TỔNG QUAN MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH
Định nghĩa nhà thông minh
Nhà thông minh, hay "Smart Home", là một ngôi nhà được trang bị hệ thống tự động thông minh, cho phép điều phối các hoạt động theo thói quen và nhu cầu của gia chủ Đây là một hệ thống tổng thể, trong đó tất cả thiết bị điện tử gia dụng được kết nối với thiết bị điều khiển trung tâm, giúp chúng phối hợp thực hiện các chức năng chung Các thiết bị này có khả năng xử lý tình huống theo lập trình sẵn hoặc được điều khiển từ xa, nhằm nâng cao tiện nghi, an toàn và sử dụng hợp lý tài nguyên.
Hình 1-1 Mô hình nhà thông minh
Hệ thống nhà thông minh bao gồm các thành phần chính như cảm biến (nhiệt độ, ánh sáng, cử chỉ), bộ điều khiển và máy chủ, cùng với các thiết bị chấp hành Các cảm biến giúp theo dõi trạng thái bên trong ngôi nhà, cho phép bộ điều khiển và máy chủ đưa ra quyết định chính xác để điều chỉnh các thiết bị chấp hành, từ đó tạo ra môi trường sống tối ưu cho con người.
Sự phát triển của thiết bị điện tử cá nhân như máy tính bảng và điện thoại thông minh, cùng với hạ tầng thông tin tiên tiến như internet và các mạng di động 3G, 4G, đã tạo điều kiện cho các hệ thống nhà thông minh tương tác với người sử dụng Người dùng có thể giám sát và điều khiển ngôi nhà của mình từ bất cứ đâu thông qua các giao diện cảm ứng trên smartphone.
Người dùng có thể tùy chỉnh hệ thống Nhà Thông Minh theo nhu cầu cá nhân, như lập trình hẹn giờ tắt đèn khi ngủ hoặc điều khiển từ xa các thiết bị như tivi và rèm cửa qua smartphone khi đến nơi làm việc Giá cả cho các giải pháp Nhà Thông Minh dao động từ vài triệu đến vài trăm triệu đồng, tùy thuộc vào mức độ sử dụng và tính năng mong muốn.
Các thành phần cơ bản hệ thống nhà thông minh
Hệ thống nhà thông minh bao gồm các thành phần cơ bản như cảm biến nhiệt độ, cảm biến ánh sáng và cảm biến cử chỉ, cùng với bộ điều khiển và máy chủ Những cảm biến này giúp theo dõi trạng thái bên trong ngôi nhà, từ đó cho phép bộ điều khiển và máy chủ đưa ra quyết định hợp lý để điều chỉnh các thiết bị chấp hành, đảm bảo môi trường sống tối ưu cho con người.
Hình 1-2 Các thành phần cơ bản của hệ thống nhà thông minh
1.2.1 Hệ th ống ch iếu sáng th ông minh
Các thiết bị chiếu sáng như bóng đèn sợi đốt, đèn neon, đèn LED, đèn ngủ và đèn trang trí được sử dụng phổ biến, nhưng nếu không phối hợp hợp lý, có thể dẫn đến ô nhiễm ánh sáng Việc chiếu sáng không hiệu quả không chỉ gây lãng phí điện mà còn giảm tuổi thọ của thiết bị Hơn nữa, với số lượng đèn lớn, gia chủ sẽ gặp bất tiện trong việc bật tắt và điều chỉnh độ sáng cho phù hợp.
Hệ thống chiếu sáng có thể được tích hợp với các hệ thống khác hoặc hoạt động độc lập, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và tạo điều kiện thuận lợi cho người dùng trong việc điều khiển Các giải pháp kết hợp sẽ được xem xét để tự động hóa ở mức tối đa.
Các đèn trong phòng được thiết kế đồng bộ và kết nối với các thiết bị như quạt thông gió, tạo ra một không gian hài hòa Ánh sáng được điều chỉnh theo nhu cầu của chủ nhà và theo mùa, đồng thời kết hợp với âm nhạc, tiểu cảnh và thác nước (nếu có) Hệ thống này được tự động điều khiển để đạt trạng thái tối ưu cho từng tình huống sử dụng cụ thể.
Chỉ cần nhấn một phím tương ứng với chế độ đã định sẵn, hệ thống sẽ tự động điều chỉnh ánh sáng với 100% cho đèn chiếu sáng, 75% cho đèn trang trí và khép màn che cửa sổ Những thông số này có thể dễ dàng thay đổi theo yêu cầu cụ thể của chủ nhà, giúp kiến trúc sư tạo ra các kịch bản ánh sáng phù hợp cho những hoạt động khác nhau như dạ hội, tiệc hay xem phim.
I Những yếu tố của hệ thống chiếu sáng thông minh a Điều khiển bản phím
Cách đơn giản nhất để kiểm soát ánh sáng trong ngôi nhà của bạn là sử dụng công tắc thông thường, nhưng với sự điều khiển hiện đại, việc này trở nên dễ dàng và thú vị hơn rất nhiều.
Với công nghệ hiện đại, bạn chỉ cần ấn nút "tạm biệt" trên bàn phím điều khiển để tự động tắt tất cả các thiết bị trong nhà, thay vì phải tắt từng cái một Bạn cũng có thể điều khiển ánh sáng và màu sắc thông qua smartphone hoặc iPad, giúp việc quản lý ánh sáng trở nên dễ dàng hơn Hệ điều hành Android và iOS cho phép người dùng bật, tắt, điều chỉnh độ sáng và thay đổi màu sắc của đèn trong ngôi nhà một cách thuận tiện Ngoài ra, bạn có thể thiết lập ánh sáng tự động và điều chỉnh thời gian theo nhu cầu sử dụng.
Người dùng có thể tùy chỉnh điều khiển ánh sáng theo nhu cầu cá nhân thông qua các thiết bị như cảm biến hồng ngoại, hệ thống relay, dimmer để điều chỉnh độ sáng, hoặc thiết lập ánh sáng theo thời gian.
II Một số chế độ hoạt động a Chế độ chủ vắng nhà
Chế độ người chủ vắng nhà trong hệ thống nhà thông minh sẽ được lập trình để tự động kích hoạt các thiết bị và hệ thống trong nhà, giúp bảo vệ và quản lý ngôi nhà khi chủ nhân không có mặt.
Một số đèn có thể được tắt hoặc mở trong khoảng thời gian ngắn, hoặc tự động điều chỉnh trạng thái đóng mở theo thời gian thích hợp Chế độ ăn tối cũng cần được xem xét để tạo ra không gian ấm cúng và thoải mái.
Hệ thống đèn trong phòng ăn sẽ tự động điều chỉnh ánh sáng cho phù hợp với không khí của một buổi ăn tối. c Chế độ tiệc liên hoan
Hệ thống thông minh tự động điều chỉnh ánh sáng tại các khu vực chính và phát nhạc sôi động, tạo không khí tiệc tùng hoàn hảo Ngoài ra, chế độ xem phim cũng được tích hợp để mang đến trải nghiệm giải trí tuyệt vời.
