- Thiết kế, tính toán, thi công mạch giao tiếp cảm biến chuyển động với Arduino.. - Thiết kế, tính toán, thi công mạch giao tiếp cảm biến chuyển động với Arduino.. Trong đó có nhà thông
Trang 1BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH o0o
Tp HCM, ngày 05 tháng 07 năm 2019
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: Nguyễn Thành Dương MSSV: 14141051
Trần Vỉnh Sơn MSSV: 14141266 Chuyên ngành: Điện tử công nghiệp Mã ngành: 141
I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH KHÓA ĐIỆN TỬ CÓ GIÁM SÁT TỪ XA SỬ DỤNG GSM VÀ RFID
II NHIỆM VỤ
1 Các số liệu ban đầu:
- Pham Minh Tuan, ebook :Internet Of Things(IoT): cho người mới bắt đầu,
2017 (https://iotmakervn.github.io/iot-starter-book/)
- Nguyễn Ngọc Lực, “Thiết kế , thi công mô hình hệ thông điều khiển điện và
giám sát nhà” , đồ án tốt nghiệp , trường ĐHSPKT Tp HCM, 2018
- Phạm Hưng Thịnh, “Thiết kế, thi công hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị nhà có hỗ trờ Google Assistant”, đồ án tốt nghiệp, trường ĐHSPKT TpHCM, 2018
- Hướng dẫn sử dụng Module sim900-MLAB
Trang 22 Nội dung thực hiện:
- Tìm hiểu Arduino, module sim900, module RFID, cảm biến chuyển động,
phím ma trận 4x4
- Thiết kế, tính toán, thi công mạch giao tiếp module sim với Arduino
- Thiết kế, tính toán, thi công mạch giao tiếp cảm biến chuyển động với
Arduino
- Thiết kế, tính toán, thi công mạch giao tiếp cảm biến chuyển động với
Arduino
- Thiết kế, tính toán, thi công mạch giao tiếp module RFID với Arduino
- Viết chương trình điều khiển mô hình
- Thiết kế nguồn cung cấp cho mô hình
- Chạy thử nghiệm mô hình
- Viết báo cáo
- Báo cáo cáo đề tài tốt nghiệp
III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/02/2019
IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05/07/2019
V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Thanh Hải
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – YSINH
Trang 3Tuần 1 (18/02 - 24/02) Gặp gỡ GVHD và trao đổi về đề tài tốt nghiệp
Tuần 2 (25/02 - 03/03) Tìm hiểu các đề tài nghiên cứu có liên quan
Tuần 3 (04/03 - 10/03) Gặp và báo cáo với GVHD về đề tài sẽ thực hiện
Tìm hiểu về các linh kiện sẽ sử dụng
Tuần 4 (11/03 - 17/03) Tìm hiểu về giao tiếp giữa module Sim với Arduino
Vẽ sơ đồ khối và nội dung từng khối
Tuần 7 (01/04 - 07/04) Tìm hiểu giao tiếp Arduino và phím ma trận
Viết code cho phím ma trận và Arduino
Trang 4Tuần 8 (08/04 - 14/04)
Báo cáo tiến độ cho GVHD
Viết báo cáo thiết kế khối mở khóa dùng phím ma trận
Tuần 9 (15/04 - 21/04)
Tìm hiểu và giao tiếp giữa RFID và Arduino Hoàn thành giao tiếp phím ma trận và viết code RFID
Viết báo cáo
Tuần 10 (22/04
-28/04)
Báo cáo tiến độ cho GVHD
Gửi tài liệu, hình ảnh, báo cáo tiến độ 50%
Viết code cho RFID , ma trận phím và Arduino
Báo cáo tiến độ với GVHD
Chỉnh sửa báo cáo
Tuần 14,15,16 (20/05
– 09/06)
Kiểm tra và chỉnh sửa toàn mạch
Đi dây, hoàn thành mô hình
Viết nhận xét đánh giá Hoàn thành báo cáo
GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên)
Trang 5Chúng em xin cam đoan đề tài này do chúng em thực hiện dựa trên tài liệu trước đó và không sao chép tài liệu hay công trình trước đó
Tp HCM, ngày 05 tháng 07 năm 2019
Người thực hiện đề tài
Trần Vỉnh Sơn Nguyễn Thành Dương
Trang 6Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp, chúng em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ từ Thầy/Cô người thân và bạn bè Đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc tới Thầy PGS.TS Nguyễn Thanh Hải đã hướng dẫn và góp ý tận tình, cũng như chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu, tạo điều kiện tốt nhất để chúng
