2. Tổng quan phƣơng pháp điều khiển nhà thơng minh hiện có trên thế giớ
3.7 Module RFID RC522
Sự kết hợp của bộ đọc RFID và thẻ Mifare trong đề tài này có thể giúp hệ thống nâng cao tính bảo mật của hệ thống nhà thơng minh trong q trình vào/ra ngơi nhà.
3.7.1 Giới thiệu
RFID – viết tắt của Radio Frequency Identification Detection là công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vơ tuyến. Công nghệ này cho phép nhận biết đối tượng thơng qua hệ thống thu phát sóng radio, từ đó có thể giám sát, quản lý hoặc lưu viết từng đố tượng. Module RFID RC522 dùng để đọc và ghi dữ liệu cho thẻ Mifare. Với thiết kế nhỏ gọn và linh hoạt, module này là sự lựa chọn thích hợp cho các ứng dụng đọc – ghi thẻ Mifare, đặc biệt khi sử dụng kết hợp với Arduino. Module RFID RC522 giao tiếp với Arduino thơng qua chuẩn giao tiếp SPI. Hình 3- 16 minh họa hai loại thẻ Mifare và một đầu đọc RFID.
MIFARE là một thẻ từ cơ bản bao gồm một dãy các nam châm nhỏ. Các thẻ được mã hóa bằng cách thiết lập phân cực của nam châm. Một đầu đọc thẻ xác định cực của nam châm và đầu ra thông tin này như là một chuỗi nhị phân. Các dải kháng từ của thẻ phản ánh sức mạnh của từ trường được sử dụng để ghi dữ liệu vào thẻ. Thẻ từ có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng như lưu thông tin khách hàng, hàng hóa… Mỗi thẻ Mifare chứa số thẻ riêng biệt và mã hóa bảo mật ngăn chặn truy cập trái phép thông tin được lưu trữ trên thẻ. Điều này làm cho việc sao chép thẻ Mifare cực kỳ khó khăn. Cấu trúc của một thẻ Mifare được minh họa trên hình 3-17.
Hình 3-15 Cấu tạo thẻ Mifare
3.7.2 Nguyên lý hoạt của Module RFID RC522
Các thành phần của hệ thống RFID. Trong một hệ thống RFID, hai thành phần quan trọng nhất là: Tag (thẻ RFID) và Reader (đầu đọc RFID), trong đó Tag và Reader giao tiếp với nhau ở cùng một tần số (trên thẻ RFID và đầu đọc RFID đều có Anten). Module RFID sử dụng sóng Radio nên tốc độ truyền dữ liệu và khoảng cách truyền giữa Tag và Reader phụ thuộc rất nhiều vào tần số. Do đó tùy thuộc vào ứng dụng trực tiếp mà các hệ thống RFID sử dụng rất nhiều dải tần số khác nhau, bao gồm:
• Tần số thấp (LF) (khoảng 100 kHz – 150 kHz). • Tần số cao (HF) (10 – 15 MHz).
• Siêu cao tần (UHF) (850 – 950 MHz).
Hoạt động của Module RFID: Khi đưa thẻ RFID vào vùng hoạt động của đầu đọc RFID, sóng vơ tuyến phát ra từ đầu đọc sẽ cung cấp cho thẻ RFID một dòng điện đủ nhỏ để kích hoạt hệ thống mạch điện nằm trong thẻ giúp nó gửi lại tín hiệu hồi đáp và thực hiện trao đổi dữ liệu theo yêu cầu của bộ điều khiển kết nối với đầu đọc RFID. Sau khi nhận được dữ liệu từ thẻ RFID bộ điều khiển sẽ đưa ra các yêu cầu điều khiển tùy vào từng ứng dụng cụ thể.
3.7.3 Thơng số kĩ thuật: • Nguồn: 3.3VDC, 13– 26 mA. • Dịng ở chế độ chờ: 10-13 mA. • Dịng ở chế độ nghỉ: <80 uA. • Tần số sóng mang: 13.56 MHz. • Khoảng cách hoạt động: 0～60 mm. • Giao tiếp: SPI.
• Tốc độ truyền dữ liệu: tối đa 10 Mbit/s. • Nhiệt độ hoạt động: -20 đến 800C. • Độ ẩm hoạt động: 5% - 95%. • Tốc độ cao SPI: 10 Mbit/s.
• Hỗ trợ: ISO/IEC 14443 A/MIFARE. ã Kớch thc: 60 mm ì 40 mm.
3.7.4 Sơ đồ chân và chức năng các chân:
Hình 3-16 là chi tiết về chức năng các chân của đầu đọc RFID như sau: • SDA(SS): chân lựa chọn chip khi giao tiếp SPI.
• SCK: chân xung trong chế độ SPI.