Hệ thống chiếu sáng trong phòng giải trí và chiếu phim được điều chỉnh để tạo ra không gian thoải mái và dễ chịu cho người xem Màn hình tự động hạ xuống tùy thuộc vào thời gian trong ngày, mang đến trải nghiệm xem phim tối ưu.
1.2.2 Hệ th ống kiểm soát ra vào
Khi gia chủ không có mặt, việc quản lý hệ thống ra vào trong nhà trở nên cực kỳ quan trọng để ngăn chặn trộm cắp và tiết kiệm năng lượng Hệ thống kiểm soát ra vào của ngôi nhà thông minh giúp chủ nhà dễ dàng quản lý và cấp quyền truy cập cho các thành viên trong gia đình cũng như người thân.
Hệ thống ra vào các phòng sẽ được trang bị khóa vân tay hoặc khóa phím, giúp nhận diện người trong nhà hoặc khách, từ đó cấp quyền truy cập.
Ngoài ra, còn có thể dùng hệ thống nhận diện khuân mặt hay giọng nói tùy vào phòng riêng của mỗi người.
1.2.3 Hệ th ống quan sát
Hệ thống quan sát an ninh giúp gia chủ kiểm soát người ra vào ngôi nhà hiệu quả, đồng thời nhận diện khách nhanh chóng thông qua camera Với khả năng giám sát 24/7, mọi ngóc ngách trong nhà đều được theo dõi liên tục Chủ nhà có thể dễ dàng giám sát ngôi nhà và theo dõi hoạt động của con cái từ xa thông qua smartphone hoặc máy tính bảng, sử dụng kết nối wifi, 3G, hoặc 4G.
Giải pháp tiết kiệm của nhà thông minh
Nhà thông minh giúp tiết kiệm chi phí sinh hoạt bằng cách sử dụng các thiết bị điện tiêu thụ năng lượng thấp và quản lý hiệu quả Các thiết bị tự động tắt khi không có người trong nhà, đèn tự động tắt khi đủ ánh sáng, và máy lạnh tự điều chỉnh nhiệt độ hoặc tắt khi mở cửa sổ Nhờ đó, điện năng được sử dụng một cách tiết kiệm, giảm thiểu lãng phí.
Phân loại cơ chế thông minh
Có thể phân chia làm ba loại cơ chế hoại động như sau:
Cơ chế nhận diện cho phép hệ thống ghi nhớ các đặc điểm đã được cài đặt trong bộ nhớ Khi quá trình nhận diện không khớp, hệ thống sẽ từ chối phục vụ hoặc thông báo cho người dùng.
Cổng và cửa gara chỉ mở cho những xe có biển số đã được đăng ký trong hệ thống, trong khi cửa tự động nhận diện vân tay chỉ cho phép mở bởi đúng người Vào ban đêm, nếu có người lạ xuất hiện trong phòng khác, hệ thống sẽ tự động báo động.
Cơ chế lập trình sẵn: một số hệ thống thiết bị được thiết kế hoạt động theo lịch trình nhất định.
Bắt đầu từ 7 giờ tối, đèn vườn và đèn bảo vệ tự động bật sáng, tắt vào lúc 5 giờ sáng Vào 7 giờ sáng, tivi tại khu vực bếp tự động phát chương trình cài đặt để người ăn sáng có thể xem Vòi nước tưới vườn hoạt động trong 10 phút vào lúc 8 giờ sáng Cuối cùng, vào lúc 10 giờ đêm, các hệ thống cửa tự động an toàn sẽ đóng lại.
Cơ chế cảm ứng là một hệ thống linh hoạt, hoạt động dựa trên sự biến đổi trạng thái mà nó ghi nhận, nhằm tự điều chỉnh một cách phù hợp.
Hệ thống tự động trong ngôi nhà hiện đại bao gồm đèn tự động bật khi có người và tắt sau một thời gian không có ai, hệ thống báo động cảnh báo khi cửa bị chấn động bất thường, mái kính tự động đóng khi trời mưa, và rèm cửa hoạt động tự động dựa vào ánh sáng mặt trời, đảm bảo sự tiện nghi và an toàn cho người sử dụng.
T iêu chuẩn ngôi nhà thông minh
Với sự tiến bộ không ngừng của khoa học hiện đại, con người ngày càng cải thiện chất lượng cuộc sống và hướng tới một cuộc sống tiện nghi hơn Nhu cầu này đã dẫn đến nhiều sáng tạo phục vụ cho bản thân và xã hội, trong đó có ý tưởng về "ngôi nhà thông minh" Mặc dù công nghệ cho ngôi nhà mơ ước đã tồn tại từ lâu, nhưng chỉ mới gần đây nó mới được công bố rộng rãi Nhiều công ty đã đưa ra giải pháp cho hệ thống ngôi nhà thông minh, tất cả đều hướng đến những tiêu chuẩn nhất định.
Tự động hóa ngôi nhà giúp nâng cao tiện nghi và tiết kiệm năng lượng, với các hệ thống điều khiển ánh sáng tự động bật đèn khi trời tối hoặc khi có người vào phòng Ngoài ra, việc kiểm soát nhiệt độ phòng, thu dây phơi quần áo khi trời mưa và tự động bơm nước khi mức nước xuống thấp cũng là những ứng dụng hữu ích của công nghệ này.
Để đảm bảo an ninh và an toàn cho ngôi nhà, cần lắp đặt khóa bảo vệ cho cổng và cửa ra vào chính Hệ thống sẽ tự động gửi tin nhắn SMS thông báo đến 6 số điện thoại trong danh sách định sẵn nếu có ai đó nhập mã khóa sai quá 3 lần, đồng thời cũng có khả năng cảnh báo về hỏa hoạn.
• Đem lại sự thoải mái cho người sử dụng.
• Cung cấp các dịch vụ giải trí chất lượng cao: thiết bị giải trí đa phương tiện như Tivi , Radio, Film, Music, Camera
Cung cấp khả năng giám sát và điều khiển từ xa thông qua máy tính PC, thiết bị di động như SmartPhone và PDA Người dùng có thể dễ dàng điều khiển thiết bị qua Internet thông qua giao diện Web, mang lại sự tiện lợi và linh hoạt trong quản lý.
• Tăng hiệu suất của hệ thống, giảm điện năng tiêu thụ điện.
Xu hướng tương lai của ngôi nhà thông minh
Trong thời đại công nghệ hiện nay, mọi thứ đều được kết nối qua Internet, khiến xu hướng nhà thông minh trở thành tiêu chuẩn không thể thiếu cho các ngôi nhà hiện đại.
