- Khối cảm biến: Các loại cảm biến được áp dụng để quan trắc dữ liệu môi trường theo kịch bản thông minh bao gồm cảm biến nhiệt ẩm, cảm biến ánh sáng, cảm biến khí gas, cảm biến thân nhiệt chuyển động và cảm biến cửa từ.
26 +Cảm biến nhiệt ẩm: Hiện nay, trên thị trường có hai loại cảm biến nhiệt ẩm phổ biến với thiết kế và độ chính xác tương đồng, tiêu biểu là DHT11 và DHT22.
Trong đề tài này, sinh viên lựa chọn sử dụng cảm biến DHT11 với các kết nối như sau:
− Nối với nguồn +3.3V của ESP32 ký hiệu là VCC hoặc 3.3V. (nút 2).
− Nối với GND của ESP32, ký hiệu là GND. (nút 2).
− Chân tín hiệu truyền sẽ được nối với GPIO14 của ESP32 (nút 2).
Các kết nối với khối xử lý trung tâm được mô tả như hình sau:
STT Cảm biến nhiệt ẩm Thông số 1 Điện áp hoạt động 3,3V - 5V
2 Phạm vi nhiệt độ -40 °C đến 80 °C
3 Độ phân giải Nhiệt độ và Độ ẩm đều là 16 - bit 4 Dòng điện hoạt động 0,3 mA (chế độ đo) 60 uA (chế độ chờ) 5 Độ chính xác ± ± 0,5 °C và ± 1%
Bảng 3-2. Bảng thông số kỹ thuật cảm nhiệt độ và độ ẩm của Winsen Electronics Hình 3-3. Sơ đồ kết nối khối cảm biến nhiệt ẩm nút 2
27 +Cảm biến khí gas: Cảm biến khí gas MQ-2 là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng phát hiện và đo lường khí gas với độ nhạy cao và chi phí hợp lý. Nhờ khả năng cảm nhận chính xác các khí dễ cháy như LPG, Propan, Hydro, Mê-tan (CH4) và nhiều loại hơi dễ bắt lửa khác, MQ-2 trở thành công cụ thiết yếu cho nhiều lĩnh vực như an toàn phòng cháy chữa
cháy, giám sát môi trường và kiểm soát khí thải:
- Chân VCC nối với nguồn +3V3 của ESP32 - WROOM (nút 1).
- Chân GND thì nối với GND của ESP32 - WROOM (nút 1).
- Chân tín hiệu truyền sẽ được nối với GPIO13 của ESP32 – WROOM (nút 1).
Bảng 3-3. Bảng thông số kỹ thuật cảm biến khí gas của Winsen Electronics
STT Cảm biến khí gas Thông số
1 Điện áp hoạt động 3,3V - 5V
2 Phạm vi đo nồng độ khối khí 300ppm(vacuum) - 3000ppm (max)
3 Độ phân giải 10 - bit
4 Dòng điện hoạt động 150mA
5 Độ chính xác ± ± 5 %
+Cảm biến cửa từ MC-38: là một cảm biến ứng dụng kĩ thuật điện từ, cảm biến gồm 2 bộ phận của cặp từ động – tĩnh, khi có dòng điện đi qua, má cực còn lại sẽ Hình 3-4. Sơ đồ kết nối khối cảm biến khí Gas
28 được kích từ nhằm tạo ra hiệu ứng nam châm trái cực và thay đổi giá trị điện áp mô phỏng hoạt động của một công tắc và ngược lại khi 2 má cực rời xa khỏi tầm hoạt động lực từ giữa 2 má cực. Do dễ dàng lắp đặt và phù với yêu cầu thiết kế, sinh viên chọn MC-38 là cảm biến cửa, mô phỏng hoạt động đóng-mở cửa qua tín hiệu điện đóng-ngắt được kết nối với khối xử lý trung tâm theo sơ đồ sau:
- Chân S nối với chân 22 của ESP32 - WROOM (nút 2).
- Chân N thì nối với GND của ESP32 - WROOM (nút 2).