• MOSI(SDI): Master Data Out- Slave In trong chế độ giao tiếp SPI. • MISO(SDO): Master Data In- Slave Out trong chế độ giao tiếp SPI. • IRQ: chân ngắt.
• RST: chân reset module. • Nguồn 3,3V. Hình 3-16 Module RFID 3.8 Mạch giảm áp DC LM2596 Thông số kỹ thuật: Hình 3-17 Hình ảnh mạch giảm áp
• Module nguồn khơng sử dụng cách ly
• Nguồn đầu vào: 4V - 35V.
• Nguồn đầu ra: 1V - 30V.
• Dịng ra Max: 3A
• Kích thước mạch: 53mm x 26mm
• Đầu ra: OUTPUT+, OUTPUT-
3.9 Nút bấm điều khiển APT LA39 3.9.1 Vai trị 3.9.1 Vai trị
Đóng vai trị quan trọng, là thiết bị đưa tín hiệu đầu vào từ đó giúp cho hệ thống nhận biết được và thực hiện vai trị đã được lập trình.
Chọn loại nút nhất này vì nó có thể làm việc ở dịng điện lớn, rất thơng dụng hầu như có thể sử dụng ở bất cứ đâu như nhà ở, cơng xưởng, nhà máy, xí nghiệp, … Có chức năng tích hợp vừa là nút nhấn thường đóng, cũng như thường mở giúp dễ dàng cho nhiều mục đích sử dụng, vận hành.
Một nút nhấn có thể thực hiện cùng lúc 2 chức năng đóng và mở sẽ giúp tiết kiệm chi phí cũng như thuận tiện trong việc đấu nối, vận hành.
3.9.2 Thông số kỹ thuật
STT Chỉ tiêu kỹ thuật Đơn vị Thông số kỹ thuật
1 Kiểu nút bấm Tự giữ
2 Lỗ khoét nút bấm Mm ᴓ22
3 Đèn báo điện áp (DC)
V 220 /50Hz
4 Tiếp điểm 1NO và 1NC
5
Điện áp hoạt động AC-15:24V/2A, 110V/1A, 220V/0.5A DC13:24V/0.7A,110V/0.2A, 220V/0.1A 6 Hãng sản xuất ATP ( Đài Loan)
7 Công suất tiếp điểm Ampe (A) Ui: 660 VAC; Ith: 10A
3.10 Bộ chuyển đổi nguồn tổ ong 220V-12V 3.10.1 Vai trò 3.10.1 Vai trị
Mơ hình chúng em sử dụng nhiều thiết bị điện như: 5 quạt 12V, 5 động cơ Servo 5V, 8 đèn Led 5V cho nên để mô sử dụng bộ chuyển đổi nguồn tổ ong 220V
Điện áp thấp 12V DC giảm thiểu tác động đến người vận hành khi xảy ra rủi ro. Tính nhỏ, gọn và dễ tích hợp và đặc biệt là giá rẻ. Hơn nữa, nguồn tổ ong có hiệu suất rất cao.
Xử lý dòng điện, điện áp, tần số dao động ổn định, thiết bị này hay được dùng trong các mạch ổn áp, cung cấp dòng áp đủ tránh trường hợp ảnh hưởng tới mạch, sụt áp, đồng thời cũng làm tăng tuổi thọ của các thiết bị điện.
3.10.2 Thơng số kĩ thuật
Hình 3-18 Hình ảnh bộ chuyển đổi nguồn tổ ong
Thơng số kĩ thuật:
• Kích thước: 85x75x30mm • Điện áp đầu vào: AC 220V • Điện áp đầu ra: DC 12V 5A • Cơng suất: 120W
• Điện áp điều chỉnh: +/-10%
• Phạm vi điện áp đầu vào: 85 ~ 132VAC / 180 ~ 264VAC
• Dịng vào: 2.6a / 115V 1.3a / 230V
• Nhiệt độ hoạt động và độ ẩm: -10 ℃ ~ + 60 ℃, 20% ~ 90% RH • Nhiệt độ bảo quản, nhiệt độ: -20 ℃ ~ + 85 ℃, 10% ~ 95RH
3.11 Quạt tản nhiệt 40x40x10mm 12V DC Hình 3-19 Hình ảnh quạt tản nhiệt Thông số kĩ thuật • Điện áp: 12V • Kích thước: 40x40x10mm • Chất liệu: Nhựa
• Xuất xứ: Trung Quốc
Chƣơng 4 QUY TRÌNH THIẾT KẾ
4.1 Giới thiệu về mơ hình
Hệ thống nhà thơng minh của nhóm em là hệ thống nhà tự động điều khiển trên trang Web. Hệ thống được thiết kế và hồn thiện bởi nhóm chúng em thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Điện – Điện tử - Viện Kỹ thuật Hutech – Trường Đại Học Cơng Nghệ TP.HCM
Tồn bộ mơ hình bao gồm ba bộ phận chính cấu tạo thành: - Phần cứng - Phần mềm 4.2 Quy trình thiết kế 4.2.1 Phần cứng 4.2.1.1 Tủ điện a) Sơ đồ mạch in
Sau khi vẽ xong sơ đồ ngun lý cho tồn mạch, nhóm sẽ tiến hành vẽ layout PCB bằng phần mềm Altium và thi công mạch thủ công.