Ngôi nhà lý tưởng không chỉ thể hiện vẻ đẹp và sự sang trọng trong thiết kế mà còn mang đến cảm giác thoải mái và tiện nghi cho gia chủ Đây không chỉ là một không gian sống, mà còn là người bạn đồng hành hiểu rõ mọi cảm xúc của chủ nhân, đồng thời nâng tầm đẳng cấp cho ngôi nhà.
Nhà thông minh là ngôi nhà tích hợp các thiết bị như đèn, rèm cửa, điều hòa, hệ thống âm thanh và an ninh, cho phép chúng kết nối và giao tiếp với nhau theo lịch trình đã được lập sẵn Chủ nhân có thể điều khiển các thiết bị này từ xa thông qua kết nối internet, mang lại sự tiện lợi và an toàn cho người sử dụng.
Hình 1-3 Nhà thông minh là xu hướng của tương lai.
Nhà thông minh mang đến sự tiện lợi và an toàn cho gia chủ, cho phép điều khiển thiết bị một cách dễ dàng, khác biệt hoàn toàn so với các ngôi nhà thông thường, nơi mọi thao tác đều phải thực hiện thủ công theo nguyên tắc mở/tắt.
Khi sử dụng công tắc điện cảm ứng, bạn chỉ cần lướt nhẹ trên bề mặt hoặc sử dụng điện thoại cảm ứng để điều khiển toàn bộ ngôi nhà một cách dễ dàng Giải pháp nhà thông minh cho phép bạn giám sát, đặt lịch và vận hành nhiều thiết bị cùng lúc thông qua điện thoại di động hoặc máy tính bảng, giúp bạn kiểm soát hệ thống chiếu sáng và rèm cửa mà không cần phải di chuyển đến từng thiết bị.
Nhiều gia đình hiện nay rất chú trọng đến an ninh, và với hệ thống giải pháp này, các thiết bị trong nhà sẽ đồng loạt báo động khi phát hiện sự xâm nhập trái phép Bạn có thể dễ dàng “giao nhiệm vụ” cho từng thiết bị trong các tình huống cụ thể và kiểm soát mọi hoạt động của ngôi nhà thông qua điện thoại hoặc máy tính bảng.
Giải pháp nhà thông minh không chỉ mang lại sự thoải mái và tiện nghi cho người sử dụng, mà còn giúp tiết kiệm năng lượng, bảo vệ môi trường và đặc biệt là nâng cao chất lượng cuộc sống.
XÂY DỰNG Ý TƯỞNG MÔ HÌNH VÀ CÁC THIẾT BỊ NHÀ THÔNG
Sau quá trình nghiên cứu và tham khảo, nhóm chúng em đã thiết kế sơ đồ tổng quát cho hệ thống nhà thông minh, bao gồm các thành phần như mô hình cơ khí truyền động, khối xử lý (Arduino), Cloud Server, giao diện Web-UI và ESP8266 Hình 2-1 thể hiện tổng quan về hệ thống này.
Hình 2-4 Mô hình tổng quát hệ thống nhà thông minh
• Mô hình: được thiết kế và xây dựng trên phần mềm Corel bao gồm cấu trúc của ngôi nhà, ví trị lắp đặt thiết bị
Khối xử lý Arduino là phần quan trọng nhất trong hệ thống, vì nó điều khiển toàn bộ cơ cấu chấp hành, nhận và xử lý tín hiệu từ cảm biến, đồng thời giao tiếp với ESP8266 để kết nối với Cloud Server.
• ESP8266: được lập trình để kết nối với Cloud Server thông qua Wifi và
Giao thức SocketIO kết hợp với giao thức UART cho phép giao tiếp hiệu quả giữa Arduino và Cloud Server, tạo thành cầu nối quan trọng để truyền và nhận dữ liệu giữa hai hệ thống này.
• Cloud Server: được xây dựng trên nền NodeJS, và giao tiếp với ESP8266 thông qua chuẩn giao thức SocketIO đồng thời còn quản lý Web-UI cũng như database.
Giao diện Web-UI được phát triển bằng ReactJS, cho phép người dùng tương tác với server NodeJS thông qua giao thức SocketIO Điều này giúp người dùng quản lý, giám sát và điều khiển hệ thống một cách hiệu quả.
Các chương tiếp theo sẽ đi sâu vào việc phân tích chức năng và nguyên lý hoạt động của từng khối Qua đó, người đọc có thể tổng hợp các khối lại với nhau để xây dựng một hệ thống theo ý muốn.
GIỚI THIỆU THIẾT BỊ TRONG MÔ HÌNH
Sơ đồ khối chức năng
Để đảm bảo tính chính xác, ổn định và bảo mật cho hệ thống, sơ đồ khối chức năng được thiết kế nhằm đáp ứng các yêu cầu của hệ thống thông qua chương trình điều khiển và quản lý nhà thông minh.
• Hình 3-5 Sơ đồ khối phần cứng của hệ thống nhà thông minh
• Dựa vào sơ khối trên ta sẽ phân tích từng khối để hiểu rõ hơn về chức năng của các thiết bị trong từng khối.
Khối xử lý
Trong hệ thống nhà thông minh, board Arduino đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý và điều khiển toàn bộ hệ thống Arduino là một mạch vi xử lý được thiết kế để phát triển các ứng dụng tương tác hiệu quả hơn với nhau và với môi trường xung quanh.
Môi trường phát triển tích hợp (IDE) cho phép người dùng viết chương trình cho Arduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++ trên các máy tính cá nhân thông thường Trong bài viết này, board Arduino Nano được lựa chọn để điều khiển và xử lý tín hiệu của hệ thống.
3.2.1 Giới thiệu về Arduino Nano
• I Giới thiệu về Arduino Nano
Arduino Nano USB Mini là một board mạch vi điều khiển nhỏ gọn, sử dụng ATmega328P hoặc ATmega168, được phát triển dựa trên mã nguồn mở của Arduino.cc Với kích thước nhỏ hơn so với Arduino Uno và Arduino Mega, Arduino Nano có khả năng hoạt động độc lập và tương tác hiệu quả với các thiết bị điện tử Nó cũng là công cụ hữu ích cho những người mới bắt đầu tìm hiểu về Arduino, cho phép kết nối với PC và phối hợp với các phần mềm như Flash, Xử lý, và Max/Msp.
Arduino Nano là lựa chọn lý tưởng cho các dự án yêu cầu kết nối với ít và đơn giản thiết bị ngoại vi, nhờ vào khả năng tương tác dễ dàng với PD và các phần mềm khác.
Arduino Nano có các chức năng tương tự như Arduino Uno nhưng có kích thước nhỏ gọn hơn, giúp dễ dàng tích hợp vào các dự án Board này hoạt động với điện áp 5V, tuy nhiên, nguồn cấp điện áp đầu vào có thể linh hoạt thay đổi từ 7 đến 12V.