em hoàn thành tốt đề tài
Chúng em cũng xin cảm ơn các Thầy, Cô khoa Điện Điện tử đã tạo điều kiện tốt nhất để chúng em hoàn thành tốt đề tài Và xin cảm ơn tất cả bạn bè, người thân
đã ủng hộ và giúp đỡ nhiệt tình cho chúng em
Sau cùng, dù có nhiều cố gắng và sự giúp đỡ của mọi người nhưng do thời gian thực hiện chỉ 15 tuần, kinh nghiệm còn hạn chế nên chúng em không tránh được những thiếu sót Chúng em mong quý Thầy /Cô, người thân, bạn bè cảm thông
và chân thành góp ý để chúng em hoàn thiện tốt đề tài hơn
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Tp HCM, ngày 05 tháng 07 năm 2019
Người thực hiện đề tài
Trần Vỉnh Sơn Nguyễn Thành Dương
Trang 7NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iii
LỜI CAM ĐOAN v
LỜI CẢM ƠN vi
MỤC LỤC vii
LIỆT KÊ HÌNH ẢNH ix
LIỆT KÊ BẢNG x
TÓM TẮT xi
Chương 1 TỔNG QUAN 1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1
1.2 MỤC TIÊU 2
1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2
1.4 GIỚI HẠN 2
1.5 BỐ CỤC 3
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4
2.1 GIỚI THIỆU VỀ IOTS (INTERNET OF THINGS) 4
2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 4
2.2.1 Module cảm biến chuyển động PIR HC – SR501 4
2.2.2 Phím ma trận 4x4 6
2.2.3 Module Sim900a 7
2.2.4 Vi điều khiển 8
2.2.5 Công nghệ RFID 9
2.3 GIAO TIẾP I2C 13
2.4 CHUẨN TRUYỀN THÔNG UART 13
2.5 GIAO TIẾP SPI 14
2.6 PHẦN MỀM ARDUINO IDE 15
Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 16
3.1 GIỚI THIỆU 16
Trang 8Chương 4 THI CÔNG MÔ HÌNH 30
4.1 GIỚI THIỆU 30
4.2 THI CÔNG MÔ HÌNH 30
4.2.1 Danh sách linh kiện 30
4.2.2 Lắp ráp mô hình 31
4.3 LẬP TRÌNH CHO MÔ HÌNH 34
4.3.1 Lưu đồ chương trình 34
Chương 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 40
5.1 GIỚI THIỆU 40
5.2 KẾT QUẢ 40
5.1.1 Kết quả đạt được 40
5.1.2 Kết quả thực nghiệm 40
5.3 NHẬN XÉT 45
5.3.1 Ưu điểm 45
5.3.2 Hạn chế 46
5.4 ĐÁNH GIÁ 46
Chương 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 47
6.1 KẾT LUẬN 47
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO 48
PHỤ LỤC 49
Trang 9Hình 2.1 Hình dạng của cảm biến PIR HC-SR501 5
Hình 2.2 Hình ảnh nguyên lý hoạt động của cảm biến PIR 5
Hình 2.3 Hình ảnh sơ đồ chân của cảm biến PIR 6
Hình 2.4 Hình ảnh sơ đồ kết nối của phím ma trận 4x4 7
Hình 2.5 Hình ảnh phim ma trận 4x4 7
Hình 2.6 Hình ảnh Module SIM900A 7
Hình 2.7 Hình ảnh Arduino Mega 9
Hình 2.8 Hình ảnh Module RFID RC522 10
Hình 2.9 Hình ảnh LCD 16x2 11
Hình 2.10 Mạch chuyển giao tiếp LCD 16x2 13
Hình 2.11 Hình ảnh kết nối giữa Master và Slave 15
Hình 2.12 Logo phần mềm IDE 15
Hình 2.13 Hình ảnh giao diện phần mềm IDE 16
Hình 3.1 Sơ đồ khối của mô hình 17
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý của khối điều khiển arduino 19
Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý của khối giám sát 20
Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến 20
Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý khối báo động 21
Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý khối động cơ và nút nhấn 22
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý khối mở khóa 23
Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý mạch mở khóa dùng RFID 24
Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý mạch mở khóa dùng ma trận phím 25
Hình 3.10 Sơ đồ nối dây ma trận phím 4x4 25
Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị 26
Hình 3.12 Hình ảnh module hạ áp LM2596 27
Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý mô hình khóa thông minh 28
