Hệ thống tiếp nhận thông tin từ cảm biến nhiệt, cảm biến khói đưa về vi điều khiển PIC16F877A để hiển thị ra LCD. Khi phát hiện các thông số vượt ngưỡng quy định, vi điều khiển khởi động relay bật đèn, còi hú đồng thời điều khiển Servo ngắt cầu dao điện. Ngoài ra, hệ thống còn gửi SMS cho người dùng để cảnh báo.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ -o0o - BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG ĐỀ TÀI 27 HOME SECURITY SYSTEM Giảng viên hướng dẫn: Trương Quang Vinh Home Security System GVHD: Trương Quang Vinh : I Giới thiệu đề tài Đặc tả hệ thống a) Mô tả hệ thống .4 b) Mơi trường ngồi c) Sơ đồ kết nối hệ thống d) Mô tả module Phân tích vấn đề hệ thống nhúng .5 a) Constraints .5 b) Functions c) Real-time system d) Concurrent systems e) Reactive system .6 Hợp đồng nhóm .6 Kế hoạch dự án II Thiết kế Phần cứng a) Vẽ sơ đồ mạch .8 b) Tính tốn thơng số mạch Phần mềm 10 a) Vẽ lưu đồ giải thuật 10 b) Giải thích giải thuật 11 III: Thực hệ thống đánh giá .14 Giải thích code 14 a) Giao tiếp Servo (PWM) .14 b) Giao tiếp LM35, MQ2 14 c) Giao tiếp module sim 15 Đánh giá chất lượng hệ thống .16 a) Ưu điểm .16 b) Nhược điểm 16 c) Những khó khăn q trình thực 16 Đánh giá tác động hệ thống ngữ cảnh kinh tế, mơi trường, xã hội, tồn cầu 17 a) Xác định ngữ cảnh xã hội, kinh tế, mơi trường, tồn cầu có liên quan đến hệ thống 17 Home Security System GVHD: Trương Quang Vinh : b) Giải thích tác động giải pháp kỹ thuật thiết kế hệ thống ngữ cảnh 17 c) Xem xét lựa chọn giải pháp kỹ thuật chọn giải pháp phù hợp dựa tác động 18 Home Security System GVHD: Trương Quang Vinh : I Giới thiệu đề tài Đặc tả hệ thống a) Mô tả hệ thống Hệ thống tiếp nhận thông tin từ cảm biến nhiệt, cảm biến khói đưa vi điều khiển để hiển thị LCD Khi phát thông số vượt ngưỡng quy định, vi điều khiển khởi động relay bật đèn, còi hú đồng thời điều khiển Servo ngắt cầu dao điện Ngồi ra, hệ thống cịn gửi SMS cho người dùng để cảnh báo b) Môi trường - Người dùng điều khiển qua button để bật tắt, giám sát qua LCD - Nhiệt độ: Hoạt động nhiệt độ 1000̊ C , nhiệt độ cao làm hỏng LCD - Nồng độ oxy: 20% để cảm biến khói MQ-2 hoạt động tốt - Độ ẩm: Hoạt động độ ẩm khoảng 40-70%, không hoạt động nơi ẩm ướt hồ bơi, phịng xơng dễ bị chập điện c) Sơ đồ kết nối hệ thống d) Mô tả module Home Security System GVHD: Trương Quang Vinh : - Cảm biến nhiệt LM35: Hoạt động nhiệt độ -55 –150 ◦C, tín hiệu nhiệt độ analog truyền vi điều khiển PIC16F877A - Cảm biến khói MQ-2 : Hoạt động điều kiện nhiệt độ -20- 50 C, nhận biết nồng độ khí gây cháy khơng khí ( CO 2, alcohol, …) truyền điện áp liên tục PIC16F877A - Servo (lực kéo kg) : Nhận tín hiệu xung từ PIC thay đổi góc quay dựa độ rộng xung mức cao - Module parallel LCD : Gồm LCD 16x2 module PCF8574 hiển thị nhiệt độ nồng độ khí gây cháy - Module sim 800L sim 4G vienammobile: Nhận tín hiệu từ PIC16F877A gửi tin nhắn cảnh báo cho người dùng - Đèn còi mini AD16 : Được đóng ngắt Relay - Module Relay kích mức thấp 5DVC: Nhận tín hiệu điện từ PIC16F877A, hoạt động có điện áp mưc thấp (mức 0) truyền tới đèn còi mini AD16 - Vi điều khiển PIC16F877A 8bit : Sử dụng tập lệnh RISC, có 31 lệnh tốc độ xử lí tối đa 30MHz với chu kì lệnh 200ms Dung