Giám sát và điều khiển các thiết bị thông dụng trong gia đình từ xa qua mạng (điện thoại, internet)

Về cơ bản, thành phần chính của hệ thống gồm 3 chức năng:  Chức năng giám sát các trạng thái của căn hộ  Chức năng điều khiển điều khiển các thiết bị, vật dụng  Chức năng kết nối kết

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ KHOA HỌC SỬ DỤNG 5

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG 12

1.1 Các giải pháp hệ thống hiện có trên thị trường 12

1.1.1 Hệ thống nhà thông minh GAMMA (EIB) của Siemens – Đức 13

1.1.2 Hệ thống nhà thông minh SmartHome của BKAV – Việt Nam 17

1.1.3 Đánh giá các sản phẩm trên thị trường 18

1.2 Ý tưởng về xây dựng hệ thống 19

1.2.1 Chức năng giám sát 19

1.2.2 Chức năng điều khiển 19

1.2.3 Chức năng kết nối 20

1.3 Mô hình tổng quan hệ thống 22

1.4 Mục đích nghiên cứu, đối tượng, phạm vi của đề tài: 23

1.5 Phương pháp nghiên cứu: 25

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP THỰC HIỆN CHO TỪNG KHỐI CỦA HỆ THỐNG 26

2.1 Khối giám sát trạng thái ngôi nhà 26

2.1.1 Nhận biết cửa mở 26

2.1.2 Nhận biết có cháy 27

2.1.3 Nhiệt độ môi trường 27

2.1.4 Nhận biết mức nước ở bể và có nước chảy vào bể 28

2.2 Khối điều khiển thiết bị 29

2.2.1 Máy bơm nước 29

2.2.2 Bình nóng lạnh 30

2.2.3 Quạt điện 31

2.2.4 Camera 31

2.2.5 Báo động 31

2.3 Khối kết nối người dùng 32

2.3.1 Khối giao tiếp GSM 33

2.3.2 Khối giao tiếp Internet 34

2.3.3 Khối giao tiếp máy tính 35

2.3.4 Khối giao diện người dùng 36

2.4 Khối xử lý trung tâm 36

2.5 Sơ đồ khối hệ thống 37

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 40

3.1 Khối Ethernet – Web Server 40

3.1.1 Giới thiệu Pic18F67J60 & Cổng RJ45 40

3.1.2 Thiết kế phần cứng khối Ethernet – Web Server 42

3.2 Khối GSM/GPRS 43

3.2.1 Giới thiệu module SIM548C 43

3.2.2 Ứng dụng SIM548C vào hệ thống 44

3.3 Khối giao tiếp PC và giao tiếp các ngoại vi 44

3.3.1 Mạch chuyển đổi điện áp cho giao tiếp RS-232 44

3.3.2 Chuyển mạch điện tử UTC4052 45

3.4 Khối xử lý ảnh 47

3.4.1 Giới thiệu module LS-Y201 47

3.4.2 Kết nối LS-Y201 với hệ thống 49

3.5 Khối cảm biến 50

3.5.1 Mạch giao tiếp cảm biến khói, cửa, mực nước và phát hiện có nước 50

3.5.2 Cảm biến nhiệt độ 50

3.6 Khối điều khiển thiết bị 51

3.7 Khối xử lý trung tâm 52

3.7.1 Giới thiệu vi điều khiển dsPic30F6010A 52

3.7.2 Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý trung tâm 54

3.8 Khối đồng hồ thời gian thực và bộ nhớ EEPROM 55

3.8.1 Giới thiệu đồng hồ thời gian thực DS1307 55

3.8.2 Giới thiệu IC EEPROM 25LC1024 57

3.8.3 Ứng dụng đồng hồ thời gian thực và IC EEPROM vào hệ thống 59

3.9 Khối hiển thị LCD và phím ấn 59

3.9.1 Khối hiển thị LCD 59

3.9.2 Khổi phím bấm 62

3.9.3 Mạch ghép nối khối LCD và phím bấm với mạch xử lý 62

3.10 Khối nguồn cấp 63

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ PHẦN MỀM 65

4.1 Tổng quan hoạt động phần mềm 65

4.2 Phần mềm cho vi điều khiển xử lý Ethernet – Web server 66

4.2.1 Giới thiệu TCP/IP Stack của Microchip 66

4.2.2 Chương trình ứng dụng Web server trên cơ sở Microchip TCP/IP Stack 67

4.2.3 Giới thiệu dịch vụ Dynamic DNS - Thay thế IP tĩnh 72

4.3 Phần mềm cho vi điều khiển trung tâm 73

4.3.1 Nhiệm vụ của vi điều khiển trung tâm 73

4.3.2 Phân tích và lựa chọn công cụ lập trình 74

4.3.3 Các lưu đồ và code thực hiện trên vi xử lý trung tâm 74

4.4 Phần mềm cho máy tính 79

KẾT LUẬN 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

PHỤ LỤC 1 MỘT SỐ HÌNH ẢNH MẠCH IN THIẾT BỊ 85

PHỤ LỤC 2 TẬP LỆNH AT 92

PHỤ LỤC 3 GIAO THỨC GIAO TIẾP CAMERA 95

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Kí hiệu, từ viết

semiconductor

Một công nghệ mới tốn ít năng lƣợng

DMA Direct Memory Access Truy cập bộ nhớ trực tiếp

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

HTTP Hyper-Text Transfer Protocol Giao thức truyền tải siêu văn bản

IEEE Institude of Electrical and

Electronics Engineers

Một tổ chức về điện, điện tử có

uy tín trên thế giới

MIPS Million instructions per

PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung

SMSC Short Message Service Center Trung tâm dịch vụ tin nhắn ngắn SPI Serial Peripheral Interface Một giao thức truyền song công

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ KHOA HỌC SỬ DỤNG

Thuật ngữ Nghĩa tiếng Việt

Web-server Máy phục vụ cho Web

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Các chân cổng RJ45 41

Bảng 3.2 LED chỉ thị cổng RJ45 41

Bảng 3.3 Cách điều khiển các chuyển mạch trong IC 4052 47

Bảng 3.4 Chức năng các chân của IC DS1307 56

Bảng 3.5 Chức năng các chân của IC 25LC1024 58

Bảng 3.6 Chức năng các chân của LCD 2 dòng 16 cột 60

Bảng 3.7 Các lệnh điều khiển LCD 2 dòng 16 cột 61

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Mô hình hệ thống nhà thông minh GAMMA 13

Hình 1.2 Mô hình nhà thông minh SmartHome của BKAV 17

Hình 1.3 Mô hình hoạt động của hệ thống 22

Hình 2.1 Mô hình cụ thể khối kết nối người dùng 33

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống 38

Hình 3.1 Cấu tạo cổng RJ45 41

Hình 3.2 Sơ đồ mạch khối Ethernet – Web Server 42

Hình 3.3 Hình dạng Sim548C 43

Hình 3.4 Mạch ứng dụng của Module Sim548C 44

Hình 3.5 IC MAX232 và mạch chuyển đổi điện áp sử dụng IC MAX232 45

Hình 3.6 IC chuyển mạch điện tử 4052 46

Hình 3.7 Module LS-Y201 48

Hình 3.8 Mạch kết nối với module camera 49

Hình 3.9 Mạch giao tiếp với các cảm biến đầu vào 50

Hình 3.10 Mạch giao tiếp với cảm biến nhiệt độ 51

Hình 3.11 Mạch dùng Role điều khiển thiết bị 52

Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý mạch kết nối với dsPic30F6010A 54