Hình 4.1 Hình ảnh mạch xử lý trung tâm 31
Hình 4.2 Hình ảnh mạch giám sát module sim 31
Hình 4.4 Hình ảnh mạch báo động 32
Hình 4.5 Hình ảnh mô hình hoàn thiện 33
Hình 4.6 Lưu đồ chương trình tổng quát toàn bộ hoạt động 34
Hình 4.7 Lưu đồ chương trình chính 35
Hình 4.8 Lưu đồ chương trình con thêm thẻ, xóa thẻ và đổi pass 36
Hình 4.9 Lưu đồ chương trình kiểm tra ngắt của nút nhấn và cánh báo PIR 37
Hình 5.1 Hình ảnh màn hình LCD trạng thái chờ quẹt thẻ 41
Hình 5.2 Hình ảnh LCD khi quẹt thẻ sai 41
Trang 10Hình 5.5 Hình ảnh màn hình LCD ở trạng thái quản lý 43 Hình 5.6 Hình ảnh LCD khi ở chế độ thêm thẻ 43 Hình 5.7 Hình ảnh LCD khi chọn chế độ xóa thẻ 44 Hình 5.8 Hình ảnh LCD yêu cầu nhập mật khẩu cũ khi chọn chế độ đổi mật khẩu 44 Hình 5.9 Hình ảnh tin nhắn cảnh báo khi PIR phát hiện có người lạ xâm nhập 45
LIỆT KÊ BẢNG Bảng 4.1 Danh sách linh kiện sử dụng……… 30
Trang 11Ngày nay trước sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là thành công của cuộc cách mạng kỹ thuật 4.0 làm cho thế giới của chúng ta ngày càng thay đổi, cuộc sống trở nên văn minh và hiện đại hơn
Cùng với sự phát triển đó thì các tệ nạn xảy ra ngày càng tinh vi và khó diều
tra được Trong đó, tệ nạn trộm cấp cũng là vấn đề đáng lo ngại vì thế,” Thiết kế và
thi công mô hình khóa điện tử có giám sát từ xa sử dụng GSM và RFID” đã đưa
ra một giải pháp thay thế những hệ thống bảo mật truyền thống
Mô hình sử dụng board Arduino Mega 2560 để làm khối điều khiển trung tâm
Sử dụng công nghệ thẻ từ RFID để mở lớp đầu tiên kết hợp phím ma trận 4x4 để mở khóa Giám sát ngôi nhà qua GSM để gửi tin nhắn cảnh báo cho người dùng Mô hình phát hiện chuyển động bằng việc sử dụng cảm biến chuyển động PIR
Trang 12Chương 1 TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay với sự phát triển không ngừng của khoa học và công nghệ đã làm cho cuộc sống của con người được tốt hơn và hoàn thiện hơn Các thiết bị điều khiển thông minh và tự động cũng được phát triển Trong đó có nhà thông mình với các thiết bị trong nhà hoạt động một cách tự động hoặc bán tự động và việc giám sát điều khiển trở nên thuận lợi, an toàn và an ninh hơn nhờ được điều khiển từ xa.Với
sự xuất hiện và phát triển mạnh mẽ của công nghệ IoT [1], việc quản lý căn nhà càng được cải thiện hơn, các thiết bị được kết nối với nhau thông qua wifi, bluetooth, mạng viễn thông và được điều khiển bởi người dùng trên các thiết bị như smart phone, máy tính bảng ở bất kỳ đâu
Hiện nay có rất nhiều đề tài nghiên cứu về nhà thông minh như đồ án tốt nghiệp của Nguyễn Ngọc Lực về đề tài “Thiết kế, thi công mô hình hệ thông điều khiển điện và giám sát nhà” dùng board Arduino Mega 2560 làm bộ điều khiển trung tâm kết hợp module ESP8266 Node MCU và module sim900A thông qua App Android và Web server để điều khiển và giám sát các thiết bị trong nhà như đo nhiệt
độ, độ ẩm, báo động rò rỉ khí ga, khi có người đột nhập thì báo động và gửi tin nhắn đến người sử dụng, hệ thống còn nhận biết khi mất điện thì tự động chuyển sang nguồn dự phòng (acquy) và gửi tin nhắn cho người sử dụng [2] Tác giả Phạm Hưng Thịnh với đề tài “ Thiết kế, thi công hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị nhà có
hỗ trờ Google Assistant” Hệ thống này sử dụng board Arduino, module wifi ESP8266 Node MCU, cảm biến nhiệt độ, khí gas, chuyển động Người dùng có thể giám sát bằng smartphone hệ đều hành android truy cập Web bất kỳ nơi nào có wifi hoặc internet Có thể giám sát hệ thống từ xa, hiển thị nhiệt độ, báo động khi rò rỉ khí gas hoặc có trộm đột nhập [3]
