Chƣơng 2
TỔNG QUAN GIẢI PHÁP 2.1. Khái niệm cơ bản
Nhà thông minh là một kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có tác dụng tự động hóa hồn tồn hoặc bán tự động, thay thế con người trong việc thực hiện một số thao tác quản lý, điều khiển. Hệ thống điện tử này giao tiếp với chủ nhân thông qua bảng điện tử đặt trong nhà, phần mềm điện thoại di động, máy tính bảng hoặc bằng một trang web.
Trong căn nhà thơng minh, đồ dùng trong nhà từ phịng ngủ, phịng khách đến toilec 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 từ xa hoặc lập trình cho các thiết bị hoạt động theo lịch, thêm vào đó các đồ gia dụng có thể hiểu được ngơn ngữ của nhau và có khả năng tương tác với nhau.
Các tiêu chuẩn của ngôi nhà thông minh: - Tự động hóa các hoạt động của ngơi nhà. - Đảm bảo an ninh, an tồn cho ngơi nhà.
- Cung cấp các dịch vụ giải trí chất lượng cao.
- Tăng hiệu suất các hệ thống, giảm điện năng tiêu thụ.
2.2. Giới thiệu một số công nghệ sử dụng trong ngôi nhà thông minh nhà thông minh
2.2.1. Bảng điều khiển trung tâm Wifi SH - CC6W
Thiết bị phịng thơng minh SH - CC6W là bảng điều khiển cảm ứng thông minh, hỗ trợ 6 kênh cơng suất có chức năng điều khiển từ xa, điều khiển thiết bị thông qua Wifi. Với thiết kế công nghệ cảm ứng điện dung, mặt kính chống xước, vỏ nhơm ngun khối màn hình hiển thị LCD, thiết bị làm căn nhà trở nên hiện đại, sang trọng. Bên cạnh đó, chức năng điều khiển tự động khi kết hợp cảm biến phát hiện người SH - D1 sẽ mang lại tiện nghi khi sử dụng hằng ngày.
Chức năng: điều khiển từ xa, nút ấn cảm ứng điện dung, hỗ trợ 6 kênh công suất SHCC6W hỗ trợ kết nối Wifi giúp điều khiển trực tiếp thiết bị qua phần mềm Bkav SmartDevice, vì thế một căn phịng có thể điều khiển tự động và người dùng chỉ cần cài đặt hệ thồng đơn giản bằng phần mềm giao diện trực quan trên các thiết bị smartphone, tablet, thông qua kết nối wifi.
2.2.2. Công tắc cảm ứng wifi SH – CTXRZW
Sản phẩm SH – CTXRZW là thiết bị công tắc cảm ứng hỗ trợ bật tắt từ 1 đến 4 kênh công suất. Với thiết bị sử dụng công nghệ cảm ứng điện dung, mặt kính chơng xước vỏ nhơm nguyên khối, thiết bị sẽ làm căn nhà trở nên tiện nghi sang trọng, bên cạnh đó cơng nghệ kết nối khơng dây Wifi hoặc ZigBee việc lắp đặt trở nên dễ dàng trong các ngôi nhà đang sử dụng hoặc xây mới mà không phải đi lại đường dây điện hoặc sửa đổi hạ tầng của ngơi nhà. sản phẩm phù hợp có thể điều khiển các thiết bị trong ngôi nhà như: đèn ngủ, quạt, tivi, rèm mành.
2.2.3. Thiết bị chuyển đổi điều khiển từ RF sang Wifi
Với thiết RF BRIDGE 433 của Sonoff Việt Nam bạn có thể dễ dàng điều khiển các thiết bị gia dụng ở bất kì đâu, bất cứ lúc nào. RF BRIDGE 433 là một công cụ bổ sung đắc lực để biến ngơi nhà bình thường thành nhà thơng minh với nhiều tiện ích vượt trội.
