Thiết kế và thi công mô hình điều khiển các thiết bị sử dụng điện trong nhà là các đèn, quạt trên ứng dụng điện thoại Amazon Alexa và Website thông qua mạng internet và Wifi. Ngoài ra hệ thống này còn có khả năng giám sát nhà từ xa, hiển thị trạng thái các thiết bị điện, tự động đóng mở cửa bằng hệ thống nhận diện khuôn mặt hoặc nhập mật khẩu và có chuông cảnh báo khi nhận diện sai hoặc nhập mật khẩu không đúng. Có thể sử dụng giọng nói để điều khiển thiết bị điện trong nhà và có chế độ điều khiển bằng tay.
Trang 1BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
-
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ THÔNG QUA AMAZON ALEXA VÀ CẢNH BÁO CHỐNG TRỘM
GVHD: ThS Võ Đức Dũng
Tp Hồ Chí Minh - 3/2019
Trang 2BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Y SINH
Tp HCM, ngày 3 tháng 3 năm 2019
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: Phạm Duy Thanh MSSV: 15141282
Nguyễn Thị Hạ MSSV: 15141150
Chuyên ngành: Điện tử công nghiệp Mã ngành: 141
Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ THÔNG QUA AMAZON ALEXA VÀ CẢNH BÁO CHỐNG TRỘM
1 Các số liệu ban đầu:
Trước khi thực hiện đề tài, nhóm đã tham khảo và đọc các tài liệu sau để có các số liệu ban đầu:
- Nguyễn Văn Lem, “Thiết kế và xây dựng hệ thống mô hình nhà thông minh”,
Đồ án tốt nghiệp, trường ĐHSPKT Tp.HCM, 2015
- Espressif Systems IOT Team, “ESP8266 Datasheet”, Espressif Systems, 2015
- Nguyễn Đình Phú, “Giáo trình Vi xử lí”, Trường ĐHSPKT, Tp.HCM, 2013
- Nguyễn Đình Phú – Nguyễn Trường Duy, “Giáo trình: Kỹ thuật số”, Nhà xuất bản
ĐH Quốc Gia, Tp.HCM, 2013
- Trần Thu Hà, Trương Thị Bích Ngà, “Giáo trình điện tử cơ bản”, Nhà xuất bản ĐH Quốc Gia, Tp.HCM, 2013
2 Nội dung thực hiện:
- Nghiên cứu tài liệu về ESP8266 Node MCU và Arduino Nano V3, giao
tiếp không dây và mạng Internet
- Nghiên cứu các mô hình nhà thông minh
- Thiết kế và tính toán thiết kế mạch phần cứng cho thiết bị
Trang 3được tối ưu Đánh giá kết quả đạt được với thông số đề ra
- Viết báo cáo thực hiện
- Bảo vệ luận văn
Trang 4TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT
THIẾT BỊ NHÀ CÓ HỖ TRỢ GOOGLE ASSISTANT
GVHD
Tuần 1 (01/10 - 07/10) Gặp gỡ GVHD và trao đổi về đề tài tốt nghiệp
Tuần 2 (08/10 - 14/10) Tìm hiểu các đề tài nghiên cứu có liên quan
- Tìm hiểu về board Node MCU ESP8266
Tuần 5 (29/10 - 04/11)
- Lập trình cho Arduino và Node MCU đọc cảm biến, điều khiển các LED đơn và thu nhận tín hiệu từ các cảm biến
Trang 5Tuần 6 (05/11 - 11/11)
- Báo cáo tiến độ cho GVHD
- Tìm hiểu về lập trình Web, App Blynk
- Tìm hiểu phương thức gửi dữ liệu từ board mạch chính lên Web và App Blynk
Tuần 7 (12/11 - 18/11)
- Tìm hiểu về IFTTT và Adafruit
- Tìm hiểu về Google Assistant
- Kết nối giữa Google Assistant, IFTTT và Adafruit
Tuần 8, 9 (19/11 - 02/12)
- Báo cáo tiến độ cho GVHD
- Hoàn thành điều khiển thiết bị bằng hỗ trợ Google Assistant
Tuần 10, 11(03/12 - 09/12)
- Tổng hợp chương trình đọc tất cả cảm biến, giao tiếp module, truyền nhận dữ liệu
và gửi dữ liệu qua internet
- Hoàn thành thiết kế giao diện web
- Kiểm tra và chỉnh sửa hệ thống
- Viết báo cáo
Tuần 14 (31/12 - 06/01)
- Chạy thử hệ thống, kiểm tra và sửa lỗi
- Đánh giá kết quả đạt được
- Viết và hoàn thiện cuốn báo cáo
(Ký và ghi rõ họ và tên)
Trang 6LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là do nhóm sinh viên chúng em tự thực hiện, dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó
TP Hồ Chí Minh, ngày 21/05/2019
Người thực hiện đề tài Phạm Duy Thanh Nguyễn Thị Hạ
Trang 7BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
LỜI CẢM ƠN
Khóa luận tốt nghiệp là chương trình học cuối cùng của khóa đào tạo đại học Đây là cơ hội cho sinh viên ứng dụng các kiến thức đã được giảng dạy và làm quen với công việc sau này Trong quá trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp, chúng em đã nhận được
sự giúp đỡ và ủng hộ rất lớn của các thầy, cô, người thân và bạn bè Đó là động lực rất lớn giúp chúng em hoàn thành tốt Đồ án tốt nghiệp
Đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS Võ Đức Dũng Thầy
là người hướng dẫn nhiệt tình, luôn đưa ra những nhận xét đúng đắn để chúng em hoàn thành được đề tài tốt nghiệp kịp thời và hoàn thiện nhất có thể
Sau cùng, tuy có nhiều nỗ lực, nhưng do thời gian thực hiện đề tài không nhiều
và kiến thức, kinh nghiệm còn hạn chế nên đồ án tốt nghiệp còn nhiều thiếu sót Do đó, chúng em kính mong quý thầy cô, bạn bè thông cảm và rất mong nhận được ý kiến từ mọi người để hoàn thiện đề tài tốt hơn
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
TP Hồ Chí Minh, ngày 10/06/2019 Người thực hiện đề tài
Phạm Duy Thanh Nguyễn Thị Hạ