Bên cạnh sự phát triển của đời sống con người thì các tệ nạn xã hội xảy ra ngày càng nhiều với hình thức ngày càng tinh vi hơn, trong đó có nạn trộm cắp tài sản Các biện pháp bảo bệ truyền thống không thể đáp ứng yêu cầu bảo vệ an toàn cho tài
Trang 13sản Vì thế, yêu cầu có một thiết bị thông minh hơn giúp bảo vệ tài sản được an toàn hơn
Từ các thực tiễn trên, nhóm em quyết định lựa chọn đề tài “Thiết kế và thi
công mô hình khóa điện tử có giám sát từ xa sử dụng GSM và RFID” để góp
phần hạn chế tối đa mất mát tài sản Hệ thống sử dụng bộ điều khiển trung tâm là board Arduino giao tiếp với module sim900A [4], phím ma trận 4x4 [5], cảm biến
chuyển động HC-SR501 [6], module RFID RC522 [7]
1.2 MỤC TIÊU
Thiết kế và thi công mô hình điều khiển và giám sát khóa chống trộm thông minh Có thể giám sát từ xa qua mạng viễn thông (tin nhắn) và điều khiển trực tiếp
từ ma trận phím 4x4, thẻ RFID
1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Tìm hiểu Arduino, module sim900, module RFID, cảm biến chuyển động,
phím ma trận 4x4
- Thiết kế, tính toán, thi công mạch giao tiếp module sim với Arduino
- Thiết kế, tính toán, thi công mạch giao tiếp cảm biến chuyển động với
Arduino
- Thiết kế, tính toán, thi công mạch giao tiếp cảm biến chuyển động với
Arduino
- Thiết kế, tính toán, thi công mạch giao tiếp module RFID với Arduino
- Viết chương trình điều khiển mô hình
- Thiết kế nguồn cung cấp cho mô hình
- Chạy thử nghiệm mô hình
- Viết báo cáo
- Báo cáo cáo đề tài tốt nghiệp
1.4 GIỚI HẠN
- Mô hình không áp dụng cho nhà ở thực tế
Trang 14- Mô hình sử dụng mạng viễn thông (SMS) để giám sát Trên thực tế thì có thể
sử dụng nhiều loại sóng để giám sát như: bluetooth, wifi
- Mô hình dùng cảm biến chuyển động HC-SR501, khoảng cách phát hiện tối đa 5m
- Dùng chuông buzzer cảnh báo khi có người đột nhập
1.5 BỐ CỤC
Chương 1: Tổng quan
Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương này trình bày khái quát về công nghệ IOT, giới thiệu các module, linh kiện sử dụng cho thiết kế mô hình (Arduino, module RFID, module Sim900, cảm biến chuyển động PIR, ma trận phím), kiến thức cơ bản và các phần mềm liên quan
để hỗ trợ cho lập trình điều khiển mô hình
Chương 3: Tính toán và thiết kế
Đưa ra sơ đồ khối, tính toán và thiết kế khối nguồn, khối điều khiển trung tâm, khối cảm biến, khối báo động, khối động cơ và nút nhấn, khối mở khóa, khối giám sát, khối hiển thị
Chương 4: Thi công hệ thống
Thiết kế lưu đồ giải thuật, viết chương trình, thi công mô hình
Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá
Đưa ra kết quả, hình ảnh mô hình, nhận xét ưu - nhược điểm và đánh giá về
mô hình
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Đưa ra Kết luận đề tài sau thời gian thực hiện, và hướng phát triển của mô hình
Trang 15Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 GIỚI THIỆU VỀ IOTS (INTERNET OF THINGS)
Internet of Things (IoTs) là mạng lưới mọi thứ đều được kết nối với Internet hay là các thiết bị kết nối với nhau trong một mạng Internet duy nhất Trong đó, các thiết bị, đồ vật có khả năng kết nối, thu thập, trao đổi thông tin, dữ liệu với nhau qua mạng bằng smartphone, máy tính bảng, máy tính nhờ được nhúng với các vi mạch điện tử, cảm biến, phần mềm Ứng dụng của IoTs rất đa dạng, trong nhiều lĩnh vực khác nhau:
- Trong đời sống: Giám sát thông minh, nhà thông minh, vận chuyển tự động, quản lý điện năng, cung cấp nước, bảo vệ thông minh, quản lý môi trường
