Ngoài những tiêu chuẩn về nhiệt độ, độ ẩm và cường độ ánh sáng như đã nêu trên, tôi đưa ra những yêu cầu chính của hệ thống như sau:
+ Có khả năng đo nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh sáng trong phòng làm việc.
+ Có khả năng tăng độ ẩm trong phòng khi không khí quá khô
+ Có khả năng điều khiển các thiết bị thông qua nút bấm trực tiếp hoặc gián tiếp.
+ Có chức năng hiển thị mọi thông số của hệ thống (sử dụng màn hình LCD 20x04).
+ Có khả năng điều chỉnh nhiệt độ trong phòng (cảm biến BHT22).
3.2. Xây dựng các phương pháp điều khiển và chọn giải pháp phù hợp
Với những yêu cầu chức năng của hệ thống đã nêu, ta có rất nhiều phương án để thiết kế hệ thống. Một số phương pháp điều khiển có thể lựa chọn như sau:
Điều khiển theo điểm cục bộ
Với phương án này ta sẽ xây dựng hệ thống nhỏ, với bộ xử lý trung tâm có thể là vi điều khiển, bộ xử lý này có chức năng nhận và xử lý tín hiệu từ cảm biến để bật tắt các thiết bị như mong muốn. Hệ thống này sẽ có đặc điểm đơn giản- gọn nhẹ, tuy nhiên nhược điểm là không thể giám sát và điều khiển các hệ thống thiết bị từ xa. Hệ thống không có khả năng liên kết thành mạng.
Điều khiển theo mạng cục bộ
Ở đây ta sẽ thiết kế hệ thống mà ngoài những chức năng như phương pháp điều khiển cục bộ ở trên nó còn có khả năng liên kết thành mạng, tương tự như mạng cục bộ trong các cơ quan, nhà máy xí nghiệp. Theo đó, trong mạng sẽ có nhiều điểm tương ứng với các văn phòng làm việc khác nhau, người sử dụng có thể theo dõi thông số giữa các điểm hoặc thậm chí là điều khiển cùng lúc nhiều điểm khác nhau. Hệ thống này có thể phát triển theo hướng chuyên biệt để áp dụng cho hệ thống các văn phòng, tòa nhà lớn với nhiều thiết bị tiêu thụ các loại phức tạp, đây chính là những hệ thống BMS đang có trên thực tế.
Tuy nhiên hệ thống này có nhược điểm lớn nhất là chi phí đầu tư lớn. vận hành phức tạp, chỉ phù hợp với những tòa nhà, tổ hợp văn phòng đồ sộ. Nói chung là không phù hợp với một phòng làm việc đơn lẻ như luận văn này.
Điều khiển qua mạng Internet hoặc mạng điện thoại
Điều khiển thiết bị qua mạng điện thoại hoặc Internet là khái niệm tương đối mới trong vài năm trở lại đây. Chức năng này có thể tích hợp với những hệ
Khối xử lý trung tâm Arduino Nano Khối Cảm biến ( BH1750 ) ( DHT22 ) (E18-D80NK) Khối Đèn Khối Quạt
Khối Phun sương Khối nút bấm (Số 1) (Số 2) (Số 3) Khối hiển thị (LCD 20x4) Sim800L Khối nguồn Adapter 5 VDC Adapter 12VDC Adapter 24VDC
thống hiện có với chi phí không quá lớn. Hệ thống với khả năng điều khiển qua mạng tăng tính tiện dụng, giúp người sử dụng có thể điều khiển hệ thống từ rất xa, cũng như giám sát được những thay đổi về thông số của nơi đặt thiết bị nói chung cũng như các văn phòng làm việc trong luận văn này nói riêng.
Hiện nay mạng điện thoại đã phủ khắp toàn quốc, đặc biệt là mạng điện thoại di động có thể phủ tận đến những vùng biên giới hải đảo xa xôi mà giá cước sử dụng lại ngày càng rẻ. Điều này cho phép các hệ thống điều khiển qua mạng điện thoại có điều kiện phát triển không ngừng
Trong luận văn này của tôi, hệ thống các thiết bị trong văn phòng được điều khiển bằng cách kết hợp phương pháp điều khiển điểm cục bộ có tích hợp điều khiển giám sát qua mạng điện thoại, cụ thể ở đây là sử dụng các tin nhắn dạng text.
3.3. Sơ đồ khối
Chức năng các khối
- Khối nguồn: Có chức năng cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống. - Khối xử lý trung tâm Arduino Nano: Có chức năng điều khiển khối hiển thị và các khối cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến tiệm cận hồng ngoại và cảnh báo khi nhận được tín hiệu từ Sim800L để bật tắt đèn, động cơ phun sương và quạt.
