Đồ Án Vi Xử Lí Mạch Khoá Số

Đồ Án Vi Xử Lí Mạch Khoá Số. Hình ảnh mạch thực, Nguyên lý hoạt động, Cấu tạo phần cứng và Khảo sát từng module trong mạch khoá số. Mạch khoá số sử dụng vi xử lí AT89C51 hiển thị qua màn lcd 16x4, điều khiển bằng nút bấm kèm theo cơ cấu mở cửa tự động, cảnh báo chống trộm

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH

LỜI CẢM ƠN

Trên thực tế không có sự thành công nào mà khônggắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dùtrực tiếp hay gián tiếp của người khác Trong suốt thờigian từ khi bắt đầu học tập ở giảng đường trường Đại họcĐiện Lực đến nay, em đã nhận được rất nhiều sự quantâm, giúp đỡ của quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè

Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quýthầy cô trong trường đã cùng với tri thức và tâm huyếtcủa mình đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đạicương cũng như các môn chuyên ngành, giúp em có được

cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ emtrong suốt quá trình học tập

Nhóm thực hiện đồ án cũng xin gửi lời biết ơn sâusắc tới nhưng người thân, cùng toàn thể quý thầy, quý côtrong khoa Công Nghệ Tự Động và đặc biệt là giáo viênhướng dẫn Bùi Thị Duyên đã dìu dắt chúng em trong suốtquá trình làm đồ án

xin cảm ơn các bạn sinh viên trong khoa đã giúp đỡnhiệt tình rất nhiều mặt như: phương tiện, tài liệu, sách

vở, những ý kiến đóng góp xác đáng…để chúng tớ có thểhoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Hà Nội, Ngày 4 tháng 1 năm 2016

Nhóm sinh viên thực hiện.

CHƯƠNG 1 CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ NHIỆM VỤ THƯ 1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay, dưới sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ nóichung cũng như công nghệ kỹ thuật điện tử nói riêng đã góp phần khôngnhỏ trong sự thay đổi và phát triển của cuộc sống con người Các thiết bị

tự động hóa được sử dụng rộng rãi và có nhiều chức năng mạnh mẽ giúp

ích con người trong nhiều lĩnh vực như sản xuất công nghiệp, cũng nhưtrong đời sống sinh hoạt hằng ngày.

Kinh tế ngày càng phát triển đời sống được nâng cao nhu cầu củacon người về cuộc sống thoải mái, an toàn, tiện nghi là điều tất yếu Do

đó ý tưởng về ngôi nhà thông minh, thân thiện mà ở đó các thiết bị có thểlàm việc tự động, con người có thể quản lý, giám sát và điều khiển tất cảcác thiết bị điện từ xa vào bất kỳ thời gian, địa điểm nào chỉ cần thôngqua các thiết bị nhỏ gọn, thông minh như điện thoại, máy tính, máy tínhbảng Ý tưởng trên thực sự khả thi đem lại nhiều lợi ích cho con người, nó

đã được rất nhiều nhà khoa học, các công ty, tổ chức quan tâm nghiên cứu

và phát triển Chúng ta thấy nhà thông minh đã ra đời và được ứng dụngrộng rãi không chỉ ở các nước phát triển mà cả ở Việt Nam Hệ thống antoàn an ninh cho ngôi nhà thông minh là phần hết sức quan trọng và cầnthiết giúp gia chủ của ngôi nhà được yên tâm hơn, không phải lo lắngnhiều về vấn đề trộm cắp hoặc các vấn đề phát sinh không mong muốnnhư hỏa hoạn, rò rỉ khí ga, vấn đề thời tiết bất thường…

Từ những kiến thức được học với mong muốn tìm hiểu về ngôi nhàthông minh đáp ứng nhu cầu của sinh hoạt hàng ngày Với thời gian hạnchế chúng em muốn dành thời gian tập chung nghiên cứu sâu vào phần hệthống an toàn an ninh cho ngôi nhà thông minh nên nhóm em đã quyết

định lựa chọn đề tài : “Nghiên cứu thiết kế hệ thống an ninh, an toàn

cho ngôi nhà thông minh.” làm đồ án tốt nghiệp của mình.

1.2 Nhiệm vụ thư

1.2.1 Nội dung nghiên cứu bao gồm:

- Nghiên cứu tổng quan về hệ thống an toàn an ninh của ngôi nhà thông minh

- Nghiên cứu cấu trúc vi điều khiển và các loại cảm biến

- Vẽ sơ đồ khối cho hệ thống

- Thiết kế mạch cho hệ thống Thiết kế mô hình ngôi nhà thông minh

- Lập trình phần mềm Kiểm tra và kết luận cho hệ thống

1.2.2 Các trang thiết bị sử dụng:

- Các đầu vào cảm biến:

Cảm biến nhiệt độ & độ ẩm DHT22

Cảm biến chuyển động PIR

Cảm biến khí MQ135

Cảm biến báo mưa.

- Vi điều khiển sử dụng: vi điều khiển Arduina Mega 2560

- Các module sử dụng:

Mô hình ngôi nhà

Module sim 900A

Module nguồn LM2596, ASM1117

Module cảm biến chuyển động PIR HC- SR501

Vòi phun nước tự động sprinkler chữa cháy

Động cơ đóng mở giếng trời

Động cơ đóng mở cửa

Camera giám sát

1.2.3 Hoạt động của hệ thống an toàn an ninh cho nhà thông minh:

- Hệ thống báo và chữa cháy: Khi nhiệt độ ở mức 680C thì hệ thống báo cócháy thông qua: chuông, nhắn tin đến số điện thoại chủ nhà….và hệ thốngdập lửa từ vòi phun tự động sprinkler sẽ hoạt động

- Hệ thống báo có rò rỉ khí ga: Khi môi trường trong nhà có chất gây cháy,thì cảm biến sẽ nhận biết và báo thông qua chuông và nhắn tin đến số chủnhà để khắc phục

- Hệ thống cảnh báo có đột nhập: Khi có hiện tượng xâm nhập trái phépthì hệ thống sẽ cảnh báo cho chủ nhà thông qua tin nhắn và hú còi báođộng, nếu là ban đêm thì đèn sẽ tự động bật sáng