- Trong y tế: Theo dõi sức khỏe như nhịp tim, huyết áp, phát hiện các tế bào ung thư, chế tạo các bộ phận nhân tạo trong cơ thể
- Trong công nghiệp: Giám sát sản xuất bằng các cảm biến và dây chuyền tự động, thu thập dự liệu của máy móc quản lý, điều khiển qua web hay ứng dụng điện thoại
2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
2.2.1 Module cảm biến chuyển động PIR HC – SR501
Cảm biến chuyển động HC-SR501 là cảm biến có khả năng nhận biết được một vật di chuyển thông qua các tia hồng ngoại phát ra từ vật thể trong vùng mà cảm biến hoạt động Module cảm biến có thể điều chỉnh được độ nhạy nhờ 2 biến trở là
Sx biến trở điều chỉnh độ nhạy của cảm biến, Tx biến trở điều chỉnh thời gian đóng của cảm biến, giúp cho cảm biến hoạt động phù hợp với những yêu cầu của người dùng
Trang 16Hình 2.1 Hình dạng của cảm biến PIR HC-SR501
Hình 2.2 Hình ảnh nguyên lý hoạt động của cảm biến PIR
Các cảm biến PIR luôn có 2 sensor như hình 2.2 Chắn trước mắt sensor là
một lăng kính (thường làm bằng plastic), chế tạo theo kiểu lăng kính fresnel Lăng kính fresnel này có tác dụng chặn lại và phân thành nhiều vùng (zone) cho phép tia hồng ngoại đi vào mắt sensor 2 đơn vị của mắt sensor có tác dụng phân thành 2 điện cực Một cái là điện cực dương (+) và cái kia là âm (-) Khi 2 đơn vị này được tuần tự kích hoạt (cái này xong rồi mới đến cái kia) thì sẽ sinh ra một xung điện, xung điện này kích hoạt sensor
Trang 17Hình 2.3 Hình ảnh sơ đồ chân của cảm biến PIR
Trang 18Hình 2.4 Hình ảnh sơ đồ kết nối của phím ma trận 4x4
Hình 2.5 Hình ảnh phim ma trận 4x4
2.2.3 Module Sim900a
SIM900A là module được thiết kế dưới dạng module chipset, nhỏ gọn, giá thành thấp, hoạt động ổn định Module SIM900A có các tính năng cơ bản của chiếc điện thoại như gọi, nhắn tin, truy cập GPRS
Hình 2.6 Hình ảnh Module SIM900A
Điện áp hoạt động 4.5 – 5V , dòng kích tối thiểu 1A
Giao diện: TTL
Trang 19Chức năng các chân:
- VCC: Chân cấp nguồn (3-5VDC)
- DTR: Chân đầu cuối dữ liệu
- TX: Chân truyền dữ liệu trong điều khiển UART
- RX: Chân nhận dữ liệu trong điều khiển UART
- Speaker: Chân xuất dữ liệu âm thanh
- Microphone: Chân kết nối với mic
- Chân Reset: Reset module sim
- Chân GND: Chân nối mass
2.2.4 Vi điều khiển
2.2.4.1 Giới thiệu về Arduino
Arduino là một board mạch vi xử lý dùng để lập trình xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Ưu điểm của Arduino
là ngôn ngữ cực kì dễ học (giống C/C++), các ngoại vi trên bo mạch đều đã được chuẩn hóa, nên không cần biết nhiều về điện tử chúng ta cũng có thể lập trình được
Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit Những Model hiện tại 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
2.2.4.2 Arduino Mega
Trang 20Hình 2.7 Hình ảnh Arduino Mega
Thông số kỹ thuật:
- Chip xử lý: ATmega2560
- Điện áp hoạt động: 5V
- Điện áp đầu vào (giới hạn): 6-20V
- Điện áp đầu vào (khuyến khích): 7-12V
- Số chân Digital I/O: 54(với 15 chân PWM)
- Số chân Analog (input) : 16
- Dòng sử dụng I/O Pin : 20mA
2.2.5.1 Giới thiệu về RFID
Công nghệ RFID (Radio Frequency Identification) là công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến Công nghệ này cho phép nhận biết các đối tượng thông qua hệ thống thu phát sóng radio, từ đó có thể giám sát, quản lý từng đối tượng
Trang 21Một thiết bị hay một hệ thống RFID được cấu tạo bởi hai thành phần chính là thiết bị đọc (reader) và thiết bị phát mã RFID có gắn chip Thiết bị đọc được gắn anten để thu- phát sóng điện từ, thiết bị phát mã RFID được gắn với vật cần nhận dạng, mỗi thiết bị RFID chứa một mã số nhất định và không trùng lặp nhau.