Hình 3.13 IC thời gian thực DS1307 56

Hình 3.14 Kết nối IC DS1307 với vi điều khiển 57

Hình 3.15 IC EEPROM 25LC1024 57

Hình 3.16 Mạch ghép nối với IC RTC và IC EEPROM 59

Hình 3.17 Mạch ghép nối khối LCD và phím bấm 62

Hình 3.18 LDA10-48S5 và mạch cấp nguồn +5V 63

Hình 3.19 Mạch cấp nguồn 3.3V 64

Hình 3.20 Mạch tạo điện áp tham chiếu 64

Hình 4.1 Sơ đồ hoạt động tổng quát của phần mềm 65

Hình 4.2 So sánh mô hình TCP/IP với cấu trúc Microchip TCP/IP Stack 67

Hình 4.3 Quá trình khởi tạo Camera 74

Hình 4.4 Chụp ảnh JPEG 75

Hình 4.5 Biểu đồ thời gian giao tiếp với IC nhiệt độ DS18B20 76

MỞ ĐẦU

Hiện nay các thiết bị cơ bản như quạt điện, bình nóng lạnh, điều hòa, bếp ga, tủ lạnh, bình chứa nước, máy bơm nước… trong các gia đình chiếm một số lượng đáng

kể, đặc biệt là ở các thành phố lớn như Hà Nội hay thành phố Hồ Chí Minh Bên cạnh

đó, các hộ gia đình nhỏ với số lượng người ít giờ đây chiếm số lượng nhiều Ngôi nhà với nhiều trang thiết bị, tài sản cá nhân trong đó không có ai trông giữ trong thời gian mọi người vắng nhà, đặc biệt là lúc cả nhà đi nghỉ, du lịch hay dịp về quê ăn tết Nếu trong thời gian này mà có kẻ gian đột nhập, hoặc có vấn đề gì về điện gây chập cháy, thiệt hại thế nào? Và bản thân người đi làm có thật sự an tâm hoàn toàn? Nếu có một

hệ thống có thể giám sát được trạng thái ngôi nhà của bạn lúc bạn vắng nhà, hay lúc ban đêm bạn ngủ say, để khi có gì bất thường, lập tức báo cho bạn biết ngay, chắc chắn bạn sẽ yên tâm hơn rất nhiều, tập trung hết sức cho việc khác Đó chắc chắn là điều mà nhiều người cần

Có một thực tế rằng, trong rất nhiều ngôi nhà ở chính Hà Nội này, mọi người có nhiều lần bực mình với cái máy bơm nước của gia đình mình Khi giữa đêm đang ngủ ngon, bỗng cái máy bơm lại chạy, kêu ầm ĩ, làm mất giấc ngủ ngon Đó là trường hợp

ở trong ngôi nhà có bể nước ngầm, khi nước thùng chứa trên cao hết, máy bơm tự hoạt động để bơm nước từ bể ngầm lên thùng chứa nước trên cao Trong tình huống đó, bạn

sẽ dậy và rút máy bơm, tiếp tục ngủ Sáng hôm sau dậy đi làm như thường ngày Đến tối về đến nhà, chủ nhà than phiền không hiểu sao hôm nay nước lại hết Bạn sức nhớ

ra cái máy bơm đêm qua bạn đã rút Một câu chuyện cũng về cái bơm nước, trường hợp đối với căn hộ không có bể nước ngầm, mà chỉ có hai bể nước, một cái to, một cái nhỏ trên tầng Lúc nào thành phố có nước, cắm máy bơm vào sẽ có nước chảy lên bể Nếu máy đang bơm, mà nguồn nước của thành phố đến giờ cắt, nếu không biết để tắt máy bơm thì nó cứ chạy không, nóng máy, dẫn đến hỏng máy bơm Nên bắt buộc lúc

chạy máy bơm, thỉnh thoảng lại phải xem nước còn chảy hay không Nhiều khi lại quên cắm máy bơm, lúc nước hết mới biết, nhưng lúc đó đâu phải là giờ có nước đâu

mà bơm… Đó chỉ là hai trường hợp điển hình về cái máy bơm nước Giá như máy bơm nước thông minh cái thì tốt hơn không?

Tiếp tục với một câu chuyện về cái bình nóng lạnh Sau một ngày làm việc căng thẳng và mệt mỏi, về nhà cái là bạn muốn tắm rửa luôn cho sảng khoái Nhưng lại phải chờ 10 đến 15 phút mới có nước ấm từ bình nóng lạnh để tắm Nếu có ai đó bật trước

đi, để lúc mình về là có nước dùng có phải tốt hơn không nhỉ? Vậy ai sẽ làm điều đó khi nhà thì ít người, mọi người đều đi vắng hết?

Trên đây là vài trường hợp thực tế cuộc sống thường ngày ta phải đối mặt Xung quanh ta, giá mọi thứ đều “thông minh” hơn, theo ý muốn của ta hơn, thì cuộc sống có phải tốt hơn nhiều không Nhưng nó không phải là không làm được Khoa học kĩ thuật đang phát triển mạnh, nền kinh tế đang tăng trưởng cao, điều kiện sống của người dân khởi sắc Sử dụng Internet, sử dụng điện thoại không còn ở thời kì gọi là xa xỉ nữa, mà trở nên rất phổ biến Rất nhiều ứng dụng từ mạng Internet, từ điện thoại được ra đời, đem lại cho con người nhiều tiện ích đáng kể Do vậy từ thực tế đó, với mục đích trước mắt là phục vụ chính gia đình mình trước tiên, sau đó là cơ hội để tìm hiểu, nâng cao

kiến thức, để mở rộng ra với nhiều ứng dụng khác, em quyết định chọn đề tài: “GIÁM

SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ THÔNG DỤNG TRONG GIA ĐÌNH TỪ

XA QUA MẠNG (ĐIỆN THOẠI, INTERNET)” Thiết bị thông dụng ở đây trước

mắt mới chỉ giới hạn ở cái bình nóng lạnh, cái bơm nước, cái quạt điện, cái còi hú để báo động Còn giám sát ở mức độ là báo khói, cửa ra vào bị mở hay đóng, hay nhiệt độ trong phòng, và thêm chức năng có camera để giám sát, chụp lại ảnh trong những thời

điểm có sự kiện xảy ra

Trong quá trình làm đồ án, có những vướng mắc nhất định, không chỉ về mặt định hướng mà còn về mặt kiến thức, nhờ đã được tiếp thu sự giảng dạy, chỉ bảo nhiệt tình của các thầy cô giáo trong quá trình đào tạo, đã giúp em vượt qua được những khó khăn, hoàn thành được mục tiêu đề ra Em xin chân thành cảm ơn tới các thầy cô trong khoa Điện Tử - Viễn Thông, đặc biệt là TS Nguyễn Nam Quân đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình thực hiện và hoàn thiện đồ án này

Nội dung của đồ án bao gồm những phần sau đây:

 Chương 1: Giới thiệu những giải pháp ở thị trường hiện có cũng như nhận xét, đánh giá các sản phẩm đó Tiếp đó nêu ra tổng quan hệ thống cần xây dựng

 Chương 2: Nêu những giải pháp, đánh giá và lựa chọn phương án khả thi để thực hiện cho chức năng từng khối của hệ thống

 Chương 3: Trên cơ sở phương án đã lựa chọn cho từng khối thực hiện của hệ thống, nội dung chương này phân tích, tìm hiểu và thực hiện việc kết nối, lắp ráp các linh kiện điện tử tạo thành hệ thống phần cứng hoàn chỉnh của hệ thống

 Chương 4: Dựa trên nhiệm vụ hoạt động từng khối chức năng, nội dung chương này tìm hiểu những giải pháp, thuật toán, cách thực hiện bằng phần mềm trên cơ

sở phần cứng được thiết kế ở trên

 Kết luận: Nêu ra những đánh giá, nhận xét kết quả thu được cũng như hướng phát triển tiếp tục của đề tài

