể hiện cách hoạt động và kết nối giữa các thành phần.
Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý phòng ngủ
3.5 Phòng giải trí/xem phim a) Chức năng
- Chế độ xem phim riêng : Khi chọn sẽ bật máy chiếu, quạt và tắt đèn, kéo rèm lại. b) Bộ xử lý
Board mạch Arduino Uno R3 có khả năng nhận và xử lý tín hiệu từ các cảm biến, đồng thời thực thi các lệnh đã được lập trình cho các thiết bị gắn trên board Cơ cấu chấp hành của nó đóng vai trò quan trọng trong việc thực hiện các tác vụ theo yêu cầu.
- Động cơ servo và hệ thống bánh răng-dây đai kéo rèm đóng/mở, điều khiển qua giao diện web.
- Quạt và đèn. d) Sơ đồ nguyên lý
Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý phòng xem phim
- Cảnh báo khi có đột nhập qua cửa sổ.
- Báo động khi nhiệt độ tăng quá mức quy định.
- Báo động khi nồng độ khí gas vượt quá mức quy định.
- Dây phơi quần áo tự động thu lại khi có mưa. b) Bộ xử lý
Bo mạch Arduino Uno R3 có khả năng nhận và xử lý tín hiệu từ các cảm biến, đồng thời thực hiện các lệnh đã được lập trình cho các cảm biến và thiết bị kết nối trên bo mạch.
- 1 động cơ servo và cảm biến mưa nằm bên ngoài tường phòng bếp, có nhiệm vụ kéo dây phơi vào trong mái hiên khi trời mưa.
- Quạt và đèn với khả năng điều khiển thông qua giao diện web. d) Cơ cấu giám sát, cảnh báo
- Cảm biến chuyển động đặt gần cửa sổ có chức năng gửi tín hiệu về board mạch để bật còi báo động khi phát hiện có xâm nhập.
Cảm biến nhiệt độ LM35 và cảm biến khí gas MQ2 sẽ kích hoạt còi báo động khi nhiệt độ hoặc nồng độ khí gas vượt quá mức quy định Sơ đồ nguyên lý cho thấy cách thức hoạt động của hệ thống này.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT, CẢNH BÁO
Tổng quan về các cảm biến được sử dụng trong hệ thống giám sát, cảnh báo46 1 Cảm biến nhiệt độ LM35
2.1 Cảm biến nhiệt độ LM35 a) Sơ đồ chân:
Hình 4.1 Sơ đồ chân cảm biến LM35
LM35 là một cảm biến nhiệt độ analog.
Nhiệt độ được xác định bằng cách đo hiệu điện thế ngõ ra của LM35.
Cấu tạo gồm có 3 chân:
+ Chân 3: GND b) Các thông số chính:
Cảm biến LM35 là một thiết bị cảm biến nhiệt độ tích hợp với độ chính xác cao, có điện áp đầu ra tỷ lệ thuận với nhiệt độ theo thang độ Celsius Đặc biệt, cảm biến này không cần phải hiệu chỉnh bên ngoài vì đã được hiệu chỉnh sẵn.
+ Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V.
+ Độ phân giải điện áp đầu ra là 10mV/oC.
+ Độ chính xác cao ở 25 C là 0.5 C.
+ Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải.
+ Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ -55 C - 150 C với các mức điện áp ra khác nhau.
+ Nhiệt độ -55 C điện áp đầu ra -550mV.
+ Nhiệt độ 25 C điện áp đầu ra 250mV.
+ Nhiệt độ 150 C điện áp đầu ra 1500mV.
Cảm biến nhiệt độ LM35 cho phép đo nhiệt độ trong khoảng từ 0 đến 150 độ C, tùy thuộc vào cách mắc của nó Nguyên tắc hoạt động của LM35 dựa trên việc chuyển đổi nhiệt độ thành tín hiệu điện, giúp người dùng dễ dàng theo dõi và kiểm soát nhiệt độ trong các hệ thống khác nhau.
Cảm biến LM35 hoạt động bằng cách cung cấp một giá trị điện áp cụ thể tại chân Vout (chân giữa) tương ứng với từng mức nhiệt độ Nhờ vào đó, người dùng có thể đo nhiệt độ chính xác trong môi trường hoặc thiết bị mà họ mong muốn.
