Ai không muốn sống trong ngôi nhà của mình nơi không sử dụng quá nhiều nhữngthao tác bằng tay một cách cổ điển mà thay vào đó các thiết bị hoạt động một cách tựđộng như chúng ta cài đặt
TỔNG QUAN
Tình hình hệ thống nhà thông minh
Nhà thông minh, một khái niệm không còn mới mẻ, đang trở thành xu hướng chủ đạo trong kỷ nguyên Internet of Things (IoT).
Nhà sản xuất điện tử đang tích cực phát triển thiết bị gia dụng thông minh, hướng đến mục tiêu tự động hóa nhà cửa Công nghệ này tối ưu hóa chức năng, tiện lợi thao tác và tăng hiệu quả sử dụng, cho phép giám sát và điều khiển từ xa qua internet.
Các nghiên cứu về ngôi nhà thông minh
Năm 1975, một công ty Scotland tiên phong công nghệ điều khiển thiết bị gia dụng không dây X10, cho phép điều khiển mọi thiết bị chỉ bằng bảng điều khiển hoặc remote trong chưa đầy 1 giây X10 nổi bật với chi phí thấp và không cần mạng riêng.
Tín hiệu dễ nhiễu bởi dòng điện và các thiết bị khác, có thể khiến thiết bị X10 không nhận được lệnh hoặc hiểu sai
Giải pháp lọc nhiễu chỉ là biện pháp tạm thời, tốn kém và chưa giải quyết triệt để vấn đề.
Công nghệ X10 hỗ trợ giao tiếp không dây qua sóng radio nhưng thiếu mã hóa, mỗi mạng chỉ quản lý được số lượng thiết bị hạn chế.
Hệ thống cần đi dây, tín hiệu mạnh hơn X10.
ZigBee, dựa trên tiêu chuẩn 802.15.4, là công nghệ không dây mở, tiết kiệm năng lượng, có tốc độ cao và khả năng mở rộng mạng lưới nhờ cấu trúc mesh Sự phát triển mạnh mẽ của ZigBee hiện nay được hỗ trợ bởi nhiều nhà sản xuất thiết bị.
Thiết bị sử dụng công nghệ ZigBee của các nhà sản xuất thường khó giao tiếp nhau.
Z-Wave là giao thức không dây hoạt động ở dải tầng số 908.42MHz Đây là công nghệ khá mới phát triển khá mạnh những năm gần đây Liên minh Z-Wave đã cho ra đời hơn 1000 loại thiết bị khác nhau có thể giao tiếp với nhau cho phép người dùng có nhiều lựa chọn hơn Đặc điêm nổi bật của Z-Wave là hệ thống dạng mạng lưới giúp cho hệ thống mở rộng tối đa, tốn rất ít năng lượng, thích hợp cho những thiết bị thiết kế dùng pin.
Dĩ nhiên WI-FI giờ đã rất thịnh hành, và cũng có rất nhiều thiết bị thông minh dùng công nghệ WI-FI.
Mạng chậm lại khi qua nhiều thiết bị kết nối.
Tiêu thụ nhiều năng lượng.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Mạch Arduino Uno
Arduino UNO R3, thế hệ thứ 3 của kit Arduino UNO, sở hữu cấu hình mạnh mẽ với bộ nhớ ROM, RAM và Flash lớn, nhiều ngõ vào/ra digital I/O (kể cả PWM), ngõ analog và các chuẩn giao tiếp UART, SPI, I2C, cho phép lập trình các ứng dụng điều khiển phức tạp.
Vi điều khiển: ATmega328P(8bits) Điện áp hoạt động: 5V
Tần số hoạt động: 16 MHz Điện áp đầu vào khuyên dùng: 7VDC - 12VDC Điện áp vào giới hạn: 6-20V DC
Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)
Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader
Hình 3.4: Sơ đồ chân pinout mạch Arduino Uno
5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.
3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.
Vin (Voltage Input): chân cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO.
Chân IOREF trên Arduino UNO cung cấp điện áp hoạt động 5V của vi điều khiển, nhưng không dùng để cấp nguồn Nhấn nút Reset tương đương với việc nối chân RESET với GND qua điện trở 10KΩ, khởi động lại vi điều khiển.
Arduino UNO sở hữu 14 chân digital, hỗ trợ đọc/ghi tín hiệu 0V và 5V, dòng tối đa 40mA mỗi chân Mỗi chân tích hợp điện trở pull-up (mặc định ngắt kết nối) trên vi điều khiển ATmega328.
Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:
Arduino Uno sử dụng chân 0 (RX) và 1 (TX) để truyền (TX) và nhận (RX) dữ liệu TTL Serial, cho phép giao tiếp với các thiết bị khác Kết nối Bluetooth về bản chất là giao tiếp Serial không dây Tránh sử dụng chân 0 và 1 nếu không cần thiết để giao tiếp Serial.
Chân PWM (3, 5, 6, 9, 10, 11) hỗ trợ điều khiển xung PWM 8-bit (0-255, tương đương 0-5V) bằng hàm `analogWrite()`, cho phép điều chỉnh điện áp đầu ra từ 0V đến 5V một cách linh hoạt.
Giao tiếp SPI sử dụng chân 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO) và 13 (SCK) để truyền nhận dữ liệu với các thiết bị ngoại vi.
LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm nút Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó được nối với chân số
13 Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng.
Arduino UNO sở hữu 6 chân analog (A0-A5) với độ phân giải 10-bit (0-1023), cho phép đọc điện áp từ 0-5V Chân AREF hỗ trợ thay đổi điện áp tham chiếu; ví dụ, cấp 2.5V vào AREF sẽ cho phép đo điện áp 0-2.5V với độ phân giải 10-bit.
Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác.
Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý mạch Arduino Uno
Sim900A
GSM (Global System for Mobile Communication) là công nghệ mạng di động phổ biến toàn cầu, cho phép người dùng liên lạc xuyên quốc gia Hệ thống GSM sử dụng công nghệ TDMA (Time Division Multiple Access), chia sẻ kênh truyền dẫn cho nhiều máy di động đồng thời.
Cấu trúc mạng di động:
EIR (Equipment Identity Register) lưu trữ thông tin phần cứng thiết bị Trung tâm xác thực (AuC) là cơ sở dữ liệu bảo mật chứa bản sao khóa SIM, đảm bảo xác thực và mã hóa trên kênh vô tuyến.
Hệ thống trạm gốc (BSS) quản lý kết nối không dây giữa trạm di động và mạng, gồm trạm thu phát gốc (BTS) và trạm điều khiển gốc (BSC) kết nối trạm di động với tổng đài MSC.
Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động (MSC) kết nối cuộc gọi giữa các thuê bao di động và giữa mạng di động với mạng cố định.
Trạm di động (Mobile Station) được người thuê bao mang theo.
Hệ thống trạm gốc ( Base Station Subsystem) điều khiển kết nối vô tuyến với trạm di động
HLR lưu trữ toàn bộ thông tin quản lý thuê bao GSM, bao gồm cả vị trí hiện tại Mạng GSM chỉ có một HLR logic, dù hệ thống có thể được phân tán.
Bộ ghi vị trí thuê bao di động (VLR) lưu trữ thông tin quản trị từ HLR, cần thiết cho việc điều khiển cuộc gọi và cung cấp dịch vụ cho thuê bao đang hoạt động trong khu vực phủ sóng của nó Do đó, hầu hết các nhà sản xuất tích hợp VLR vào MSC để đơn giản hóa việc quản lý vùng phủ sóng.
Module GSM/GPRS Sim900 của SIMCom, với kích thước nhỏ gọn 24x24x3mm, hỗ trợ 4 băng tần GSM (850/900/1800/1900MHz), lý tưởng cho các thiết bị di động, M2M nhờ vi xử lý ARM926EJ-S mạnh mẽ.
Đồ án sử dụng module SIM900 kết nối với sim điện thoại di động làm GSM modem để điều khiển đóng/ngắt thiết bị điện.
Hình 3.6: Hình ảnh Sim900A Thông số kỹ thuật:
Nguồn cung cấp Nguồn một chiều từ 3.4V - 4.5V
Tiết kiệm điện Tiêu thụ điện năng ở chế độ SLEEP là 1.5mA (BS-PA-
Dải tần số SIM900 Với 4 băng tần: 850 GSM, 900 EGSM,
SIM900 hỗ trợ băng tần 1800DCS và 1900PCS, tự động tìm kiếm hoặc thiết lập bằng lệnh AT Tương thích với GSM Phase 2/2+.