Điều khiển từ xa qua ứng dụng: chỉ cần điện thoại thông minh được cài App Ewelink, dễ dàng điều khiển các thiết bị trong ngôi nhà bằng Smartphone ở bất cứ nơi nào
Bộ Hub trung tâm Sonoff Bridge 433MHz đóng vai trị như bộ chuyển đổi tín hiệu của các thiết bị ngoại vi về máy chủ.
Sonoff Bridge nhận tín hiệu của các cảm biến, remote từ xa, ... qua sóng RF 433MHz sau đó mã hóa gửi về máy chủ qua mạng Wifi. Sonoff Bridge cũng có thể điều khiển các thiết bị đầu cuối qua sóng RF. Mỗi bộ Hub Sonoff Bridge cho phép kết nối tối đa 64 thiết bị cùng lúc.
Chƣơng 3
PHƢƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT 3.1. Phƣơng án thiết kế.
Phƣơng án 1: Hiện nay trên thị trường có bán bộ điều khiển học lệnh RF
433Mhz qua Wifi Sonoff RF Bridge sử dụng như một cầu nối để điều khiển qua Wifi các thiết bị bật tắt có tần số sóng RF 433Mhz bằng cách học lệnh từ remote điều khiển và phát ra lệnh tương ứng để bật tắt thiết bị bằng phần mềm Ewilink trên điện thoại.
Phƣơng án 2: Thiết kế một mạch điều khiển trung tâm có khả năng điều khiển
các thiết bị điện từ xa bằng Remote RF và có khả năng hiển thị trạng thái bật tắt thiết bị trên màn hình LCD, bên cạnh đó nhóm nghiên cứu viết App điều khiển trên điện thoại thông qua cơng nghệ sóng Bluetooth. Kết hợp với sử dụng bộ điều khiển trung tâm học lệnh từ Remote RF kết nối với smartphone chuyển đổi điều khiển thông qua Wifi.
Chọn phương án 2 vì Module Bluetooth sẽ dễ dàng lập trình, giá thành thấp, vì thế việc điều khiển thiết bị trong ngơi nhà có thể tận dụng cả sóng RF, Bluetooth và Wifi một cách dễ dàng.
3.2. Sơ đồ khối
Chức năng từng khối:
Khối phát RF: Sử dụng remote 315Mhz, tạo ra sóng RF.
Khối nguồn: Mạch điện sử dùng nguồn 5V để cung cấp cho các linh kiện điện tử hoạt động.
Khối thu RF: Sử dụng module thu tín hiệu RF 315Mhz.
Khối xử lý trung tâm: Sử dụng vi điều khiển AT89C52.
Khối đèn báo/rơle ngõ ra: Chứa các thiết bị điều khiển, ở đây mạch sẽ điều khiển bật tắt 4 thiết bị điện 220V/50Hz.
Khối hiển thị LCD: Sử dụng màn hình LCD loại 1602 5V có tác dụng
hiển thị thông tin, trạng thái của các thiết bị.
Khối module Bluetooth: Trên thị trường hiện nay có nhiều module Bluetooth hỗ trợ vi điều khiển giao tiếp với thiết bị khác thông qua kết nối Bluetooth. Mạch sử dụng module Bluetooth HC06 vì giá thành rẻ, tốc độ hoạt động phù hợp với truyền dữ liệu điều khiển thiết bị, dễ dàng mua ở Việt Nam và được đánh giá là ổn định.
Khối điều khiển (điện thoại Android): Tất cả các điện thoại chạy hệ điều hành Android có thể cài đặt ứng dụng Android, tất cả ứng dụng được viết bằng ngôn ngữ Java,tạo ra giao diện trực quan dễ sử dụng cho việc điều khiển và giám sát thiết bị điện.
Chƣơng 4
QUY TRÌNH THIẾT KẾ 4.1. Sơ đồ ngun lý từng khối và tính tốn
4.1.1. Khối Phát RF
Mạch sẽ sử dụng Remote RF để điều khiển các thiết bị.