Để đo nhiệt độ từ cảm biến LM35, bạn cần kết nối chân bên trái của cảm biến với nguồn 5V, chân bên phải nối đất, và đo hiệu điện thế ở chân giữa bằng pin A0 trên Arduino, tương tự như cách đọc giá trị biến trở Bằng cách này, bạn có thể tính toán nhiệt độ trong khoảng từ 0 đến 100ºC.
Nhiet_do = (5.0*analogRead(A0)*100.0/1024.0); d) Ứng dụng cảm biến nhiệt trong hệ thống
Cảm biến nhiệt độ sẽ theo dõi nhiệt độ và tự động điều chỉnh hệ thống điều hòa không khí khi nhiệt độ vượt quá mức đã cài đặt Ngoài ra, tín hiệu từ cảm biến sẽ kích hoạt còi báo động khi nhiệt độ vượt ngưỡng cho phép Dữ liệu nhiệt độ sẽ được gửi liên tục đến trang webserver để người dùng dễ dàng theo dõi.
2.2 Cảm biến khí gas MQ2 a) Giới thiệu module cảm biến khí gas MQ2
Hình 4.2 Module cảm biến khí gas MQ2
Module cảm biến phát hiện khí gas.
- Kết nối 4 chân với 2 chân cấp nguồn (VCC và GND) và 2 chân tín hiệu ngõ ra.
- Hổ trợ cả 2 dạng tín hiệu ra Analog và TTL Ngõ ra Analog 0 – 4.5V tỷ lệ thuận với nồng độ khí gas, ngõ TTL tích cực mức thấp.
MQ2 là cảm biến khí chuyên dụng để phát hiện các khí có khả năng gây cháy, được cấu tạo từ chất bán dẫn SnO2 Chất này có độ nhạy thấp với không khí sạch, nhưng khi tiếp xúc với các chất gây cháy, độ dẫn của nó sẽ thay đổi đáng kể Nhờ vào đặc điểm này, người ta thiết kế mạch đơn giản để chuyển đổi sự thay đổi độ nhạy thành tín hiệu điện áp.
Cảm biến MQ2 hoạt động hiệu quả trong môi trường khí hóa lỏng như LPG, H2 và các khí gây cháy khác, với điện áp đầu ra tăng khi nồng độ khí gây cháy xung quanh cao hơn Nhờ vào mạch đơn giản và chi phí thấp, cảm biến này được sử dụng phổ biến trong cả ngành công nghiệp và dân dụng.
Cảm biến MQ2 hoạt động hiệu quả trong môi trường khí hóa lỏng như LPG, H2 và các khí dễ cháy khác Với mạch thiết kế đơn giản và chi phí thấp, nó được ứng dụng phổ biến trong cả ngành công nghiệp và dân dụng Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của module MQ2 cho thấy sự linh hoạt và độ tin cậy của thiết bị trong việc phát hiện khí.
Hình 4.3 Cấu tạo module cảm biến khí gas MQ2
Cảm biến MQ2 là thiết bị chuyên dụng để phát hiện các khí có khả năng gây cháy, được làm từ chất bán dẫn SnO2 Chất này có độ nhạy thấp trong không khí sạch, nhưng khi tiếp xúc với các khí gây cháy, độ dẫn của nó thay đổi nhanh chóng Nhờ vào đặc điểm này, người ta thiết kế một mạch đơn giản để chuyển đổi sự thay đổi độ nhạy thành điện áp Khi môi trường xung quanh sạch, điện áp đầu ra của cảm biến sẽ thấp, và điện áp này sẽ tăng lên tương ứng với nồng độ khí gây cháy xung quanh MQ2.
Khi phát hiện rò rỉ khí gas, module sẽ phát tín hiệu ở hai dạng: DOUT (số) và AOUT (tương tự) Người dùng có thể lựa chọn tín hiệu phù hợp tùy theo mục đích sử dụng của mình.
Trong mạch có 2 chân đầu ra là Aout và Dout Trong đó:
- Aout: điện áp ra tương tự Nó chạy từ 0.3 đến 4.5V, phụ thuộc vào nồng độ khí xung quang MQ2.
Dout là tín hiệu điện áp ra số, với giá trị 0 hoặc 1 phụ thuộc vào điện áp tham chiếu và nồng độ khí mà cảm biến MQ2 đo được Để thiết lập mức cảnh báo, người dùng chỉ cần điều chỉnh biến trở đến giá trị nồng độ mong muốn Khi nồng độ khí đo được thấp hơn mức cho phép, Dout sẽ bằng 1 và còi sẽ ở trạng thái chờ Ngược lại, nếu nồng độ khí gây cháy vượt quá giới hạn cho phép, Dout sẽ bằng 0 và còi sẽ phát tín hiệu cảnh báo.