lượng ROM la 8K x16bit, RAM 368 x 8byte Phân tích vấn đề hệ thống nhúng a) Constraints - Giá 500.000 đồng - Độ xác: 80% - Tuổi thọ cao > năm, hoạt động liên tục 24/24 b) Functions - Cảm biến bị lỗi bị nhiễu gây ảnh hưởng đến hệ thống, cần kiểm tra định kì - Hệ thống dễ bị tác động ngoại cảnh chuột, độ ẩm,… làm ảnh hưởng đến chức cảm biến, cần để nơi thích hợp, có thiết bị bảo vệ bên ngồi - Relay tự động hư hỏng hệ thống không phát hoả hoạn làm cho cịi/đèn báo khơng hoạt động, cần có chế độ bật tắt tay c) Real-time system - Soft real-time - Độ trễ cho phép: 1s Home Security System GVHD: Trương Quang Vinh : d) Concurrent systems - Đọc cảm biến khói, nhiệt độ - Hiển thị LCD - Gửi tin nhắn cho người dùng có cháy - PIC phát tín hiệu điều khiển servo, relay, … e) Reactive system - Hệ thống thuộc loại hoạt động liên tục - Khơng có tính chu kỳ Hợp đồng nhóm Thành viên Vai trị Kĩ sư hệ thống Thiết kế phần cứng Thiết kế phần mềm Nhóm trưởng, Thiết kế Chữ kí phần mềm Task Chịu trách nhiệm Phát triển kiến trúc hệ thống Thiết kế phần cứng Thiết kế phần mềm Tổng hợp kiểm tra Giám sát Họp nhóm 8:00, thứ hàng tuần Họp tổng kết công việc 17:30 thứ tư hai tuần lần Tham dự tất buổi họp mặt, khơng đến trễ, Luật lệ nhóm khơng lí Khơng cãi nhau, gây đồn kết giữ thành viên Hoạt động với tinh thần vui vẻ, trách nhiệm, tự giác hợp tác Hoàn thành nhiệm vụ giao trước thời hạn Kế hoạch dự án Kế hoạch dự án Tên nhóm Tên đề tài 27 Home Security System Home Security System GVHD: Trương Quang Vinh : - Đọc cảm biến nhiệt độ, cảm biến khói hiển thị lên LCD Đặc điểm - Khi xảy cố, ngắt nguồn điện đồng thời gửi cảnh báo cháy cho người dùng thơng qua cịi, đèn, SMS tháng Thời gian Bắt đầu: 1/9/2019 Kết thúc : 30/11/2019 Thành phần : 250.000 đồng Giá tiền Công cụ: 120.000 đồng Tổng : 370.000 đồng Thành viên nhóm Tiến trình Tháng Thiết kế cấu trúc hệ thống Thiết kế phần cứng 2.1 Lựa chọn phần cứng 2.2.Thiết kế điều khiển 2.3 Thực thi phần cứng Thiết kế phần mềm 3.1, Lựa chọn thuật toán 3.2 Thiết kế hàm với chức riêng 3.3.Tổng hợp toàn chương trình phần mềm 3.4 Tối ưu chương trình Thực thi kiểm tra 4.1 Mô cấu trúc 4.2 Kiểm chứng hệ thống II Thiết kế Phần cứng a) Vẽ sơ đồ mạch Tháng 10 Tháng 11 Home Security System GVHD: Trương Quang Vinh : b) Tính tốn thơng số mạch Mạch demo sử dụng LED đỏ thay cho đèn báo động, LED đỏ có điện áp làm việc 2.1V, dòng cực đại 30mA Giátrị điện trở R3 cần sử dụng là: Vậy chọn R3 = 330 BJT BC547 dùng để khuếch đại dòng từ ngõ PIC, kích chân điều khiển Relay Phần mềm Home Security System GVHD: Trương Quang Vinh : a) Vẽ lưu đồ giải thuật b) Giải thích giải thuật Home Security System GVHD: Trương Quang Vinh : - Khi bắt đầu khởi động, hệ thống có hai trạng thái: sử dụng nguồn lưới nguồn pin dự phịng nhờ vào chế độ đóng ngắt rơ-le Đầu tiên, hệ thống sử dụng nguồn lưới điện (ưu tiên cao), sử dụng nguồn dự phòng xảy cố điện (ưu tiên thấp) - Khi vào chương trình, phần mềm khởi động số lệnh để sẵn sàng làm việc như: hiển thị LCD, chế độ truyền liệu UART, module SIM, chế độ xung PWM,…) Sau đó, cảm biến khởi động làm nhiệm vụ đo độ mờ mịt, đo nhiệt độ Chương trình dùng vi xử lý để đọc liệu từ cảm biến hiển thị LCD thông số nhiệt độ (Term, oC), độ mờ mịt (Obsc, %) Dữ liệu đồng thời đem vi xử lý để phân loại chế độ báo cháy cách so sánh thông số nhiệt độ, độ mờ mịt khu vực với ngưỡng định sẵn vi xử lý Chương trình dùng thuật tốn để giải trường hợp sau: Trường hợp 1: Chế độ bình thường Độ mờ mịt < 15 % nhiệt độ 50oC: Hệ thống khởi động chế độ Có nguy cháy nhiệt độ cao Ở chế độ này, hệ thống hiển thị dòng cảnh báo LCD , gửi SMS qua SIM cho người dùng, đồng thời chương trình quay trở lại bước thu liệu từ cảm biến để cập nhật tình hình Trường hợp 3: Độ mờ mịt > 10-20% nhiệt độ 50 oC: Hệ thống khởi động chế độ nguy hiểm có đám cháy xảy Ở chế độ này, 10 Home Security System GVHD: Trương Quang Vinh : chương trình thực cảnh báo từ thấp đến cao Đầu tiên, hệ thống kích hoạt đèn báo, cịi hú để báo động gây ý Tiếp đến, hệ thống liên tục gửi cảnh báo tin nhắn cho người dùng liên tục cách khoảng 30s để phòng trường hợp có người dùng nhà ngồi Để đề phịng cháy nổ gây thiệt hại lớn, hệ thống ngắt cầu dao lưới điện nhà chuyển sang sử dụng nguồn dự phòng Với nguồn dự phòng, hệ thống tiếp tục quay lại bước lấydữ liệu từ cảm biến Khi đám cháy cố dập tắt giải quyết, ta reset lại hệ thống để sử dụng lại nguồn lưới tiếp tục làm việc 11 Home Security System GVHD: Trương Quang Vinh : III: Thực hệ thống đánh giá Giải thích code a) Giao tiếp Servo (PWM) #int_timer1 void timer1_isr() { clear_interrupt(INT_TIMER1); output_toggle(PIN_C3); if (a) set_timer1(muc0); //1ms else set_timer1(muc1); //19ms a=!a; } void pwm_init(void) { output_low(PIN_C3); setup_timer_1(T1_INTERNAL| T1_DIV_BY_8); enable_interrupts(global); enable_interrupts(int_timer1); } - Servo vị trí bình thường nhận chuỗi xung có chu kì 20ms ( 19ms mức thấp, 1ms mức cao ) quay góc 90 o nhận chuỗi xung 20ms (18ms mức thấp, 2ms mức cao) Do đó, sử dụng ngắt timer1 để tạo chuỗi xung - Theo đó, ta tính thơng số N qua công thức: /(4*Prescale) b) Giao tiếp LM35, MQ2 void adc_init(void) { setup_adc_ports(ALL_ANALOG); 12 Home Security System GVHD: Trương Quang Vinh : setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL); } void lcd_display(void) { lcd_putc("\f"); set_adc_channel(0); delay_us(100); nhietdo = read_adc()*0.488281; set_adc_channel(1); delay_us(100); khoi = read_adc(); printf(lcd_putc,"Nhiet do:%.2f ",nhietdo); lcd_gotoxy(1,0); printf(lcd_putc,"Gas/Khoi:%ld ppm",khoi); delay_ms(500); } - Con số 0.488241 tính lượng thay đổi chân ADC ứng với thay đổi 10mV đầu LM35 hay ứng với thay đổi độ C LM35 - Chọn kênh cho nhiệt độ kênh 0, kênh cho độ ẩm c) Giao tiếp module sim void send_to_modem(char *s) { while(*s) putc(*s++); putc(0X0D); } void sim_init() { setup_uart(9600); send_to_modem(AT); delay_ms(1000); send_to_modem(noecho); delay_ms(1000); 13 Home Security System GVHD: Trương Quang Vinh : Giải thích: Gửi AT để bắt tay.Gửi Ateo để tắt chế độ Echo Đánh giá chất lượng hệ thống a) Ưu điểm - Hệ thống hoạt động liên tục, độ xác cao - Chi phí thực rẻ - Thời gian xử lí nhanh, nên liệu cập nhật liên tục - Các giải thuật phần mềm tương đối dễ sử dụng b) Nhược điểm - Hệ thống tiêu thụ lượng điện lớn - Các cảm biến dễ bị tác động ngoại lực , cần thời gian để khởi động c) Những khó khăn q trình thực - Các module có nhiêu cách sử dụng sử dụng hạn mức điện áp khác