- Hệ thống đóng mở cửa tự động dành cho chủ nhà: Khi chủ nhà quẹt thẻthì cửa sẽ tự động mở, nếu cửa mở mà không nhận được các thông tin trên

từ chủ nhà thì hệ thống sẽ không cho cửa mở Đồng thời còi báo động sẽkêu

- Hệ thống giám sát ngôi nhà bằng camera: Các hệ thống camera tại từng

vị trí trong nhà sẽ được nối với trung tâm và được hiện thị trên một sốmàn hình ở trong nhà tại những vị trí mà gia chủ dễ dàng quan sát Dođiều kiện chi phí chúng em chỉ dùng 1 camera trong đồ án này

- Hệ thống báo và xử lý khi có mưa: Khi có mưa độtngột cảm biến mưa sẽ nhận biết có mưa gửi tín hiệu vềtrung tâm Vi xử lý trung tâm sẽ điều khiển các thiết bịnhư động cơ đóng mở giếng trời.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Thực trạng các hệ thống an toàn an ninh của ngôi nhà thông

minh.

Ở nhiều nước phát triển, hạ tầng hiện đại, nhà thông minh đã đượcthịnh hành từ lâu và người ta không coi nó là thứ xa xỉ, mà là những cáicần thiết, rất đời thường khiến cuộc sống tiện nghi hơn Ở Việt Nam, Nhàthông minh bắt đầu xuất hiện trong vài năm trở lại đây, khi mà các căn hộhiện đại mọc lên, các tòa biệt thự hay các công trình lớn… Cùng với nó là

sự hiện diện của nhiều công ty cung cấp giải pháp nhà thông minh tại thịtrường Việt Nam

Ở góc độ của những người kinh doanh thị trường nhà thông minhthì người ta cho rằng đấy là những ngôi nhà hiện đại hoặc những ngôi nhàthoả mãn được các yêu cầu của cư dân hiện đại Những người thiết kếcông nghệ thì cho rằng đấy là những ngôi nhà được tự động hoá ở mứccao, kiểm soát và điều khiển được các thiết bị điện, điện tử trong ngôi nhàmột cách đồng bộ Ví dụ: kiểm soát được khí hậu, chiếu sáng, giải trí…Thực hiện được các ý muốn của chủ nhà như: Tự động bật đèn khi ánhsáng trở nên nhá nhem tối, tự động mở nước chảy vào bồn tắm hoặc báohiệu sự bắt đầu của buổi sáng bằng âm thanh đặc trưng, đảm bảo an ninh,

an toàn cho ngôi nhà nhờ cảnh báo xử lý cháy, trộm… mà không cần sựtrông giữ của chủ nhà… Các thiết bị trong ngôi nhà thông minh có quan

hệ chặt chẽ với nhau, tương tác, hỗ trợ nhau, phù hợp trên cả phương diệnchức năng, kỹ thuật, thẩm mĩ, kinh tế

2.2 Hệ thống tòa nhà thông minh Building Management System (BMS) và nhà thông minh Smart Home.

2.2.1 Hệ thống BMS

BMS (Building Management System) là một hệ thống đồng bộ chophép điều khiển và quản lý mọi hệ thống kỹ thuật trong toà nhà như hệthống điện, hệ thống cung cấp nước sinh hoạt, điều hoà thông gió, cảnhbáo môi trường, an ninh, báo cháy - chữa cháy v.v…, đảm bảo cho việcvận hành các thiết bị trong nhà được chính xác, kịp thời

Hiện nay, hầu hết các tòa nhà cao tầng trên thế giới như: tổ hợp vănphòng, trung cư cao cấp, nhà băng, nhà chính phủ, tòa nhà sân bay…đềuđược trang bị hệ thống điều khiển và quản lí tòa nhà BMS (BuildingManagement System) Việc này góp phần quan trọng trong việc vận hành

một cách hiệu quả và kinh tế các tòa nhà, bên cạnh đó tăng cường một cáchữu hiệu an toàn và an ninh.

Các chức năng, phạm vi hoạt động của hệ thống BMS là rất rộnglớn vì nó quản lí, điều khiển mọi hoạt động của các hệ thống kỹ thuật hạtần tòa nhà Do đó, tùy theo yêu cầu, chức năng hoạt động của từng tòanhà mà các hệ thống BMS cần phải trang bị sao cho phù hợp

Trên thị trường có rất nhiều hãng cung cấp BMS như: Honeywell,Siemens, Delta Control, Azbil (Yamatake), TAC (Schneider), KMCControl, Control Application,

- Hệ thống BMS cung cấp các tính năng sau:

Điều khiển và gián sát cho các hệ thống cơ – điện trong tòa nhànhằm đảm bảo tính vận hành của các hệ thống một các tối ưu và hiệu quả

Phối hợp hoạt động của các hệ thống cơ – điện trong tòa nhà để đápứng tốt nhất các yêu cầu về mức đọ sử dụng, đảm bảo an ninh, an toàn vàtiện nghi, thoải mái cho con người trong tòa nhà

Tạo ra một công cụ giao tiếp người/máy cho các nhân viên vận hànhtòa nhà để họ có thể vận hành các hệ thống cơ – điện trong tòa nhà mộtcách an toàn chính xác và hiệu quả

Thống kê các số liệu về tình trạng hoạt động, thông số kỹ thuật củacác hệ thống cơ – điện trong tòa nhà

Tự động phát hiện sớm các sự cố, đưa ra cảnh báo để kịp khắc phụcsửa chữa để tránh ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động của tòa nhà

Tạo ra một môi trường làm việc thân thiện, thỏa mái cho ngườitham gia hoạt động

-Đối tượng quản lý và điều khiển của hệ thống BMS:

Hệ thống phân phối điện năng

Hệ thống máy phát và ắc quy điện dự phòng

Hệ thống chiếu sáng tòa nhà

Hệ thống điều hòa nhiệt độ

Hệ thống thông gió

Hệ thống cấp, thoát nước và xử lý nước, rác thải

Hệ thống phòng cháy và chữa cháy

Hệ thống thang máy và thang thoát hiểm

Hệ thống an ninh bao gồm quản lý vào ra, kết hợp chấm công, hệthống camera an ninh, hàng rào hồng ngoại và xung điện hệ thống nhậndạng sinh học và phỏng sinh học…