Ta có thể ghép nối vào mạch Realy để điều khiển bật tắt đèn, còi, hoặc thiết bị cảnh báo khác.
Một thách thức trong việc sử dụng cảm biến MQ2 là việc chuyển đổi giá trị điện áp Aout thành nồng độ ppm để hiển thị và cảnh báo Điều này trở nên khó khăn do sự khác biệt trong giá trị điện áp giữa các loại khí, cũng như sự ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm Trong thiết bị của mình, người dùng có thể xác định điểm cảnh báo một cách thủ công.
- Đầu tiên đo trạng thái không khí sạch, giá trị thu được Vout1.
Khi khí ga từ bật lửa rò rỉ ra, giá trị Aout sẽ tăng lên Khi khoảng cách khí ga đạt mức hợp lý và nồng độ khí bắt đầu trở nên nguy hiểm, ta ghi lại giá trị Vout2 Giá trị Vout2 được chọn làm ngưỡng cảnh báo; nếu giá trị đo được vượt quá ngưỡng này, hệ thống sẽ phát tín hiệu cảnh báo.
- Chỉnh chân biến trở để điện áp đo tại chân 3 của L358 = Vout2 c) Ứng dụng của module
Cảm biến khí gas có ứng dụng rất lớn trong đời sống:
- Phát hiện rò rỉ khí gas trong nước.
- Trong công nghiệp dùng đề phát hiện chất dễ cháy.
- Máy phát hiện khí dễ cháy.
2.3 Cảm biến chuyển động HC-SR510
Hình 4.4 Module cảm biến chuyển động HC-SR510
Hình 4.5 Sơ đồ chân cảm biến chuyển động HC-SR510 a) Thông số kĩ thuật:
- Thứ tự chân: Vcc, OUT, GND.
+ (L) không lặp lại kích hoạt
- Thời gian trễ: điều chỉnh trong khoảng 0.5-200S.
- Sử dụng cảm biến: 500BP
- Khoảng các phát hiện: 2-4.5m b) Nguyên tắc hoạt động của module
Cảm biến hồng ngoại PIR hoạt động bằng cách thu nhận tia hồng ngoại phát ra từ các vật thể, đặc biệt là cơ thể con người hoặc bất kỳ nguồn nhiệt nào khác.
Hình 4.6 Nguyên tắc hoạt động của cảm biến chuyển động
Cảm biến PIR được trang bị sensor với hai đơn vị, và phía trước sensor là một lăng kính fresnel bằng nhựa Lăng kính này giúp chia nhỏ bức xạ hồng ngoại thành nhiều vùng (zone), cho phép tia hồng ngoại đi vào sensor một cách hiệu quả Nếu không có lăng kính fresnel, sensor sẽ chỉ nhận diện một zone duy nhất, dẫn đến việc không thể phân biệt chuyển động và trở nên nhạy cảm với mọi thay đổi nhiệt độ trong môi trường.
Nguyên lý hoạt động các hệ thống giám sát
Hình 4.7 Lưu đồ thuật toán các hệ thống giám sát
3.2 Hệ thống báo cháy hoạt động dựa trên cảm biến nhiệt độ LM35 a) Nguyên lí hoạt động
Khi nhiệt độ trong nhà vượt quá 60°C, hệ thống sẽ tự động kích hoạt loa cảnh báo Khi nhiệt độ giảm xuống dưới 60°C, chuông báo sẽ ngừng hoạt động Giá trị nhiệt độ này được xác định từ tín hiệu đầu ra của cảm biến nhiệt độ LM35.
P O W E R A T M E G A 3 28 P A T M E L www.arduino.cc blogembarcado.blogspot.com
Hình 4.8 Sơ đồ hệ thống báo cháy
Tín hiệu nhiệt độ từ ba cảm biến sẽ được truyền vào và xử lý trên board Arduino Uno Sau đó, tín hiệu nhiệt độ nhận được sẽ được so sánh với ngưỡng giá trị báo cháy để xác định tình trạng an toàn.