b) Thi cơng mạch in
Nhóm tiến hành thi cơng mạch in, các khối sẽ được kết nối với nhau thông qua các header màu trắng giúp mạch gọn gàng hơn và việc kết nối phần cứng sẽ dễ dàng hơn như Hình 4.2 bên dưới.
Hình 4-2 Mạch in thi công của board trung tâm
c) Vị trí thiết bị trong tủ điện
Chuyển hệ thống cầu đấu dây (thanh Domino) vào khoang dưới cùng gần với esp8266 và arduino để tiết kiệm tối đa dây dẫn và có thể đấu các cầu đấu trực tiếp tới các cổng Input của esp8266.
Chuyển bộ chuyển đổi nguồn 220V AC-12V DC xuống khoang lớn nhất, nằm ở góc bên trái của esp8266 tiếp nguồn ở gần trung tâm của khoang điện và dây dẫn sẽ được đấu nối từ nguồn 220V tới bộ chuyển đổi, sau đó tới esp8266 và arduino trực tiếp và tiết kiệm dây dẫn hơn.
Hệ thống chuyển đổi nguồn điện 220V AC -12V DC sẽ được lắp đặt sao cho thuận tiện nhất trong quá trình hoạt động của động cơ.
hưởng quá nhiều đến các thiết bị khác mà liên quan với nhau nên em sẽ đấu vào sau cùng khi những thiết bị quan trọng đã được lắp vào hết.
Hình 4-3 Tổng thể các thiết bị điện trong tủ điện
4.2.1.2 Mơ hình
a) Xây dựng khung mơ hình
Mơ hình có chu vi là 55x35cm
Hệ thống khung nhựa Mica có tác dụng nâng đỡ toàn bộ cho hệ thống. Hệ thống khung được cấu tạo theo cơ cấu nằm ngang, ở dưới hệ thống khung có gắn thêm 4 thanh nhựa cứng để giúp cho khung có độ bền cao.
Hình 4-4 Hình ảnh khung mơ hình thực tế
b) Gắn các thiết bị có trong mơ hình
Ở mơ hình, em sử dụng hệ thống cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và khí gas. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và khí gas làm đảm bảo an toàn cho nhà ở.
Việc sử dụng cảm nhiệt độ, độ ẩm và khí gas cho hệ thống là một bước đi phù hợp đối với mơ hình. Mục đích của việc sử dụng cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và khí gas là nhằm mơ phỏng hệ thống an tồn ngồi thực tế vì cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và khí gas có thể hoạt động tốt ở cả khi có ánh sáng và khơng có ánh sáng, dễ dàng lắp đặt cũng như giá thành phù hợp . Độ tin cậy rất cao nên đã được ứng dụng vào các hệ thống an toàn từ lâu.
Hình 4-5 Vị trị lắp đặt cảm biến khí gas
Hình 4-6 Vị trí lắp đặt cảm biến nhiệt độ, độ ẩm
Ở mơ hình các động cơ Servo được lắp đặt ở dưới những cánh cửa để chúng có thể đóng mở cửa một cách dễ dàng và tăng độ thẩm mĩ cho mơ hình.
Hình 4-7 Vị trí lắp đặt Morto Servo
Module RFID RC522 được thiết kế nằm ở cửa chính của mơ hình
Các thiết bị như quạt và đèn sẽ được gắn vào tường.
Hình 4-9 Vị trí lắp đặt của quạt
4.2.2 Phần mềm
Nhóm sử dụng phần mềm Arduino IDE để viết chương trình bằng ngơn ngữ C, biên dịch chương trình và nạp chương trình cho board ESP8266 và Ardunino. Và xây dựng Webserver trên phần mềm Visual Studio Code.
4.2.2.1 Giới thiệu về Visual Studio Code
Phần mềm Visual Studio Code (VSC) là môi trường phát triển tích hợp (IDE) từ Microsoft, được sử dụng để phát triển chương trình máy tính cho Microsoft Windows, cũng như các trang web, các ứng dụng và dịch vụ web… VSC hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau và cho phép trình biên tập mã và gỡ lỗi để hỗ trợ (mức độ khác nhau) hầu như mọi ngơn ngữ lập trình. Các ngơn ngữ tích hợp gồm C, C++, C# và F#.