Trang 22nhau, tốn rất ít tài nguyên hệ thống và giá thành rẻ
- Chân 1: (Vss) Chân nối đất cho LCD
- Chân 2: VDD Là chân cấp nguồn cho LCD
- Chân 3: VEE là chân điều chỉnh độ tương phản của LCD
- Chân 4: RS Là chân chọn thanh ghi (Register select) Nối chân RS với logic “0” (GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi
Trang 23+ Logic “0”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế độ ghi) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ đọc)
+ Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD
- Chân 5: R/W là 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” để LCD
+ 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
- Chân 7 - 14: DB0 - DB7 - Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này:
+ Chế độ 8 bit: Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7 + Chế độ 4 bit: Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7
- Chân 15: Nguồn dương cho đèn nền
- Chân 16: GND cho đèn nền
Trang 242.3 GIAO TIẾP I2C
Hình 2.10 Mạch chuyển giao tiếp LCD 16x2
Bằng việc sử dụng giao tiếp I2C, việc điều khiển trực tiếp màn hình được chuyển sang cho IC xử lý nằm trên mạch Chỉ cần việc gửi mã lệnh cùng nội dung hiển thị, do vậy giúp vi điều khiển có nhiều thời gian xử lý các tiến trình phức tạp khác
Ưu điểm của việc sử dụng giao tiếp I2C
- Giao tiếp I2C chỉ sử dụng duy nhất 2 dây tín hiệu: SDA và SCL giúp tiết kiệm chân trên vi điều khiển
- Tốc độ truyền dữ liệu lên đến 400Kbps
- Dữ liệu truyền nhận đảm bảo tính toàn vẹn vì sử dụng cơ chế phản hồi (ACK) trên mỗi byte dữ liệu
- Có khả năng kết nối nhiều thiết bị với nhau: trên mạch có sẵn các mối hàn
A0, A1, A2 để thay đổi địa chỉ của module
- Địa chỉ mặc định: 0x27, có thể mắc vào I2C bus tối đa 8 module
2.4 CHUẨN TRUYỀN THÔNG UART
UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) là kiểu truyền nhận nối tiếp không đồng bộ UART không hẵn là một chuẩn truyền nhận, nó chỉ được coi như là một phần cứng Để tạo thành một chuẩn giao tiếp cần sử dụng với bộ chuyển đổi mức điện áp để tạo thành một chuẩn giao tiếp, UART thường dùng mức logic
Trang 255V – 0V UART được dùng trong máy tính công nghiệp, truyền thông, vi điều khiển, hay một số các thiết bị truyền tin khác
Một số thông số:
- Baud rate (tốc độ Baud): Khi truyền nhận không đồng bộ để hai module hiểu được nhau thì cần quy định một khoảng thời gian cho 1 bit truyền nhận, nghĩa là trước khi truyền thì tốc độ phải được cài đặt đầu tiên Theo định nghĩa thì tốc độ baud là số bit truyền trong một giây
- Frame (khung truyền): Do kiểu truyền thông nối tiếp này rất dễ mất dữ liệu nên ngoài tốc độ, khung truyền cũng được cài đặt từ ban đầu để tránh bớt sự mất mát
dữ liệu này Khung truyền quy định số bit trong mỗi lần truyền, các bit báo như Start, Stop, các bit kiểm tra như parity và số bit trong một data
- Bit Start : Là bit bắt đầu trong khung truyền bit này nhằm mục đích báo cho thiết bị nhận biết quá trình truyền bắt đầu Trên AVR bit Start có trọng thái là 0
- Data: Dữ liệu cần truyền Data không nhất thiết phải 8 bit Có thể là 5, 6, 7, 8,
9 Trong UART bit LSB được truyền đi trước, bit MSB được truyền đi sau Parity bit: Là bit kiểm tra dữ liệu đúng không Có 2 loại parity: chẵn (even parity), lẻ (old parity) Parity chẵn là bit parity thêm vào để số 1 trong data + parity = chẵn Parity
lẻ là bit parity thêm vào để số số 1 trong data + parity = lẻ Bit Parity là không bắt buộc nên có thể dùng hoặc không
- Stop: Là bit báo cáo kết thúc khung truyền, thường là mức 5V và có thể có 1 hoặc 2 Stop
2.5 GIAO TIẾP SPI
Giao tiếp ngoại vi nối tiếp hoặc SPI (Serial Peripheral Interface) là chuẩn đồng
bộ truyền nối tiếp song công (Full-duplex) cung cấp một giao diện đơn giản với chi phí thấp giữa vi điều kiển và các ngoại vi Giao tiếp SPI thường sử dụng giao tiếp EEPROM, RTC, ADC, DAC, LCD, RFID, các cảm biến như nhiệt độ áp suất