#include // thư viện của cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11
#define DHT_PIN A0 thernet DHT_TYPE = DHT11; // khai báo loại cảm biến nhiệt độ, độ ẩm int nhiet_do, do_am, i = 0, j;
LiquidCrystal_I2C lcd(0x3f, 16, 2); // khởi tạo LCD
DHT dht(DHT_PIN, DHT_TYPE); //khai báo chân, loại cảm biến đã định nghĩa void setup() {
Serial.begin(9600); lcd.init(); // khởi động LCD lcd.backlight(); // bật đèn LCD
/*cứ sau khoảng thời gian là 1000 lần tăng của i thì gửi tín hiệu lên LCD*/
The function LCD() retrieves temperature and humidity readings from a DHT sensor It clears the LCD display and prints the temperature in degrees Celsius followed by the humidity percentage The temperature is stored in the variable nhiet_do, while the humidity is stored in do_am.
“Bật còi báo động khi nhiệt độ vượt mức định sẵn”
#define CBND A1 int nhiet_do, i; void setup() { pinMode(CBND, INPUT); pinMode(buzz, OUTPUT); digitalWrite(buzz, LOW);
} void loop() { nhiet_do = 5.0 * 100.0 * analogRead(CBND) / 1024.0; if (digitalRead(CBGAS) == 0 || nhiet_do > 60)
{ if (state_fan == 0) { // neu quat dang tat thi bat, con dang bat thi thoi digitalWrite(fan, 0); delay(100); data_send = 3;
} digitalWrite(buzz, HIGH); // bat chuong canh bao
{ digitalWrite(buzz, LOW); // neu ko con nguy hiem thi tat chuong canh bao
3.3 Hệ thống báo rò rỉ khí gas
Hình 4.9 Sơ đồ nối cảm biến khí gas MQ2 a) Nguyên lí hoạt động:
Tín hiệu đầu ra DOUT của cảm biến MQ2 được kết nối với chân số 2 của Arduino Uno Khi nồng độ khí gas vượt quá mức cho phép, chân DOUT sẽ xuất giá trị 0, và Arduino sẽ kích hoạt chân số 3 với mức logic 1 (tương ứng 5V), khiến loa phát ra âm thanh cảnh báo.
#define buzz 6 int gas, i; void setup() { pinMode(CBGAS, INPUT); digitalWrite(buzz, LOW);
} void loop() { if (digitalRead(CBGAS) == 0) // cam bien gas bao co gas ở mức cao
3.4 Hệ thống cảnh báo xâm nhập a) Nguyên lí hoạt động:
Khi có người đi qua, tia nhiệt từ cơ thể được cảm biến hồng ngoại thu nhận Cảm biến này tạo ra hai tín hiệu đầu ra, sau đó được khuếch đại để có biên độ đủ cao Các tín hiệu này được đưa vào mạch xử lý để điều khiển thiết bị hoặc kích hoạt hệ thống báo động.
Hình 4.10 Sơ đồ nối cảm biến chuyển động HC-SR510 b) Code hoạt động
#define CBCD2 5 int state_baodong = 0;
LiquidCrystal_I2C lcd(0x3f, 16, 2); void setup() { lcd.init(); lcd.backlight(); pinMode(CBCD1, INPUT); pinMode(CBCD2, INPUT); pinMode(buzz, OUTPUT); pinMode(button_baodong, INPUT_PULLUP);
} void loop() { if (digitalRead(button_baodong) == 0) INT_BAO_DONG(); if (state_baodong == 1) {
} void INT_BAO_DONG() { while (digitalRead(button_baodong) == 0); state_baodong = !state_baodong; lcd.clear(); lcd.print(“BAO DONG: “); if (state_baodong == 0) { lcd.print(“OFF”); digitalWrite(buzz, 0); delay(50);
} else { lcd.print(“ON”); delay(50);
} void CHECK_BAO_DONG() { if ((digitalRead(CBCD1) == 1) || (digitalRead(CBCD2) == 1)) { digitalWrite(buzz, 1); // phat bao dong delay(50);
HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH QUA MẠNG INTERNET
Mạng internet(Ethernet)
Internet là một hệ thống thông tin toàn cầu, cho phép truy cập công cộng, bao gồm các mạng máy tính liên kết với nhau Hệ thống này sử dụng phương thức truyền thông tin qua nối chuyển gói dữ liệu (packet switching) dựa trên giao thức IP đã được chuẩn hóa Internet kết hợp hàng ngàn mạng máy tính nhỏ hơn từ doanh nghiệp, viện nghiên cứu, trường đại học, người dùng cá nhân và chính phủ trên toàn thế giới.