Một số chức năng của phầm mềm Visual Studio Code: • Thanh sidebar:
Đầu tiên là biểu tượng hai tờ giấy xếp chồng lên nhau ở hình 4.10. Khung cửa sổ này chia làm hai phần: phần trên cùng là Working Files, chứa các file ta đang làm việc, còn phần bên dưới là cây thư mục, chứa toàn bộ file và folder có trong dự án. Khi rê chuột lên tiêu đề của từng phần, ta thấy một vài icon nhỏ xuất hiện bên phải. Version Control System (VCS) là công cụ khơng thể thiếu trong mơi trường lập trình nhóm và Git là cái tên nổi bật nhất. Ta có thể dùng trực tiếp khung cửa sổ này để commit mà khơng cần nhảy qua cửa sổ dịng lệnh.
Hình 4-10 Giao diện của thanh sildebar • Trình soạn thảo:
Khung soạn thảo của Visual Studio Code trông đơn giản nhưng lại chứa nhiều tính năng nổi bật, đặc biệt có thể chia khung soạn thảo ra làm hai, thậm chí làm ba cửa sổ. Để mở thêm khung thứ hai, ta bấm Ctrl+2. Lúc này, khung mới hiện ra bên phải khung hiện tại.
Hình 0-11 Giao diện trình soạn thảo Visual Studio Code • Debug:
Cửa sổ debug chứa những thành phần ta thường thấy trong bất kì debugger: - Khung Variables chứa thông tin về các biến.
- Khung Call Stack là danh sách các hàm được gọi theo thứ tự thời gian ngược, nghĩa là hàm gọi sau sẽ nằm đầu danh sách.
- Khung Breakpoints chứa tùy chọn cho breakpoint trong quá trình debug. Hiện tại, Visual Studio Code chỉ hỗ trợ debug file JavaScript hoặc TypeScript. Có nhiều lựa chọn, nhưng đơn giản nhất là dùng Node.js. Như các file cấu hình khác, file này cũng theo định dạng JSON. Debug chia làm hai chế độ: Launch và Attach. Với Launch ta chạy debugger trực tiếp trên file, còn Attach ta sẽ gắn debugger vào một tiến trình khác đang chạy, cụ thể ở đây là Node.js
Hình 4-12 Giao diện của trang Debug
4.2.2.2 Phần mềm Arduino IDE
IDE viết tắt của cụm từ Integrated Development Enviroment là phần mềm cung cấp cho các lập trình viên một mơi trường phát triển tích hợp bao gồm nhiều cơng cụ khác nhau như chương trình viết mã lệnh hay chương trình sửa lỗi, chương trình mơ phỏng ứng dụng khi chạy tế hay simulator được viết bằng Java, và được dẫn xuất từ IDE cho ngơn ngữ lập trình xử lý và các dự án lắp ráp. Do có tính chất mã nguồn mở nên mơi trường lập trình này hồn tồn miễn phí và có thể mở rộng thêm bởi người có kinh nghiệm.
Ngơn ngữ lập trình của Arduino chính là C/C++, nhưng so với lập trình lập trình trực tiếp với vi điều khiển, lập trình với Arduino đơn giản hơn nhiều vì chúng ta chỉ phải giao tiếp với phần cứng thông qua các thư viện có sẵn, có thể xem như các lớp C++ wrapper lên các giao tiếp với phần cứng.
Người sử dụng chỉ cần định nghĩa hai hàm để thực hiện một chương trình hoạt động theo chu 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. Một số chức năng của phần mềm Arduino IDE
Như đã phân tích ở trên về các đặc điểm nổi bật mà phần mềm Arduino IDE, để có một cách nhìn rõ ràng hơn về phần mềm này chúng em sẽ phân tích các chức năng nổi bật trên thanh công cụ mà phần mềm này mang lại. Thanh công cụ bao gồm: File menu, Sketch menu, Tools menu, và Arduino ToolBar.
• File menu
Trong file menu cần quan tâm tới mục Examples, đây là nơi chứa các chương trình mẫu đơn giản như: cách sử dụng các chân digital, analog, sensor… Bên cạnh đó, trong cơng cụ này chúng ta có thể tạo dự án mới, mở dự án…Hình 4- 13 bên dưới mô tả về giao diện của file menu.
Hình 4-13 Giao diện các lệnh để thao tác với chương trình của File menu
• Sketch menu
Một số chức năng của thanh Sketch menu:
- Import Library: thêm thư viện từ bên ngồi cho IDE.
Hình 4-14 Giao diện các lệnh để thao tác với chương trình của Sketch • Tool menu
Trong Tool menu ta quan tâm các mục Board và Serial Port. Trong muc Board, cần phải lựa chọn board mạch cho phù hợp với loại board sử dụng. Nếu sử