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG

Nội dung chương này giới thiệu hai giải pháp trên thị trường đang có về hệ thống tòa nhà thông minh của GAMMA (EIB) của hãng SIEMENS (Đức) và giải pháp nhà thông minh SmartHome của BKAV (Việt Nam), đồng thời đưa ra nhận xét, đánh giá về hai giải pháp này Tiếp đó, trình bày một cách tổng quan về hệ thống, các chức năng mà hệ thống có

1.1 Các giải pháp hệ thống hiện có trên thị trường

Hiện nay trên thị trường, có vài giải pháp về ngôi nhà thông minh được thực hiện bởi một số công ty của Việt Nam cũng như nước ngoài Ví dụ “Hệ thống nhà thông minh GAMMA (EIB)” của hãng Siemens, hiện đang có tại Hà Nội, hoạt động theo ý muốn của người sử dụng, chức năng điều khiển đa dạng, có khả năng đáp ứng các yêu cầu của chủ nhà Tính linh hoạt cao, có thể thay đổi chức năng sử dụng cũng như chức năng điều khiển rất đơn giản bất cứ lúc nào mà không cần đi lại dây Điều khiển và phối hợp nhiều chức năng trong nhà với nhau theo các kịch bản phong phú Một hệ thống khác là hệ thống nhà thông minh SmartHome của công ty BKAV Việt Nam, là tổng thể các giải pháp như hệ thống chiếu sáng thông minh, hệ thống cảnh báo

an ninh, hệ thống giám sát môi trường, giải trí và tiện ích mang lại cho chủ nhân ngôi nhà sự thoải mái, an toàn và tiết kiệm năng lượng Hệ thống cũng đầy đủ các chức năng, với khả năng cảnh báo tới người sử dụng qua điện thoại, hoặc cho phép người dùng truy cập vào hệ thống qua mạng Internet

1.1.1 Hệ thống nhà thông minh GAMMA (EIB) của Siemens – Đức

Công nghệ Nhà thông minh GAMMA là hệ thống điều khiển tiên tiến, không cần bộ xử lý trung tâm đã đƣợc hãng Siemens liên tục nghiên cứu và phát triển từ năm

1985 Hệ thống thông minh này đáp ứng đƣợc tất cả các yêu cầu mà những công trình sang trọng và hiện đại cần phải có

Hình 1.1 Mô hình hệ thống nhà thông minh GAMMA

vào, gara, cửa sổ, rèm che cửa, bơm nước, hệ thống camera quan sát, hệ thống nghe-nhìn (audio-video) trong nhà

Nguyên lý hoạt động và cấu trúc hệ thống:

Với công nghệ nhà thông minh GAMMA, các thiết bị theo tiêu chuẩn EIB (European Installation Bus), một tiêu chuẩn của Châu Âu, được liên kết với nhau thông qua một dây cáp đôi duy nhất với điện áp 24VDC (cáp EIB) Các thiết bị liên lạc với nhau bằng cách gửi tin theo địa chỉ định trước (mỗi thiết bị được thiết lập một địa chỉ) Các thiết bị nhận tín hiệu (công tắc, cảm ứng chuyển động, cảm nhận sự hiện diện, remote control ) nhận lệnh và chuyển tín hiệu điều khiển đến các cơ cấu chấp hành (switch loader, dimmer…) để đóng mở đèn, quạt, bình nóng lạnh, rèm cửa và các thiết

bị điện khác theo ý muốn Ngoài ra, các thiết bị này còn có thể tự động hoạt động mang

lại hiệu quả tối ưu thông qua các bộ điều khiển (logic control, timer, scenes control…)

Công nghệ Nhà thông minh GAMMA hoạt động theo cấu trúc điều khiển phân tán, nghĩa là không cần một bộ điều khiển trung tâm, các thiết bị trong hệ thống đều có khả năng xử lý thông tin và hoạt động một cách độc lập Điều này đảm bảo tính vận hành liên tục của toàn hệ thống mà không bị phụ thuộc vào bất cứ thiết bị trung tâm nào

Điều khiển theo kịch bản – Scene control

Hệ thống thiết kế chủ yếu dành cho các biệt thự, tòa nhà sang trọng Biệt thự được thiết kế gồm các khu vực như: phòng khách, phòng ăn, phòng ngủ master, phòng sinh hoạt chung Các phòng này được lập trình điều khiển chiếu sáng theo kịch bản (scene) phù hợp với các chức năng sử dụng khác nhau

Điều khiển theo thời gian – Timer control

Chức năng này được thiết kế cho:

 Đèn hành lang, đèn ban công, đèn chiếu sáng sân vườn

 Bình nước nóng các phòng ngủ (tuỳ chọn)

 Hệ thống bơm nước bể cảnh (nếu có)

Các hệ thống này sẽ được lập trình để tự động vận hành theo thời gian đặt trước theo đúng lịch sinh hoạt của gia chủ giúp cho cuộc sống trong nhà tiện nghi hơn và tiết kiệm năng lượng điện

Cảm biến chuyển động – Motion detector

Các cảm biến chuyển động được lắp tại các vị trí:

Hệ thống báo cháy

Hệ thống báo cháy tự động bao gồm các bộ cảm biến khói và nhiệt độ Khi kết hợp với quạt hút, hệ thống báo động hoặc hệ thống cảnh báo qua điện thoại sẽ kịp thời cảnh báo sự cố tại chỗ hoặc từ xa

Cảm biến khói – smoke detector được đặt tại khu vực bếp và có thể phát triển thêm tại một số khu vực có nguy cơ cháy cao trong quá trình sử dụng sau này

Khi phát hiện có khói hoặc nhiệt độ tăng quá mức, quạt hút khói sẽ tự động bật

để hút hết khói ra ngoài, đèn và còi báo cháy sẽ được kích hoạt, đồng thời một cuộc gọi khẩn cấp đến các số điện thoại cần thiết sẽ được thực hiện

Hệ thống máy bơm nước cứu hỏa (nếu có) sẽ tự động bật ngay khi có tín hiệu cháy nhằm tạo áp suất nước cao giúp cho việc chữa cháy kịp thời Sự phối hợp hoạt động của các thiết bị trong nhà cho mỗi trường hợp đều có thể thay đổi theo thực tế và yêu cầu cụ thể của gia chủ

Hệ thống cảnh báo đột nhập

Hệ thống cảnh báo đột nhập tự động ngăn chặn và cảnh báo cho gia chủ những xâm phạm của kẻ gian Hệ thống này bao gồm các cảm biến chuyển động, đèn chiếu sáng, các rơ le cửa ra vào và mạng điện thoại trong nhà (tuỳ chọn)

Chức năng điều khiển từ xa

Biệt thự được trang bị chức năng điều khiển từ xa tại mọi vị trí trong và ngoài nhà Với

06 bộ điều khiển từ xa cầm tay (remote control), gia chủ có thể điều khiển tổng cộng tới hơn 90 thiết bị, chức năng, trong khoảng cách từ 30m - 100m và không bị cản trở bởi tường gạch, kính, gỗ hay bất cứ vật cản nào

1.1.2 Hệ thống nhà thông minh SmartHome của BKAV – Việt Nam

Công ty Đầu tư Phát triển Công nghệ Ngôi nhà thông minh SmartHome là doanh nghiệp đầu tiên tại Việt Nam đi tiên phong trong lĩnh vực nghiên cứu và sản xuất thiết bị điện tử thông minh, phục vụ các công trình dân dụng và công nghiệp