Internet là mạng cục bộ (LAN) phổ biến nhất hiện nay, hoạt động chủ yếu ở lớp vật lý và một phần lớp liên kết dữ liệu TCP/IP là giao thức thường được sử dụng trên nền tảng này, nhưng các nhà cung cấp có thể áp dụng giao thức riêng hoặc theo chuẩn quốc tế cho giải pháp của họ High Speed Ethernet (HSE) của Fieldbus Foundation là một trong tám hệ bus trường được chuẩn hóa theo IEC 61158.
Hình 5.1 Mạng internet kết nối toàn cầu
Internet cung cấp nhiều tiện ích hữu ích cho người dùng, bao gồm hệ thống thư điện tử (email), trò chuyện trực tuyến (chat), máy tìm kiếm (search engine), dịch vụ thương mại và chuyển tiền, cũng như các dịch vụ y tế và giáo dục như chữa bệnh từ xa và lớp học ảo Những tiện ích này mang lại một lượng thông tin và dịch vụ phong phú trên mạng.
Internet và WWW (World Wide Web) thường bị nhầm lẫn, nhưng chúng không phải là một Internet là mạng lưới các máy tính kết nối qua dây đồng, cáp quang, trong khi WWW là tập hợp các tài liệu liên kết qua siêu liên kết (hyperlink) và địa chỉ URL, có thể truy cập thông qua Internet Hệ thống này tạo ra một nguồn thông tin khổng lồ cùng với các dịch vụ tương ứng, cho phép người dùng dễ dàng tìm kiếm và truy cập thông tin trên mạng.
Các cách thức thông thường để truy cập Internet là quay số, băng rộng, không dây, vệ tinh và qua điện thoại cầm tay.
Một số trình duyệt web phổ biến hiện nay:
- Internet Explorer có sẵn trong Microsoft Windows, của Microsoft.
- Mozilla và Mozilla Firefox của Tập đoàn Mozilla.
- Safari trong Mac OS X, của Apple Computer.
- Avant Browser của Avant Force (Ý).
Kể từ khi ra đời, internet đã trở thành một phần không thể thiếu trong công nghệ và cuộc sống hàng ngày của con người trên toàn cầu Nó không chỉ kết nối mọi người mà còn kết nối các giá trị công nghệ, đưa khoa học vào ứng dụng thực tiễn và nâng cao tầm vóc của công nghệ.
Địa chỉ IP
Địa chỉ IP là một mã định danh cho máy tính trong mạng, giúp các thiết bị truyền tải thông tin chính xác và tránh thất lạc Nó tương tự như địa chỉ nhà, cho phép nhân viên bưu điện gửi thư đến đúng người nhận.
Mỗi địa chỉ IP gồm có 2 thành phần:
NET ID là một hệ thống nhận dạng được sử dụng trong cùng một môi trường vật lý, hay còn gọi là Phân Đoạn (Segment) Tất cả các hệ thống trong cùng một phân đoạn cần phải có Địa Chỉ Mảng giống nhau, và địa chỉ này phải đảm bảo tính duy nhất trong các mạng hiện có.
HOST ID là phần quan trọng giúp nhận diện một trạm làm việc, máy chủ, Router hoặc trạm TCP/IP trong cùng một phân đoạn mạng Địa chỉ của mỗi trạm phải đảm bảo tính duy nhất trong toàn bộ mạng để tránh xung đột và đảm bảo hoạt động ổn định.
Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển qua internet
Hình 5.2 Sơ đồ khối hệ thống giám sát và điều khiển a) Thành phần hệ thống giám sát và điều khiển:
Giám sát an ninh, giám sát nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm, báo cháy, giám sát rò rỉ khí gas.
Hệ thống giám sát cần có khả năng điều khiển và hiển thị trạng thái của cửa ra vào, nhiệt độ, độ ẩm trong nhà, cũng như mức độ khí gas Ngoài ra, hệ thống cũng phải tương tác với các thiết bị chấp hành khác để đảm bảo sự vận hành hiệu quả và an toàn.
Hiển trị trạng thái đảm bảo an ninh tắt/bật, hiển thị giá trị nhiệt độ, độ ẩm trong nhà.
Điều khiển các thiết bị trong nhà thông qua mạng internet.
Hệ thống giám sát và điều khiển gồm 3 thành phần chính:
- Khối cảm biến: thu thập dữ liệu từ các cảm biến sau đó gửi về khối vi xử lí.