nên dễ hư hỏng Trong trình thực phải sửa chữa thay nhiều lần - Gặp khó khăn việc dây thiết kế mạch in mạch nhiêu linh kiện - Gặp khó khăn việc giao tiếp với module sim lần đầu sử dụng.module sim, thử nghiệm thực tế nhận thấy việc gửi tin nhắn liên tục khơng ổn định, nhóm định thay hình thức gọi điện - Khơng có dụng cụ đo xác nhiệt độ nồng độ khí độc nên việc kiểm tra mạch mang tính chất tương đối Đánh giá tác động hệ thống ngữ cảnh kinh tế, mơi trường, xã hội, tồn cầu a) Xác định ngữ cảnh xã hội, kinh tế, mơi trường, tồn cầu có liên quan đến hệ thống - Ngữ cảnh kinh tế: Hệ thống giúp giảm tối đa thiệt hại vật chất có đám cháy xảy Hệ thống nhỏ, gọn, dễ sử dụng giúp thu hút khách hàng Hệ thống sử dụng sim có tính cước phí - Ngữ cảnh môi trường: Hệ thống phát mức độ nhiễm khơng khí nhà, hệ thống tiêu tốn điện hoạt động liên tục 24/24 - Ngữ cảnh xã hội: Hệ thống đưa báo động giúp đơn vị phòng cháy chữa cháy làm việc nhanh chóng, hiệu 14 Home Security System GVHD: Trương Quang Vinh : - Ngữ cảnh toàn cầu: Nếu hệ thống nâng cấp liên kế có tác động b) Giải thích tác động giải pháp kỹ thuật thiết kế hệ thống ngữ cảnh - Ngữ cảnh kinh tế: Hệ thống nén diện tích để tiết kiệm chi phí Hệ thống nên lồng kính để trơng đẹp mắt tránh tác động ngoại lực Hệ thống nên sử dụng thuê bao trả sau để đảm bảo tin nhắn gửi - Ngữ cảnh môi trường: Hệ thống hiển thị liên tục nồng độ khí độc khơng khí giúp cảnh báo mức độ nhiễm khơng khí - Ngữ cảnh xã hội: Hệ thống gửi SMS tới điên thoại người dùng đơn vị chữa cháy để công tác chữa cháy kịp thời - Ngữ cảnh toàn cầu: Hệ thống gửi thống số nhiệt độ nồng độ khí độc đơn vị chức trách nghiên cứu phân tích tình trạng khơng khí tồn cầu c) Xem xét lựa chọn giải pháp kỹ thuật chọn giải pháp phù hợp dựa tác động - Vi xử lí: + Option 1: PIC16F877A: Nhiều chương trình ngắt, đủ Port, đủ chức + Option 2: PIC16F84: Ít chân, ngắt, tiết kiệm chi phí + Option 3: 8051: Rẻ, tiện dụng, Timer không đáp ứng yêu cầu Chọn option - Ngoại vi hiển thị: + Option 1: LCD serial: Ít chân, dễ giao tiếp, truyền nối tiếp nên tốc độ chậm + Option 2: LCD parallel: Nhiều chân, giao tiếp khó hơn, tốc độ truyền nhanh Chọn option - Loại cảm biến: + Option 1: Cảm biến nhiệt độ LM35 cảm biến khói MQ2: cảm biến hoạt động độc lập nên độ xác cao, cảm biến dùng chung cách đọc liệu nên dễ giao tiếp 15 Home Security System GVHD: Trương Quang Vinh : + Option 2: Cảm biến DHT11: Cảm biến tích hợp đo nhiệt độ độ ẩm, chi phí rẻ nhiên sử dụng hình thức truyền nối tiếp nên thời gian xử lí chậm Chọn option - Loại ngắt cầu dao: +Option 1: Servo kéo 1kg : Sử dụng tác động học +Option 2: Relay DVC : Tác động trực tiếp vào mạch điện nhà Chọn option 16 ... trình Tháng Thiết kế cấu trúc hệ thống Thiết kế phần cứng 2.1 Lựa chọn phần cứng 2.2 .Thiết kế điều khiển 2.3 Thực thi phần cứng Thiết kế phần mềm 3.1, Lựa chọn thuật toán 3.2 Thiết kế hàm với... Reactive system - Hệ thống thuộc loại hoạt động liên tục - Khơng có tính chu kỳ Hợp đồng nhóm Thành viên Vai trị Kĩ sư hệ thống Thiết kế phần cứng Thiết kế phần mềm Nhóm trưởng, Thiết kế Chữ kí phần... Đặc tả hệ thống a) Mô tả hệ thống .4 b) Mơi trường ngồi c) Sơ đồ kết nối hệ thống d) Mô tả module Phân tích vấn đề hệ thống nhúng