• Arduino Nano bo gồm tất cả 14 chân Digital, 8 chân Analog, 2 chân Reset và 6 chân Nguồn Mỗi chân Digital và Analog có thể thực hiện với nhiều chức năng
• khác nhau nhưng chức năng chính vẫn là được mặc định cấu hình làm đầu vào
Trong giao tiếp với cảm biến, các chân Digital và Analog hoạt động như chân Input Ngược lại, khi được sử dụng để điều khiển động cơ, tạo xung, kích hoạt relay hoặc thiết bị chuyển mạch, các chân này đóng vai trò là chân Output.
Các hàm cơ bản như pinMode() và digitalWrite() giúp điều khiển hoạt động của các chân Digital, trong khi analogRead() được sử dụng để quản lý các chân Analog.
Analog Các chân Analog có độ phân giải 10 bit, giá trị thay đổi từ 0V đến 5V.
Arduino Nano tích hợp thạch anh dao động 16 MHz, mang lại độ chính xác cao cho các dự án đồng hồ số Tuy nhiên, một hạn chế của Arduino Nano là không có giắc nguồn DC, do đó không thể cung cấp nguồn điện bên ngoài qua các chân như Arduino Uno và Mega Người dùng phải kết nối trực tiếp qua cổng USB Mini, thay vì cổng USB chuẩn Với kích thước nhỏ gọn và tính năng tương tự như Arduino Uno, Arduino Nano là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng cần tối ưu hóa kích thước linh kiện điện tử.
Bộ nhớ flash của Vi điều khiển Atmega có dung lượng 16KB hoặc 32KB, tùy thuộc vào loại vi điều khiển, ví dụ như Atmega168 có bộ nhớ flash 16KB, trong khi Atmega328 có bộ nhớ flash 32KB Bộ nhớ flash này được sử dụng để lưu trữ mã hóa dữ liệu, trong đó 2KB được dành riêng cho chương trình khởi động, hay còn gọi là Bootloader.
Bộ nhớ SRAM của Atmega168 và Atmega328 có dung lượng từ 1KB đến 2KB, trong khi EEPROM có dung lượng 512 byte hoặc 1KB Để lập trình, người dùng cần sử dụng phần mềm IDE và kết nối với máy tính qua cáp USB Mini.
II Cấu tạo phần cứng của Arduino
• Các chân I/O : 14 chân ( Bao gồm 6 chân PWM)
• Tần số dao động : 16Mhz
• Hình 3-7 Sơ đồ chân của Arduino nano
• Mỗi chân trên mạch Arduino Nano có chức năng cụ thể trên các chân đó.
Các chân Analog trên board có thể hoạt động như bộ chuyển đổi từ Analog sang Digital, với A4 và A5 hỗ trợ giao tiếp I2C Ngoài ra, board còn có 14 chân Digital, trong đó 6 chân có khả năng phát xung PWM.
• -ỊĨ1ADC6 (g) -&ỈỊ PC5 Ikã^ìADCSỈỊ SCLỊ (•> &ỊỊ PC4 ìkãmĩlịÃDdỊI SOÁ~Ị Ị PCINTIĨ ỊỊ TXD ỉí PD1 líĩĩ -(•) Ịpcimisli RXP // PD0 tisgì- - -o Ị KIHTU IÍRESETIÌ PC6 7®—•
-e ỊpqmieỊịlNTQÌị PD2 ỉÊỈ -(•) l0C2B]lpannsìllfmll PD3 ỊỊ-®/-*- Ị XCK ỊỊpcaiTỉell T0 II.PD4IB -®
■OC0B®iuTỉiịị TI hPD5 BSríì) lOCeAỈIpaimìlịAlNell ỊpciHTĩỊỊịAlNlỉi PD7 ịỊữ -(•} PD6 ịfẸỊ-r\
IICPllỊKimỊịCLKOll PB0 ỊB -® iKBmllOClAll PBlKBS.rG Ị 55 ìịea^ịOClBị PBEĨỊHXr® ỉmsi7ĩĩ^7oc®¥PB3 ỈỊS-^rdì) MISO PB4 ỊĨ3 -
• Chân Vin: Đây là chân cung cấp điện áp đầu vào cho mạch Arduino nano khi sử dụng nguồn ngoài từ 7VDC đến 12 VDC.
Chân 5V trên board Arduino cung cấp mức điện áp quy định, được sử dụng để cấp nguồn cho vi điều khiển và các linh kiện khác.
• Chân 3,3V: Đây là một mức điện áp tối thiểu được tạo ra bởi bộ điều chỉnh điện áp trên board (sử dụng Lm1117 - 3.3V)
• Chân GND: Chân mass cho Arduino, có nhiều chân GND trên board
Arduino cho mục đích dễ dàng kết nối với thiết bị ngoại vi sử dụng dây testboard
Chân Reset trên Arduino là một tính năng quan trọng, cho phép người dùng khôi phục chương trình ban đầu bằng cách nhấn nút reset Điều này rất hữu ích trong trường hợp chương trình phức tạp gặp sự cố và làm treo vi điều khiển ATmega Khi mức tín hiệu ở trạng thái LOW, Arduino Nano sẽ được khởi động lại, giúp khắc phục các lỗi và đảm bảo hoạt động ổn định cho dự án của bạn.
• Các chân Analogs: Có 8 chân Analog trên board mạch Arduino Nano được ký hiệu là A0 đến A7 Được sử dụng để đo điện áp tương tự trong khoảng từ 0V đến 5V.
• Chân Rx, Tx: Được sử dụng cho giao tiếp nối tiếp trong đó Tx là truyền dữ liệu và Rx là nhận dữ liệu.
• Chân 13: Để thực hiện bật tắt LED trên board Arduino Nano, sử dụng để quan sát, kiểm tra chương trình cần thiết
• Chân AREF: Chân này được sử dụng lấy điện áp tham chiếu cho điện áp đầu vào.
• Chân xung PWM: Bao gồm 6 chân là chân 3,5,6,9,10,11 được sử dụng để cung cấp đầu ra 8-bit xung PWM.
Giao tiếp SPI sử dụng các chân 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO) và 13 (SCK) để kết nối với các thiết bị ngoại vi qua giao diện nối tiếp SPI chủ yếu được áp dụng để truyền dữ liệu giữa các bộ vi điều khiển và các thiết bị ngoại vi khác.
• cảm biến, thanh ghi và thẻ nhớ SD.
Ngắt ngoài (External Interrupts) được thiết lập trên chân 2 và 3, cho phép dừng chương trình chính trong trường hợp khẩn cấp Khi có ngắt, các cảnh báo hướng dẫn sẽ được kích hoạt, và chương trình chính sẽ tiếp tục hoạt động sau khi lệnh ngắt được loại bỏ.
• Giao tiếp I2C: Giao tiếp I2C sử dụng các chân A4 (SDA) và A5 (SCL).