Hệ thống nhà thông minh SmartHome là tổng thể các giải pháp như hệ thống chiếu sáng thông minh, hệ thống cảnh báo an ninh, hệ thống giám sát môi trường, giải trí và tiện ích sẽ mang lại cho chủ nhân ngôi nhà sự thoải mái, an toàn và tiết kiệm năng lượng

Hình 1.2 Mô hình nhà thông minh SmartHome của BKAV

 Hệ thống chiếu sáng thông minh: được thiết kế để có khả năng hoạt động tự

động hoàn toàn, tùy biến ánh sáng, màu sắc với công nghệ LED đáp ứng mọi nhu cầu, kịch bản mong muốn của chủ nhân ngôi nhà

 Hệ thống an ninh: sẽ kiểm soát được sự xâm nhập trái phép, nguy cơ cháy nổ

 Hệ thống kiểm soát môi trường: Với hệ thống sensor cảm biến nhiệt độ, độ ẩm,

nồng độ oxy thông tin về môi trường của toàn bộ ngôi nhà sẽ được hệ thống kiểm soát môi trường phân tích, xử lý để tạo ra môi trường sống tốt nhất

 Giải trí và tiện ích: Hệ thống đa phương tiện với các thư viện hình ảnh, âm

nhạc, phim ảnh Ngoài ra, hệ thống còn có nhiều tiện ích, giúp bạn nấu một món ăn ngon hay nhắc bạn các công việc hàng ngày

1.1.3 Đánh giá các sản phẩm trên thị trường

Trên đây là hai giải pháp của hai công ty thực hiện hệ thống ngôi nhà thông minh Về cơ bản các chức năng đều nhằm giám sát trạng thái của hệ thống, giám sát an ninh, để phát hiện những sự cố, cũng như giám sát các thông số môi trường xung quanh Chức năng điều khiển cũng nhằm điều khiển các thiết bị trong gia đình Hệ thống cũng có chức năng cảnh báo tới người sử dụng, cho phép người sử dụng có thể truy cập vào hệ thống để điều khiển Tuy nhiên đây là những giải pháp đã được thương mại hóa, là sản phẩm áp dụng cho hệ thống căn nhà hiện đại, lớn với trang thiết bị được lắp đặt đồng bộ, đa dạng Chi phí cho hệ thống cũng cao tương ứng Đối với hệ thống SmartHome của BKAV giá tối thiểu cũng đã là 200 triệu, còn với hệ thống GAMMA giá thành cho hệ thống phải ở con số 25 ngàn USD Những giải pháp này khó có thể áp dụng cho những ứng dụng thông thường được

Trên thị trường cũng có vài giải pháp của các công ty khác, nhưng nhìn chung giá thành cũng tương đối cao, khó áp dụng linh hoạt cho những ứng dụng nhỏ lẻ mà đa

số nhiều người cần được

1.2 Ý tưởng về xây dựng hệ thống

Từ nhu cầu thực tế cần thiết xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển hệ thống các thiết bị, vật dụng trong gia đình như trên, cộng với khả năng đáp ứng trên thị trường còn hạn chế, bên cạnh nền khoa học kĩ thuật phát triển với nhiều công nghệ mới, cho phép ta hình thành ý tưởng và xây dựng một hệ thống giám sát và điều khiển theo các chức năng mà mình cần

Về cơ bản, thành phần chính của hệ thống gồm 3 chức năng:

 Chức năng giám sát (các trạng thái của căn hộ)

 Chức năng điều khiển (điều khiển các thiết bị, vật dụng)

 Chức năng kết nối (kết nối tới người sử dụng bằng điện thoại, Internet hay kết nối máy tính trực tiếp)

1.2.1 Chức năng giám sát

 Giám sát sự an toàn của ngôi nhà, khi có sự cố như bị chập cháy, hay bị kẻ gian đột nhập thì hệ thống phải biết được Để phát hiện được chập cháy thì cần phát hiện được có khói trong ngôi nhà Còn khi có kẻ gian đột nhập vào, cách thông thường là căn cứ vào trạng thái cửa

 Giám sát được nhiệt độ trong phòng Nhiệt độ luôn biến đổi theo thời gian, theo không gian Căn cứ vào nhiệt độ từng thời điểm, để hệ thống có những xử lý khác nhau

 Giám sát mực nước ở bể nước, và xác định tình trạng nước lúc máy bơm hoạt động

1.2.2 Chức năng điều khiển

 Điều khiển hoạt động của máy bơm nước Máy bơm nước hoạt động khi nước trên bể đã sắp hết, và lúc máy bơm hoạt động phải là trong thời gian thành phố

nước ngầm, mà chỉ có thùng nước lắp trên đỉnh căn hộ, máy bơm sẽ bơm trực tiếp từ hệ thống nước của thành phố lên bể luôn, nên hoạt động phải phụ thuộc

là lúc nào có nước mới bơm được)

 Thiết bị thứ hai cần điều khiển là camera giám sát Với mục đích là xây dựng nhiều camera, nhưng để đơn giản, trước mắt hệ thống chỉ sử dụng 1 camera

 Thiết bị thứ ba cần điều khiển là bình nóng lạnh Bình nóng lạnh sẽ đóng cắt khi xảy ra một trong hai điều kiện Thứ nhất là khi có người ở nhà dùng tay bật như khi nó hoạt động bình thường Và điều kiện thứ hai khi do hệ thống bật Lúc này bình nóng lạnh sẽ hoạt động

 Thiết bị thứ tư cần điều khiển là cái quạt điện, sử dụng trong thời điểm nóng bức Về đêm, lúc nào mà nhiệt độ xuống thấp thì tắt quạt đi, còn nếu không vẫn

Ở cách kết nối thông qua điện thoại, có hai chiều tác động Thứ nhất là chiều từ

hệ thống tới người sử dụng Trường hợp này xảy ra khi hệ thống nhận biết được căn nhà có sự cố (ví dụ có chập cháy, nhiệt độ phòng quá cao, hay có kẻ đột nhập vào), lúc này hệ thống sẽ gửi tin nhắn thông báo tới chủ nhân của nó Còn trường hợp thứ hai là

chiều từ người dùng tác động lên hệ thống Tác động bằng cách gửi tin nhắn để điều khiển một thiết bị nào đó,

Ở cách kết nối thứ hai là kết nối thông qua Internet Để thực hiện được điều này, trước hết trong căn hộ phải lắp mạng Internet Khi đã có mạng rồi, cắm thiết bị vào mạng để thiết bị kết nối với mạng Lúc này người dùng ở một địa điểm khác, chẳng hạn ở cơ quan, ở nhà hàng, khách sạn, quán café… sẽ dùng máy tính để bàn, hoặc xách tay hay điện thoại truy cập web để truy cập vào thiết bị Khi đã truy cập được vào, các thống tin trạng thái của căn hộ như trạng thái cửa là đóng hay mở, trạng thái chập cháy

có vấn đề gì không? Nhiệt độ hiện giờ ở nhà là bao nhiêu Và cũng thông qua giao diện web, người dùng có thể bật tắt được các thiết bị ở nhà thông qua các nút ấn trên giao diện màn hình

Ở cách kết nối thứ ba là dùng máy tính cá nhân ở nhà kết nối trực tiếp vào thiết

bị thông qua truyền thông nối tiếp RS232 Sử dụng cách này với trường hợp người dùng ở nhà không có mạng Internet Lúc này người dùng cũng có được các thông tin

về căn hộ cũng như có những tác động lên hê thống Trường hợp này nhằm với mục đích là thiết đặt các tham số cho hệ thống khi chủ nhân muốn thay đổi, chẳng hạn như thay đổi ngưỡng bật tắt quạt từ 28 độ lên 30 độ chẳng hạn, hay thay đổi thời gian kích hoạt hệ thống báo động từ 11 giờ đêm đến 6h sáng hôm sau chẳng hạn…