Trang 8
MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iii
LỜI CAM ĐOAN 1
LỜI CẢM ƠN 2
MỤC LỤC 3
DANH SÁCH HÌNH 8
TÓM TẮT 13
Chương 1 TỔNG QUAN 14
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 14
1.2 MỤC TIÊU VÀ GIỚI HẠN 16
1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 16
1.4 GIỚI HẠN 16
1.5 BỐ CỤC 17
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 18
2.1 SƠ LƯỢC VỀ INTERNET OF THINGS 18
2.1.1 Định nghĩa IoTs 18
2.1.2 Ứng dụng của IoTs 18
2.1.3 Đặc điểm công nghệ IoTs 18
2.2 TỔNG QUAN VỀ MẠNG WIFI 19
2.3 PHẦN CỨNG 19
2.3.1 Vi điều khiển 19
a Giới thiệu về Arduino 19
b Giới thiệu về Arduino Nano V3 20
2.3.2 Module Wifi ESP8266 Node MCU 21
Trang 9BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
2.3.3 Loa thông minh Amazon Echo Dot Gen 23
2.3.3.1 Mô tả 23
2.3.3.2 Hướng dẫn kết nối Echo Dot với điện thoại Android 24
2.3.4 Bàn phím ma trận 4x3 30
2.3.5 Giới thiệu về LCD 16x2 31
2.3.6 Nút nhấn 33
2.3.7 Logitech HD Webcam C270 34
2.3.8 Động cơ Servo 34
2.3.9 Module Relay 35
2.4 CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG 36
2.4.1 Chuẩn truyền thông UART 36
2.4.2 Chuẩn truyền thông I2C 37
2.4.3 Chuẩn truyền thông SPI 41
2.5 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG XỬ LÍ ẢNH 41
2.5.1 Phần thu nhận ảnh (Image Acquisition) 43
2.5.2 Tiền xử lý (Image Processing) 43
2.5.3 Phân đoạn (Segmentation) hay phân vùng ảnh 43
2.5.4 Biểu diễn ảnh (Image Representation) 43
2.5.5 Nhận dạng và nôi suy ảnh (Image Recognition and Interpretation) 44
2.5.6 Cơ sở tri thức 44
2.5.7 Các thành phần cơ bản của hệ thống xử lí ảnh 45
2.6 NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN TRONG XỬ LÍ ẢNH 45
2.6.1 Điểm ảnh (Picture Element) 45
2.6.2 Độ phân giải của ảnh 46
2.6.3 Mức xám của ảnh 46
Trang 10Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 47
3.1 TỔNG QUAN CÁC KỸ THUẬT NHẬN BIẾT MÀU DA DỰA TRÊN TÍNH CHẤT ĐIỂM ẢNH 47
3.1.1 Giới thiệu 47
3.1.2 Không gian màu sử dụng cho mô hình hóa màu da 47
3.1.2.1 Không gian màu RGB 47
3.1.2.2 Không gian RGB chuẩn hóa 48
3.1.2.3 Không gian màu HIS, HSV, HSL 49
3.1.2.4 Không gian màu HIS 49
3.1.2.5 Không gian màu HSV 50
3.1.2.6 Không gian màu HSL 50
3.1.2.7 Không gian màu TSL 51
3.1.2.8 Không gian màu 𝒀𝑪𝒓𝑪𝒃 52
3.1.2.9 Các hệ tọa độ không gian màu khác 52
3.1.3 Mô hình hóa màu da 52
3.1.3.1 Xác định ngưỡng cụ thể một điểm ảnh là màu da 52
3.1.3.2 Phương pháp mô hình hóa màu da sử dụng phân phối không tham số 53
3.1.3.3 Bảng tra cứu chuẩn cứu (LUT – Lookup Table) 53
3.1.3.4 Phân lớp Bayes (Bayes Classifier) 54
3.1.3.5 Tổng kết phương pháp không tham số 54
3.1.3.6 Mô hình hóa phân phối màu da có tham số 55
3.1.3.7 Mô hình dựa trên phân phối Gauss đơn 55
3.1.3.8 Mô hình kết hợp dựa trên phân phối Gauss 56
3.1.3.9 Đa phân phối Gaus 56
3.1.3.10 Tổng kết các phương pháp mô hình hóa theo tham số 56
Trang 11BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
3.1.4 So sánh kết quả các mô hình 57
3.1.5 Đánh giá phương pháp 58
3.1.6 Chọn lựa không gian màu và phương pháp mô hình hóa dùng để nhận biết màu da cho đồ án 58
3.2 PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN CHÍNH PCA 59
3.2.1 Tổng quan về phương pháp PCA 59
3.2.2 Trích chọn đặc trưng khuôn mặt người dựa trên phương pháp PCA 62
3.3 PHÂN TÍCH HOG 65
3.3.1 Giới thiệu 65
3.3.2 Chuẩn hóa hình ảnh trước khi xử lý 65
3.3.3 Tính toán gradient 66
3.3.4 Lấy votes trong mỗi cell 66
3.3.5 Chuẩn hóa các block 67
3.4 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 67
3.4.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 68
3.4.2 Tính toán và thiết kế mạch 69
3.4.3 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch 74
Chương 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 76
4.1 GIỚI THIỆU 76
4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 76
4.2.1 Thi công board mạch 76
a Mạch điều khiển trung tâm (chính) 76
b Mạch nút nhấn điều khiển thiết bị 78
c Mạch module relay 4 kênh 79
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra 81
Trang 12a Lắp ráp mạch điều khiển trung tâm (chính) 81
b Lắp ráp mạch Mạch module relay 4 kênh 82
4.3 THI CÔNG MÔ HÌNH 83
4.3.1 Đóng gói nơi chứa trung tâm điều khiển 83
4.3.2 Thi công mô hình 84
4.4 LẬP TRÌNH CHO HỆ THỐNG 86
4.4.1 Lưu đồ giải thuật 86
4.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển 106
4.4.3 Phần mềm lập trình giao diện điều khiển (nhận dạng khuôn mặt) 107
4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN 108
Chương 5 KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ 121
5.1 GIỚI THIỆU 121
5.2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 121
5.3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 122