3.2.2 Phần mềm lập trình Arudino IDE
Khối cảm biến
• Khối cảm biến được sử dụng để phát hiện người chuyển động, khí gas rò rì, đọc nhiệt độ độ ẩm môi trường trong hệ thống nhà thông minh.
• Cảm biến vật cản được sử dụng để phát hiện con người đang di chuyển vào khu vực để có thể tự động bật/tắt đèn cho phù hợp.
Thiết kế mô hình nhà thông minh
• I Giới thiệu về cảm biến vật cản
Dựa vào nguyên tắc phản xạ của tia hồng ngoại khi gặp vật cản, cảm biến nhận biết vật cản được thiết kế với hai đèn LED thu-phát hồng ngoại Khi đèn LED hồng ngoại chiếu ánh sáng tới vật cản, các tia hồng ngoại sẽ bị phản xạ trở lại, và đầu thu hồng ngoại sẽ nhận được lượng ánh sáng hồng ngoại phản xạ ngược.
• Hình 3-9 Module cảm biến vật cản
Module cảm biến vật cản IR-FC51 là một mạch điện tích hợp, bao gồm hai đèn LED hồng ngoại, bộ khuếch đại, bộ so sánh LM393 và bộ định thời Mạch này có ba chân kết nối: một chân cấp nguồn, một chân nối đất và một chân tín hiệu ngõ ra.
II Nguyên lý hoạt động của Module IR-FC51
• Nguyên lý hoạt động: khi ở chế độ ban đầu thì không có phản xạ tia hồng
Thiết kế mô hình nhà thông minh
Sinh viên thực hiện 29 ngoại, có nghĩa là không có vật cản thì tín hiệu ngõ ra của module ở mức 1 Ngược
Thiết kế mô hình nhà thông minh
Khi có vật cản, tia hồng ngoại sẽ bị phản xạ trở lại đèn LED thu hồng ngoại, khiến tín hiệu ngõ ra của module giảm xuống mức 0 Ngược lại, khi không có vật cản, tín hiệu ngõ ra sẽ trở về mức 1 Khoảng cách hoạt động của module có thể được điều chỉnh thông qua biến trở.
• Hình 3-10 Sơ đồ nguyên lý của cảm biến vật cản
Cảm biến phát hiện vật cản với khoảng cách từ 2-30cm cho phép điều chỉnh độ nhạy bằng chiết áp phù hợp với từng ứng dụng và điều kiện môi trường Sử dụng IC LM393 làm bộ so sánh điện áp, tín hiệu đầu ra DO sẽ ở mức cao khi không có vật cản và mức thấp khi có vật cản, với R kéo lên 10kΩ kết nối giữa đầu ra của IC và nguồn điện VCC.
III Thông số kỹ thuật của Module IR-FC51
• • Khoảng các phát hiện : 2-30 cm
• Mức thấp-0V (khi có vật cản)
• Mức cao-5V (không có vật cản)
Thiết kế mô hình nhà thông minh
• Cảm biến khí gas được tích hợp của LM393 và cảm biến MQ-2 Cảm biến
Cảm biến MQ-2 là một thiết bị chuyên dụng để phát hiện các khí có khả năng gây cháy, được chế tạo từ chất bán dẫn SnO2 Hình 3.7 minh họa cho cấu trúc và chức năng của cảm biến MQ-2.
• II Nguyên lý hoạt động
Cảm biến khí gas MQ-2 được làm từ chất SnO2, có độ nhạy thấp với không khí sạch nhưng lại nhạy cảm với các chất dễ cháy Khi có mặt của các khí cháy, độ dẫn điện của cảm biến thay đổi, cho phép chuyển đổi độ nhạy thành điện áp Trong môi trường sạch, điện áp đầu ra thấp, nhưng khi nồng độ khí cháy tăng, điện áp đầu ra cũng tăng theo MQ-2 hoạt động hiệu quả với khí hóa lỏng LPG, H2 và các khí cháy khác, nên được ứng dụng rộng rãi trong cả ngành công nghiệp và dân dụng nhờ vào thiết kế mạch đơn giản và chi phí thấp.
Cảm biến khí gas MQ2 cung cấp điện áp từ 0V đến 5V tương ứng với nồng độ chất gây cháy trong không khí Bằng cách kết hợp với các bộ chuyển đổi, chúng ta có thể đọc tín hiệu điện áp này để đo lường chất lượng không khí một cách hiệu quả.
• Ngoài ra, module được tích hợp bộ so sánh lm393 để đưa ra điện áp mức 0
Thiết kế mô hình nhà thông minh
Sinh viên thực hiện điều chỉnh độ nhạy của cảm biến bằng biến trở, cho phép tín hiệu từ chân analog vượt qua giá trị cài đặt Khi tín hiệu này vượt quá mức đã thiết lập, module sẽ phản hồi bằng cách đưa ra mức 1 ở chân digital.
Thiết kế mô hình nhà thông minh
III Thông số kỹ thuật
• Hình 3.8 là một loại module của cảm biến khí gas MQ-2 đã được tích hợp
• Hình 3-12 Cảm biến khí gas MQ-2
• • Dòng điện tiêu thụ: 150mA
3.3.3 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm
Cảm biến DHT11 là một thiết bị quan trọng trong hệ thống nhà thông minh, có khả năng đo lường nhiệt độ và độ ẩm của môi trường xung quanh Bài viết này sẽ cung cấp cái nhìn chi tiết về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến DHT11, giúp người đọc hiểu rõ hơn về ứng dụng của nó trong việc theo dõi điều kiện môi trường.
• DHT11 được tích hợp giữa cảm biến độ ẩm HR202 và điện trở nhiệt. Hình
3.9 là ảnh minh họa của cảm biến DHT11.
• Dạng tín hiệu: analog hoặc digital
Thiết kế mô hình nhà thông minh
• • Hình 3-13 Cảm biến DHT11 b Nguyên lý hoạt động
Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT11 là một lựa chọn phổ biến nhờ chi phí thấp và khả năng thu thập dữ liệu dễ dàng qua giao tiếp 1 dây Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp trong DHT11 cung cấp dữ liệu chính xác mà không cần tính toán phức tạp Tuy nhiên, so với cảm biến DHT22 hiện đại hơn, DHT11 có khoảng đo và độ chính xác kém hơn đáng kể.
• Hình 3.10 là một loại module của DHT11 được tích hợp các IC đọc nhiệt
• độ, độ ẩm và truyền dữ liệu qua chân “DATA”.
• • Điện áp hoạt động: 3V - 5V (DC)
Thiết kế mô hình nhà thông minh
• Dãi độ ẩm hoạt động: 20% - 90% RH, sai số ±5%RH
• Dãi nhiệt độ hoạt động: 0°C ~ 50°C, sai số ±2°C
• Khoảng cách truyền tối đa: 20m
Động cơ servo là thiết bị tự động sử dụng phản hồi cảm biến để điều chỉnh hành động của cơ cấu Trong số đó, RC Servo là loại động cơ servo phổ biến và được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp.