Truyền tải điện năng Class 4 (2W) cho EGSM900
Kết nối GPRS GPRS multi-slot class 10 (mặc định) GPRS multi-slot class 8 (tùy chọn) GPRS trạm di động Class B
Nhiệt độ Hoạt động bình thường: -30°C đến 80°C
Hoạt động hạn chế: -40°C đến -30°C và 80°C đến 85°C Nhiệt độ bảo quản -45°C đến 90°C
GPRS chuyển dữ liệu hướng xuống: tối đa 85,6 kbps GPRS chuyển dữ liệu hướng lên: tối đa 42,8 kbps
Mã chương trình: CS-1, CS-2, CS-3 và CS-4 SIM9000 hỗ trợ các giao thức PAP (Password Authentication Protocol) thường được sử dụng cho các kết nối PPP.
SIM900 tích hợp giao thức TCP / IP.
Hỗ trợ chuyển mạch gói Broadcast Channel Control (PBCCH)
CSD truyền tỷ lệ: 2.4, 4.8, 9.6, 14.4 kbps Không có cấu trúc bổ sung các dịch vụ dữ liệu (USSD) hỗ trợ
MT, MO, CB, văn bản và chế độ PDU SMS lưu trữ: thẻ SIM
SIM giao diện Hỗ trợ thẻ SIM: 1.8V, 3V Ăng-ten bên ngoài Thu sóng tốt
Giao tiếp Serial và giao tiếp Debug
8 đường trên giao tiếp Serial Port.
Serial Port có thể được sử dụng cho CSD FAX, dịch vụ GPRS và gửi lệnh AT để điều khiển module.
Serial Port có thể sử dụng chức năng ghép kênh Autobauding hỗ trợ tốc độ baud từ 1200 bps đến 115200bps.
Hai đường trên giao tiếp Serial Port là TXD và RXD Debug Port chỉ được sử dụng để gỡ rối hoặc nâng cấp firmware
Quản lý danh bạ Hỗ trợ danh bạ điện thoại các loại: SM, FD, LD, RC,
Bộ công cụ ứng dụng SIM Hỗ trợ SAT lớp 3, GSM Release 99 11,14 Đồng hồ thời gian thực Có sẵn
Chức năng hẹn giờ Lập trình thông qua lệnh AT Đặc điểm vật lý Kích thước: 24mm x 24mm x 3mm
Hình 3.7: Sơ đồ chân Sim900A
Vị trí từng chân được thể hiện như sau:
PWRKEY dùng để bật/tắt nguồn hệ thống Việc điều khiển PWRKEY ở điện áp thấp, thời gian ngắn cần thiết để SIM900 khởi động.
Kết nối PWRKEY và PWRKEY-OUT rồi kích hoạt ngắn hạn cho phép khởi động/tắt module.
3 DTR I Dữ liệu thiết bị đầu cuối sẵn sàng
5 DCD O Phát hiện dữ liệu mang theo
6 DSR O Dữ liệu cài đặt sẵn sang
8 RTS I Yêu cầu để gửi
I Xác định và không xác định tần số âm thanh đầu vào
O Xác định và không xác định tần số âm thanh đầu ra
25 ADC I Chuyển đổi tương tự sang số.
Ngõ vào cho RTC: khi không có nguồn cung cấp cho hệ thống.
Ngõ vào nguồn dữ trữ: khi nguồn chính đã có và nguồn dữ trữ ở mức thấp
Gỡ lỗi và nâng cấp firmware
30 SIM_VDD O Cấp nguồn cho simcard
31 SIM_DATA I/O Dữ liệu đầu ra của sim
33 SIM_RTS O Reset lại sim
34 SIM_PRESENCE I Phát hiện simcard
37 SDA I/O Đường truyền dữ liệu I2C
GPIO1/KBR4 O Khối bàn phím
GPIO6/KBC4 O Giao diện bàn phím
Trạng thái mạng Chân này được nối với một LED, khi bắt được tần số mạng của sim lắp vào, LED này sẽ luôn luôn nhấp nháy.
SIM900 cần nguồn 3 chân VBAT với điện áp hoạt động 3.4V - 4.5V và dòng điện tối đa 2A để đảm bảo hoạt động ổn định, đặc biệt khi khởi động.