Hệ thông âm thanh công cộng

Hệ thống thông báo hình ảnh công cộng

Hệ thống thông tin liên lạc

Hệ thống quản lý bãi trông giữ xe

…

Hình 1: Các đối tượng quản lý của BMS

- Đối tượng quản lý của hệ thống an toàn, an ninh của tòa nhà:

Trạm phân phối điện

Hệ thống chiếu sáng

Hệ thống báo cháy, chữa cháy

Hệ thống thẻ kiểm soát ra vào

Hệ thống camera giám sát

Hệ thống chống trộm, cảnh báo có người đột nhập

2.2.2 Nhà thông minh Smart Home

Cuộc sống hiện đại ngày nay là sự lên ngôi của những sản phẩmthông minh Ta đã biết và có thể đã sử dụng đến Smart phone (điện thoạithông minh) hay Smart tivi (tivi thông minh) Đặc biệt, khi nhà ở là nhucầu không thể thiếu của xã hội thì sự ra đời của Smart home (Nhà thôngminh), thật sự đã trở thành một cuộc cách mạng của nhà ở hiện đại.Không chỉ là những ứng dụng thông minh tiên tiến nhất, nhà thông minhcòn là nơi hội tụ của những sản phẩm góp phần công nghệ hóa cuộc sốngcủa con người và tạo nên kiến trúc đặc biệt cho nhà ở hiện đại.

Smart home là một loại hình nhà ở hiện đại, được ứng dụng nhữngyếu tố công nghệ cao và những sản phẩm thông minh nhằm tạo cho ngôinhà một hệ thống đặc biệt Tất cả các thiết bị và nội thất trong ngôi nhàhầu như được ứng dụng công nghệ tự động hóa và được thiết lập tinh vitheo một hệ thống hoàn chỉnh để phù hợp cho sự điều khiển của ngườidùng

Hình 2: Nhà thông minh Smart Home

Những tiêu chí cần có trong ngôi nhà thông minh smart Home:

- Smart home thân thiện với môi trường: Đây không phải yếu tố tiên quyếttrong hệ thống smart home, tuy nhiên nó là yếu tố góp phần cho smarthome của bạn trở nên hoàn hảo Một cấu trúc smart home cần có một hệsinh thái phong phú để tạo sự cân bằng cả về mặt phong thủy cũng nhưmặt thẩm mĩ Khi mà đô thị chật chội, ngôi nhà được bao phủ toàn bộ bởikính, thép, bê tông, thì một môi trường trong lành là mơ ước của không ít

người bởi hệ sinh thái không chỉ điều hòa không khí mà còn mang lạinhiều lợi ích cho sức khỏe con người.

- Một kiến trúc thông minh: Thiết kế một bản mẫu đẹp, có khả năng thíchứng một cách linh hoạt với những thay đổi trong việc trang bị những thiết

bị kĩ thuật công nghệ cũng như thích nghi được xu hướng kiến trúc củanhiều thời đại

- Tiết kiệm năng lượng:

Hệ thống nhà thông minh – Smart home không thể thiếu một tiêu chí tốicần thiết đó là tiết kiệm năng lượng Thể hiện ở việc các thiết bị có thểkhai thác và sử dụng tốt các nguồn nhiên liệu có sẵn trong tự nhiên nhưsức gió, sức mặt trời, sức nước thay vì tiêu tốn quá nhiều nguyên liệu bởi

sự ứng dụng các thiết bị công nghệ hiện đại

- Hệ thống kĩ thuật: Đây là nhân tố quan trọng nhất quyếtđịnh một ngôi nhà có đúng là smart home hay không Phânloại hệ thống kĩ thuật trong smart home có thể điểm quamột số nhóm chính sau:

- Hệ thống báo cháy và chữa cháy: Hệ thống báo cháy cảm ứng khi có hiện

tượng cháy (nồng độ khói, nhiệt độ), và thông báo bằng âm thanh (loa,còi), đèn chiếu sáng

- Hệ thống an ninh: Bao gồm các hệ thống cửa tự động, camera quan sát,

đầu ghi hình, bộ nhớ lưu trữ, ghi nhận và lưu trữ thông tin trong hệ thốngnhà

- Hệ thống nhiệt: Điều hoà nhiệt độ, lò sưởi, bình nước nóng )

- Hệ thống giải trí: Truyền hình, đầu DVD, máy nghe nhạc…

- Hệ thống cấp nước: Phòng vệ sinh, tưới vườn

- Hệ thống điều khiển thiết bị thông minh: Với hệ thống thiết bị này chủnhân có thể làm chủ căn nhà tiện nghi hiện đại của mình mà không mấtquá nhiều thời gian và công sức

- Hệ thống âm thanh đa vùng: Hệ thống âm thanh đa vùng của Smart Homegiúp cho các khu vực khác nhau trong nhà cùng 1 lúc có thể phát cácnguồn nhạc khác nhau tùy theo sở thích của từng người

- Hệ thống kiểm soát môi trường: Nhà thông minh Smart Home được trang

bị hệ thống kiểm soát môi trường với các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, nồng

độ oxy đặt ở khắp các vị trí thích hợp trong ngôi nhà

- Hệ thống điều khiển rèm mành: Smart Home còn tự động hoạt động theothói quen của người dùng, như buổi sáng rèm tự động kéo lên, đi ngủ rèm

tự động đóng lại, hệ thống còn phân biệt được nhu cầu ánh sáng của mùađông, mùa hè khác nhau để tự động điều chỉnh đóng mở cho phù hợp

- Đối tượng quản lý của Smart Home trong hệ thống an toàn, an ninh:Kiểm soát vào ra

Cảnh báo cháy, rò rỉ khí gas

Thông báo tình trạng môi trường, không khí trong nhà

Camera an ninh, hàng rào điện tử, phát hiện kính vỡ…

Phát hiện và thông báo tới chủ nhà khi vấn đề mất an toàn an ninh.V.v

Hình 3: Ví dụ về hệ thống cảnh báo đột nhập và báo cháy

Trong phạm vi nội dung, cũng như thời gian để hoàn thành đồ án tốtnghiệp chúng em tập trung nghiên cứu và tìm hiểu hệ thống an toàn, anninh cho ngôi nhà thông minh