Động cơ RC Servo là loại động cơ có tốc độ thấp và mô-men xoắn cao, với nhiều kích thước khác nhau tùy thuộc vào thiết bị sử dụng Khác với động cơ DC và động cơ Stepper, động cơ RC Servo không xoay 360 độ mà bị giới hạn trong các góc 90, 180 và 270 độ.
• Board điều khiển tín hiệu hồi tiếp
• Dây tín hiệu vào (Yellow or White)
• Horn/Wheel/Arm gắn kèm
Thiết kế mô hình nhà thông minh
• II Nguyên lý hoạt động
• Theo như nghiên cứu và giám sát cho thấy động cơ RC servo hoạt động dựa trên nguyên lý PWM Cụ thể:
Servo hoạt động dựa trên việc đáp ứng một dãy xung số ổn định, với mạch điều khiển nhận tín hiệu từ 1-2ms Các xung này được gửi đi với tần suất 50 lần mỗi giây, tương đương với khoảng cách 20ms giữa các xung Động cơ RC servo cần từ 30 đến 60 xung mỗi giây; nếu số lượng xung không đủ hoặc quá thấp, sẽ dẫn đến giảm độ chính xác và công suất của servo.
• Độ rộng của các xung sẽ quyết định đến vị trí góc trục của động cơ:
• Độ rộng của xung 1.5ms thì cho trục động cơ quay đến vị trí góc 90 độ (được gọi là Neutral)
• Độ rộng xung nhỏ hơn 1.5ms thì cho trục động cơ quay ở vị trí góc 0 độ
• Độ rộng xung lớn hơn 1.5ms thì trục động cơ sẽ quay đến vị trí góc 180 độ
Các servo thường quay từ 90 đến 180 độ khi nhận tín hiệu từ 1 - 2ms Chúng được thiết kế để sử dụng toàn bộ chiều dài xung, cho phép hầu hết các servo có khả năng quay gần 180 độ.
III Thông số kỹ thuật
• • Điện áp hoạt động: 4.8-5VDC
Relay trung gian
3.4.1 Tìm hiểu chung về relay trung gian
Relay trung gian là một dạng relay điện từ phổ biến, hoạt động dựa trên nguyên lý điện từ Nó có cấu trúc tương tự như công tắc tơ, nhưng chỉ thực hiện chức năng đóng-cắt mạch điện điều khiển mà không được sử dụng trực tiếp trong mạch lực.
3.4.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của relay trung gian
Relay trung gian gồm ba phần chính: cơ cấu thu, cơ cấu trung gian và cơ cấu chấp hành Cuộn hút điện từ đóng vai trò là cơ cấu thu, tiếp nhận tín hiệu đầu vào như dòng điện hoặc điện áp, và khi đạt giá trị xác định, relay sẽ kích hoạt Mạch từ là cơ cấu trung gian, giúp tạo ra lực hút cho cuộn nam châm.
Cuộn dây trong relay trung gian có điện, tạo ra lực hút so với lực phản hồi của lò xo, từ đó truyền kết quả tác động tới cơ cấu chấp hành Hệ thống tiếp điểm đóng vai trò là cơ cấu chấp hành, truyền tín hiệu đến mạch điều khiển Hình 3-12 minh họa cấu tạo của relay trung gian.
• Hình 3-16 Cấu tạo của relay
3.4.3 Lựa chọn relay trung gian
• Trong hệ thống mô hình nhà thông minh, nhóm chúng em cần sử dụng 15 relay để đóng mở đèn và quạt cho mô hình.
• Thời gian tác động: 10ms
Module Wifi ESP8266
ESP8266 là một chip System on Chip (SoC) tích hợp cao, nổi bật với khả năng xử lý và lưu trữ tốt, giúp trang bị tính năng wifi cho các hệ thống hoặc hoạt động độc lập Chip này cung cấp khả năng kết nối mạng wifi toàn diện, cho phép tạo web server đơn giản hoặc hoạt động như một điểm truy cập Với nhiều phiên bản khác nhau, cấu trúc I/O và bộ nhớ của ESP8266 cũng rất đa dạng Trong ứng dụng nhà thông minh, module wifi ESP8266 thường được sử dụng để truyền-nhận dữ liệu giữa Server và Arduino mà không cần phiên bản có nhiều chân I/O và bộ nhớ lớn, do đó, nhóm chúng tôi đã chọn ESP8266-v3 để đáp ứng nhu cầu này.
• Hình (3-14) minh họa về hình dáng của một module ESP8266-03 với các thông số kỹ thuật như sau:
• • Wifi 2.4 GHz, hỗ trợ WPA/WPA2
• • Chuẩn điện áp hoạt động 3.3V
• • Chuẩn giao tiếp nối tiếp UART với tốc độ Baud lên đến 115200
• • Có 3 chế độ hoạt động: Client, Access Point, Both Client and Access Point
• • Hỗ trợ các chuẩn bảo mật như: OPEN, WEP, WPA_PSK, WPA2_PSK,
• • Hỗ trợ cả 2 giao tiếp TCP và UDP
• • Tích hợp công suất thấp 32-bit CPU có thể được sử dụng như là bộ vi xử lý ứng dụng
3.5.2 Sơ đồ chân và chức năng các chân
• Hình 3-19 Sơ đồ chân của ESP8266 v3
• Module ESP8266 v3 gồm có 8 chân như hình 3-15 và chức năng như sau:
• URXD(RX): dùng để nhận tín hiệu trong giao tiếp UART với Arduino.
-[ GP104 I -|~GPĨOO ] -| ELASH I -| GPIOĨ I TXĐ1 ]
-|GPIO13|-| RXD2 | -| HMOSĨ ] -Ị OPIOIS H TXDĨ H HCS 1
• UTXD(TX): dùng để truyền tín hiệu trong giao tiếp UART với Arduino.
• GPIO 0: kéo xuống thấp cho chế độ upload chương trình.
• RST: chân reset cứng của module, kéo xuống mass để reset.
• GPIO 2: thường được dùng như một cổng TX trong giao tiếp UART để kiểm tra lỗi
• CH_PD: kích hoạt chip, sử dụng cho Flash Boot và updating lại module, nối với mức cao.
Để lập trình cho ESP8266-01, chúng ta cần sử dụng phần mềm Arduino IDE, vì nó có khả năng lập trình và hoạt động độc lập Tuy nhiên, trước khi sử dụng Arduino IDE, cần cài đặt các gói thư viện hỗ trợ giao tiếp với ESP Nếu không thực hiện bước này, người dùng sẽ phải sử dụng các phần mềm chuyên dụng khác như ArduBlock ESP hoặc ESPlorer để lập trình cho module ESP.