Bus của SPI gồm 4 tín hiệu hoặc chân:
Trang 26- Master – out/Slave- in(MOSI): Truyền dữ liệu từ thiết bị Chủ (Master) đến thiết bị Tớ (Slave)
- Master – in/Slave – out (MISO): Truyền dữ liệu từ thiết bị Tớ (Slave) sang thiết bị chủ(Master)
- Serial Clock (SCK): Xung giữ nhịp giao tiếp SPI
- Chip Select (CS) hay Slave Select(SS): Chọn Chip
Một Master có thể kết nối với nhiều Slave nhưng tại một thời điểm chỉ có duy nhất một Slave hoạt động (truyền nhận dữ liệu)
Hình 2.11 Hình ảnh kết nối giữa Master và Slave
Ứng dụng của SPI: Giao thức SPI thường được tích hợp trong một số thiết bị như :
-Bộ chuyển ADC, DAC
-Các bộ nhớ EEPROM, SD card, Flash
-Các loại cảm biến như nhiệt độ, áp suất
2.6 PHẦN MỀM ARDUINO IDE
Để lập trình được cho các board Arduino, cần phải có một công cụ gọi là Intergrated Development Environment (IDE)
Hình 2.12 Logo phần mềm IDE
Trang 27Hình 2.13 Hình ảnh giao diện phần mềm IDE
Chương trình Arduino được viết bằng C hoặc C++ Arduino IDE đi kèm với một thư viện phần mềm được gọi là "Wiring" Người sử dụng chỉ cần định nghĩa hai hàm để thực hiện một chương trình:
- Setup() : hàm chạy một lần duy nhất vào lúc bắt đầu của một chương trình dùng để khởi tạo các thiết lập
- Loop() : hàm được gọi lặp lại liên tục cho đến khi bo mạch được tắt đi
Arduino IDE được phát triển và có thể chạy trên Windows, MAC OS X và Linux
3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH
Trang 283.2.1 Thiết kế sơ đồ khối mô hình
Khối nguồn
Khối điều khiển trung tâm
Khối động cơ Khối cảm biến
Khối mở khóa
Khối giám sát
Khối báo động
Khối hiển thị Khối nút nhấn
Hình 3.1 Sơ đồ khối của mô hình
Chức năng từng khối:
Khối điều khiển trung tâm( Arduino)
- Đọc và xử lý tín hiệu từ cảm biến chuyển động
- Giao tiếp với module Sim900 để giám sát, việc đóng mở khóa
- Giao tiếp LCD để hiển thị thông tin
- Nhận tín hiệu từ phím ma trận để mở khóa
- Kích hoạt buzzer báo động
Khối giám sát (GSM – Global System for Mobile communications)
Module Sim900 có chức năng gửi tin nhắn đến số được cài đặt để cập nhật
trạng thái hiện tại của khóa
Khối cảm biến
Trang 29Sử dụng cảm biến chuyển động PIR HC-SR501 Arduino nhận tín hiệu từ cảm biến và tiến hành xử lý
Khối báo động
Sử dụng còi báo động và đèn tín hiệu Khi có tín hiệu từ cảm biến arduino kích hoạt còi và đèn để báo động
Khối động cơ và nút nhấn
Sử dụng động cơ servo để khóa và mở khóa Arduino trực tiếp điều khiển động
cơ khi có tín hiệu từ phím ma trận và module sim Có 1 nút nhấn khóa và mở cửa bên trong
3.2.2 Thiết kế chi tiết
3.2.2.1 Khối điều khiển trung tâm (Arduino)
Khối điều khiển trung tâm sử dụng board arduino mega 2560 để điều khiển, board có 54 chân digital I/O, 16 chân Analog, 4 cặp UART (Rx,Tx), thạch anh dao động 16Mhz, 1 nút Reset Cấp nguồn 5VDC cho Arduino bằng Adapter vào Vin và
chân GND Sơ đồ nguyên lý kết nối của khối điều khiển trung tâm như hình 3.2:
- Module sim900A: Tx và Rx của Module sim900A kết nối với chân 17 và 16 (UART 2 – RX, TX) của Arduino Mega 2560
- Module cảm biến chuyển động PIR: chân OUT của cảm biến nối với chân 2 của Arduino
- Nút nhấn khóa – mở cửa: nối với chân 18 của Arduino
Trang 30- Chuông báo động Buzzer nối với chân A12 của arduino
- Đèn led báo động nối với chân A13 của Arduino
- Module hiển thị LCD I2C chân SCL, SDA nối với chân SCL, SDA của Arduino
- Động cơ Servo để khóa - mở cửa nối với chân 3 của Arduino
- Module RFID : SDA, SCK, MOSI, MISO lần lượt nối với chân 53, 52, 51, 50 của Arduino
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý của khối điều khiển arduino
3.2.2.2 Khối giám sát
Khối giám sát dùng module sim900A với mục đích là giám sát và cảnh báo thông qua việc gửi tin nhắn và gọi điện Chân cấp nguồn Vcc của Module được cấp trực tiếp nguồn 5VDC từ khối nguồn Chân Tx và Rx của Module lần lượt nối với chân 17 và 16 của Arduino
Sơ đồ nối dây của module sim900A với Arduino như hình 3.3 sau:
Trang 31Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý của khối giám sát
3.2.2.3 Khối cảm biến
Khối cảm biến dùng cảm biến chuyển động PIR (Passive infrared sensor) SR501 để phát hiện vật thể chuyển động phát ra bức xạ hồng ngoại (con người, động vật, vật tỏa nhiệt), cảm biến điều chỉnh được độ nhạy cũng như khoảng cách phát hiện vật chân PIR của cảm biến kết nối với chân 2 của Arduino Sơ đồ nguyên lý
HC-của cảm biến PIR với Arduino như hình 3.4:
Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến
Trang 323.2.2.4 Khối báo động
Khối báo động dùng chuông Buzzer và đèn led để báo hiệu khi có tín hiệu từ cảm biến PIR Chuông buzzer kết nối với chân A12 và đèn led kết nối với chân A13
của Arduino Sơ đồ nguyên lý của khối báo động như hình 3.5:
Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý khối báo động
Do các tín hiệu cảnh báo
Nguồn ra từ chân Arduino: 5V
Dòng ra định mức led đỏ: 10mA – 15mA
R = =
= 330Ω - 500Ω Chọn trở hạn dòng cho led đỏ là 330Ω
Dòng với trở 330Ω là
I = = 15mA
=> Led vẫn sáng bình thường
3.2.2.5 Khối động cơ và nút nhấn
Khối động cơ và nút nhấn là khối dùng để khóa (chốt) cửa:
- Khối động cơ: sử dụng 1 động cơ servo SG90 để mô phỏng khóa (chốt) cửa tự động khi có tín hiệu khóa từ khối điều khiển trung tâm Arduino Mega 2560 Động
Trang 33cơ được kết nối với chân số 3 của Arduino làm chân điều khiển, nhận nguồn nuôi 5V từ ngoài
- Khối nút nhấn: sử dụng 1 nút nhấn button đặt ở bên trong nhà để điều khiển khóa/mở chốt cửa khi đang ở bên trong nhà Nút nhấn có thêm 1 điện trở để chống dội và được kết nối với chân 18 của Arduino 1Sơ đồ nguyên lý khối động cơ và nút
nhấn như hình 3.6:
Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý khối động cơ và nút nhấn
3.2.2.6 Khối mở khóa
Khối mở khóa gồm 2 phần thực hiện tuần tự với nhau: mở khóa bằng thẻ từ
RFID rồi mới mở bằng phím ma trận 4x4 Sơ đồ nguyên lý khối mở khóa như hình 3.7:
Trang 34Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý khối mở khóa
- Mở khóa bằng thẻ từ RFID: sử dụng module RFID-RC522 để làm bộ phận mở khóa đầu tiên Các chân SDA, SCK, MOSI, MISO lần lượt kết nối với các chân 53,
52, 51, 50 của Arduino Module nhận nguồn nuôi 3.3V từ nguồn 3.3V của
arduino.Sơ đồ nguyên lý mạch mở khóa dùng RFID như hình 3.8:
Trang 35Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý mạch mở khóa dùng RFID
- Mở khóa dùng phím ma trận 4x4: Sử dụng phím ma trận gồm 16 nút nhấn, có chức năng nhập mật khẩu để điều khiển mở khóa cửa sau khi mở lớp đầu tiên bằng RFID Ma trận phím có 8 chân (C1, C2, C3, C4, R1, R2, R3, R4) lần lượt kết nối với chân 12 đến 5 của Arduino Sơ đồ nguyên lý mạch mở khóa dùng ma trận phím 4x4
như hình 3.9 sau:
Trang 36Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý mạch mở khóa dùng ma trận phím
Hình 3.10 Sơ đồ nối dây ma trận phím 4x4
3.2.2.7 Khối hiển thị
Khối sử dụng LCD để hiển thị các thông tin, thông báo, mật khẩu dưới dạng ẩn (*) LCD kết hợp module I2C thông qua chuẩn giao tiếp I2C rút ngắn được số chân còn 2 chân SDA, SCL Hai chân SDA và SCL kết nối với chân SDA và SCL của
Arduino Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị như hình 3.11:
Trang 37Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị
3.2.2.8 Khối nguồn
Khối nguồn sử dụng adapter cung cấp nguồn nuôi mạch hoạt động
Tính toán dòng của mô hình:
- Dòng tiêu thụ của cảm biến chuyển động PIR ở 5V là : ≤ 50 uA
- Dòng tiêu thụ của module Sim900A ở 5V là : 200mA, dòng kích tối thiểu 1A
- Dòng tiêu thụ của module RFID ở 3.3V là : 26mA
- Dòng tiêu thụ của Arduino Mega 2560 ở 9V là: 300mA
Board Arduino Mega2560 cấp dòng tổng tại chân 5V là 500mA, 3.3V xấp xỉ 50mA
- Dòng tiêu thụ của chuông buzzer ở 5V là : <25mA
- Dòng tiêu thụ của led đỏ báo động ở 5V là 15mA
Buzzer và led kết nối trực tiếp với Arduino nên dòng tiêu thụ tính trên board:
= 25 + 15 = 40(mA)