2.2.3 Một số hãng sản xuất Smart Home hiện này

Các tiện ích được trang bị cho ngôi nhà thông minh ngày càng đadạng và hiện đại Đây là thị trường tiềm năng phát triển nhanh trong thờigian gần và cả trong tương lai Vì vậy nó dành được sự quan tâm nghiên

cứu của các công ty và tập đoàn trên thế giới, trong đó có cả Việt nam tiêubiểu như hệ thống an toàn an ninh của: BKAV, BOSCH, LUMI …

a, Hệ thống nhà thông minh BKAV Smart Home:

BKAV Smart Home là thế hệ nhà thông minh mới của Việt Nam,kết nối tất cả các thiết bị trong ngôi nhà của bạn thành một hệ thống mạng

có thể điều khiển chúng theo một kịch bản thông minh, bao gồm: hệ thốngchiếu sáng, điều hòa không khí, cảm biến môi trường, camera giám sát,báo rò rỉ khí gas, cảnh báo khi có người đột nhập…

- Đối tượng quản lý của BKAV Smart Home trong hệ thống an toàn, anninh của ngôi nhà:

Hệ thống ánh sáng thông minh

Hệ thống điều khiển rèm mành

Hệ thống kiểm soát môi trường

Hệ thống camera giám sát

Hệ thống báo cháy, rò rỉ khí gas

Hệ thống báo động khi có người đột nhập

V.v

Hình 4: Đối tượng quản lý của BKAV Smart Home

- Tính năng của BKAV Smart Home:

Điều khiển chỉ bằng một vài nút bấm qua smart phone, máy tínhbảng

Hệ thống kiểm soát môi trường được trang bị các cảm biến nhiệt độ,

độ ẩm, nồng độ oxy … đặt ở khắp các vị trí thích hợp trong ngôi nhà

Kiểm soát ngôi nhà từ bất cứ đâu và điều khiển ngôi nhà từ thiết bị

di động, máy tính bảng thông qua kết nối Internet (Wifi, 3G)

An toàn với hệ thống an toàn, an ninh thông minh Hệ thống an ninhtrong ngôi nhà nắm giữ vai trò quan trọng, bảo vệ ngôi nhà 24/7, kiểmsoát các nguy cơ cháy nổ (rò rỉ khí gas, chập điện), bị xâm nhập tráiphép… Hệ thống này gồm các thiết bị kiểm soát vào ra ACS, cảm biếnphát hiện người, cảm biến phát hiện kính vỡ, cảm biến khói, hệ thống IPcamera ghi hình, hàng rào điện tử…

Ra lệnh bằng giọng nói để điều khiển thiết bị

b, Hệ thống nhà thông minh của Bosch

Bosch là một tập đoàn cung cấp các dịch vụ và sản phẩm côngnghệ hàng đầu thế giới trong đó có các sản phẩm tạo sự tiện ích cũng như

an toàn an ninh với ngôi nhà của bạn

-Đối tượng quản lý của BOSCH trong hệ thống an toàn, an ninh của ngôinhà:

Hệ thống quan sát hình ảnh

Hệ thống báo động chống đột nhập

Hệ thống báo cháy EN54 UL ,ULC,FM…

Hệ thống kiểm soát ra vào

Hình 5: Đối tượng quản lý của Bosh

- Tính năng của Bosh

Bảng điều khiển được điều chỉnh từ bàn phím hoặc thông quamạng

Các hệ thống hình ảnh được đưa ra theo nguyên tắc nhất định qua

đó các sản phẩm dễ hiểu hơn, dễ dàng lắp đặt hơn, chính xác hơn và kếtnối tốt hơn

Hệ thống chống trộm đột nhập được tích hợp với các giải phápngăn chặn để đáp ứng những chỉ tiêu an ninh cao nhất Dòng thiết bịkhông dây tích hợp bảng điều khiển cung cấp giải pháp an toàn có khảnăng mở rộng cho bất kỳ ứng dụng nào

Hệ thống chống cháy có bảng điều khiển có thể lập trình được cholập trình và vận hành Các phần mở rộng tùy chọn như các phần chuyểntiếp mở module thu và chuyển mạch chính cho ghép

c, Hệ thống nhà thông minh của LUMI

Lumi Việt Nam là nhà sản xuất thiết bị điện thông minh và cungcấp giải pháp nhà thông minh trong nước được khách hàng lựa chọn nhiềunhất trong phân khúc hệ thống nhà thông minh trung và cao cấp bởi tínhtiện ích, đơn giản và dễ dàng trong sử dụng

- Đối tượng quản lý của LUMI trong hệ thống an toàn, an ninh của tòa nhà:

Hệ thống an ninh giám sát

Chống đột nhập

Kiểm soát môi trường hiển thị nhiệt độ, độ ẩm, báo mưa…

Báo cháy và tự động chữa cháy

Kiểm soát ra vào

Kiểm soát toàn bộ ngôi nhà qua các thiết bị smartphone, máy tính…

Hình 6: Các đối tượng quản lý của Lumi

- Cũng giống như các hệ thống của các thương hiệu trên LUMI cũng đảm bảo được đầy đủ tính năng như:

Cho phép bạn điều khiển, giám sát, đặt lịch hẹn giờ, vận hành nhiềuthiết bị trong ngôi nhà thông minh cùng lúc

Có thể điều chỉnh nhiệt độ của một hay nhiều điều hòa ở bất cứ khinào có điện thoại hay máy tính bảng trên tay

Hệ thống điện thông m inh an ninh giám sát cho ngôi nhà được đặtquan trọng ưu tiên hàng đầu bảo vệ an toàn cho gia đình bạn Hệ thống

Camera được lắp đặt tại các khu vực cần được giám sát và hoạt động liêntục suốt ngày đêm ghi lại toàn bộ các hoạt động diễn ra hàng ngày.