Hiệu điện thế chuẩn: Vchuẩn= 4.0V Hiệu điện thế lớn nhất: Vmax=4.5V Hiệu điện thế nhỏ nhất: Vmin = 3.4V
60 RF_ANT O Ăng ten thu sóng
3.3.2.3 Các chế độ hoạt động của Sim900
SIM900 hoạt động với 5 chế độ khác nhau, mỗi chế độ ảnh hưởng đến mức tiêu thụ điện năng và hiệu suất hoạt động Tìm hiểu chi tiết các chế độ này để tối ưu hóa sử dụng SIM900.
Module GSM/GPRS tự động chuyển sang chế độ SLEEP khi DTR cao và không có ngắt phần cứng (GPIO, dữ liệu serial) Chế độ này tối ưu hóa mức tiêu thụ điện năng Module vẫn nhận được tin nhắn và SMS trong khi ngủ.
GSM IDLE: Phần mềm tích cực Module kết nối mạng GSM và module sẵn sàng gửi và nhận.
Cuộc gọi GSM vẫn duy trì kết nối giữa hai thuê bao, nhưng không truyền nhận dữ liệu Mức tiêu thụ pin phụ thuộc vào cài đặt mạng và cấu hình GPRS.
Bluetooth HC-05
Các loại module HC-xx series đóng vai trò như một dây dẫn vô hình, truyền tín hiệu nối tiếp trên kết nối bluetooth giữa các thiết bị.
Module MASTER: Trong vai trò MASTER, module Bluetooth chủ động tìm kiếm và kết nối với các thiết bị SLAVE lân cận.
Module SLAVE: Module bluetooth hoạt động ở vai trò SLAVE tự động broadcast tên và address của mình và chấp nhận kết nối khi có module
Quá trình Pairing và kết nối:
Pairing Bluetooth là quá trình xác thực giữa hai thiết bị, giúp chúng "quen biết" nhau Tuy nhiên, kết nối chỉ được thiết lập khi có yêu cầu.
Để thiết lập kết nối giữa các module bluetooth ít nhất 2 điều kiện sau phải thỏa:
Kết nối phải là giữa MASTER và SLAVE.
Mã pin để connect phải đúng.
Chân RXD của module Bluetooth là chân nhận tín hiệu serial từ vi điều khiển, sau đó truyền tín hiệu này qua sóng Bluetooth Cần lưu ý rằng chân RXD cần điện trở kéo lên ngoài mạch.
Chân TXD: chân Transceiver, truyền tín hiệu Nhận tín hiệu từ sóng bluetooth và truyền tới vi điều khiển từ chân này
VCC: chân nguồn, hoạt động với nguồn 3.3V
EN: chân lựa chọn chế độ Chế độ communication hay chế độ nhận lệnh AT.
Chế độ làm việc nhận lệnh AT: Có 2 chế độ làm việc nhận lệnh AT Chế độ Setup và chế độ runtime AT.
Để module Bluetooth hoạt động ở chế độ nhận lệnh AT (Setup), chân EN phải được giữ ở mức cao trước khi cấp nguồn Trong chế độ này, module chấp nhận tất cả lệnh AT với baudrate mặc định.
Module Bluetooth HC-05 có hai chế độ hoạt động chính: chế độ báo hiệu LED nháy chậm và chế độ nhận lệnh AT (Runtime) Trong chế độ Runtime (khi chân EN ở mức cao), HC-05 nhận và xử lý các lệnh AT, cho phép thay đổi tham số trong quá trình hoạt động Baudrate mặc định trong chế độ này là 9600 bps.
Led báo hiệu: Ở chế độ này led nháy với tốc độ cao.
Chế độ làm việc communication:
Module hoạt động ở chế độ communication khi chân EN thấp, đóng vai trò cổng nối tiếp, truyền dữ liệu từ RXD qua Bluetooth và ngược lại từ Bluetooth đến TXD.
Led báo hiệu: sau khi pair, led 2 sẽ on.
3.4.2 Tập lệnh AT cơ bản của module HC-05
Thiết lập vai trò MASTER hay SLAVE:
AT+ROLE=0 Thiết lập vai trò SLAVE cho module Mặc định là SLAVE.
AT+ROLE=1 Thiết lập vai trò MASTER cho module.
Thiết lập chế độ kết nối:
AT+CMODE=0 Module bluetooth chỉ có thể liên kết với module SLAVE quen thuộc.
AT+CMODE=1 Module bluetooth có thể kết nối với cái module SLAVE bất kì (không có địa chỉ cố định).
Kết nối module SLAVE đơn giản bằng cách khởi động HC-05 ở chế độ CMODE 1, kết nối với SLAVE, sau đó chuyển HC-05 về CMODE 0 để tự động duy trì kết nối.