5.2 NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ 127
Chương 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 128
6.1 KẾT LUẬN 128
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 128
PHỤ LỤC 129
Trang 13BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
DANH SÁCH HÌNH Hình 2.1 Board Arduino Nano V3 20
Hình 2.2 Sơ đồ chân Node MCU 22
Hình 2.3 Loa thông minh Amazon Echo Dot Gen 2 23
Hình 2.4 Kết nối nguồn cho loa 24
Hình 2.5 Dowload và tạo tài khoản ứng dụng Echo Dot 25
Hình 2.6 Kết nối Echo Dot với điện thoại 27
Hình 2.7 Kết nối Echo Dot với điện thoại thành công 28
Hình 2.8 Thiết lập Wifi 29
Hình 2.9 Giao diện hoàn thành các bước cài đặt 30
Hình 2.10 Bàn phím ma trận 4x3 31
Hình 2.11 Hình ảnh LCD 16x2 33
Hình 2.12 Quá trình đọc ghi của LCD 34
Hình 2.13 Hình ảnh thực tế của nút nhấn 34
Hình 2.14 Hình ảnh thực tế của Webcam 34
Hình 2.15 Động cơ Servo 35
Hình 2.16 Module Relay 4 kênh 35
Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý cơ bản 36
Hình 2.18 Giản đồ truyền dữ liệu UART 37
Hình 2.19 Bus I2C và các thiết bị ngoại vi 38
Hình 2.20 Trình tự truyền bit trên đường truyền 39
Hình 2.21 Điều kiện start stop 40
Hình 2.22 Truyền dữ liệu I2C 40
Hình 2.23 Giao diện kết nối 4 dây chuẩn SPI 41
Hình 2.24 Các bước cơ bản trong xử lí ảnh 43
Trang 14Hình 2.25 Các thành phần chính của hệ thống xử lí ảnh 45
Hình 3.1 Không gian màu RGB 48
Hình 3.2 Không gian màu HSV 50
Hình 3.3 Ý tưởng chính của PCA 62
Hình 3.4 Biểu đồ dựa trên Gy,Gx 66
Hình 3.5 Các cell trong một block 67
Hình 3.6 Sơ đồ khối hệ thống 68
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển board Arduino 70
Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lí nối dây module Node MCU8266 71
Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lí module relay 4 kênh 72
Hình 3.10 Biểu tượng và giao diện ứng dụng Amazon Alexa 73
Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lí toàn mạch 75
Hình 4.1 Sơ đồ bố trí linh kiện mạch điều khiển trung tâm (chính) 77
Hình 4.2 Sơ đồ đi dây mạch điều khiển trung tâm (chính) 77
Hình 4.3 Sơ đồ bố trí linh kiện mạch nút nhấn điều khiển thiết bị 78
Hình 4.4 Sơ đồ đi dây mạch điều khiển thiết bị 78
Hình 4.5 Sơ đồ bố trí linh kiện 79
Hình 4.6 Sơ đồ đi dây của mạch module relay 4 kênh 80
Hình 4.7 Hình ảnh thực tế mạch điều khiển trung tâm (chính) 82
Hình 4.8 Hình ảnh thực tế mạch module relay 4 kênh 83
Hình 4.9 Hộp bảo vệ bộ điều khiển của hệ thống 84
Hình 4.10 Hình thành ý tưởng thiết kế mô hình 85
Hình 4.11 Trang trí và lắp ráp hoàn thiện mô hình 86
Hình 4.12 Lưu đồ chương trình Arduino Nano 87
Hình 4.13 Lưu đồ chương trình con nhận dữ liệu từ Nodemcu và xử lý 89
Trang 15BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Hình 4.14 Lưu đồ chương trình con nhận tín hiệu điều khiển từ máy tính 91
Hình 4.15 Lưu đồ chương trình con nhận tín hiệu điều khiển từ bàn phím ma trận 93 Hình 4.16 Lưu đồ chương trình con đổi Password 95
Hình 4.17 Lưu đồ chương trình ESP8266 Nodemcu 97
Hình 4.18 Lưu đồ chương trình con nhận dữ liệu từ server Sinric 99
Hình 4.19 Lưu đồ chương trình kiểm tra nút nhấn và xử lý 101
Hình 4.20 Lưu đồ chương trình Matlab nhận dạng khuôn mặt 103
Hình 4.21 Lưu đồ chương trình con thiết lập đồ thị, hiển thị hình ảnh Webcam 105
Hình 4.22 Logo phần mềm Arduino IDE 106
Hình 4.23 Giao diện phần mềm Arduino IDE 107
Hình 4.24 Logo Matlab 107
Hình 4.25 Giao diện phần mềm Matlab 108
Hình 4.26 Các bước thay đổi mật khẩu Wifi cho hệ thống 109
Hình 4.27 Giao diện điều khiển thiết bị bằng tay hoặc giọng nói 110
Hình 4.28 Giao diện chương trình nhận diện khuôn mặt 111
Hình 4.29 Giao diện chương trình nhập mật khẩu người quản trị 111
Hình 4.30 Đăng nhập sai mật khẩu người quản trị 112
Hình 4.31 Giao diện chương trình Option 112
Hình 4.32 Giao diện chương trình Option 113
Hình 4.32 Giao diện phát hiện khuôn mặt 114
Hình 4.33 Chọn vùng ảnh có khuôn mặt và lưu lại tên 114
Hình 4.34 Thông báo lựa chọn training dữ liệu 115
Hình 4.35 Thông báo hoàn tất training dữ liệu 115
Hình 4.36 Xóa hết dự liệu hệ thống 116
Hình 4.37 Cửa sổ tổng hợp thời gian nhận diện 116
Trang 16Hình 4.38 Cửa sổ chọn ảnh và xóa trong bộ nhớ đã lưu 117
Hình 4.39 Cửa sổ xem ảnh người lạ nhận diện 117
Hình 4.40 Giao diện chương trình Recognition 118
Hình 4.41 Kết nối cổng COM thành công với hệ thống phần cứng 119
Hình 4.42 Phát hiện khuôn mặt người có trong dữ liệu 119
Hình 4.43 Phát hiện khuôn mặt người không có trong dữ liệu 120
Hình 5.1 Mô hình nhà ở trạng thái khóa 122
Hình 5.2 Nhập mật khẩu để mở cửa 123
Hình 5.3 Nhập password thành công cửa đã mở 123
Hình 5.4 Phát hiện đúng khuôn mặt và mở cửa 124