Các thiết bị đều có thể phòng và chống trộm đều do bạn cài đặt Ví

dụ bạn và gia đình đi vắng và đặt chế độ chống đột nhập cho cảm biến đặt

ở tầng thượng: Khi cửa mở, ngay lập tức, còi hú vang lên, đèn xoáy quaysáng, hệ thống chiếu sáng bật lên, toàn bộ rèm cửa mở ra… tất cả các thiết

bị đều tham gia “chống trộm” ngay khi có sự đột nhập trái phép

Kiểm soát tất cả thiết bị trong nhà bất cứ thời gian nào và ở bất kỳđâu trên thế giới chỉ với chiếc điện thoại hoặc máy tính bảng có kết nốiInternet

Cảm biến môi trường sẽ đo thông số môi trường và gửi về bộ điềukhiển trung tâm đồng thời hiện thị trên điện thoại di động

2.3 Các cảm biến được sử dụng trong hệ thống

2.3.1 Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm

Trong phạm vi đồ án này em sử dụng cảm biến DHT22.Cấu tạo cảmbiến gồm 2 phần : cảm biến độ ẩm dạng điện dung và một nhiệt điệntrở( thực tế là 1 cảm biến nhiệt độ dạng DS18B20) Ngoài ra còn có một

số thành phần cơ bản bên trong như vi điều khiển 8 bit để chuyển đổitương tự số và đọc dữ liệu tinh chỉnh, bù nhiệt độ được lưu trữ trongROM OTP và xuất giá trị của nhiệt độ, độ ẩm ra đầu ra của cảm biến Dữliệu đầu ra của cảm biến là tín hiệu số nên DHT22 có thể giao tiếp vớimọi vi điều khiển một cách dễ dàng

Cảm biến: DTH22Chân 1: VCCChân 2: DATAChân 3: NCChân 4: GND

Hình 7: Cảm biến DTH22

- Các đặc điểm chung:

Được bù nhiệt độ trên toàn bộ dải đo

Tín hiệu số đã được chỉnh định

Có khả năng truyền tín hiệu đi xa 20m

Giữ được độ ổn định, chính xác của cảm biến trong thời gian dài.Tiêu thụ dòng ít chỉ 2.5mA khi chuyển đổi giá trị

Không cần thêm thành phần gắn ngoài bổ sung

Sai số nhiệt độ ± 0.5ºC°.°°

- Giao tiếp với vi điều khiển và cảm biến:

Bus dữ liệu một dây được sử dụng để giao tiếp giữa vi điều khiển vàcảm biến DHT22, thời gian để thực hiện 1 lần giao tiếp là 5ms

Dữ liệu gồm phần nguyên và phần thập phân, DHT22 sẽ gửi bit cótrọng số cao trước

Dữ liệu là 8 bit số nguyên của dữ liệu độ ẩm + 8 bit số thập phâncủa dữ liệu độ ẩm + 8 bit số nguyên của dữ liệu nhiệt độ + 8 bit số thậpphân của dữ liệu nhiệt độ + 8 bit kiểm tra lỗi

Nếu dữ liệu truyền đúng thì mã kiểm tra lỗi sẽ là 8 bit cuối cùngcủa “8 bit số nguyên của dữ liệu độ ẩm + 8 bit số thập phân của dữ liệu độ

ẩm + 8 bit số nguyên của dữ liệu nhiệt độ + 8 bit số thập phân của dữ liệunhiệt độ”

Khi vi điều khiển gửi tín hiệu bắt đầu, DHT22 chuyển từ trạng tháinghỉ sang trạng thái chạy, khi vi điều khiển hoàn thành việc gửi tín hiệubắt đầu thì DHT22 sẽ gửi phản hồi tín hiệu có độ dài 40 bit tới vi điềukhiển Khi không có tín hiệu bắt đầu từ vi điều khiển, DHT22 sẽ khônggửi tín hiệu phản hồi tới vi điều khiển Một tín hiệu bắt đầu từ vi điềukhiển gửi tới DHT22 thì DHT22 sẽ gửi phản hồi dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm

về vi điều khiển một lần Khi DHT22 hoàn thành việc gửi dữ liệu thì nólại chuyển về trạng thái tiết kiệm năng lượng

2.3.2 Cảm biến rò rỉ khí gas

Trong đồ án này để báo khói, rò rỉ khí gas giúp cảnh báo cháy nổ thìchúng em đã sử dụng module cảm biến khí MQ135 MQ 135 là một cảmbiến khí, thường được dùng trong các thiết bị kiểm tra chất lượng khôngkhí bên trong cao ốc, văn phòng, công ty,…Phát hiện NH3, NOX, Alcohol,Benzen, khói, CO2,…Với những tính năng hữu ích và vượt trội cùng cấutạo đơn giản và chi phí thấp nên được ứng dụng rộng dãi trong côngnghiệp và dân dụng

Phản ứng nhanh, độ nhạy cao.

Mạch điều khiển đơn giản

- Thông số kỹ thuật:

Bảng 1: Thông số kỹ thuật MQ135

Ký hiệu Tên tham số Điều kiện kỹ thuật

RL Điện trở tải (thay đổi được) 2kΩ - 47kΩ

PH Công suất tiêu thụ của heater < 800mW-

AO nối A6 của Arduino Mega 2560.

DO nối Digital 32 của Arduino Mega 2560

2.3.3 Cảm biến nhận biết mưa

- Mạch cảm biến mưa gồm 2 bộ phận:

Bộ phận cảm biến mưa được gắn ngoài trời

Bộ phận điều chỉnh độ nhạy cần được che chắn

Mạch cảm biến mưa hoạt động bằng cách so sánh hiệu điện thế củamạch cảm biến nằm ngoài trời với giá trị định trước (giá trị này thay đổiđược thông qua 1 biến trở màu xanh) từ đó phát ra tín hiệu đóng / ngắt rơ

le qua chân D0

Khi cảm biến khô ráo (trời không mưa), chân D0 của module cảmbiến sẽ được giữ ở mức cao (5V-12V) Khi có nước trên bề mặt cảm biến(trời mưa), đèn led đỏ sẽ sáng lên, chân D0 được kéo xuống thấp (0V).Mạch hoạt động với nguồn 5v

Hình 11: Cảm biến nhận biết mưa

- Thông số kỹ thuật :

Điện áp: 5V

Led báo nguồn (Màu xanh)