Mỗi bit sử dụng trong PT2262 có độ dài 32α thay thế bằng 8 bits 1,0 liên tục( 1 Byte). Theo biểu diễn này ta có:
- Bit 0 được thay thế bằng chuỗi 10001000. - Bit 1 được thay thế bằng chuỗi 11101110. - Bit f được thay thế bằng chuỗi 10001110.
Sync Bit được thay thế bằng chuỗi : 10000000|00000000|00000000|00000000.
Như vậy các Bit Code khi phát đi sẽ được được thay thế bằng chuỗi bit mã hóa nó. Ví dụ 1 từ mã Code Word PT2262 muốn phát là “11110000|1010| SyncBit” (8 bits địa chỉ|4 bits dữ liệu|1 Sync Bit) sẽ được mã hóa thành chuỗi 128 bit là:
11101110.11101110.11101110.11101110.10001000.10001000.10001000.10001000 |11101110.10001000.11101110.10001000|11101110.00000000.
00000000.00000000
4.1.2. Khối nguồn
Sử dụng nguồn 5V để cung cấp nguồn cho các linh kiện điện tử trong mạch hoạt động.
4.1.3 khối thu RF
Bảng 4.1 Chức năng các chân sơ đồ capture
Chân tương ứng với
PT2272 Chức năng
in1 13 Chân dữ liệu
Hình 4.2 Sơ đồ captue khối nguồn
Hình 4.3Sơ đồ capture khối thu khối thu
in2 12 Chân dữ liệu
in3 11 Chân dữ liệu
in4 10 Chân dữ liệu
Giải mã: Thực hiện giải mã ngược lại q trình mã hóa của PT2262 để thu được kết quả dữ liệu.
Trong Waveform của mã hóa PT2262 các bit 1,0 có những khoảng thời gian xác định, dựa vào khoảng thời gian này để xác định các bit đã phát.
Các thời khoảng bit có thể có là 4α,12α và 127α tương ứng với độ dài 1bit, 3 bits và 31.5 bits.
Việc đo các thời khoảng bit này thực hiện khi có sự thay đổi trạng thái của tín hiệu. Các điểm đỏ sẽ đánh dấu việc kết thúc đo thời gian bit 0 và bắt đầu đo cho bit 1, ngược lại các điểm xanh kết thúc việc đo thời gian của bit 1 và bắt đầu đo cho bit 0.
Gọi T1 và T2 là khoảng thời gian đo được của xung 1 và 0 liên tiếp nhau thì ta
Hình 4.4 Timing các thành phần mã hóa các BIT (Nguồn Internet)
Bảng 4.2 Bảng giãi mã các bit
T1 T2 Code
1bit 3bits 4 bits 1000
3bit 1bits 4 bits 1110
1bit 31.5bits Sync Bit
Khác Khác Lỗi
T1 T2 Code
Với mỗi cặp 4 bits thu được liên liếp nhau ta lại thu được kết quả giải mã tương ứng:
Bảng 4.3 Bảng giãi mã các Bit
4 bits cao 4 bits thấp Kết quả giải mã
1000 1000 0
1000 1110 f
1110 1110 1
1110 1000 Lỗi
Thực hiện lần lượt 12 bits địa chỉ/ dữ liệu và 1 Sync Bit ta sẽ thu được 1 từ mã(Code Word).
Vì PT2262 phát 1 khung truyền gồm 4 từ mã(Code Word) nên khi ta thu liên tiếp các từ mã(Code Word) giống nhau thì có nghĩa chắc chắn dữ liệu đã được giải mã đúng.