- Khối Sim800L: Dùng để gửi và nhận tin nhắn từ điện thoại di động thông qua khối Arduino để bật, tắt đèn, quạt và phun sương.
- Khối đèn: Sử dụng đèn led, có chức năng chiếu sáng cho văn phòng. Đắc biệt là có thể điều chỉnh độ sáng bằng cách thay đôi độ rộng xung điều khiển cho bóng đèn. Từ đó có thể thay đổi độ chiếu sáng cho phù hợp với điều khiển làm việc cho văn phòng.
- Khối quạt: Có chức năng làm mát văn phòng. Được bật tắt nhờ vào việc theo dõi nhiệt độ trong văn phòng làm việc, khi quá nóng sẽ tự động bật để làm mát, khi đã mát sẽ tự động tắt để tiết kiệm năng lượng.
- Khối phun sương: có chức năng làm mát và tạo độ ẩm trong văn phòng. Như khối quạt, phun sương được bật tắt tự động nhờ vào sự theo dõi độ ẩm trong văn phòng. Khi không khí quá khô sẽ được tự động bật để làm ẩm không khí.
- Khối cảm biến: gồm các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và cường độ ánh sáng. Có nhiệm vụ thu thập dữ liệu về điều kiện môi trường xung quanh và đưa đến khối điều khiển để xử lí.
- Khối nút bấm: gồm các nút bấm, được mắc nối tiếp với một điện trở treo lên nguồn. Khi được bấm sẽ đưa một tín hiệu 0V tới khối điều khiển để xử lí. Các tín hiệu được sử dụng để bật tắt quạt, phun sương và đèn.
- Khối màn hình (LCD 20x4): Có chức năng thiển thị lên giá trị nhiệt độ, độ ẩm không khí, số người ra/vào, cường độ ánh sáng và bật tắt đèn, phun sương.
3.4. Nguyên lý hoạt động
Hệ thống điều khiển các thiết bị điện trong văn phòng gồm các thành phần cảm biến và thiết bị chính: cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT22, cảm biến cường độ
module Sim800L, màn hình hiển thị LCD 20x4, rơ le đóng mở thiết bị, mosfet điều khiển độ sáng đèn, quạt làm mát, thiết bị tạo sương, đèn chiếu sáng.
Hệ thống khi hoạt động sẽ đọc giá trị nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh sáng tại văn phòng làm việc, cho hiển thị lên LCD dễ dàng giám sát các thông số của môi trường làm việc. Đồng thời hệ thống cũng nhận tín hiệu từ bộ 2 cảm biến tiệm cận hồng ngoại đếm số người vào ra văn phòng. Khi trong văn phòng không có ai làm việc, hệ thống tự động cho tắt các thiết bị điện đèn, quạt và phun sương nhằm tiết kiệm năng lượng. Khi có người vào làm việc, hệ thống cho phép bật tắt các thiết bị điện bằng nhiều cách khác nhau.
Trên mạch điều khiển có sẵn 3 nút bấm điều khiển, cho chúng ta bật tắt 3 thiết bị: đèn, quạt, phun sương một cách chủ động và dễ dàng. Hoặc hệ thống cũng cho chúng ta bật tắt các thiết bị điện từ xa qua các tin nhắn có nội dung: LED1, LED0, FAN1, FAN0, HUM1, HUM0. Với giá trị 0,1 phía cuối tin nhắn đại diện cho trạng thái tắt(0) và bật(1) của thiết bị. Khi các thiết bị đã được bật. Hệ thống sử dụng các biến về nhiệt độ độ ẩm và cường độ ánh sáng để điều khiển tự động cả thiết bị điện khi này.
Khi giá trị nhiệt độ trong căn phòng nhỏ hơn 25 độ C, không khí đã mát mẻ, hệ thống tự động cho quạt dừng làm việc, tiết kiệm năng lượng. Khi nhiệt độ tăng quá 25 độ C, hệ thống lại cho quạt làm việc để làm mát không gian văn phòng.
Khi độ sáng trong phòng làm việc quá thấp, dưới 500lux, hệ thống điều khiển cho tăng độ sáng bóng đèn đến ngưỡng 500lux thì dừng lại. Vừa tiết kiệm năng lượng, vừa tránh gây chói mắt trong văn phòng. Khi độ sáng tự nhiên trong văn phòng càng thấp, hệ thống cho đèn càng sáng mạnh, ngược lại, khi ánh sáng tự nhiên trong văn phòng càng cao, hệ thống tự động giảm độ sáng đèn xuống thấp. Khi văn phòng có độ sáng lớn hơn 500lux hệ thống cho đèn dừng làm việc.