Led cảnh báo mưa (Màu đỏ)

Hoạt động dựa trên nguyên lý: Nước rơi vào board sẽ tạo ra môi trường dẫn điện

Dạng tín hiệu: Analog( AO) và Digital (DO)

- Kích thước Board: Kích thước: 5.4*4.0 mm, Dày 1.6 mm

Hình 12: Sơ đồ kết nối của cảm biến mưa

2.3.4 Cảm biến chuyển động

Để thực hiện các chức năng như bật đèn tự động khi có người đi quahoặc chế độ chống trộm chúng em đã sử dụng cảm biến hồng ngoại thụđộng Cảm biến PIR (Passive InfrarRed sensor) tức là bộ cảm biến thụđộng dùng nguồn kích thích là tia hông ngoại Tia hồng ngoại (IR) chính

là các tia phát ra từ các vật thể có nhiệt độ Trong có cơ thể sống như conngười chúng ta luôn có thân nhiệt (thông thường là ở 37ºC), và từ cơ thểchúng ta sẽ luôn phát ra các tia nhiệt, hay còn gọi là các tia hồng ngoại,người ta sẽ dùng một tế bào điện để chuyển đổi tia nhiệt ra dạng tín hiệuđiện và nhờ đó mà có thể làm ra cảm biến phát hiện các vật thể nóng đangchuyển động Cảm biến này gọi là thụ động vì nó không dùng nguồn nhiệt

tự phát (làm nguồn kích từ hay chủ động) mà chỉ phụ thuộc vào các nguồnnhiệt phát ra từ bên ngoài

Hình 13: Cảm biến chuyển động PIR

- Cấu tạo:

Mọi vật thể đều được cấu tạo từ những phân tử nhỏ li ti, nhiệt làmột dạng năng lượng tạo ra từ các xao động của các phần tử, đó là cácchuyển động hỗn loạn, không có trật tự Từ các xao động này, nó phát racác tia nhiệt, bằng cảm giác thông thường của giác quan, chúng ra gọi nósức nóng Ở mỗi người thân nhiệt ổn định ở mức 37ºC, đó là nguồn nhiệt

mà ai cũng có và nếu dùng linh kiện cảm ứng thân nhiệt, chúng ta sẽ cóthiết bị phát hiện ra các vật thể phát ra tia nhiệt

Người ta tạo ra cảm biến PIR bằng cách gắn 2 cảm ứng pyroelentrictia nhiệt nằm ngang và được nối vào cực Gate của một transistor FET đểkhuếch đại tín hiệu điện, có 3 ngõ ra, chân 1 (Drain) nối nguồn Vcc, chân

2 (Source) tín hiệu output ngõ ra của cảm biến, chân 3 (Ground) nối mass.Ngoài ra phía trên 2 cảm ứng pyroelectric tia nhiệt người ta gắn thêm mộttấm kính để lọc lấy tia nhiệt (tia hồng ngoại)

- Thông số kỹ thuật:

Điện áp sử dụng: 4.5 – 20V DC

Đầu ra tín hiệu: 0 hoặc 3.3V

Thời gian trễ: tùy chỉnh từ 0 – 200 giây

L: không lặp lại kích hoạtH: lặp lại kích hoạt

và làm cảm biến đóng Điều này thật sự không tốt và gây phiền phức Nógây nên báo động giả cho một số trường hợp:

Tự động cảm ứng khi có người vào phạm vi của cảm ứng

Kiểm soát ánh sáng (tùy chọn): Bạn có thể xem bị trí lắp quang trở,khi có quang trở sẽ thiết đặt module hoạt động ban ngày hoặc ban đêm

Thiết lập 2 chế độ kích hoạt: L- không lặp đi lặp lại; H- có thể lặp

2.3.5 Hệ thống dập lửa khi có cháy

Hệ thống dập lửa bằng vòi phun tự động sprinkler:

Hệ thống chữa cháy bằng nước tự động sprinkler là một hệ thốngchữa cháy phổ biến hiện nay

Hệ thống này phù hợp với các toà nhà cao tầng, nhà xưởng, côngtrình

Không phù hợp cho lắp đặt các khu vực phòng máy chủ IT hoặcnhững sản phẩm có đặc tính hư hại nhiều khi gặp nước

- Ưu điểm: Lắp đặt nhanh, dễ dàng và không tốn nhiều chi phí như các hệthống chữa cháy chuyên dụng khác

- Nhược điểm: Không phù hợp với các phòng máy chủ, trung tâm điềukhiển, những kho hàng chứa sản phẩm kỵ nước hoặc các chất cháy mànước không chữa cháy được như: Thiết bị điện, điện tử, xăng, dầu…

- Cấu tạo chung:

Khi lửa mới bắt đầu xuất hiện, nhiệt độ tỏa ra vẫn còn thấp và nhiệt

độ ở xung quanh đầu phun Sprinkler vẫn chưa đạt đến ngưỡng hoạt của bộcảm ứng nhiệt Tuy nhiên khi đám cháy bùng phát lớn hơn, nhiệt độ lantỏa và đạt đến ngưỡng hoạt động của bộ cảm ứng nhiệt thì nó sẽ vỡ ra vàgiải phóng nút chặn Nước từ trong đường ống phun ra ngoài Dòng nướcchữa cháy phun ra hướng đến tấm dẫn hướng, tấm dẫn hướng sẽ chia đềudòng nước phun và tỏa rộng ra trên bề mặt diện tích để chữa cháy

Báo rò rỉ khí ga

Quản lý vào ra

Báo mưa và đóng mở giếng trời

NHÀ THÔNG MINH

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CỦA HỆ THỐNG

3.1 Sơ đồ khối chức năng của hệ thống

Hệ thống an toàn, an ninh của đồ án được áp dụng cho nhà thông

minh thông thường gồm có các chức năng cơ bản dưới dây:

Hình 15: Sơ đồ khối chức năng của hệ thống

Như đã trình bày ở trên, nhà thông minh có rất nhiều chức năng có

thể tích họp, trong đồ án này hệ thống an toàn an ninh của chúng em có

các chức năng chính như: nhận biết và báo rò rỉ khí gas, quản lý hệ thống

cửa vào ra, nhận biết mưa và tự động đóng mở giếng trời, đo và hiển thị

nhiệt độ, độ ẩm, cũng như chữa cháy tự động …

Màn hình hiển thị

Vi điều khiển Atmega 2560

Khối chấp hành -Chuông báo -Động cơ đóng mở giếng trời

3.2 Sơ đồ khối của hệ thống:

Hình 16: Sơ đồ khối của hệ thống

Hệ thống được chia thành 3 phần chính:

Khối cảm biến đầu vào : gồm nguồn, cảm biến nhiệt độ và độ ẩmDHT22, cảm biến chuyển động PIR, camera, cảm biến khí MQ135,cảmbiến báo mưa

Khối điều khiển : dùng Board Arduino Mega2560 sử dụng vi điều

khiển Atmel AVR Atmega2560

Khối cơ cấu chấp hành: gồm chuông báo, đèn báo, vòi phun tự độngSprinkler, động cơ servo để đóng/mở, đóng mở giếng trời, màn hình hiểnthị LCD…

Màn hình LCD

3.3 Giới thiệu chung về Arduino

Arduino thực sự đã gây sóng gió trên thị trường người dùng DIY(những người tự chế ra sản phẩm của mình) trên toàn thế giới trong vàinăm gần đây, gần giống với những gì Apple đã làm được trên thị trườngthiết bị di động, số lượng người dùng cực lớn và đa dạng với trình độ trảirộng từ bậc phổ thông lên đến đại học đã làm cho ngay cả những ngườitạo ra chúng phải ngạc nhiên về mức độ phổ biến

Vậy Arduino là gì mà có thể khiến ngay cả những sinh viên và nhànghiên cứu tại các trường đại học danh tiếng như MIT, Stanford, CamegieMellon cũng phải sử dụng? hoặc ngay cả Google cũng muốn hỗ trợ khicho ra đời bộ KIT Arduino Mega ADK dùng để phát triển các ứng dụngAndroid tương tác với cảm biến và các thiết bị khác

Arduino là một bo mạch vi xử lý được dùng lể lập trình tương tácvới các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bịkhác Đặc điểm nổi bật của Arduino và đã giúp Arduino trở nên thànhcông hơn tất cả các board mạch khác, trở thành một hiện tượng trong giớicông nghệ là :

Tất cả nền tảng phần cứng, phần mềm đều là mã nguồn mở, mọingười có thể download schematic, gerber file, mã nguồn của firmware,IDE, thư viện…để tham khảo hoặc chỉnh sửa phù hợp với mục đích sửdụng

Môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với một ngônngữ lập trình sử dụng ngôn ngữ Processing và IDE dựa trên nền tảngWiring có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với những người ít amhiểu về điện tử và lập trình, ngoài ra môi trường IDE này tích hợp rấtnhiều thư viện để người dùng có thể khai thác sức mạnh của board màkhông cần viết lại các thư viện quá nhiều

Giá thành thấp

Dải sản phẩm rộng đáp ứng mọi nhu cầu sử dụng của mọi đốitượng

Tiện lợi trong việc mở rộng với các shield thiết kế theo chuẩn

Không cần thêm bất cứ thành phần nào để có thể bắt đầu phát triểnứng dụng, không mạch nạp, không mạch giao tiếp với máy tính vì

Arduino đã xây dựng 1 bootloader và mạch giao tiếp máy tính thông quaUSB cho phép nạp chương trình và giao tiếp qua USB

Hình 17: Giao diện IDE của Arduino

Hình 18: Các dải sản phẩm Arduino và board mở rộng

Hình 19: Minh họa về ghép nối shield với Arduino (1)

Hình 20: Minh họa về ghép nối shield vời Arduino (2)

3.3.1 Board Arduino Mega 2560

Arduino Mega 2560 là 1 bo mạch thiết kế với bộ xử lý trung tâm là

vi điều khiển AVR Atmega2560 Dòng vi điều khiển này cho phép lậptrình các ứng dụng điều khiển phức tạp do được trang bị cấu hình mạnhvới các loại bộ nhớ ROM, RAM và FLASH, các ngõ vào ra digital I/Otrong đó cón nhiều ngõ có khả năng xuất tín hiệu PWM, các ngõ đọc tínhiệu analog và các chuẩn giao tiếp đa dạng như UART, SPI, TWI (I2C)

Hình 21: Board Arduino Mega 2560 Bảng 2: Thông số kĩ thuật của Arduino Mega 2560

Số ngõ I/O số 54 (trong đó có 15 ngõ ra có khả năng phát xung PWM)

Dòng điện cấp cho mỗi ngõ vào/ra 40 mA

Dòng điện cấp cho mỗi ngõ vào/ra

Hình 22: Bố trí pin chân Atmega 2560

Bảng 3: Ký hiệu chân và chức năng

6 PE4 ( OC3B/INT4 ) Digital pin 2 (PWM)

21 PB2 ( MOSI/PCINT2 ) Digital pin 51 (MOSI)

22 PB3 ( MISO/PCINT3 ) Digital pin 50 (MISO)

23 PB4 ( OC2A/PCINT4 ) Digital pin 10 (PWM)

24 PB5 ( OC1A/PCINT5 ) Digital pin 11 (PWM)

25 PB6 ( OC1B/PCINT6 ) Digital pin 12 (PWM)

26 PB7 ( OC0A/OC1C/PCINT7 ) Digital pin 13 (PWM)

63 PJ0 ( RXD3/PCINT9 ) Digital pin 15 (RX3)

64 PJ1 ( TXD3/PCINT10 ) Digital pin 14 (TX3)

88 PK1 ( ADC9/PCINT17 ) Analog pin 9

số lượng ngõ vào và ngõ ra

Tổng số lượng cổng digital trên Atmega2560 là 54

- Analog

Bo mạch Arduino được trang bị các ngõ vào analog với độ phângiải 10-bit ( 1024 phân mức, ví dụ với điện áp chuẩn là 5V thì độ phângiải khoảng 0.5mV)

Số lượng cổng vào analog là 16

Với tính năng đọc analog, người dùng có thể đọc nhiều loại cảmbiến như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, ánh sáng, gyro, accelerometer…