Hình 5.5 Phát hiện sai khuôn mặt, thông báo và khóa cửa 125
Hình 5.6 Bật đèn 126
Trang 17BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
DANH SÁCH BẢNG Bảng 3.1 Kết quả nhận biết đúng sai của các phương pháp 57
Bảng 3.2 Tổng dòng điện của các linh kiện 74
Bảng 4.1 Bảng thống kê linh kiện 80
Bảng 5.1 Thống kê số lần khi điều khiển 127
Bảng 5.2 Thống kê các phương án thực hiện 127
Trang 18TÓM TẮT
Hiện nay với sự phát triển rất mạnh mẽ về khoa học và công nghệ, các hệ thống thông minh ứng dụng IoT tuy không mới nhưng rất thịnh hành Thế giới chúng ta đã và đang thay đổi mạnh mẽ, văn minh và hiện đại hơn Điều đó khiến các công cụ ứng dụng công nghệ mới xuất hiện ngày càng nhiều Một trong số đó là công cụ hỗ trợ điều khiển bằng giọng nói, nó giúp chúng ta điều khiển một số thiết bị một cách tiện lợi và nhanh chóng
Đồ án tốt nghiệp này thiết kế và thi công một mô hình hệ thống điều khiển các thiết bị điện và giám sát ngôi nhà Người sử dụng có thể điều khiển các thiết bị điện ở bất cứ nơi nào có Internet, Wifi, 3G, 4G trên ứng dụng Amazon Alexa Các trạng thái thiết bị điện của ngôi nhà cũng được cập nhật lên giao diện này Hệ thống có tích hợp thêm camera để tăng thêm tính bảo mật cho ngôi nhà, camera nhận diện khuôn mặt và
so sánh khuôn mặt đã quét với kho dữ liệu để đưa ra hướng xử lí có mở cửa hay không
Nội dung chính của đề tài
• Sử dụng kit Arduino Nano V3 và module ESP8266 Node MCU làm khối điều
khiển trung tâm
• Điều khiển và giám sát thiết bị qua loa thông minh Amazon Echo Dot Gen 2 và
ứng dụng Amazon Alexa
• Cảnh báo khi có người lạ vào nhà bằng buzzer
• Điều khiển các thiết bị điện trong nhà như đèn chiếu sáng, quạt bằng giọng nói
Ngoài ra còn có chế độ điều khiển bằng tay
• Bảo mật ngôi nhà bằng hệ thống tự động đóng mở cửa dùng động cơ servo bằng
cách nhận diện khuôn mặt hoặc nhập mật khẩu từ bàn phím ma trận
Trang 19BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Chương 1 TỔNG QUAN
Hiện nay, thế giới đang trong làn sóng của “cuộc cách mạng công nghiệp 4.0”
Do đó, công nghệ về điều khiển thông minh và điều khiển tự động cũng phát triển theo, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực trong công nghiệp và đời sống.[1]
Đặc biệt, các hệ thống nhà thông minh được phát triển mạnh mẽ và ngày càng phổ biến Nhà thông minh là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có thể được điều khiển hoặc tự động hóa hoặc bán tự động, thay thế con người trong thực hiện một hoặc một số thao tác quản lý, điều khiển Hệ thống điện tử này giao tiếp với người dùng thông qua bảng điện tử đặt trong nhà, ứng dụng trên điện thoại di động, máy tính bảng hoặc một giao diện web Trong căn nhà thông minh, đồ dùng trong nhà từ phòng ngủ, phòng khách đến toilet đều gắn các bộ điều khiển điện tử có thể kết nối với Internet và điện thoại di động, cho phép chủ nhân điều khiển vật dụng từ xa hoặc lập trình cho thiết bị ở nhà hoạt động theo lịch Thêm vào đó, các đồ gia dụng có thể hiểu được ngôn ngữ của nhau và có khả năng tương tác với nhau [2]
Không chỉ hạn chế với những tính năng nêu trên, ngày càng có nhiều nghiên cứu
đề xuất phát triển ngôi nhà thông minh bám kịp theo sự phát triển của công nghệ, tối ưu hóa hiệu năng sử dụng cũng như giá cả hợp lý Việc cung cấp các thông số lên Internet cho phép người dùng dễ dàng kiểm soát được các thiết bị trong gia đình cũng như nhận biết được những cảnh báo một cách kịp thời nhất.[3]
Hiện nay cũng có rất nhiều bài nghiên cứu của sinh viên cũng làm về nhà thông minh, như: Tác giả Phạm Văn Huy nghiên cứu đề tài “Hệ thống điều khiển và giám sát các thiết bị trong nhà” sử dụng module Arduino Uno R3, ESP8266 Node MCU và Module Bluetooth HC-06, sử dụng App trên Android để SmartPhone nhận tín hiệu từ giọng nói con người, xử lý và đưa tín hiệu đến vi điều khiển, điều khiển 4 thiết bị và 1 động cơ và đo nhiệt độ, độ ẩm trong nhà hiển thị lên App Android.[4]
Tác giả Nguyễn Ngọc Lực nghiên cứu đề tài “Thiết kế, thi công mô hình hệ thống điều khiển thiết bị điện và giám sát nhà” sử dụng board Arduino Mega 2560 làm trung
Trang 20tâm điều khiển chính, ESP8266 Node MCU và module Sim900A, sử dụng App Android
và Websever để điều khiển và giám sát 4 thiết bị trong nhà, đo nhiệt độ, độ ẩm, báo động khi có rò rỉ khí gas và có người đột nhập vào nhà bằng chuông báo và gửi tin nhắn qua tin nhắn đến người sử dụng, khi mất điện sẽ chuyển sang sử dụng pin dự phòng (Acqui)
và báo tin nhắn về người sử dụng là bị mất điện.[5]