Khi không khí trong văn phòng quá khô, làm nhân viên khó chịu mệt mỏi, hệ thống điều chỉnh làm việc, cho thiết bị phun sương hoạt động, gia tăng hơi ẩm trong không khí. Khi độ ẩm không khí đã đạt mức 80%, hệ thống tắt thiết bị phun sương và khi độ ẩm xuống thấp, hệ thống lại mở lại, để tăng độ ẩm không khí.
Trong quá trình hoạt động, chúng ta có thể chủ động tắt các thiết bị bằng ứng dụng tin nhắn SMS hoặc bằng nút bấm điều khiển trên mạch điều khiển.
Hệ thống làm việc vòng kín, đọc cảm biến môi trường và điều khiển hoạt động cho các thiết bị, giúp môi trường văn phòng làm việc luôn được đảm bảo chất lượng liên tục.
3.5. Mạch nguyên lý bộ điều khiển
Bắt đầu Độ sáng < 500 Lux < 500 Lux Khởi tạo LCD Đọc giá trị BH1750 Đọc giá trị DHT22 Giảm độ sáng đèn Độ ẩm thấp < 60 % < 60 % Độ ẩm > 80 % > 80 % Tắt phun sương Tăng độ sáng đèn Đ Đ Đ S Bật phun sương Đ Độ sáng > 800 Lux > 80 % S Tắt đèn
Khởi tạo Sim 800L
Đếm số người vào/ra
Điều khiển quạt theo nhiệt độ
3.6. Lưu đồ thuật toán
3.6.1. Lưu đồ thuật toán chương trình chính
Số người vào phòng = 0 Tắt đèn Tắt quạt Tắt phun sương Số người vào phòng tăng 1 Cảm biến 1 = 0 Cảm biến 1 = 0 Cảm biến 2 = 0 Cảm biến 2 = 0 Số người ra phòng giảm 1 Bắt đầu Đ Đ Đ Đ S Đ S S S Kết thúc
3.6.2. Lưu đồ thuật toán cảm biến hồng ngoại đếm số người vào/ra
Hình 3.4: Lưu đồ cảm biến tiệm cận hồng ngoại
Chú thích:
Cảm biến một và cảm biến hai đều là cảm biến tiệm cận hồng ngoại. Khi có người vào văn phòng cảm biến một tác động trước cảm biến hai tác động sau và khi có người ra văn phòng thì cảm biến hai tác động trước cảm biến một tác động sau.
Tắt quạt Bật quạt Nhiệt độ cao > 27° C Nhiệt độ thấp < 25°C Bắt đầu Kết thúc S S Đ Đ
3.6.3. Lưu đồ thuật toán giám sát nhiệt độ điều khiển bật tắt quạt
Hình 3.5: Lưu đồ cảm biến DHT22
Chú thích:
Khi nhiệt độ trong văn phòng cao hơn 27° C hệ thống tự động bật quạt và khi nhiệt độ hấp hơn 25° C hệ thống tự động tắt quạt.
Bắt đầu
Khởi tạo Sim800L
Có tin nhắn gửi tới Chờ nhận tin nhắn
Mở đọc tin nhắn
Tin nhắn chứa các từ ONLED, OFFLED ONFAN, OFFFAN
Điều khiển thiết bị theo lệnh Chuyển tin nhắn Text
Xóa tin nhắn
S
S
Đ
Đ
3.6.4. Lưu đồ thuật toán kiểm tra tin nhắn điều khiển bật tắt đèn, quạt
3.7. Kết quả đạt được
Sau khi tìm hiểu nghiên cứu các tài liệu, tìm hiểu qua mạng Internet, tổng hợp lại kiến thức được học trong 2 năm cũng như được sự hướng dẫn của thầy TS. Lê Hùng Linh. Tôi hoàn thành được luận văn tốt nghiệp với đề tài “Phương pháp và thuật toán điều khiển các thiết bị trong văn phòng”.
Sau luận văn này, Tôi cũng đã nghiên cứu và tích lũy được thêm nhiều hiểu biết, kiến thức mới như, tăng khả năng vận dụng lý thuyết vào thực tế, hiểu biết hơn các tính năng của module Arduino Nano, cảm biến DHT22, module Sim800L, module BH1750, Cảm biến tiệm cận hồng ngoại…
3.7.1. Kết quả trên máy tính
Hình 3.8: Mạch in dạng đen trắng
3.7.2. Kết quả thực nghiệm
Hình 3.10: Dữ liệu thu được từ cảm biến
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
Dựa trên cơ sở tìm hiểu và nghiên cứu các thiết bị được lựa chọn để xây dựng nên hệ thống. Chương 3 luận văn trình bày quá tình phân tích sâu, nghiên cứu kĩ lưỡng và thiết kế chế tạo nên bộ điều khiển mẫu.