Bảng 3-4. Bảng thông số kỹ thuật cảm biến MC-38 của SYNACORP TRADING SERVICES
STT Cảm biến cửa từ Thông số
1 Kích thước 27 x 14 x 10mm
2 Phạm vi hoạt động 18 ± 6mm
3 Điện áp giữa 2 tiếp điểm 100VDC (max)
4 Dòng điện hoạt động 300mA
5 Dạng ngõ ra: thường đóng 1
Hình 3-5. Sơ đồ kết nối cảm biến cửa từ
29 +Cảm biến ánh sáng: Cảm biến ánh sáng (LDR) được dùng trong đề tài là một quang trở hoạt động theo nguyên lý khi càng nhận được nhiều ánh sáng thì LDR càng có nhiều electron bị kích thích trên dải dẫn và điện trở của LDR sẽ càng thấp.
Ngược lại, trong bóng tối, LDR thể hiện điện trở cao. Cảm biến hoạt động cho nhiều ứng dụng như đo nhịp tim, chống trộm…
Trong đề tài, cảm biến được ứng dụng mô phỏng hệ thống mở và đóng mái che khi trời có nắng, cảm biến được kết nối với khối xử lý trung tâm ở nút 1 theo sơ đồ kết nối như hình bên:
Bảng 3-5. Bảng thông số kỹ thuật cảm biến ánh sáng của SENBA OPTICAL ELECTRONIC
STT Cảm biến ánh sáng Thông số
1 Kích thước 32 x 14mm
2 Công suất tối đa 100mW
3 Trở sáng 10 ~ 20KΩ
4 Trở tối 1MΩ
5 Dòng điện hoạt động 10mA
6 Nhiệt độ hoạt động -30 đến 70℃
6 Điện áp hoạt động ± 3,3V - 5V
Hình 3-6. Sơ đồ kết nối cảm biến ánh sáng LDR
30 +Cảm biến thân nhiệt chuyển động: Cảm biến Pir (hồng ngoại thụ động) là một cảm biến điện tử đo ánh sáng hồng ngoại tỏa ra từ các vật thể trong trường nhìn của nó. Nó thường được sử dụng trong các ứng dụng phát hiện chuyển động, chẳng hạn như hệ thống bảo mật, điều khiển ánh sáng và cửa tự động. Cảm biến phát hiện những thay đổi trong bức xạ hồng ngoại, chẳng hạn như chuyển động của người hoặc động vật và kích hoạt phản ứng, chẳng hạn như bật đèn hoặc phát ra tiếng chuông báo động. Tuỳ theo điều kiện môi trường hoạt động, theo kịch bản thông minh, sinh viên thực hiện đề tài sử
dụng 2 loại cảm biến Pir cho phù hợp với kịch bản sử dụng. Cảm biến Pir là loại SR501 được sử dụng cho nút 2 được sử dụng cho kịch bản với không gian rộng hơn và Pir được sử dụng ở nút 1 là loại SR505 được sử dụng cho không gian bé hơn. Các cảm biến ở hai nút được kết nối với khối xử lý trung tâm ở mỗi nút như hình bên:
Bảng 3-6. Bảng thông số kỹ thuật cảm biến SR501 của ETC
STT Cảm biến SR501 Thông số
1 Khoảng cách phát hiện Góc:360° - 6m
2 Nhiệt độ hoạt động 0 - 50℃
3 Điện áp hoạt động 3,8V - 5V
4 Dòng điện hoạt động 50uA
5 Kích thước 32 x 24 x 25mm
Cảm biến cho phép điều chỉnh độ nhạy sáng và thời gian trễ sáng trên biến trở của cảm biến (30 giây).
Hình 3-7 Sơ đồ kết nối cảm biến chuyển động ở nút 1 và 2
31 Bảng 3-7 Bảng thông số kỹ thuật cảm biến SR505 của ETC
STT Cảm biến SR505 Thông số
1 Khoảng cách phát hiện Góc: 360° - 6m
2 Điện áp hoạt động 4.5V – 20V
3 Dòng điện hoạt động 60uA
4 Thời gian trễ sáng 8s ± 30 %
5 Kích thước 10 x 23mm
Cảm biến cho không cho phép điều chỉnh độ nhạy sáng và thời gian trễ sáng trên cảm biến.