Ở đây đối tượng điều khiển của mạch gồm có 4 relay thơng qua các phương tiện điều khiển như sau:
Bảng 4.4 Bảng chức năng các Port của vi điều khiển AT89C52
Chân Port Chức năng
nn1 P3.7
Điều khiển relay bằng nút nhấn.
nn2 P3.6
nn3 P3.5
nn4 P3.4
in1 P2.7
Điều khiển relay bằng sóng RF.
in2 P2.6
in3 P2.5
in4 P2.4
rl P2.2
Điều khiển relay bằng Bluetooth. rl1 P2.1 rl2 P2.3 rl3 P2.0 tx P3.0 rx P3.1 rs P0.0 Sử dụng màn hình LCD để hiển thị trạng thái các thiết bị. rw P0.1 en P0.2 d4 P0.4 d5 P0.5 d6 P0.6 d7 P0.7
4.1.5. Khối đèn báo/ rơle/ ngõ ra
Chọn relay 5V
- Điện áp tác động 5V
- Điện trở cuộn dây R=400 Ohms
- Dòng điện qua cuộn dây khoảng 300 miliAmpe - Điện áp đóng mở =220V
- Dịng qua tiếp điểm= 7A - Điện áp bật (max)= 4.4VDC - Điện áp tắt (min)= 1.2VDC - Thời gian đóng mở= 10 mili giây
Tính tốn chọn BJT và các điện trở phân cực:
Chọn BJT là loại C1815, BJT làm việc ở chế độ bão hòa
Dòng điện qua cuộn dây của relay
I(L) = (Vcc-Vce)/R(r) = (5-0.2)/400=0.012A
Dòng điện qua relay củng là dòng phân cực C của BJT, suy ra
I(c)=0.012A
Để transistor dẫn bão hịa thì: I(b)>I(c)/β(min)=0.012/70
=0.17 miliAmpe
Vậy chọn I(b)=10*0.17(miliAmpe)= 1.7miliAmpe.
4.1.6. khối hiển thị LCD
Sử dụng biến trở 10K để hạn dòng và điều chỉnh cung cấp nguồn cho LCD và điều chỉnh độ tương phản của LCD.
4.1.7. Khối module Bluetooth
Sử dụng module Bluetooth HC05 để điều khiển bằng phần mềm trên điện
Hình 4.8 Sơ đồ captue khối hiển thị LCD
Hình 4.9 Sơ đồ captue khối module Bluetooth
4.1.8 Khối điều khiển (điện thoại Android)
App điều khiển sẽ được viết và lập trình thơng qua AppInventor. Tất cả các smartphone chạy hệ điều hành Android đều có thể cài đặt phần mềm.
4.2. Mạch điều khiển và giám sát thiết bị điện bằng sóng RF sóng RF
4.2.1. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
4.2.2. Nguyên lý hoạt động của mạch
Đối với điều khiển thiết bị bằng RF
Khi bật thiết bị: ta nhấn A ở remote, chân 17 của 2272 có tín hiệu mạch thu sẽ nhận tín hiệu truyền qua chân 14 của 2272 làm cho chân 12 của 2272 lên mức 1, tín hiệu được đưa vào AT89C52 nó sẽ đưa chân A15 lên mức 1 chân B(C1815) có dịng kích ở mức cao làm cho transistor dẫn (Vb>0.7V) nên lối ra ở chân C mức thấp tạo ra nguồn cung cấp cho relay bật làm cho thiết bị điều khiển thứ nhất bật. Tương tự khi ta nhấn B,C,D các chân 10,13,11 của PT2272 lên mức 1 tín hiệu lần lượt đưa vào AT89C52 qua các chân A14,A13,A12.
Khi tắt thiết bị: ta nhấn A ở remote, chân 17 của 2272 có tín hiệu mạch thu sẽ nhận tín hiệu truyền vào chân 14 của 2272 làm cho chân 12 của 2272 lên mức 1, ngõ vào của vi điều khiển đang ở mức logic cao khi nhận thêm một tín hiệu nữa nó sẽ set ngõ ra chân A15 xuống mức thấp. Chân B (C1815) khơng có dịng kích làm cho transistor ngưng dẫn (Vb<0.7V) nên lối ra chân C là mức cao khơng có nguồn cung cấp, relay mất điện trở về trạng thái ban đầu vậy tắt thiết bị điều khiển thứ nhất. Khi ta nhấn B,C,D tương tự như thế ta tắt các thiết bị 2,3,4.