Tác giả Huỳnh Xuân Dũng và Trần Nhật Minh nghiên cứu đề tài “Hệ thống IoT điều khiển và giám sát ngôi nhà” sử dụng Board STM32F407VGT6 làm khối điều khiển trung tâm chính, board Arduino Mega làm khối điều khiển trung tâm phụ Sử dụng Web Server, App Android và WPF đề điều khiển 8 thiết bị, có hệ thống tự động tưới cây theo lịch trình, đo nhiệt độ, độ ẩm, đồng thời báo động khi có rò rỉ khí gas và có người đột nhập vào nhà bằng chuông báo và gửi tin nhắn qua tin nhắn đến người sử dụng, ứng dụng công nghệ RFID vào việc đóng mở cửa và ngoài ra có thể đóng mở cửa bằng cách nhập mật khẩu.[6]
Tác giả Trần Minh Luân và Lâm Thành Đạt nghiên cứu đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống thiết bị điều khiển nhà thông minh” sử dụng module ESP8266 NodeMCU làm khối điều khiển trung tâm, thông qua OpenHab và MQTT để điều khiển và giám sát
2 thiết bị, sử dụng Google Assistant và IFTTT để điều khiển thiết bị bằng giọng nói Thiết bị có thể thu phát hồng ngoại và RF, đo nhiệt độ và độ ẩm trong nhà.[7]
Qua tóm tắt trên, chúng em quyết định làm “Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển thiết bị điện trong nhà bằng giọng nói thông qua Amazon Alexa và cảnh báo chống trộm” Trong đó, hệ thống sử dụng vi điều khiển trung tâm là module Arduino Nano V3
và module Wifi ESP8266 Node MCU, màn hình LCD 16x2, bàn phím ma trận 4x3 và module relay, camera logitech HD Webcam C270 Người dùng có thể điều khiển và giám sát các thiết bị bằng smartphone sử dụng ứng dụng Amazon Alexa hay truy cập trang web điều khiển bất cứ nơi đâu có Wifi hoặc Internet Hệ thống có khả năng giám sát nhà từ xa, hiển thị trạng thái các thiết bị điện, tự động đóng mở cửa bằng hệ thống nhận diện khuôn mặt sử dụng webcam hay nhập mật khẩu từ bàn phím ma trận, có chuông báo khi phát hiện có người lạ đột nhập vô nhà, có thể sử dụng giọng nói để điều khiển các thiết bị điện trong nhà hoặc có thể sử dụng chế độ điều khiển bằng tay (Manual) để điều khiển
Trang 21BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
- Tìm hiểu cách thức hoạt động của các mô hình nhà IoT
- Tìm hiểu các chuẩn truyền thông như UART, I2C, SPI
- Tìm hiểu về Board mạch Arduino Nano V3 và module ESP8266 Node MCU
- Thiết kế giao diện để điều khiển và giám sát: Web server, App android
- Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển gồm các chế độ: Manual, điều khiển bằng giọng nói thông qua loa Amazon Echo Dot Gen 2 và app Amazon Alexa
- Thiết kế và thi công hệ thống bảo mật ngôi nhà: nhập mật khẩu qua bàn phím ma trận 4x3 hoặc nhận diện khuôn mặt thông qua camera HD Webcam C270 và hiển thị trạng thái làm việc trên LCD 16x2
- Thiết kế và thi công mô hình nhà có các chức năng thông minh
- Viết chương trình điều khiển cho Arduino và ESP8266, nạp code và chạy thử nghiệm sản phẩm, chỉnh sửa và hoàn thiện hệ thống
- Thực hiện viết sách luận văn báo cáo
- Tiến hành báo cáo đề tài tốt nghiệp
- Thiết kế mô hình nhà ở, trong đó chiều cao khoảng 30cm, rộng 20cm, dài 50cm
- Điều khiển các thiết bị như: 3 đèn chiếu sáng 220VAC-5W, 1 quạt 5V/0.2A, 1 cửa chính sử dụng Servo SG90
- Dùng chuông buzzer cảnh báo khi có người đột nhập
- Nhận diện khuôn mặt bằng camera logitech HD Webcam C270 sử dụng giao diện Matlab với độ chính xác khoảng 80%
Trang 22- Nhập mật khẩu từ bàn phím ma trận 4x3 và hiển thị trạng thái làm việc trên LCD 16x2
- Điều khiển các thiết bị điện thông qua loa thông minh Amazon Echo Dot Gen 2
và app Amazon Alexa bằng tiếng anh
Chương 1: Tổng quan
Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án
Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
Giới thiệu các cơ sở lý thuyết liên quan đến hệ thống; lựa chọn linh kiện, thiết bị
sử dụng để thiết kế hệ thống và trình bày các chuẩn truyền, giao thức
Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế Hệ Thống
Thiết kế sơ đồ khối của hệ thống, đưa ra sơ đồ nguyên lí của các khối trong hệ thống và thực hiện tính toán thiết kế
Chương 4: Thi Công Hệ Thống
Chương này trình bày về thiết kế lưu đồ, đưa ra giải thuật và viết chương trình Thi công mô hình hệ thống hoàn chỉnh
Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét, Đánh Giá
Đưa ra kết quả đạt được sau thời gian nghiên cứu, một số hình ảnh của hệ thống, đưa ra những nhận xét, đánh giá toàn bộ hệ thống
Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển
Trình bày những kết luận về hệ thống những phần đã làm và chưa làm, đồng thời nếu ra hướng phát triển cho hệ thống
Trang 23Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.1 Định nghĩa IoTs
Internet của vật dụng (Internet of Things - IoTs) là mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là mạng lưới thiết bị kết nối Internet là một liên mạng, trong đó các thiết
bị, phương tiện vận tải (được gọi là "thiết bị kết nối" và "thiết bị thông minh"), phòng