Module RFID RC522
Sự kết hợp giữa bộ đọc RFID và thẻ Mifare trong hệ thống nhà thông minh sẽ nâng cao tính bảo mật trong quá trình ra vào ngôi nhà.
RFID, viết tắt của Radio Frequency Identification, là công nghệ nhận dạng đối tượng thông qua sóng vô tuyến, cho phép giám sát và quản lý các đối tượng hiệu quả Module RFID RC522 được sử dụng để đọc và ghi dữ liệu cho thẻ Mifare, với thiết kế nhỏ gọn và linh hoạt, là lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng khác nhau.
• các ứng dụng đọc - ghi thẻ Mifare, đặc biệt khi sử dụng kết hợp với Arduino.
Module RFID RC522 giao tiếp với Arduino thông qua chuẩn giao tiếp SPI. Hình
3-16 minh họa hai loại thẻ Mifare và một đầu đọc RFID.
• Hình 3-20 Module đọc RFID và 2 loại thẻ Mifare
• MIFARE là một thẻ từ cơ bản bao gồm một dãy các nam châm nhỏ.
Thẻ được mã hóa thông qua việc thiết lập phân cực của nam châm, với đầu đọc thẻ xác định cực và xuất thông tin dưới dạng chuỗi nhị phân Dải kháng từ của thẻ phản ánh sức mạnh từ trường dùng để ghi dữ liệu Thẻ từ có nhiều ứng dụng, như lưu trữ thông tin khách hàng và hàng hóa Mỗi thẻ Mifare sở hữu số thẻ riêng biệt và mã hóa bảo mật, ngăn chặn truy cập trái phép, làm cho việc sao chép thẻ Mifare trở nên rất khó khăn Cấu trúc của thẻ Mifare được minh họa trong hình 3-17.
• Hình 3-21 Cấu tạo thẻ Mifare
3.6.2 Nguyên lý hoạt của Module RFID RC522
Hệ thống RFID bao gồm hai thành phần chính là Tag (thẻ RFID) và Reader (đầu đọc RFID) Tag chứa thông tin cần thiết để nhận diện đối tượng, trong khi Reader có nhiệm vụ thu thập và xử lý dữ liệu từ Tag Sự kết hợp giữa hai thành phần này tạo nên khả năng nhận diện và theo dõi đối tượng một cách hiệu quả.
• và Reader giao tiếp với nhau ở cùng một tần số (trên thẻ
RFID và đầu đọc RFID đều sử dụng anten để hoạt động Tốc độ truyền dữ liệu và khoảng cách giữa Tag và Reader trong module RFID phụ thuộc chủ yếu vào tần số sóng radio được sử dụng.
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).
Module RFID hoạt động khi thẻ RFID được đưa vào vùng quét của đầu đọc, nơi sóng vô tuyến từ đầu đọc cung cấp một dòng điện nhỏ để kích hoạt mạch điện trong thẻ Điều này cho phép thẻ gửi tín hiệu hồi đáp và thực hiện trao đổi dữ liệu với bộ điều khiển kết nối Sau khi nhận dữ liệu từ thẻ RFID, bộ điều khiển sẽ đưa ra các yêu cầu điều khiển phù hợp với từng ứng dụng cụ thể.
• Dòng ở chế độ chờ: 10-13 mA.
• Dòng ở chế độ nghỉ: Scnpt t> Global script.js ► * ĩ Ố ■
1 íunction test() { var name = 'Hieu Sensei'; var number = 123;
5 I console.log(name); console.log(number);
• loại chuẩn giao tiếp khác nhau mà cách trao đổi dữ liệu cũng diễn ra khác nhau.
Hình 4-8 thể hiện về tổng quan các chuẩn giao tiếp mà trong hệ thống này sử dụng.
• Hình 4-34 Các chuẩn giao tiếp
Trong giao thức SPI, các thiết bị được kết nối theo mối quan hệ Master-Slave trong một giao diện đa điểm, với Arduino đóng vai trò là thiết bị Master Hệ thống này cho phép một thiết bị Master điều khiển nhiều thiết bị Slave Sơ đồ minh họa (Hình 4-8) cho thấy cấu trúc của một thiết bị Master và một Slave, trong khi bus SPI bao gồm bốn tín hiệu hoặc chân cơ bản.
Master-Out/Slave-In (MOSI hay SI) là cổng xuất dữ liệu từ thiết bị Master và cổng nhập dữ liệu của thiết bị Slave, được sử dụng để truyền tải thông tin từ Master đến Slave.
Master-In/Slave-Out (MISO) is the input port for the Master device and the output port for the Slave device, specifically designed for data transmission from the Slave device to the Master device.
• Serial Clock (SCK hay SCLK): xung giữ nhịp cho giao tiếp SPI.
• Chip Select (CS) hay Slave Select (SS): chọn chip.
• Hình 4-35 Kết nối của chuẩn giao tiếp SPI
Khi dữ liệu được truyền giữa hai thiết bị, nếu chỉ một thiết bị gửi dữ liệu, thiết bị còn lại cần gửi một tín hiệu giả để xác nhận Điều này có nghĩa là cho mỗi bit dữ liệu được truyền từ thiết bị chính (Master), thiết bị phụ (Slave) cũng phải gửi lại một bit dữ liệu Cụ thể, thiết bị Master sẽ truyền dữ liệu qua đường MOSI và nhận dữ liệu từ thiết bị Slave qua đường MISO.
• Hình 4-36 Mô hình kết nối Master với nhiều Slave
Để Slave có thể truyền dữ liệu, Master cần tạo tín hiệu Clock phù hợp, dựa trên thời điểm mà Slave muốn gửi dữ liệu Khi một Master kết nối với nhiều Slave, sơ đồ kết nối sẽ được thể hiện như hình 4-10.
4.2.2 Chuẩn giao tiếp UART-Serial:
Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) là một phương thức truyền thông tin nối tiếp không đồng bộ, thường được sử dụng trong các máy tính công nghiệp, hệ thống truyền thông, vi điều khiển, và nhiều thiết bị truyền tin khác Giao tiếp UART bao gồm hai dây tín hiệu chính: dây truyền tín hiệu (TX) và dây nhận tín hiệu (RX).
• Hình 4-37 Sơ đồ kết nối UART
• Một số khái niệm quan trọng của giao tiêp UART
Tốc độ Baud (baud rate) là một yếu tố quan trọng trong truyền nhận không đồng bộ, đảm bảo rằng hai module có thể hiểu nhau bằng cách quy định thời gian cho mỗi bit truyền Trước khi bắt đầu truyền dữ liệu, tốc độ baud cần được cài đặt, và nó được định nghĩa là số bit truyền trong một giây Các tốc độ baud phổ biến trong giao tiếp với máy tính bao gồm 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 14400, 19200 và 38400.