Đối với điều khiển thiết bị bằng Smartphone
Đầu tiên, khởi động phần mềm Android đã lập trình sẵn. Phần mềm xuất hiện thơng báo bạn có muốn bật Bluetooth hay khơng, click Yes để bật Bluetoth và thực hiện việc tự động kết nối đến module Bluetooth. Phần mềm tự động lấy địa chỉ
mềm thực hiện bảng thông báo đã kết nối. Phần mềm gồm 4 Button dùng để thực hiện việc bật tắt các thiết bị trong nhà.
Khi bật thiết bị: Click vào một button thì phần mềm Android sẽ gói tin (chứa lệnh mở thiết bị) thông qua thiết bị Bluetooth của điện thoại đến module Bluetooth HC06, Lúc này module Bluetooth HC06 sẽ nhận gói tin truyền tín hiệu về vi điều khiển đưa ra tín hiệu đóng Relay.
Khi tắt thiết bị: Khi click một lần nữa vào Button thì phần mềm Android sẽ gửi gói tin (chứa lệnh đóng thiết bị) thông qua thiết bị Bluetooth của điện thoại đến module Bluetooth HC06, lúc này module Bluetooth sẽ nhận gói tin truyền về vi điều khiển mở Relay.
Chƣơng 5
THI CƠNG 5.1 Thi cơng phần cứng
Hình 5.1 Mơ hình hồn chỉnh của mạch
5.2. Thi công phần mềm
Phần mềm được viết bằng App Inventor, sử dụng smartphone hỗ trợ hệ điều hành Android, giao diện phần mềm có dạng như sau:
Hình 5.4 Giao diện phần mềm phần mềm
5.3. Kết nối với bộ điều khiển trung tâm
Thiết bị trung tâm điều khiển Geeklink Thinker GT1 Mang đến một bước đột phá mới trong nhà thông minh không dây giờ đây các thiết bị trong nhà kết nói dễ dàng hơn, điều khiển trực quan và trực tiếp trên chính smartphone người dùng.
Trung tâm điều khiển nhà thơng minh Thinker có khả năng điều khiển tất cả các thiết bị trong nhà một cách thơng minh có khả năng học lệnh từ các remote của TV, Điều hòa, quạt,... đến remote sóng radio điều khiển cửa cuốn, rèm tự động,...
Hình 5.6 Trung tâm điều khiển GEEKLINK (Nguồn Internet) (Nguồn Internet)
Khi đã có mạch điều khiển thiết bị trong nhà bằng sóng RF, ta sẽ sử dụng bộ điều khiển trung tâm Geeklink. Thiết bị này sẽ học lệnh từ chiếc điều khiển và lưu lại. Bộ điều khiển trung tâm Geeklink sẽ kết nối với Wifi trong nhà, thiết bị sẽ giao tiếp với smartphone thông qua phần mềm trên điện thoại nền tảng Android và khi ta điều khiển bật trên phần mềm điện thoại thì bộ điều khiển trung tâm nó sẽ phát ra lệnh mà nó đã học đến thiết bị thu tín hiệu (mạch thu RF) mở cho thiết bị hoạt động.
Hình 5.7 Cấu trúc kết nối với các thiết bị trong nhà (Nguồn Internet)
5.4. Lƣu đồ giải thuật
Giải thích lƣu đồ: Mạch hoạt động như sau, đầu tiên khai báo các biến và
khai báo LCD. Các Port P3.7,P3.6,P3.5,P3.4 là Port điều khiển bằng nút nhấn. Các Port P2.7,P2.6,P2.5,P2.4 là Port điều khiển bằng RF. Nếu các Port này tích cực mức 1 thì thiết bị tương ứng sẽ được bật, nếu ngược lại là mức 0 thì sẽ bị tắt. Dữ liệu giữa nút nhấn và điều khiển bằng remote từ xa sẽ được đồng bộ với nhau.
Hình 5.8 Lưu đồ giải thuật điều khiển bằng nút nhấn và sử dụng RF điều khiển từ xa
Giải thích lƣu đồ: sử dụng App Inventor để viết Phần mềm và lập trình cho