Khối vi xử lý đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý dữ liệu trước khi truyền lên web server, đồng thời nhận tín hiệu điều khiển từ web server để điều chỉnh các thiết bị như hệ thống chiếu sáng và điều hòa không khí.
Web server đóng vai trò quan trọng trong việc nhận thông tin từ vi xử lý và hiển thị chúng trên giao diện web Đồng thời, nó cũng gửi các lệnh điều khiển từ người dùng trở lại vi xử lý để thực hiện các tác vụ cần thiết.
Khối chấp hành bao gồm hệ thống đèn, điều hòa và các thiết bị cảnh báo ngoại vi Khối này hoạt động dựa trên lệnh nhận từ khối vi xử lý, từ đó thực hiện các hành động phù hợp để đảm bảo hiệu quả hoạt động.
Trong đề tài này, hệ thống cảm biến thu thập dữ liệu từ môi trường, xử lý thông tin và gửi lệnh đến cơ cấu chấp hành cũng như lên server Trang web điều khiển được xây dựng bằng HTML trong môi trường Arduino, với giao diện sử dụng CSS và phần đăng nhập được lập trình bằng PHP Arduino đã phát triển thư viện Ethernet cho phép người dùng viết code HTML trực tiếp trong trình soạn thảo của Arduino.
Nguyên lý điều khiển truyền nhận dữ liệu
Chuẩn giao tiếp RS232 là một kỹ thuật phổ biến để kết nối các thiết bị ngoại vi với máy tính Đây là chuẩn giao tiếp nối tiếp không đồng bộ, cho phép kết nối tối đa hai thiết bị Chiều dài kết nối tối đa đạt 15m và tốc độ truyền dữ liệu lên đến 20kbit/s.
Các đặc tính kỹ thuật của chuẩn RS-232 theo tiêu chuẩn TIA/EIA-232-F như sau:
Chiều dài cable cực đại 15m
Tốc độ dữ liệu cực đại
20 Kbps Điện áp ngõ ra cực đại ± 25V Điện áp ngõ ra có tải ± 5V đến ± 15V
Trở kháng tải 3K đến 7K Điện áp ngõ vào ± 15V
Các tốc độ truyền dữ liệu thông dụng trong cổng nối tiếp là: 1200 bps, 4800 bps, 9600 bps và 19200 bps.
Các mức điện áp của đường truyền:
Mức điện áp của tiêu chuẩn RS232( chuẩn thường được dùng bây giờ) được mô tả như sau:
Các mức điện áp từ -3V đến 3V được coi là trạng thái chuyển tuyến, trong đó phạm vi này không được định nghĩa Khi giá trị logic thay đổi từ thấp lên cao hoặc ngược lại, tín hiệu cần phải vượt qua quãng quá độ trong một khoảng thời gian ngắn hợp lý Điều này yêu cầu hạn chế điện dung của các thiết bị và đường truyền Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn, và hầu hết các hệ thống hiện nay chỉ hỗ trợ tốc độ 19,2 kbit/s.
Sơ đồ chân cổng kết nối
Máy tính thường trang bị một hoặc hai cổng nối tiếp RS232, được gọi là cổng COM, dùng để kết nối với chuột, modem và các thiết bị đo lường Cổng này có thể là loại 9 chân hoặc 25 chân, tùy thuộc vào thế hệ và bo mạch chủ của máy tính.
Dạng tín hiệu truyền mô tả như sau (truyền ký tự A):
Truyền dữ liệu qua cổng nối tiếp RS232 diễn ra theo phương thức không đồng bộ, với chỉ một bit được truyền tại mỗi thời điểm Bộ truyền bắt đầu bằng việc gửi một bit bắt đầu (bit start) để báo hiệu cho bộ nhận rằng một ký tự sẽ được truyền trong lần tiếp theo, với bit này luôn có mức 0 Sau đó, các bit dữ liệu (bit data) được truyền dưới dạng mã ASCII, có thể là 5, 6, 7 hoặc 8 bit, tiếp theo là một bit kiểm tra (Parity bit) để xác định tính chẵn lẻ, và cuối cùng là một hoặc hai bit dừng (bit stop).
Tốc độ baud là một tham số quan trọng của RS232, đặc trưng cho quá trình truyền dữ liệu qua cổng nối tiếp Nó xác định tốc độ truyền nhận dữ liệu, hay còn gọi là tốc độ bit, được định nghĩa là số bit truyền được trong một giây Để đảm bảo quá trình truyền dữ liệu diễn ra suôn sẻ, tốc độ bit phải được thiết lập giống nhau ở cả bên phát và bên nhận, tức là giữa vi điều khiển và máy tính cần có tốc độ truyền bit đồng nhất.