- Khối thiết bị chấp hành: óng vai trò quan trọng trong hệ thống, đảm nhiệm chức năng điều khiển trực tiếp các thiết bị theo tín hiệu nhận được từ bộ xử lý trung tâm. Trong đề tài này, khối thiết bị chấp hành được thiết kế với 3 đèn LED đơn đại diện cho 3 thiết bị chấp hành cụ thể: rèm cửa, quạt hút và đèn hành lang…
➢ Những thiết bị chấp hành ở nút 1: Các thiết bị chấp hành ở nút 1 sẽ gồm 3 led mô phỏng trạng thái bật/tắt gồm D3, D5, D6 lần lượt là đèn thể hiện trạng thái mái che ban công, đèn phòng bếp và quạt hút theo sơ đồ kết nối như Hình 3-8.
➢ Những thiết bị chấp hành ở nút 2: Các thiết bị chấp hành ở nút 2 sẽ gồm 3 led mô phỏng trạng thái bật/tắt gồm D1, D2, D4 lần lượt là đèn hành lang, đèn phòng vệ sinh và điều hoà nhiệt độ theo sơ đồ kết nối như Hình 3-8.
Hình 3-8 Sơ đồ kết nối thiết bị chấp hành ở cả hai nút 1 và 2
32 - Khối thiết bị điều khiển: Khối điều khiển trong hệ thống sẽ gồm các nút nhấn nhằm tạo các sự kiện theo kịch bản thông minh, mỗi nút nhấn sẽ tạo các sự kiện thay đổi trạng thái bật/tắt của một thiết bị chấp hành tương ứng.
➢ Những thiết bị điều khiển ở nút 1: Các nút nhấn ở nút 1 sẽ gồm 2 nút nhấn tạo sự kiện bật/tắt cho 2 đối tượng điều khiển lần lượt là nút nhấn Button_kitchen điều khiển bật/tắt cho đèn phòng bếp và nút nhấn Button_awning điều khiển trạng thái đóng/mở của mái che ban công có sơ đồ kết nối như Hình 3-9.
➢ Những thiết bị điều khiển ở nút 2: Các nút nhấn ở nút 2 sẽ gồm 2 nút nhấn tạo sự kiện bật/tắt cho 2 đối tượng điều khiển lần lượt là nút nhấn Button_bedroom điều khiển bật/tắt cho điều hoà không khí của phòng ngủ và nút nhấn Button_Door điều khiển trạng thái đóng/mở của đèn hành lang có sơ đồ kết nối như Hình 3-9.
Hình 3-9 Sơ đồ kết nối thiết bị điều khiển ở cả hai nút 1 và 2
33 - Khối xử lý trung tâm:
ESP32 - WROOM: Chip tích hợp đa cảm biến mạnh mẽ
ESP32 - WROOM là vi điều khiển tích hợp nhiều tính năng mạnh mẽ, bao gồm cả khả năng cảm biến môi trường thông qua các cảm biến được tích hợp sẵn trên chip.
Nhờ vậy, ESP32 - WROOM trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng cần thu thập dữ liệu môi trường một cách chính xác và hiệu quả. Các thông số thiết bị được thể hiện như sau:
• Sức mạnh xử lý ấn tượng:
o CPU: Xtensa Dual-Core LX6 microprocessor - 32bit cho tốc độ xử lý 160MHZ up to 240 MHz.
o Tốc độ xung nhịp đọc flash chip: 40mhz - 80mhz (tùy chỉnh khi lập trình) o SRAM: 520 KByte
o 520 KB SRAM liền chip – (trong đó 8 KB RAM RTC tốc độ cao – 8 KB RAM RTC tốc độ thấp (dùng ở chế độ DeepSleep)
• Hỗ trợ 2 giao tiếp không dây:
o Wi-Fi: 802.11 b/g/n/e/i.
• Các loại giao thức kết nối khác:
o 8-bit DACs (digital to analog) 2 cổng.
o Analog (ADC) 8-bit 7 cổng o Analog (ADC) 10-bit 16 cổng.
o SPI – 3 cổng (1 cổng cho chip FLASH).
o SD card /SDIO/MMC host.
o Ethernet MAC.
o IR (TX/RX).