AT+PSWD=XXXX thiết lập mã pin để pair Password bao gồm 4 digits
AT+UART=< Param1>, < Param2>, < Param3>
Example: AT+UART00,0,0 thiết lập UART hoạt động ở 9600N81
Thiết lập tên thiết bị:
Liệt kê các thiết bị SLAVE xung quanh:
AT+INQ Trả về danh sách thiết bị SLAVE đang ở xung quanh module
Quy trình thiết lập liên kết giữa module MASTER và module SLAVE:
Thiết lập cho module SLAVE:
Khởi động module HC-05 ở chế độ setup (EN cao, cấp nguồn) Baudrate mặc định 38400 Đặt tên: AT+NAME=HC05_SLAVE Thiết lập vai trò SLAVE: AT+ROLE=0.
Kiểm tra địa chỉ của module SLAVE: AT+ADDR? → +ADDR:14:2:110007 Rút điện của chân EN và tắt nguồn Module
Cấp điện lại cho module Lúc này đèn báo status của module sẽ chớp liên tục, báo hiệu module SLAVE đang đợi pair.
Thiết lập cho module MASTER:
Khởi động module HC-05 ở chế độ setup (giữ chân EN lên mức cao và cấp nguồn cho module) Baudrate cho chế độ này mặc định là 38400.
Xóa tất cả pair trước đó: AT+RMAAD
Thiết lập mật khẩu: AT+PSWD34 – mật khẩu này sẽ được sử dụng để kết nối với SLAVE. Đổi vai trò của module thành MASTER: AT+ROLE=1
Thiết lập chế độ kết nối: AT+CMODE=1
Kiểm tra thiết bị xung quanh: AT+INQ
Kết nối với thiết bị slave: AT+LINK,2,110007
Sau khi kết nối đèn led trên 2 module sẽ chớp nháy với tốc độ cao, và ổn định, báo hiệu 2 module đã kết nối xong.
Tắt nguồn và rút điện chân EN.
Cấp điện lại cho module MASTER Lúc này module master sẽ tự động kết nối với module slave.
Mạch Arduino Ethernet Shield
3.5.1 Giới thiệu về chip Ethernet W5100
Hình 3.10: Hình ảnh chip Ethernet W5100
Cung cấp bộ giao thức TCP/IP trong phần cứng: TCP, UDP, IP4ARP, IGMP, PPPoE, Ethernet.
10BaseT/ 100BaseTX được tích hợp trong phần cứng.
Tự động cung cấp MDI/MDIX.
Kết nối ADSL (sự dụng giao thức PPPoE với PAP/CHAP). sockers độc lập đồng thời xảy ra cùng 1 lúc.
16Kbyte cho bộ nhớ trong dùng cho truyền nhận.
Công nghệ CMOS 0,18um. Điện áp làm việc 3,3v – 5v. Được đóng gói trong 80 chân vào ra.
Chuẩn giao tiếp cho phép truyền dữ liệu đồng bộ(SPI mode 0,3).
Có LED ở lối ra (truyền, nhận, tốc độ, xung đột, kết nối).
Hình 3.11: sơ đồ chân chip Ethernet W5100
3.5.2 Miêu tả một số thanh ghi
MR (Mode Register) [R/W] [0x0000] [0x00]: là thanh ghi dùng để S/W reset, kiểm tra mode bộ nhớ, mode ngắt kết nối, mode PPPoE và bus I/F.
GWR (Gateway IP Mask Register) [R/W] [0x0005 – 0x0008] [0x00]: Là thanh ghi để cài đặt địa chỉ Subnet Mask.
SHAR (Source Hardware Address Register) [R/W] [0x0009 – 0x000E] [0x00]:
Là thanh ghi để cải đặt địa chỉ Source Hardware.
SIPR (Source IP Address Register) [R/W] [0x000F – 0x0012] [0x00]: Là thanh ghi để cài đặt địa chỉ IP.
IMR (Interrupt Mask Register) [R/W] [0x0016] [0x00]: Thanh ghi mặt nạ ngắt.
3.5.3 Miêu tả các chức năng
Cài đặt thông tin ban đầu. Để điều khiển được W5100 thì phải lựa chọn và sử dụng các thanh ghi thích hợp như sau:
Thanh ghi cách thức (MR).