Để điều khiển chính xác các thiết bị điện trong văn phòng như quạt, đèn và phun sương, lý thuyết về môi trường và các điều khiển làm việc là vô cùng quan trọng. Nội dung được trình bày trong một mục riêng biệt, chi tiết về các điều khiển độ ẩm, ánh sáng, nhiệt độ mà một văn phòng làm việc cần đạt được nhằm giúp hiệu suất làm việc cũng như sức khoẻ người làm việc được đảm bảo nhất.
Bài toán điều khiển cũng được trình bày rất chi tiết và cụ thể tại mục 3.6 trong Chương 3 của luận văn. Với một bài toán lớn, phức tạp trong điều khiển, thuật toán được đi từ tổng quát cho tới chi tiết, từ lưu đồ toàn hệ thống đến từng lưu đồ con, mô tả từng quá trình. Phục vụ quá trình thiết kế chương trình điều khiển chính xác, không bỏ sót, trùng lặp các thuật toán. Thuật toán điều khiển chính xác, đảm bảo quá trình hoạt động trước nhiều tín hiệu đầu vào cũng như điều khiển nhiều tín hiệu đầu ra.
KẾT LUẬN
Với sự nỗ lực trong việc tìm hiểu nghiên cứu các thiết bị cần thiết cho đề tài, cùng với vận dụng các kiến thức đã học vào công việc xây dựng mạch điều khiển tự động và sự giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của TS. Lê Hùng Linh, tôi đã hoàn thành đúng thời gian quy định và có các đặc điểm như sau:
Ưu điểm:
+ Điều khiển hệ thống đèn chiếu sáng bằng ứng dụng cảm biến BH1750. + Giám sát nhiệt độ, độ ẩm và ứng dụng cảm biến tiệm cận hồng ngoại bật tắt đèn, quạt, động cơ phun sương khi không có người vào văn phòng.
+ Hiển thị độ sáng, nhiệt độ, độ ẩm, và số người ra/ vào văn phòng.
+ Bật tắt đèn, quạt, phun sương bằng ứng dụng điện thoại di động nối với Sim800L.
Nhược điểm:
+ Còn thiếu tính gọn nhẹ và thẩm mỹ.
+ Chưa tận dụng hết khả năng của Arduino và Sim800L.
Do đây mới là lần đầu làm mạch điều khiển, với kiến thức còn nhiều hạn chế. Tôi rất mong được sự ủng hộ và giúp đỡ của mọi người để đề tài của tôi thực
Định hướng phát triển
Do thời gian gấp gáp, kiến thức về điện tử còn hạn chế, mô hình thiết bị điều khiển dù đã đảm bảo đủ các yêu cầu mà luận văn đề ra, tuy nhiên khi ứng dụng trong sử dụng thực tế vẫn còn nhiều điểm chưa thực sự tiện dụng. Thiết bị có thể bổ sung thêm việc giám sát các thông số môi trường văn phòng và điều khiể các thiết bị thông qua ứng dụng điện thoại, web server… Tích hợp quản lí thêm nhiều thiết bị mới. Ví dụ như: nguồn điện đến từng bàn làm việc, các bộ điều khiển mạng, máy tính của nhân viên… Thiết bị nên được tích hợp thêm khả năng sử dụng mạng wifi trong giám sát và điều khiển.
Với một đề tài có tính mới, thực tiễn cao và hướng tới tương lai thì việc phát triển thiết bị để dần đi tới hoàn thiện và một nhiệm vụ quan trọng, tuy nhiên do kiến thức còn hạn chế nên tôi rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô để có thể phát triển sản phẩm thêm hoàn thiện.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, tháng 8 năm 2019
Học viên
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Phạm Quang Huy - Lê Cảnh Trung, Lập trình điều khiển với Arduino, NXB Khoa HọcVà Kỹ Thuật.(2016).
[2] PGS.TS Trương Đình Nhơn - KS. Phạm Quang Huy, Vi điều khiển và ứng dụng hướngdẫn sử dụng Arduino, NXB Thanh Niên.(2018).
[3] Phạm Đình Bảo, Điện Tử Căn Bản - Tập 1, NXB Khoa học và Kĩ thuật(02/2004).
[4] PGS.TS Nguyễn Thương Ngô, Lý Thuyết Điều Khiển Tự Động Thông Thường Và Hiện Đại, NXB Khoa học và Kĩ thuật(09/2007).
[5] Ngô Diên Tập, Vi Điều Khiển Với Lập Trình C, NXB Khoa học và Kĩ thuật(04/2006).
[6] Hồ Văn Sung, Mạch Điện Cơ Bản - Tập 1, NXB Khoa học và Kĩ thuật(04/2006).