Và cách tương tác cuối cùng là tương tác trực tiếp với người sử dụng bằng phim bấm và màn hiển thị LCD Mục đích chính của tương tác này là giúp người dùng thay dổi các tham số cấu hình cho hệ thống cho phù hợp với từng thời điểm ,từng chức năng, tùy sở thích từng người Ngoài ra, cũng cho phép người dùng biết được trạng thái hiện tại của hệ thống, và cũng có những tác động điều khiển lên hệ thống thông qua giao diện trên màn hình chỉ thị LCD

Người dùng

Người dùng Người dùng

Xử lý trung tâm

Hình 1.3 Mô hình hoạt động của hệ thống

Hệ thống có 3 khối tương tác:

 Khối giám sát hoạt động trên cơ sở thông qua trạng thái các cảm biến vào như cửa, khói, nhiệt độ, mực nước ở bể và trạng thái có nước chảy vào bể lúc máy bơm hoạt động hay không

 Khối tương tác thứ hai, điều khiển là tương tác với các thiết bị như máy bơm nước, Camera, bình nóng lạnh, quạt điện và báo động để điều khiển chúng hoạt động theo sự tác động của chủ nhân hoặc theo chu trình đã cài đặt sẵn

 Và khối tương tác thứ 3 là tương tác với người dùng Có 4 hình thức trao đổi với người dùng, biểu hiện bằng 4 hình người trên hình vẽ, đó là qua điện thoại, qua mạng Internet, qua máy tính cá nhân kết nối trực tiếp với thiết bị, hoặc qua giao diện phím bấm, màn LCD chỉ thị

Như vậy, xem qua mô hình hoạt động của hệ thống, ta thấy rõ hệ thống tạo ra được cầu nối giữa các thiết bị trong gia đình với chủ nhân của nó, xóa bỏ khoảng cách về không gian và thời gian Giúp cho người dùng có được sự kiểm soát được căn hộ của mình bất cứ lúc nào, lúc ở nhà hay lúc vắng nhà, tạo sự an tâm, thoải mái cũng như sự chủ động trong công việc, cuộc sống Bên cạnh đó, hoạt động hệ thống giúp bạn giảm thiểu

sự lãng phí năng lượng, về thời gian, tiền bạc…

1.4 Mục đích nghiên cứu, đối tượng, phạm vi của đề tài:

Mục đích nghiên cứu trước tiên là làm ra được sản phẩm để sử dụng cho ngay tại gia đình mình, cho bố mẹ mình ở nhà, cho bạn bè người thân Sản phẩm giúp ta có thể quản lý được tình trạng ngôi nhà thông qua bản tin cảnh báo gửi tới điện thoại khi

có sự cố như kẻ gian đột nhập, khi bị chập cháy…, bên cạnh đó sản phẩm còn giúp ta

có thể điều khiển được một số việc như bật tắt một số thiết bị trong nhà qua tin nhắn từ

điện thoại Ngoài ra, bất cứ chỗ nào có Internet cũng cho phép ta có thể truy cập được

hệ thống ở nhà mình, và cũng được điều khiển bằng giao diện trên web

Với một hệ thống giám sát và điều khiển ngôi nhà thông minh là một đề tài lớn,

để làm được đòi hỏi nhiều thời gian, kiến thức và công sức Trong phạm vi của đề tài này, em chỉ tập trung vào một số vấn đề sau:

 Phát hiện được những sự cố như bị cháy, bị trộm đột nhập, nhiệt độ cao để báo cho chủ nhân biết

 Ghi lại được hình ảnh vào thời điểm xảy ra sự cố như bị cháy, bị kẻ gian đột nhập

 Gửi tin nhắn SMS tới số điện thoại chủ nhân trong trường hợp xảy ra sự cố, cũng như cho phép chủ nhân sử dụng điện thoại để điều khiển thiết bị cũng như nghe được âm thanh trong ngôi nhà của mình

 Cho phép người sử dụng trình duyệt web (firefox, chrome, IE …) thông qua Internet có thể truy cập vào hệ thống để biết được trạng thái, thông tin hệ thống của mình Đồng thời cho phép chủ nhân điều khiển các thiết bị thông qua giao diện Web

 Trong trường hợp chủ nhân không có điều kiện sử dụng Internet, hệ thống cũng cho phép chủ nhân dùng máy tính kết nối trực tiếp với thiết bị để điều khiển, hoặc biết được thông tin trạng thái của hệ thống

 Hệ thống có khả năng điều khiển một số thiết bị thông dụng trong gia đình như bật tắt bình nóng lạnh, điều chỉnh bật tắt quạt điện tùy nhiệt độ môi trường Ngoài ra hệ thống có khả năng kích hoạt hệ thống báo động trong trường hợp xảy ra sự cố hoặc kẻ gian đột nhập

1.5 Phương pháp nghiên cứu:

 Tham khảo tài liệu: thu thập thông tin kiến thức từ sách, báo, tài liệu, các tạp chí, và sử dụng Internet để tìm hiểu về điện, điện tử, viễn thông, tự động hóa…

 Phương pháp khảo sát: khảo sát nhu cầu thực tế, khả năng tài chính cũng như hạ tầng đi kèm, vật tư trang thiết bị… Khảo sát các sản phẩm hiện đang có trên thị trường, công dụng, chức năng cũng như giá thành, chi phí sản phẩm

 Phương pháp thực nghiệm: từ nhu cầu thực tế nảy sinh những ý tưởng để thực hiện, kết hợp với vốn kiến thức đã được trang bị và tìm hiểu, cộng với sự hướng dẫn, chỉ bảo của giảng viên hướng dẫn, người thực hiện đã thiết kế, thử nghiệm những giải pháp khác nhau, nhiều cách tiếp cận, hướng đi để cuối cùng chọn lọc

ra được phương án khả thi nhất

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP THỰC HIỆN CHO TỪNG

KHỐI CỦA HỆ THỐNG

Nội dung chương này trình bày về các vấn đề mà hệ thống cần xem xét và giải quyết, đưa ra được phân tích đánh giá, những phương án lựa chọn để giải quyết, và chọn phương án khả thi nhất

2.1 Khối giám sát trạng thái ngôi nhà

Khối này có nhiệm vụ biết được trạng thái của hệ thống để có những điều khiển tương ứng hoặc có những cảnh báo tới người sử dụng Để làm được điều đó, sau đây là một số yêu cầu và các lựa chọn cho từng việc cụ thể:

2.1.1 Nhận biết cửa mở

Để ra vào căn nhà thì chỉ có cách qua các hệ thống cửa ra vào Tùy thiết kế từng căn nhà mà có một hoặc nhiều hơn cửa ra vào Như vậy kẻ gian vào được nhà thì phải qua hệ thống cửa này, tức phải có tác động làm cho cửa phải mở ra mới vào được Do

đó để nhận biết sự đột nhập của kẻ gian, phải có cơ chế phát hiện được là cửa đóng hay đang mở

Để thực hiện được việc này, có vài giải pháp có thể thực hiện như sau:

 Dùng các công tắc cơ khí dạng tiếp điểm lắp vào ở cánh cửa Bình thường công tắc ở dạng thường hở Khi có lực ấn vào công tắc thì hai tiếp điểm công tắc nối với nhau Như vậy lắp công tắc này vào cửa, khi cửa mở thì trạng thái công tắc thay đổi để ta biết được