Thanh ghi mặt nạ ngắt (IMR).
Thanh ghi khởi tạo thời gian (RTR).
Cài đặt thông tin mạng.
Thanh ghi dưới đây là cấu hình của một mạng cợ bản và tùy thuộc vòa môi trường mạng.
Thanh ghi địa chỉ Gateway (GAR).
Thanh ghi địa chỉ phần cứng (SHAR).
Thanh ghi Subnet Mask (SUBR).
Thanh ghi địa chỉ IP (SIPR).
Bài viết trình bày về việc kết nối dữ liệu thông qua các giao thức TCP, UDP, IP-Raw và MAC-Raw, sử dụng nhiều khe cắm kết nối (ví dụ: W5100 cung cấp 4 khe) Việc lựa chọn giao thức phụ thuộc vào loại kết nối.
TCP là giao thức kết nối định hướng kết nối, đảm bảo truyền dữ liệu tin cậy giữa các hệ thống thông qua địa chỉ IP và cổng.
Có 2 phương pháp để thiết lập kết nối:
Server đợi đến khi có yêu cầu kết nối.
Client gửi yêu cầu kết nối tới Server.
Hình 3.12: Phương pháp kết nối TCP
UDP, giao thức cốt lõi của TCP/IP, truyền dữ liệu ngắn (datagram) nhanh chóng và hiệu quả, ưu tiên tốc độ hơn độ tin cậy Khác với TCP, UDP không đảm bảo thứ tự hay sự đến trọn vẹn của dữ liệu Tuy nhiên, tính không trạng thái của UDP rất hữu ích cho việc xử lý nhiều truy vấn nhỏ đồng thời.
Những ứng dụng phổ biến sử dụng UDP nhưu DNS (Domain Name System), ứng dụng streaming media, Voice over IP, Trivial File Transfer Protocol (TFTP) và game trực tuyến.
Việc truyền thông giữa vi điều khiển với chip Ethernet W5100 cung cấp hướng kết nối sau: Theo phương pháp trực tiếp, phương pháp gián tiếp và SPI phương pháp.
Truyền thông dung Ethernet PHY (MAC).
Dùng các phương pháp kết nối trực tiếp
Dùng 15 bit địa chỉ và 8 bit dữ liệu : /CS, /RD, /WR, /INT.
Hình 3.13: Kết nối W5100 với MCU bằng phương pháp trực tiếp
Dùng các phương pháp kết nối gián tiếp.
Dùng 2 bit địa chỉ và 8 bit dữ liệu: /CS, /RD, /WR, /INT.
Hình 3.14: Kết nối W5100 với MCU bằng phương pháp gián tiếp
Dùng phương pháp kết nối SPI (Serial Peripheral Interface).
SPI chỉ dùng 4 chân để truyền dữ liệu: /SCLK, /SS, /MOSI, /MISO. Ở W5100, SPI_EN là chân dùng để điều khiển SPI.
Hình 3.15: Kết nối W5100 với MCU bằng giao tiếp SPI
Thiết bị mạng gia đình: Hộp nối, PVRs, chuyển đổi nguồn số.
Bộ nối tiếp tới ethernet: Bộ điều khiển truy cập, LED hiện thị, Rơ le AT không giây…
Bộ song song tới ethernet: Máy in, máy photocopy.
3.5.7 Giới thiệu về module Arduino Ethernet Shield
Ethernet Shield mở rộng khả năng kết nối internet cho Arduino, hỗ trợ truyền nhận dữ liệu với các thiết bị khác Ứng dụng rộng rãi trong IoT, điều khiển hệ thống nhờ tốc độ cao và phạm vi kết nối không giới hạn của internet.
Arduino Ethernet Shield sử dụng chip W5100 cho tốc độ và khả năng kết nối ổn đinh nhất.
Chip Ethernet: W5100 với buffer nội 16K.
Tốc độ kết nối: 10/100Mb.
Kết nối với mạch Arduino thông qua SPI.
Ethernet Shield V1 có một kết nối chuẩn RJ-45, với một bộ biến đổi dòng điện tích hợp và Power over Ethernet cho phép.
Mở rộng khả năng lưu trữ cho Arduino/Genuino với khe cắm thẻ nhớ microSD, truy cập dễ dàng thông qua thư viện SD với chân SS ở pin 4, hỗ trợ lưu trữ tệp phục vụ trên mạng.