Khung truyền (frame) trong kiểu truyền thông nối tiếp được thiết kế để giảm thiểu mất mát dữ liệu, bên cạnh việc tối ưu hóa tốc độ truyền Nó quy định số bit trong mỗi lần truyền, bao gồm các bit bắt đầu (Start bit), bit kết thúc (Stop bit) và bit kiểm tra tính chẵn lẽ (Parity) Ngoài ra, khung truyền cũng xác định số bit trong một gói dữ liệu (Data) để đảm bảo tính chính xác trong quá trình truyền thông.
Có thể thấy, khung truyền đóng một vai trò rất quan trọng trong việc truyền thành công dữ liệu).
Bit bắt đầu (Start bit) là bit đầu tiên trong khung truyền, có chức năng thông báo cho thiết bị nhận biết rằng quá trình truyền dữ liệu sắp bắt đầu Thông thường, bit này có trạng thái là 0.
• Dữ liệu (Data): dữ liệu cần truyền không nhất thiết phải 8 bit, trong đó bit LSB được truyền đi trước, bit MSB được truyền đi sau.
Bit kiểm tra chẵn lẻ (Parity bit) là một phương pháp xác thực dữ liệu, bao gồm hai loại: chẵn (Even Parity) và lẻ (Odd Parity) Parity chẵn yêu cầu tổng số bit 1 trong dữ liệu cộng với bit Parity phải là số chẵn, trong khi Parity lẻ yêu cầu tổng này phải là số lẻ Bit Parity không phải là bắt buộc, do đó, người dùng có thể lựa chọn sử dụng hoặc không sử dụng nó trong quá trình truyền tải dữ liệu.
• • Bit kết thúc (Stop Bit): là bit báo cáo kết thúc khung truyền, thường là mức
5V và có thể có một hoặc hai bit kết thúc Giản đồ trong hình 4-12 dưới đây mô tả
• dữ liệu truyền đi bằng UART.
• • Hình 4-38 Giản đồ truyền dữ liệu của UART
Giao tiếp I2C bao gồm hai dây chính: Serial Data (SDA) và Serial Clock (SCL) Trong đó, SDA là đường truyền dữ liệu hai hướng, còn SCL là đường truyền xung Clock đồng bộ chỉ theo một hướng Khi một thiết bị ngoại vi kết nối vào bus I2C, chân SDA của thiết bị sẽ được nối với dây SDA của bus, và chân SCL sẽ được nối với dây SCL.
• • Hình 4-39 Sơ đồ kết nối chuẩn giao tiếp I2C
Nhiều thiết bị IC có thể kết nối vào một bus I2C mà không xảy ra nhầm lẫn, nhờ vào việc mỗi thiết bị được nhận diện bằng một địa chỉ duy nhất Trong hệ thống này, mối quan hệ Master/Slave được duy trì trong suốt quá trình kết nối, cho phép mỗi thiết bị hoạt động linh hoạt, có thể là thiết bị nhận, truyền dữ liệu hoặc đồng thời thực hiện cả hai chức năng.
• vừa nhận Hoạt động truyền hay nhận còn tùy thuộc vào việc thiết bị đó là Master hay Slave.
Khi một thiết bị hoặc IC kết nối với bus I2C, nó cần có một địa chỉ duy nhất và được cấu hình là thiết bị Master hoặc Slave Trong hệ thống I2C, thiết bị Master giữ quyền điều khiển và tạo xung Clock cho toàn bộ hệ thống Khi thiết bị Master và Slave giao tiếp, thiết bị Master không chỉ tạo xung Clock mà còn quản lý địa chỉ của thiết bị Slave trong suốt quá trình giao tiếp Nguyên lý giao tiếp I2C diễn ra theo cách này.
Thiết bị Master khởi tạo điều kiện START bằng cách chuyển trạng thái từ cao xuống thấp trên đường SDA khi đường SCL đang ở mức cao, thông báo cho thiết bị Slave lắng nghe dữ liệu Sau đó, thiết bị Master gửi địa chỉ của thiết bị Slave mà nó muốn kết nối Khi thiết bị Slave nhận diện đúng địa chỉ trên đường truyền I2C, nó sẽ phản hồi cho thiết bị Master bằng một xung ACK.
• Lúc này giao tiếp giữa thiết bị Master và Slave trên đường dữ liệu bắt đầu.
Chương trình điều khiển
Trong nghiên cứu của đồ án, nhóm đã phát triển một chương trình điều khiển mô hình cùng với Server, giao diện web (WebUI) và ứng dụng Sacada/DesktopApp, nhằm nâng cao khả năng quản lý và điều khiển cho người giám sát Hệ thống thông minh được mô tả qua sơ đồ khối trong Hình 5-1 dưới đây.
• Hình 4-41 Sơ đồ khối của hệ thống nhà thông minh
Lưu đồ thuật toán
Dựa trên ý tưởng từ chương 2, chúng tôi đã phát triển lưu đồ thuật toán hệ thống để đảm bảo thực hiện đầy đủ các chức năng và mục tiêu ban đầu một cách chính xác, ổn định và hiệu quả.
• Hình 4-42 Lưu đồ thuật toán hệ thống nhà thông minh
Nguyên lý hoạt động
Arduino liên tục đọc tín hiệu từ cảm biến khí gas, bộ đọc RFID, dữ liệu ESP8266 và cảm biến nhiệt độ Với chu kỳ 2 giây, Arduino sẽ thu thập dữ liệu từ cảm biến nhiệt độ DHT11 và truyền thông tin này cho ESP8266 qua giao thức UART Sau khi nhận dữ liệu, ESP8266 sẽ gửi lên Web Server, nơi dữ liệu được xử lý và hiển thị trên giao diện Web.
Khi hệ thống phát hiện khí gas rò rỉ, nó sẽ tự động kích hoạt chế độ khẩn cấp, mở tất cả các cửa sổ và quạt để thông gió, đồng thời gọi điện khẩn cấp cho chủ nhà Sau khi khí gas được giải phóng và cảm biến gas trở lại trạng thái bình thường, hệ thống sẽ hoạt động trở lại như ban đầu.
Hệ thống RFID hoạt động bằng cách nhận tín hiệu và ID kèm theo, sau đó so sánh ID nhận được với ID lưu trữ trong bộ nhớ Nếu ID không khớp, hệ thống sẽ cảnh báo và không mở cửa; ngược lại, nếu ID đúng, cửa sẽ mở trong 2 giây trước khi tự động đóng lại.
Khi hệ thống được điều khiển qua Web, tín hiệu từ ESP8266 sẽ được Server truyền tải đến ESP8266 Sau đó, ESP8266 sẽ gửi dữ liệu đến Arduino qua giao tiếp UART, nơi dữ liệu sẽ được xử lý để bật hoặc tắt thiết bị tương ứng.