ốc và các trang thiết bị khác được nhúng với các bộ phận điện tử, phần mềm, cảm biến,
cơ cấu chấp hành cùng với khả năng kết nối mạng máy tính giúp cho các thiết bị này có thể thu thập và truyền tải dữ liệu
2.1.2 Ứng dụng của IoTs
IoTs được sử dụng trong nhiều lĩnh vực:
- Thành phố thông minh bao gồm giám sát thông minh, vận chuyển tự động, hệ thống quản lý năng lượng thông minh hơn, phân phối nước, an ninh đô thị và giám sát môi trường…
- Internet công nghiệp là hỗ trợ kĩ thuật công nghiệp với các cảm biến, phần mềm lớn để tạo ra những cỗ máy vô cùng thông minh Máy móc sẽ có tính chính xác
và nhất quán hơn con người trong giao tiếp thông qua dữ liệu Từ những dữ liệu thu thập được giúp các công ty, nhà quản lí giải quyết các vấn đề sớm hơn, đạt hiệu quả cao hơn…
- Các thiết bị đeo thông minh như các loại kính, ba lô, vòng tay được cái đặt cảm biến thu thập thông tin người dùng như huyết áp, bước đi bộ mỗi ngày,…
- Nhà thông minh là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có thể được điều khiển hoặc tự động hoá hoặc bán tự động, thay thế con người trong thực hiện một hoặc một số thao tác quản lý, điều khiển…
2.1.3 Đặc điểm công nghệ IoTs
Điểm quan trọng của IoTs đó là các đối tượng phải có thể được nhận biết và định dạng (identifiable) Nếu mọi đối tượng, kể cả con người, được “đánh dấu” để phân biệt bản thân đối tượng đó với những thứ xung quanh thì chúng ta có thể hoàn toàn quản lí
Trang 24được nó thông qua máy tính Việc đánh dấu này có thể được thực hiện thông qua nhiều công nghệ, chẳng hạn như RFID, NFC, mã vạch, mã QR, … Mạng kết nối thì có thể là qua Wi-Fi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G), Bluetooth
Ngoài những kĩ thuật nói trên, nếu nhìn từ thế giới web, chúng ta có thể sử dụng địa chỉ IP để xác định từng vật Mỗi thiết bị sẽ có một IP riêng biệt không nhầm lẫn Do
đó mọi thứ có thể dễ dàng kết nối vào Internet cũng như kết nối với nhau
WiFi viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11 là hệ thống mạng không dây
sử dụng sóng vô tuyến, giống như điện thoại di động, truyền hình và radio Hệ thống cho phép truy cập Internet tại những khu vực có sóng của hệ thống này, hoàn toàn không cần đến cáp nối
Sóng WiFi: Các sóng vô tuyến sử dụng cho WiFi gần giống với các sóng vô tuyến
sử dụng cho thiết bị cầm tay, điện thoại di động và các thiết bị khác Nó có thể chuyển
và nhận sóng vô tuyến, chuyển đổi các mã nhị phân 1 và 0 sang sóng vô tuyến và ngược lại
Tuy nhiên, sóng WiFi có một số khác biệt so với các sóng vô tuyến khác ở chỗ: chúng truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.5 GHz hoặc 5GHz Tần số này cao hơn so với các tần số sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay và truyền hình Tần số cao hơn cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn
2.3.1 Vi điều khiển
Để thực hiện dự án này, nhóm sử dụng các vi điều khiển là Arduino Nano V3 và ESP8266 Node MCU Sau đây là giới thiệu chi tiết về các vi điều khiển nhóm sử dụng
a Giới thiệu về Arduino
Arduino là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình, tương tác với các thiết
bị phần cứng như: cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, sử dụng ngôn ngữ lập trình có thể học rất dễ dàng và nhanh chóng Arduino được bán ra với mức giá rất thấp Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý
Trang 25megaAVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit Những Model hiện tại thường được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau.[8]
Được giới thiệu vào năm 2005, Arduino được ra đời để mang đến một cách thức tiếp cận dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo ra những sản phẩm lập trình Những ví dụ phổ biến khi mơi bắt đầu học Arduino bao gồm: làm các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động
b Giới thiệu về Arduino Nano V3
Board Arduino Nano V3 (hình 2.1) là một trong những phiên bản nhỏ gọn của board Arduino Arduino Nano có đầy đủ các chức năng và chương trình có trên Arduino Uno do cùng sử dụng MCU Atmega328P Nhờ việc sử dụng IC dán của ATmega328P
thay vì IC chân cắm nên Arduino Nano có thêm 2 chân Analog so với Arduino Uno
Hình 2.1 Board Arduino Nano V3
- Dòng điện tiêu thụ: 30mA
- Dòng tối đa trên mỗi chân I/O: 40mA
- 14 chân digital (trong đó có 6 chân có thể được sử dụng như những chân PWM
là D3, D5, D6, D9, D10, D11)
Trang 26- 2 ngắt ngoài: chân D2 (interrupt 0), chân D3 (interrupt 1)
- 8 chân vào analog (từ A0 đến A7)
- 4 cổng Serial giao tiếp với phần cứng
- 1 bộ giao tiếp SPI
- 1 bộ giao tiếp I2C
- 1 thạch anh với tần số dao động 16 MHz
- 1 cổng kết nối USB
Nguồn nuôi