 Dùng công tắc từ bằng thủy tinh Lắp thêm một nam châm Khi công tắc gần nam châm thì công tắc sẽ hút, 2 đầu nam châm sẽ nối với nhau Còn khi công tắc xa nam châm thì 2 đầu sẽ không tiếp xúc nữa

 Loại thứ 3 là loại cũng là loại bằng cảm ứng từ Loại này là loại thị trường hay dùng Có 2 tấm, một tấm lắp ở cửa, một tấm lắp ở mép cửa Lúc cửa đóng, 2 tấm gần nhau nên 2 tiếp điểm hút Khi xa thì 2 tiếp điểm nhả ra

Lựa chọn:

Với hai loại đầu với ưu điểm là rẻ tiền, nhưng độ bền không cao Loại thứ nhất lúc hoạt động có tiếng kêu, vì là tiếp điểm cơ khí Loại thứ 2 dễ vỡ Nên loại thứ 3 là hợp lý, nên được hay dùng hơn với mục đích này Đặc biệt là ở các trạm BTS, dùng

phổ biến là loại này

2.1.2 Nhận biết có cháy

Để nhận biết cháy hay không thì cũng chỉ thấy phổ biến ở thị trường là các loại cảm biến khói Đó là thiết bị được tích hợp khối xử lý bên trong, đầu ra 2 đầu tiếp điểm Ta sẽ chọn loại tiếp điểm thường đóng, khi có khói với độ đủ để cảm biến nhận biết được, cảm biến sẽ báo bằng cách thay đổi trạng thái tiếp điểm đầu ra, và bật một led chỉ thị màu đỏ lên, báo đang có cháy Do đó, hệ thống sẽ dùng loại cảm biến khói này làm phương tiện để nhận biết chập cháy

2.1.3 Nhiệt độ môi trường

Với mục đích đo nhiệt độ môi trường để hệ thống có sự điều chỉnh việc tăng giảm nhiệt độ ở điều hòa hay bật tắt quạt do chế độ mà chủ nhà mong muốn Để đo nhiệt độ, có hai loại cảm biến nhiệt độ thường dùng

 Dùng loại cảm biến nhiệt độ mà đầu ra là điện áp, tỉ lệ với nhiệt độ bởi một tỉ số như LM35, LM335 mà sinh viên vẫn thường hay sử dụng Bằng cách đo được giá trị điện áp đầu ra của cảm biến là có thể suy ra được nhiệt độ

 Loại cảm biến nhiệt độ đã có xử lý bên trong IC, đầu ra là kết quả nhiệt độ luôn,

ở dạng số Để đọc được kết quả nhiệt độ, cần biết giao thức mà cảm biến quy định để giao tiếp với nó Cảm biến loại này trên thị trường có phổ biến là DS18B20 của Dallas

2.1.4 Nhận biết mức nước ở bể và có nước chảy vào bể

Đối với loại này, trên thị trường mọi người vẫn dùng loại phao Bình thường khi nước xuống dưới một mức cố định nào đó, tiếp điểm của phao sẽ đóng ra Khi nước đầy lên tới một mức để chạm được bề mặt của phao, nước bơm vào sẽ đẩy phao lên, làm tiếp điểm của phao hở ra Với phao này thì gần như nhà nào lắp bể nước trên cao cũng dùng loại này để đóng và ngắt máy bơm Như đã đề cập ở các phần trước, ở hệ thống này xử lý với trường hợp là không có bể ngầm, nên cần chế thêm một khối để nhận biết nước có bơm vào không Đây là loại cũng có trên thị trường, hoạt động với tiếp điểm cơ khí Bình thường công tắc sẽ đóng, khi có nước chảy vào, với áp lực của

nước, làm cho công tắc nhả ra Như vậy bằng cách sử dụng 2 loại này, ta có thể biết được liệu nước đã đầy chưa? Hay máy bơm nước đang chạy liệu có nước hay không

2.2 Khối điều khiển thiết bị

Đây là khối chấp hành, sẽ tác động lên hoạt động của các thiết bị mình cần tác động Thiết bị trong gia đình thì nhiều, ở đây ta chỉ điều khiển một số thiết bị điển hình, như điều khiển hoạt động của máy bơm nước, điều khiển bình nóng lạnh, điều khiển quạt điện, điều khiển Camera, và kích hoạt hệ thống báo động Do phần lớn các thiết bị kể trên là dùng điện áp 220VAC, do đó cách điều khiển dễ nhất, và an toàn là dùng các Role để điều khiển đóng cắt Dưới đây là yêu cầu và giải pháp cho mỗi loại: 2.2.1 Máy bơm nước

Mục đích của máy bơm nước là bơm nước từ hệ thống nước thành phố lên bể chứa trên trần nhà Đặc điểm của nó là hoạt động được lâu, nhưng nếu không có nước, máy bơm chạy lâu sẽ nóng, rồi sẽ chập cháy Do đó, với những gia đình không có bể chứa nước ngầm thì việc bơm nước thông thường phải chờ lúc nước có mới cắm máy bơm để bơm được Trên bể có lắp phao để khi nước có đầy thì máy bơm cũng bị tắt, mặc dù lúc đó điện vẫn cắm Nhưng nếu mà quên không để ý là có nước thì máy bơm

sẽ chạy không, dẫn đến vừa tốn điện lại vừa gây hỏng máy bơm Do đó để hệ thống có thể tự động trong việc bơm nước được, thì có cơ chế để lúc nào nước ở bể hết thì máy bơm ra lệnh hoạt động Lúc máy bơm hoạt động, có 2 trường hợp như đã đề cập, đó là

có nước chảy lên bể hoặc không có nước chảy lên Vậy phải có cơ chế để báo cho máy bơm biết là nếu có nước thì tiếp tục bơm, nếu không thì tắt máy bơm đi, vào lúc khác bơm Và hoạt động của máy bơm cũng phải theo giờ giấc nữa, nếu giữa đêm nếu có hết nước thì máy bơm cũng không hoạt động, mà chờ đến sáng mới chạy

Như vậy việc điều khiển máy bơm chỉ đơn giản là lúc muốn máy bơm hoạt động thì cấp điện cho máy bơm, lúc không muốn máy hoạt động thì ngắt điện ra Do đó để điều khiển phải có cách để đóng ngắt đường điện qua máy bơm Do đó phải chọn loại đóng cắt máy bơm cho phù hợp

Trước hết phải xem công suất máy bơm của gia đình là loại nào Thông thường máy bơm nước dùng trong gia đình cũng chỉ tâm từ 100 đến 250W, do đó để đóng cắt được chỉ cần dùng loại các loại role thông dụng ở thị trường là có thể giải quyết được Những loại role này thường có dòng chịu được lên tới 10A, điện áp 250VAC, như vậy thoải mái cho máy bơm hoạt động Để dễ điều khiển, có thể dùng luôn điện áp 5V để điều khiển, ở đây chọn luôn dùng Role G5LE, loại phổ biến trên thị trường

2.2.2 Bình nóng lạnh

Với chức năng là làm nóng nước để tắm, các bình nóng lạnh được thiết kế là lúc

có nước ở trong bình, cấp nguồn cho bình, bình sẽ đun nước nóng lên ở một nhiệt độ nhất định, ta sử dụng để tắm Thông thường trong việc lắp bình nóng lạnh, nguồn điều khiển bật tắt được qua một Aptomat, đóng vai trò một công tắc Khi muốn bình nóng lạnh hoạt động, đóng Aptomat lại, nước từ từ đun nóng Khi nước đã nóng, bình nóng lạnh sẽ chuyển từ đèn đỏ sang đèn xanh báo hiệu nước đã sẵn sàng, đồng thời giữ nhiệt