• Băm xung PWM (tất cả các chân).
• Cảm biến tích hợp trên Chip ESP32 - WROOM:
o 1 cảm biến Hall (cảm biến từ trường).
o 1 cảm biến đo nhiệt độ.
o Cảm biến chạm (điện dung) với 10 đầu vào khác nhau.
34
• Bảo mật:
o WFA (Wi-Fi Alliance): Đảm bảo tính tương thích rộng rãi với các thiết bị Wi-Fi khác.
o WPA/WPA2: Cung cấp mã hóa mạnh mẽ để bảo vệ dữ liệu truyền tải qua mạng Wi-Fi.
o WAPI (Wireless Authentication Protocol for Industry): Tiêu chuẩn bảo mật do Trung Quốc phát triển.
o Dữ liệu lưu trữ trong bộ nhớ flash được mã hóa để bảo vệ khỏi truy cập trái phép.
o 1024 - bit OTP, tối đa 768 - bit bản tuỳ chỉnh.
o Bộ tăng tốc mật mã: AES, SHA - 2, RSA, trình tạo số ngẫu nhiên (RNG).
Các yếu tố trên đáp ứng đủ nhu cầu thiết kế cho một nút mô phỏng một thiết bị IoTs có khả năng kết nối mạng, hệ số vận hành, bảo mật cao và phù hợp với môi trường trong nhà hoặc đa dạng các kịch bản thông minh khi phát triển hệ thống trong tương lai.
Hình 3-10. Tính năng khối xử lý trung tâm Esp32
35 - Khối nguồn: Để hệ thống hoạt động một cách ổn định, chính xác cần đảm bảo nguồn cấp cho hệ thống, bao gồm 2 nút với mức năng lượng tiêu thụ của các thiết bị trong mỗi nút theo đề tài theo bảng 3-7, bảng 3-8.
Ta có dòng điện tiêu thụ tổng của nút 1:
- 𝐼 = 𝐼𝐸𝑆𝑃32+ 𝐼𝑃𝑖𝑟1+𝐼𝐿𝑖𝑔ℎ𝑡 𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟+𝐼𝑔𝑎𝑠 𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟 = 0,145 + 0,150 + 0,05 + 0,01
= 0,355 (A)
Ta có dòng điện tiêu thụ tổng của nút 2:
- 𝐼 = 𝐼𝐸𝑆𝑃32+ 𝐼𝑃𝑖𝑟2+𝐼𝐷𝐻𝑇11+𝐼𝐷𝑜𝑜𝑟𝑠𝑤𝑖𝑡𝑐ℎ = 0,145 + 0,06 + 0,3 = 0,505 (A) Ứng với bảng thông số như dưới đây, để đáp ứng hệ thống hoạt động được ổn định và chính xác, sinh viên thực hiện đề tài chọn nguồn Adapter 5V- 1A cho cả hai nút trong hệ thống.
Hình 3-11. Khối xử lý trung tâm và sơ đồ chân Pinout
36 Bảng 3-8 Bảng điện áp và dòng tiêu thụ nút 2
STT Tên thiết bị Dòng điện tiêu thụ Điện áp (V)
1 ESP32 (nút 2) 145 mA 5 V
2 Cảm biến thân nhiệt chuyển động 2 60 uA 5 V
3 Cảm biến nhiệt độ 0,3 mA 3,3 V
4 Cảm biến cửa từ 300 mA 5 V
Bảng 3-9 Bảng điện áp và dòng tiêu thụ nút 1
STT Tên thiết bị Dòng điện tiêu thụ Điện áp(V)
1 ESP32 (nút 1) 145 mA 5 V
2 Cảm biến khí gas 150 mA 3,3 V
3 Cảm biến thân nhiệt chuyển động 1 50 uA 5 V
4 Cảm biến ánh sáng 10 mA 3,3 V
37 Hình 3-12 Sơ đồ nguyên lý hệ thống gồm nút 1 và nút 2
38