Arduino có thể được cấp nguồn thông qua kết nối USB hoặc với nguồn cung cấp điện bên ngoài Các nguồn sẽ được lựa chọn tự động Hệ thống vi điều khiển có thể hoạt động bằng một nguồn cung cấp bên ngoài từ 7V đến 12V Nên cung cấp với nguồn điện
áp lớn hơn 7V để board mạch hoạt động ổn định
- Chân Vin: Điện áp đầu vào Arduino khi chúng ta dùng nguồn điện bên ngoài Chúng ta có thể cung cấp nguồn thông qua chân này
- Chân 5V: Cung cấp nguồn vi điều khiển và các bộ phận khác trên bo mạch và cung cấp nguồn cho các thiết bị ngoại vi khi kết nối tới bo mạch
- Chân 3V3: Cung cấp nguồn cho các thiết bị cảm biến
- Chân GND: Chân nối đất
2.3.2 Module Wifi ESP8266 Node MCU
Khối điều khiển trung tâm của dự án này sử dụng module ESP-12E NodeMCU NodeMCU là một nền tảng IoT mở, được phát triển dựa trên Chip Wifi ESP8266 bên trong của Module ESP-12E giúp dễ dàng kết nối với vài thao tác Với kích thước nhỏ gọn, linh hoạt module có thể dễ dàng kết nối với các thiết bị ngoại vi, hoàn thiện các
dự án hay sản phẩm một cách đơn giản nhất.[9]
Trang 27- Là một server để xử lý dữ liệu từ các thiết bị sử dụng Internet khác
Thông số kỹ thuật:
- Chip: CP2102
- Wifi: 2.4GHz hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n
- Điện áp hoạt động: 3.3V
- Điện áp vào: 5V thông qua cổng USB
- Số chân I/O: 11 (tất cả các chân I/O đều có Interrupt/PWM/I2C/One-wire, trừ chân D0)
- Số chân Analog Input: 1 (điện áp vào tối đa 3.3V)
- Bộ nhớ Flash: 4MB
- Giao tiếp: Cable Micro USB (tương đương cap sạc điện thoại) , TX-RX
Hỗ trợ bảo mật: WPA/WPA2
- Tích hợp giao thức TCP/IP
Trang 28- Lập trình trên các ngôn ngữ: C/C++, Micropython, NodeMCU – Lua
2.3.3 Loa thông minh Amazon Echo Dot Gen
2.3.3.1 Mô tả
Echo Dot Gen 2 là một thiết bị loa tích hợp trợ lí ảo Alexa điều khiển bằng giọng nói sử dụng để chơi nhạc, điều khiển các thiết bị nhà thông minh, cung cấp thông tin, đọc tin tức, đặt cảnh báo và nhiều chức năng khác
Kết nối với loa bằng Bluetooth hoặc cổng 3.5mm stereo để chơi nhạc từ Amazon Music, Spotify, Pandora, iHeartRadio, và TuneIn
Bên cạnh vòng ánh sáng là một dãy của 7 microphone sử dụng công nghệ forming và giảm thiểu nhiễu âm thanh Với một bộ vi xử lý mạnh mẽ, Echo Dot thế hệ mới làm tăng hiệu quả nghe từ đánh thức khi bạn hỏi nó từ bất kỳ hướng nào cho dù là môi trường ồn ào hoặc đang chơi nhạc
beam-Khi bạn muốn sử dụng Echo Dot, đơn giản là gọi từ đánh thức “Alexa,” và Echo Dot sẽ tải câu lệnh của bạn lên cloud, nơi mà sức mạnh của Alexa Voice Service được
sử dụng để nhận biết và phản hồi yêu cầu của bạn ngay lập tức
Alexa bộ não phía sau Echo Dot được xây dựng trên nền điện toán đám mây, vì vậy nó luôn luôn thông minh hơn Bạn càng sử dụng nhiều nó càng chỉnh sửa đề phù hợp với mẫu giọng nói của bạn, từ ngữ, và sở thích cá nhân Và bởi vì Echo Dot luôn luôn được kết nối, cập nhật và phản hồi tự động.[10]
Hình 2.3 Loa thông minh Amazon Echo Dot Gen 2
Trang 29Thông số kĩ thuật:
- Điện áp: USB 5VDC
- Giao tiếp: Wifi 2.4G IEEE 802.11b/g/n
- Tích hợp loa không dây kết nối Wifi, Bluetooth
2.3.3.2 Hướng dẫn kết nối Echo Dot với điện thoại Android
Cấp nguồn cho Echo Dot
Để cấp nguồn cho Echo Dot chúng ta dùng cáp và Adapter kèm theo Khi đó Echo Dot sẽ xuất hiện vòng sáng màu xanh xoay vòng, chờ khoảng 1 phút cho đến khi xuất hiện vòng sáng màu vàng cam Lúc này Echo Dot của bạn đã sẵn sàng kết nối
Hình 2.4 Kết nối nguồn cho loa
Lưu ý: Nếu không xuất hiện đèn vàng, bạn nhấn và giữ nút để Reset lại loa
Dowload ứng dụng Echo Dot
• Để tải ứng dụng về điện thoại, ta vào trình duyệt web và truy cập vào địa chỉ: http://bit.ly/Amazon-Echo-Dot-App để tải về máy
• Sau khi tải về chúng ta đăng kí một tài khoản
• Đăng kí thành công, bạn tiếp tục các bước kết nối Echo Dot về điện thoại
Trang 30Hình 2.5 Dowload và tạo tài khoản ứng dụng Echo Dot
Kết nối Echo Dot với điện thoại
• Mở giao diện ứng dụng, chọn HOME => SETTING => SET UP A NEW DEVICE
• Tiếp tục chọn Echo Dot => Continue => Connect to wifi
Trang 32Hình 2.6 Kết nối Echo Dot với điện thoại
• Chờ Echo Dot hiển thị màu và phát lời thoại xác nhận, nếu không thấy xác nhận bạn nhấn và giữ nút trong 5 giây để reset lại Echo Dot
• Bạn cần kết nối Echo Dot với wifi nhà bạn, vào mục wifi trên điện thoại và chọn mục “Amazon-XXX”, và chờ Echo Dot xác nhận đã kết nối
• Ngay khi Echo Dot xác nhận kết nối bạn tiếp tục các bước cài đặt tiếp theo
Trang 33Hình 2.7 Kết nối Echo Dot với điện thoại thành công
• Chọn tên wifi và pass wifi của mình và bấm Connect
Trang 352.3.4 Bàn phím ma trận 4x3