Tốc độ baud là một tham số quan trọng bên cạnh tốc độ bit, dùng để mô tả tốc độ truyền dữ liệu Tốc độ baud liên quan đến tốc độ mà phân tử mã hóa dữ liệu được sử dụng để diễn tả bit, trong khi tốc độ bit phản ánh tốc độ truyền tải của các bit đó Vì mỗi phần tử chỉ báo hiệu một bit, nên tốc độ bit và tốc độ baud thường đồng nhất với nhau.
Một số tốc độ baud thường dùng: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800,
9600, 19200, 28800, 38400, 56000, 115200 Trong thiết bị thường dùng tốc độ baud là 19200.
Bit chẵn lẻ, hay còn gọi là Parity bit, là một phương pháp kiểm tra lỗi trong quá trình truyền dữ liệu Quá trình này bao gồm việc bổ sung thêm một bit vào dữ liệu để xác định số lượng bit “1” trong khung truyền, từ đó giúp phát hiện và sửa chữa các lỗi có thể xảy ra trong quá trình truyền tải.
Một bit Parity chỉ có khả năng phát hiện các lỗi lẻ như 1, 3, 5, 7, 9, nhưng không thể phát hiện lỗi nếu chỉ một bit bị lỗi, vì lúc đó giá trị của bit Parity vẫn giống như khi không có lỗi Do đó, kỹ thuật mã hóa lỗi này không phù hợp trong trường hợp có khả năng xảy ra nhiều bit bị lỗi.
Trong đề tài này, giao tiếp Serial RS232 được sử dụng trong giao tiếp giữa:
- BĐK trung tâm Mega2560 và Ethernet Shiled
- BĐK trung tâm và BĐK của các phòng (Uno R3)
4.2 Nguyên lý điều khiển - truyền, nhận dữ liệu :
Quá trình giao tiếp, điều khiển gồm 2 phần :
Tín hiệu điều khiển từ WEB truyền về điều khiển các cơ cấu chấp hành (CCCH):
Khi sử dụng các nút ảo trên giao diện web để Bật/Tắt thiết bị, tín hiệu sẽ được gửi về server qua module Ethernet Shield gắn với BĐK trung tâm Mega 2560 Tại đây, dữ liệu được xử lý và so sánh để xác định tín hiệu điều khiển thuộc về phòng nào Sau đó, tín hiệu sẽ được truyền tới BĐK tương ứng của phòng đó Cuối cùng, BĐK của phòng sẽ tiếp tục so sánh dữ liệu để nhận diện thiết bị cần điều khiển và thực hiện lệnh điều khiển cho cơ cấu chấp hành tương ứng.
Webserver nhận tín hiệu trạng thái từ CCCH để quản lý giám sát :
Nguyên lý : hoàn toàn tương tự như trên, nhưng chiều đi của tín hiệu ngược lại, khi một
CCCH được bật/tắt thủ công, BĐK quản lý phòng đó sẽ nhận được tín hiệu và truyền tín
Web Server Ethernet Shiled BĐK Trung tâm BĐK Phòng CCCH
CCCH BĐK Phòng BĐK Trung tâm gửi tín hiệu lên Webserver để cập nhật trạng thái cho thiết bị tương ứng.
Phân tích nguyên lý trong điều khiển một cơ cấu cụ thể
Phân tích nguyên lý điều khiển và truyền dữ liệu trạng thái của đèn phòng ngủ qua code dưới đây :
- Code từ BĐK trung tâm (Mega 2560) :
+ Khi thao tác với các nút bấm trên giao diện điều khiển, tín hiệu điều khiển được truyền tới BĐK tương ứng quản lý thiết bị cần điều khiển
+ Nhận tín hiệu trạng thái của thiết bị khi ta sử dụng nút cứng.
#include // thư viện hỗ trợ cho module Ethernet Shiled
IPAddress ip(192, 168, 0, 58); // gán IP cho Ethernet Shiled
String readString; char c; void setup() {
; // ham su dung khi ket noi serialport
Ethernet.begin(mac, ip); server.begin();
} void loop() { if (client) { while (client.connected()) { if (client.available()) { c = client.read();
Serial.write(c); if (readString.length() < 100) { readString += c;
The server responds with an HTTP 200 OK status and sets the content type to text/html It includes a meta tag for automatic redirection to the URL "/tt" after 3 seconds, along with viewport settings for responsive design The page title is "HE THONG DIEU KHIEN QUA MANG LAN," and the body text is set to blue A style section is defined for a logo with specified dimensions and margins.