- Digital Output

PWM output Tương tự như các cổng vào digital, người dùng có thể

cấu hình trên phần mềm để quyết định dùng ngõ digatal nào là ngõ ra

Tổng số lượng cổng digital là 54

Trong số các cổng digital, người dùng có thể chọn 1 số cổng dùng

để xuất tín hiệu điều chế xung PWM Độ phân giải của các tín hiệu PWMnày là 8-bit

Số lượng cổng PWM là 14

PWM có nhiều ứng dụng trong viễn thông, xử lý âm thanh hoặcđiều khiển động cơ mà phổ biến nhất là động cơ servor trong các máy bay

mô hình

- Serial

Đây là chuẩn giao tiếp nối tiếp được dùng rất phổ biến trên các bomạch Arduino Mỗi bo mạch được trang bị một số cổng Serial cứng (việcgiao tiếp do phần cứng trong chip thực hiện) Bên cạnh đó, tất cả các cổngdigital còn lại đều có thể thực hiện giao tiếp nối tiếp bằng phần mềm (cóthư viện chuẩn người dùng không cần phải viết code) Mức tín hiệu củacác cổng này là TTL 5V Lưu ý cổng nối tiếp RS-232 trên các thiết bịhoặc PC có mức tín hiệu là UART 12V Để giao tiếp được giữa 2 mức tínhiệu cần phải có bộ chuyển mức, ví dụ như chip MAX232

Số lượng cổng serial cứng của Atmega2560 là 4

Với tính năng giao tiếp nối tiếp, các bo Arduino có thể giao tiếpđược với rất nhiều thiết bị như PC, touchscreen, các game console,…

- USB

Các bo mạch Arduino tiêu chuẩn đều có trạng bị một cổng USB đểthực hiện kết nối với máy tính dùng cho việc tải chương trình Tuy nhiêncác chip AVR không có cổng USB, do đó các bo mạch Arduino phải trang

bị thêm phần chuyển đổi từ USB thành tín hiệu UART Do đó máy tínhnhận diện cổng USB này là cổng COM chứ khổng phải cổng USB tiêuchuẩn

- SPI

Đây là một chuẩn giao tiếp nối tiếp đồng bộ có bus gồm 4 dây Vớitính năng này các bo Arduino có thể kết nối với các thiết bị như LCD, bộđiều khiển video game, bộ điều khiển cảm biến các loại, đọc thể nhớ SD

và MMC

- TWI (I2C)

Đây là chuẩn giao tiếp đồng bộ khác nhưng bus chỉ có 2 dây Vớitính năng này, các bo Arduino có thể giao tiếp với một số loại cảm biếnnhư thermostat của CPU, tốc độ quạt, một số màn hình OLED/LCD, đọcreal- time clock, chỉnh âm lượng cho một số loại loa

- Nguồn

Arduino2560 có thể được cấp nguồn thông qua kết nối USB hoặcvơi một nguồn cung cấp bên ngoài Các nguồn năng lượng được chọn tựđộng Ngoài ra có thể cấp điện từ một bộ chuyển đổi AC – to – DC hoặc

PIN Các bộ chuyển đổi có thể được nối bằng cách cắm một plug trungtâm vào jack cắm điện của bo mạch.

Bo mạch có thể hoạt động với một điện áp vào từ 6 – 20 V Nếu ta

sử dụng ít hơn 7V thì pin 5V có thể cung cấp ít hơn 5V dẫn đến bo mạchhoạt động không được ổn định Nếu sử dụng nhiều hơn 12V, bộ điềuchỉnh điện áp có thể bị nóng và làm ảnh hưởng đến các bảng mạch Vì vậyphạm vi điện áp vào đề nghị là từ 7 – 12V

Phần nguồn bao gồm các chân :

Chân VIN:

Cấp điện áp đầu vào cho các board Arduino khi nó sử dụng mộtnguồn điện bên ngoài Bạn có thể cung cấp điện áp thông qua pin này,hoặc có thể thông qua jack cắm điện

Cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino Khi bạn dùng các thiết bị

sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nốivới nhau

Chân IOREF:

Cổng này quy định các điện áp tham chiếu được phép cung cấp cho

vi điều khiển hoạt động Nó có chức năng lựa chọn nguồn năng lượngthích hợp để bo mạch làm việc với 5V hoặc 3.3V

3.3.3 Thiết kế nguồn của hệ thống

a, Nguồn adapter

Nguồn adapter được sử dụng để cấp nguồn cho hệ thống bao gồm 2 adapter 12V/1A, 1 adapter Asus 90W 19V/4,74A

b, Module nguồn LM2596

- Giới thiệu chung

Dòng LM2596 của nhà sản xuất Texas Instruments là một vi mạchtích hợp, có khả năng chuyển đổi dòng 3A với một sự ổn định tuyệt vời.Những vi mạch này có sẵn điện ấp đầu ra cố định là 3.3V, 5V, 12V

Để đáp ứng những yêu cầu của tối thiểu của khác hàng, hãng sảnxuất đã cố gắng để đơn giản hóa tối đa cách sử dụng bằng cách cố địnhcác bộ dao động nội và tần số dao động.

Dòng LM2596 hoạt động ở tần số 150kHz, do đó nó cho phép cácthành phần bộ lọc có kích thước nhỏ hơn so với những gì cần phải có đốivới một mạch điều chỉnh tần số thấp hơn

Hình 23: Module nguồn LM2596 2V

- Thông số cơ bản

3.3V, 5V, 12V và một số phiên bản đầu ra có thể điều chỉnh được.Phạm vi dải điện áp đầu ra có thể điều chỉnh 1.2V – 37V ± 4% tối

đa trên dòng và điều kiện tải

Đảm bảo dòng đầu ra tải 3A

Phạm vi điện áp đầu vào có thể lên đến 40V tùy phiển bản, ở phiênbản sử dụng đầu vào điện áp là 7-32VDC, 7-24VAC

Yêu cầu chỉ cần 4 thành phần bên ngoài

Tần số dao động nội bộ cố định là 150kHz

Hiệu suất cao

Sử dụng dễ dàng, có sẵn cảm ứng tiêu chuẩn

- Sơ đồ chân và sơ đồ kết nối

Phiên bản điện áp đầu ra cố định