Bàn phím ma trận hay còn gọi là keypad là một bàn phím gồm nhiều nút nhấn, cho phép ta nhập các con số, chữ cái, ký tự vào bộ điều khiển Số lượng các nút nhấn thay đổi phụ thuộc vào yêu cầu ứng dụng Trong đề tài này dùng bàn phím ma trận để điều khiển khoá số điện tử nên ta sẽ tìm hiểu về bàn phím ma trận 4x3
Hoạt động của bàn phím ma trận : Giả sử phím “2” được nhấn, khi đó đường C2
và R1 được nối với nhau, nếu C2 nối với GND thì R1 cũng sẽ là GND Vậy khi ta nối tất cả các đường C1, C2, C3 vào GND và nhấn phím “2” thì lúc này R1 cũng vẫn là GND nhưng ta sẽ không thể kết luận được phím “1”, phím “2”, phím “3” được nhấn
Trang 36Để khắc phục vấn đề này thì ta phải dùng phương pháp “quét” phím Phương pháp quét phím được trình bày theo thứ tự như sau:
• Đầu tiên các chân C1, C2, C3 sẽ được thiết lập là các ngõ ra và giữ mức cao, còn các chân R1, R2, R3, R4 sẽ được thiết lập là ngõ vào và có điện trở kéo lên
• Lần lượt kéo các chân C1, C2, C3 xuống mức thấp
• Đọc trạng thái các chân R1, R2, R3, R4 để kết luận phím nào được nhấn
Ví dụ: Khi phím “2” được nhấn thì quá trình quét sẽ bao gồm 3 lần quét cho một chu kỳ đối với bàn phím 4x3
Lần quét đầu: kéo chân C1 xuống mức thấp, các chân C2, C3 vẫn ở mức cao Kiểm tra 4 chân R1, R2, R3, R4 thu được kết quả R1=1, R2=1, R3=1, R4=1 Như vậy xét theo hàng dọc của C1 có các phím “1”, “4”, “7”, “*” không có phím nào được nhấn
Lần quét thứ 2: kéo chân C2 xuống mức thấp, các chân C1, C3 ở mức cao Kiểm tra 4 chân R1, R2, R3, R4 thu được kết quả R1=0, R2=1, R3=1, R4=1 Ta thấy R1=0, xét trong hàng dọc của C2 thì tương ứng là vị trí của phím “2” Như vậy ta kết luận được
là phím “2” vừa được nhấn và có thể dừng quá trình quét tại đây
Trang 37• Chân cấp nguồn: Vss (nối nguồn 5V), VDD (nối 0v), V0 (điều chỉnh độ tương phản)
• RS: Chân chọn thanh ghi (Register Select) Nối chân RS với logic “0” (GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi
- Logic “0” Bus DB0 – DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD ( ở chế
độ “ghi” – Write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD ( ở chế độ “đọc”- Read)
- Logic “1”: Bus DB0 – DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD
• RW: Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write) Nối chân R/W với logic “0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” ở LDC ở chế độ đọc
• E: Chân cho phép chốt xung kí tự (Enable) Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus DB0 – DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân
E
- Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào (chấp nhận) thanh ghi bên trong nó khi phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệu chân E
- Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp
• D0-D7: Chân dữ liệu
• A, K: Chân điều khiển đèn nền
Trang 38Hình 2.12 Quá trình đọc ghi của LCD
• Điều khiển tín hiệu R/S
• Điều khiển tín hiệu R/W lên mức 1/0
• Điều khiển tín hiệu E lên mức cao để cho phép
• Đọc dữ liệu từ bus dữ liệu DB7 ÷ DB0
• Điều khiển tín hiệu E về mức thấp
LCD có thể hoạt động theo 2 chế độ: 4 bit và 8 bit Chế độ 4 bit đòi hỏi phải kết nối với 7 chân I/O của arduino Chế độ 8 bit đòi hỏi phải kết nối với 11 chân
2.3.6 Nút nhấn
Tìm hiểu về nút nhấn 4 chân thường mở : Thay vì sử dụng 2 chân như công tắc, nút nhấn 4 chân chia làm 2 cặp Những chân trong cùng một cặp được nối với nhau, những chân khác cặp thì ngược lại Khi nhấn nút, cả 4 chân của nút nhấn đều được nối với nhau, cho phép dòng điện từ một chân bất kì có thể tới 3 chân còn lại
Trang 39Hình 2.13 Hình ảnh thực tế của nút nhấn
2.3.7 Logitech HD Webcam C270
Logitech HD Webcam là thiết bị ghi hình trong dự án này dùng để nhận diện khuôn mặt người trong nhà nhằm mục đích đóng mở cửa tự động và bảo mật chống trộm
Hình 2.14 Hình ảnh thực tế của Webcam
Thông số kĩ thuật:
- Độ phân giải tối đa: 720p/30fps
- Loại tiêu cự: Lấy nét cố định
- Công nghệ thấu kính: tiêu chuẩn
- Micrô tích hợp: đơn âm
- Phạm vi quan sát: 60°
- Kẹp phổ dụng phù hợp với máy tính xách tay, LCD hoặc màn hình
- Độ dài dây cáp: 1,5 m
2.3.8 Động cơ Servo
Servo là một dạng động cơ điện đặc biệt Không giống như động cơ thông thường
cứ cắm điện vào là quay liên tục, servo chỉ quay khi được điều khiển (bằng xung PPM) với góc quay nằm trong khoảng bất kì từ 0o - 180o Mỗi loại servo có kích thước, khối lượng và cấu tạo khác nhau Có loại thì nặng chỉ 9g (chủ yếu dùng trên máy bay mô mình), có loại thì sở hữu một momen lực bá đạo (vài chục Newton/m), hoặc có loại thì khỏe và nhông sắc chắc chắn,
Trang 40Hình 2.15 Động cơ Servo
2.3.9 Module Relay
Một module rơ-le được tạo nên bởi 2 linh kiện thụ động cơ bản là rơ-le và transistor Nhận tín hiệu từ vi điều khiển: 8051, AVR, PIC, Arduino, để điều khiển các thiết bị
Hình 2.16 Module Relay 4 kênh