độ ổn định Lúc đó ta tắt Aptomat và sử dụng nước để tắm

Để điều khiển được bình nóng lạnh một cách tự động, cơ chế cũng giống như cái Aptomat kia Lúc muốn nó hoạt động thì đóng lại, điện AC chạy qua đun nước nóng Lúc muốn tắt đi thì ngắt điện AC Cũng giống như với máy bơm nước, trước hết

ta cần biết công suất của bình nóng lạnh là bao nhiêu để chọn loại thiết bị đóng cắt cho phù hợp Ở bình nóng lạnh ở nhà em chỉ với công suất 1500W, nên có thể dùng luôn Role loại như trên để điều khiển Còn với những loại bình nóng lạnh với công suất lớn hơn, ta cần chọn loại điều khiển cho phù hợp

2.2.3 Quạt điện

Việc điều khiển quạt điện cũng giống như các trường hợp trên Do công suất quạt chỉ dưới 200W nên dung Role trên để điều khiển Việc điều khiển căn cứ vào ngưỡng nhiệt độ do người sử dụng thiết đặt Giá trị mặc định mà hệ thống sử dụng là

30 độ C

2.2.4 Camera

Nhắc đến Camera là nghĩ ngay đến khả năng quay phim Nhưng sử dụng để quay phim sẽ cần thiết bị như ổ đĩa để lưu trữ, nên tốn kém Ở ngoài thị trường, giải pháp cho theo dõi an ninh có nhiều loại Camera IP Với loại camera này, có thể cắm vào mạng là xem được, và chi phí cho một cái IP Camera ở thị trường cũng hơn 2 triệu đồng Nếu trong gia đình muốn sử dụng để theo dõi nhiều vị trí, cần nhiều Camera giám sát Do đó dùng IP Camera sẽ phát sinh chi phí cao

Ở một số chi nhánh ở Việt Nam có loại Camera với giá thành vài trăm ngàn, có thể chụp ảnh và xuất dữ liệu ra đường truyền thông nối tiếp Nhận thấy đây là một giải pháp phù hợp với ứng dụng với chi phí không cao, với mục đích là có thể chụp được hình ảnh, có dữ liệu đầu ra để ta xử lý được Việc giao tiếp cũng có giao thức sẵn, chỉ thực hiện theo cú pháp của thiết bị là có thể giao tiếp được Do đó đây là một giải pháp khả thi để thực hiện, nên đề tài này chọn loại Camera loại này, với tên là: LS-Y201 của

Link Sprite

2.2.5 Báo động

Báo động ở đây dùng loại còi hú, là loại thiết bị giống chuông báo động Nó hoạt động khi có điện áp AC đi qua, với công suất bé Nên ta điều khiển dùng Role như các trường hợp trên Việc điều khiển báo động khi có sự cố như bị trộm đột nhập, hay

bị cháy, và kích hoạt khi có chế độ cho phép của chủ nhà

2.3 Khối kết nối người dùng

Đây là khối rất quan trọng, kết nối người sử dụng với hệ thống Với khả năng giao tiếp theo 4 cách như đã trình bày ở trên là bằng điện thoại, bằng Internet, bằng máy tính kết nối trực tiếp với hệ thống, và với giao diện phím bấm và màn hình hiển thị

Để giao tiếp được với người sử dụng bằng điện thoại, hệ thống phải có khối giao tiếp bằng GSM hoặc GPRS để có thể truyền thông tin thông qua mạng viễn thông tới người sử dụng Còn với hình thức kết nối qua Internet, để người dùng có thể dùng trình duyệt để truy cập vào hệ thống một cách nhanh chóng ở nhiều vị trí, thời điểm khác nhau, thì khối kết nối phải xây dựng trong nó được một khối Web Server, để cho phép trình duyệt có thể kết nối đến để lấy dữ liệu về trang web Khối Web Server này có chức năng giống như nơi chứa của các tờ báo điện tử trên mạng như “Dân trí”,

“Vietnamnet”, “VNExpress”…, người dùng chỉ cần gõ địa chỉ của các trang web đó là

có thể đọc được nội dung mà không cần cài đặt gì, nên rất thuận tiện Ở đây cũng vậy, khối giao tiếp Internet của hệ thống cũng xây dựng trên nó một giao diện web, chứa các thông tin về hệ thống, để người dùng truy cập vào, có thể biết được trạng thái các thiết bị, và có thể điều khiển được thiết bị ở nhà thông qua hệ thống

Hình vẽ dưới đây biểu hiện một cách cụ thể các chức năng của khối kết nối, với

4 khối chức năng tương ứng với mỗi hình thức kết nối

Xử lý

trung tâm

….

Hình 2.1 Mô hình cụ thể khối kết nối người dùng

Sau đây ta tìm hiểu đối với từng loại kết nối, với yêu cầu cụ thể cho từng trường hợp 2.3.1 Khối giao tiếp GSM

Có chức năng gửi các bản tin cảnh báo tới chủ nhân khi căn hộ ở gặp sự cố, và nhận lệnh điều khiển thiết bị từ chủ nhận thông qua mạng di động Khối này cần hai bộ phận như sau:

 Module GSM hỗ trợ mạng 2G hoặc 3G, cho phép thực hiện các chức năng giao

phép sử dụng tập lệnh AT – thư viện các lệnh giao tiếp của nhà cung cấp để giao tiếp với Module

 Sim điện thoại được các nhà mạng Việt Nam cung cấp Sim có vai trò tương đương cung cấp một ID cho thiết bị, để cho phép một máy điện thoại khác kết nối vào

Trên thị trường có cung cấp nhiều loại thiết bị có hỗ trợ chức năng giao tiếp GSM như trên, nhưng phổ biến là các sản phẩm của hãng Simcom Ở trong thiết kế này, em chọn loại thiết bị Module Sim548C của Simcom

2.3.2 Khối giao tiếp Internet

Với nhiệm vụ là cho phép một ứng dụng từ trình duyệt ở mạng ở ngoài kết nối vào hệ thống để truy xuất thông tin và điều khiển hệ thống Bằng cơ chế có mã xác thực, nên cho phép hệ thống được truy xuất một cách an toàn Với mục đích xây dựng một Web Server, chứa trạng thái luôn được cập nhật từ hệ thống, cho phép người dùng mỗi khi truy xuất vào luôn là trạng thái thực tế của hệ thống

Về phía yêu cầu của người sử dụng (gọi là user), thông thường là một trình duyệt web (web browser), khởi đầu kết nối bằng cách thực hiện một request cho một nguồn xác định nào đó sử dụng HTTP, và server sẽ đáp lại với nội dung hoặc là một lỗi nếu không thực hiện được điều đó

Như vậy, để thực hiện nhiệm vụ tạo một Web Server trên hệ thống, trước tiên là

có khả năng kết nối được với Internet Trên thị trường có một số giải pháp để thực hiện việc này như:

 Sử dụng IC dùng để điều khiển Ethernet, như ENC28J60, ENC424J600, hoặc ENC624J600… đây là các giải pháp cho phép một hệ thống kết nối với nó sử dụng giao tiếp SPI để điều khiển giao tiếp với Ethernet

 Giải pháp sử dụng một số dòng vi điều khiển có tích hợp khối điều khiển Ethernet trong nó, ví dụ một số dòng vi điều khiển của Microchip như Pic18F67J60, Pic18F87J60, Pic18F97J60 hay một số dòng Pic32