//client.println(" 0) { data_send = 0;
Serial1.write(data_send % 256); state_denpn = 0;
The function READ_SERIAL checks for available data on Serial1 It waits until at least two bytes are available, then reads them into byte variables b1 and b2 The received data is combined into a single integer value, data_receive, which is used in a switch statement to determine the state of a light: if data_receive equals 0, the light is off (state_denpn = 0), and if it equals 1, the light is on (state_denpn = 1).
- Code của BĐK phòng ngủ (Uno R3) :
#define relay_denpn 5 // den phong ngu//********
#define button_denpn 2 int data_send = 0, data_receive = 0; boolean state_denpn = 0; void setup() {
In the loop function, the program checks for available data from the Serial input It waits until at least two bytes are available, then reads these bytes into variables b1 and b2 The received data is combined to form a single value, data_receive, which is evaluated in a switch statement Depending on the value of data_receive, the relay state is set: a value of 0 turns off the relay, while a value of 1 turns it on.
} attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(button_denpn), DEN_PN, FALLING); void DEN_PN() {
// BAT/TAT den if ( (digitalRead(button_denpn) == 0) ) { while (digitalRead(button_denpn) == 0); state_denpn = !state_denpn; if (state_denpn == 1) { digitalWrite(relay_denpn, 1); // bat len data_send = 1;
} else { digitalWrite(relay_denpn, 0); // tat di data_send = 0;
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
Mô hình thực tế
Mô hình ngôi nhà thực tế có kích thước 1000x800 mm, được chia thành 6 khu vực: phòng khách, phòng ngủ, phòng xem phim, khu bếp, khu vệ sinh và khu vườn phía trước Hệ thống điều khiển sử dụng 3 board Arduino Uno R3, 1 board Arduino Mega 2560 và 1 board Arduino Ethernet W5100 để quản lý các chức năng của ngôi nhà.
Động cơ servo được sử dụng để điều khiển quá trình đóng mở cửa, với góc quay lên đến 180 độ Đặc biệt, động cơ này cho phép điều chỉnh góc quay linh hoạt theo độ rộng của thời gian, với giá trị xung đạt 1.
Hình 6.1 Mô hình nhà thông minh dạng 3D
Hình 6.2 Mô hình nhà thông minh thực tế
Giao diện giám sát và điều khiển
Giao diện được viết bằng ngôn ngữ HTML trong Arduino, giao diện đơn giản dễ sử dụng:
Hình 6.3 Giao diện giám sát và điều khiển
Giao diện điều khiển có cấu trúc:
- Điều khiển và báo trạng thái đóng mở của cửa ra vào.
- Giám sát và điều khiển phòng khách và 2 phòng ngủ.
- Giám sát rò rỉ khí gas, gám sát xâm nhập khu nhà.
- Dữ liệu sẽ được gửi lên trang web và cứ sau 3s thì trang web lại refresh 1 lần đề cập nhật dữ liệu.
Kết quả điều khiển một số thiết bị
3.1 Báo có xâm nhập trái phép
Hình 6.4 Báo xâm nhập trái phép trên giao diện web
3.2 Giám sát nhiệt độ phòng khách và phòng ngủ
Trên giao diện web giám sát và điều khiển, nhiệt độ của các phòng được cập nhật liên tục, với giá trị nhiệt độ hiện tại trong phòng là khoảng 37 độ C.
Hình 6.5 Hiển thị nhiệt độ phòng khách và phòng ngủ trên giao diện web
Kết quả trên mô hình thực tế:
Hình 6.6 Nhiệt độ đo được trong phòng khách
Kết quả đạt được
Qua quá trình chạy thực nghiệm có được một số kết quả:
Sử dụng máy tính hoặc smartphone kết nối internet để truy cập trang web giám sát và điều khiển, người dùng có thể thực hiện các thao tác điều khiển thiết bị một cách dễ dàng.
Hệ thống hoạt động tương đối ổn định, nhưng thời gian phản hồi của trang web không nhất quán Nguyên nhân có thể xuất phát từ khả năng xử lý của vi điều khiển, sự không ổn định của mạng internet, hoặc độ chính xác của các cảm biến chưa đạt yêu cầu.