Với 2 giải pháp trên, sử dụng phương án thứ 2, là sử dụng một IC vi điều khiển có khối điều khiển Ethernet bên trong nó thường được hay sử dụng hơn Như vậy, bằng cách sử dụng phương pháp này, ta có thể xây dựng một web server riêng trên vi điều khiển này, đây là một khối độc lập, đóng vai trò cầu nối giữa người dùng với hệ thống Khối này sẽ nhận các thông tin cập nhật từ hệ thống gửi lên, cũng như chuyển các lệnh điều khiển do người dùng yêu cầu lên khối xử lý trung tâm để khối này tiến hành điều khiển hoạt động của khối chấp hành Với ứng dụng này, em chọn giải pháp dùng vi điều khiển Pic18F67J60, một dòng pic có khối điều khiển Ethernet trong nó, và bản thân họ vi điều khiển này được hỗ trợ bởi một hệ thống thư viện các hàm rất phong phú của Microchip, giúp xây dựng các ứng dụng nhanh chóng, trong đó điển hình là bộ TCP/IP Stack, giúp hỗ trợ nhiều hàm sử dụng trong quá trình giao tiếp với Ethernet

2.3.3 Khối giao tiếp máy tính

Khối kết nối được với máy tính với nhiệm vụ cho phép người dùng xem được trạng thái của hệ thống, cũng như có thể điều khiển được các thiết bị thông qua phần mềm viết trên máy tính Ngoài ra, khối này cũng cho phép người dùng sử dụng phần mềm để cấu hình các tham số như ngưỡng nhiệt độ để tắt quạt, thời gian cho phép chạy máy bơm nước…

Để hệ thống kết nối được với máy tính, cách thông dụng mọi người vẫn hay sử dụng là dùng giao tiếp nối tiếp RS232, kết nối với cổng COM của máy tính, hoặc dùng thiết bị chuyển đổi RS232 sang USB để cắm vào cổng USB của máy tính

2.3.4 Khối giao diện người dùng

Đây là khối sử dụng trong quá trình phát triển phần mềm Thông qua khối này giúp người lập trình phần mềm có thể kiểm tra được các chức năng Ngoài ra, khối này khi đã hoàn thiện cũng cho phép người dùng tương tác với hệ thống, cho phép thiết đặt các ngưỡng, các tham số của hệ thống Bằng cách sử dụng phím bấm và màn hình hiển thị LCD, ta có thể xem được tất cả các trạng thái của hệ thống, cũng như điều khiển hoạt động của hệ thống

2.4 Khối xử lý trung tâm

Ở những phần trên ta đã tìm hiểu cũng như lựa chọn giải pháp để thực hiện các yêu cầu chức năng của hệ thống Có một khối rất quan trọng, làm nhiệm vụ kết nối, vận hành hệ thống theo một kịch bản, xử lý các thông tin, kiểm soát các tham số, có các đáp ứng với yêu cầu của người dùng, đó là khối xử lý trung tâm

Với nhiệm vụ của khối này là liên tục kiểm tra các trạng thái của hệ thống, thông qua các cảm biến được sử dụng để biết được các tham số như điều kiện nhiệt độ, tình trạng cửa đóng mở, tình trạng chập cháy hay tình trạng hệ thống bể nước thế nào

để có những đáp ứng tương ứng với sự thay đổi đó Bên cạnh đó, nó phải nhận sự điều khiển, tương tác của người điều khiển thông qua các giao diện kết nối để thực hiện nhiệm vụ Khối này cũng có một cơ chế để nhận biết về thời gian để điều khiển hoạt động theo các quy trình như hoạt động của máy bơm căn cứ vào thời gian là ngày hay đêm, hay điều khiển bật tắt quạt căn cứ vào ngưỡng thời gian người dùng thiết đặt

Lựa chọn giải pháp:

Để thực hiện công việc với các tác vụ một cách linh hoạt, hoạt động theo chu trình, yêu cầu của người sử dụng, thì cách hợp lý nhất là sử dụng các IC vi điều khiển hiện đang có trên thị trường Với các dòng vi điều khiển hiện nay phổ biến là của Microchip, của Atmel, của TI, của Analog Device…

Với cách lựa chọn trên, vi điều khiển cần số cổng giao tiếp UART nhiều để có thể giao tiếp được với các thiết bị ngoại vi như giao tiếp với máy tính, giao tiếp với khối điều khiển giao tiếp Ethernet, giao tiếp khối giao tiếp GSM, và giao tiếp với camera Vì khối lượng công việc xử lý cũng nhiều nên vi điều khiển tốc độ đủ lớn Do vậy ở đề tài này, em sử dụng vi điều khiển dsPic30F1060A của hãng Microchip, là một trong những dòng vi điều khiển 16 bit có xử lý số mạnh nhất hiện có bán trên thị trường Đây là vi điều khiển với 2 bộ giao tiếp UART, mà em đã quen dùng với một số ứng dụng khác

2.5 Sơ đồ khối hệ thống

Từ những phần tích và đánh giá trên, ta có sơ đồ hệ thống như sau:

Radio Frequency

CẢM BIẾN

KHÓI

CẢM BIẾN CỬA CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

UART

KHỐI XỬ LÝ GIAO TIẾP ETHERNET

EEPROM

HIỂN THỊ &

PHÍM BẤM RJ45

NGUỒN CẤP

GSM/GPRS

CHUYỂN MẠCH ĐIỆN TỬ

CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN ÁP

CAMERA

CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN ÁP

CHUYỂN MẠCH ĐIỆN TỬ

Máy tính

CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN ÁP

CẢM BIẾN MỰC NƯỚC

BƠM

BÌNH NÓNG LẠNH

BÁO ĐỘNG

SIM548C

Người dùng

Người dùng Người dùng

Người dùng

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống

Với khối xử lý trung tâm đóng vai trò trọng tâm của hệ thống Với các đầu vào trạng thái thông qua các cảm biến như khói, nhiệt độ, cửa, mực nước Các khối điều khiển như bơm nước, nóng lạnh, quạt điện và báo động

Bên cạnh đó các khối giao tiếp với Camera, với khối giao tiếp GSM, giao tiếp máy tính, giao tiếp Ethernet như hình vẽ Hệ thống bao gồm thêm hai khối là khối thời gian thực để biết được trạng thái thời gian, khối IC nhớ EEPROM để lưu dữ liệu

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

Chương này trình bày cơ sở để thiết kế trên cơ sở tìm hiểu tài liệu kĩ thuật của từng linh kiện, cũng như các ứng dụng của linh kiện đó Trên cơ sở mỗi quan hệ giữa các khối, các chức năng, ta có được thiết kế hoàn chỉnh của hệ thống

3.1 Khối Ethernet – Web Server

3.1.1 Giới thiệu Pic18F67J60 & Cổng RJ45

Đây là hai thiết bị cơ bản để thực hiện chức năng tạo Web Server giao tiếp người dùng thông qua mạng Internet Pic18F67J60 vơi bộ tích hợp khối điều khiển Ehternet, cho phép ta lập trình phần mềm trên nó để điều khiển việc giao tiếp RJ45 với việc tích hợp biến áp bên trong nó, để kết nối vơi Internet thông qua dây mạng Sau đây là một số đặc điểm vắn tắt của hai thiết bị này:

A Pic18F67J60

 Khối điều khiển Ethernet tương thích với IEEE 802.3

 Tương thích với mạng 10/100/1000 Base – T

 Tích hợp MAC và 10Base-T PHY

 Có bộ đệm SRAM 8KB để truyền/nhận

 Hỗ trợ cổng 10Base-T

 Khả năng tự truyền lại khi có xung đột

 Bộ đệm (buffer)

o Có khả năng cấu hình kích thước bộ đệm truyền/nhận

o Kiểm soát phần cứng bộ đệm nhận FIFO

o Truy cập tuần tự và ngẫu nhiên

o Có bộ DMA bên trong cho việc sao chép dữ liệu một cách nhanh chóng