Mạch cũng bao gồm bộ điều khiển đặt lại, để đảm bảo rằng mô đun W5100 Ethernet được đặt lại đúng khi bật nguồn.
Arduino giao tiếp với W5100 và SD card sử dụng bus SPI Chân kết nối là 10, 11, 12 và
13 trên Uno Mega tương ứng là chân 50, 51, 52 Trên cả 2 board, chân 10 được sử dụng để chọn W5100 và pin 4 cho SD card.
Ethernet shield chứa một số đèn LED thông tin như sau :
PWR: chỉ ra rằng board Arduino và Ethernet Shield được cung cấp năng lượng.
LINK: cho biết sự hiện diện của một liên kết mạng và nhấp nháy khi Ethernet shield truyền hoặc nhận dữ liệu.
FULLD: chỉ ra rằng kết nối mạng là full-duplex.
100M: cho biết sự hiện diện của một mạng 100Mb/s.
RX: nhấp nháy khi Ehternet shield nhận dữ liệu.
TX: nhấp nháy khi Ehternet shield gửi dữ liệu.
COLL: nhấp nháy khi phát hiện va chạm mạng.
Cảm biến
3.6.1 Cảm biến nhiệt độ LM35
Cảm biến nhiệt độ LM35 là cảm biến tương tự chính xác, giá rẻ, kích thước nhỏ, lý tưởng cho đo nhiệt độ thời gian thực Giá trị nhiệt độ được xác định trực tiếp từ điện áp ngõ ra của LM35.
Hình 3.17: cảm biến Lm35 Đơn vị nhiệt độ: °C.
Nhiệt độ thay đổi tuyến tính: 10mV/°C.
Mạch cảm biến mưa gồm 2 bộ phận:
Bộ phận cảm biến mưa được gắn ngoài trời.
Bộ phận điều chỉnh độ nhạy cần được che chắn.
Điện áp hoạt động : 3,3- 5VDC.
Ngõ ra: tín hiệu tương tự hoặc số.
Hình 3.18: Cảm biến mưa Nguyên lý hoạt động:
Mạch cảm biến mưa hoạt động dựa trên so sánh điện thế cảm biến ngoài trời với giá trị cài đặt (điều chỉnh qua biến trở), điều khiển rơ le bật/tắt qua chân D0.
Cảm biến khô, chân D0 = 5V Trời mưa, đèn LED đỏ sáng, chân D0 = 0V.
Hình 3.19: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến mưa
3.6.3 Cảm biến độ ẩm đất
Mạch cảm biến độ ẩm đất gồm 2 bộ phận:
Bộ phận cảm biến độ ẩm đất được cắm trong đất.
Bộ phận điều chỉnh độ nhạy cần được che chắn.
Ngõ ra: tín hiệu tương tự hoặc số.
Hình 3.20: Cảm biến độ ẩm đất
Mạch cảm biến độ ẩm đất hoạt động dựa trên so sánh điện thế đo được với giá trị cài đặt (điều chỉnh qua biến trở) Tín hiệu đóng/ngắt rơ le được truyền qua chân D0.
Cảm biến đất khô cho tín hiệu 5V tại chân D0; khi đất ẩm, đèn LED đỏ sáng và chân D0 về 0V.
Hình 3.21: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến độ ẩm đất
Cảm biến khí MQ2, sử dụng chất bán dẫn SnO2, phát hiện khí cháy nổ Độ dẫn điện của SnO2 thay đổi khi tiếp xúc với khí cháy, cho phép chuyển đổi tín hiệu thành điện áp thông qua mạch đơn giản.
Điện áp đầu ra của cảm biến MQ2 tỷ lệ thuận với nồng độ khí cháy: môi trường sạch cho điện áp thấp, nồng độ khí cháy tăng thì điện áp đầu ra tăng.
MQ2 là cảm biến khí hiệu quả cao, hoạt động tốt với LPG, H2 và nhiều khí dễ cháy khác, được ứng dụng rộng rãi nhờ thiết kế đơn giản và giá thành thấp.
Hình 3.22: Cảm biến khí gas và sơ đồ chân
Chân 1,3 là A.Chân 2,5 là B.Chân 4,6 là C.
Dạng cảm biến bán dẫn, chất liệu nhựa Bakelite.
Phạm vi đo: nồng độ từ 300- 10000ppm.
Hình 3.23: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến biến khí gas
3.6.5 Cảm biến phát hiện lửa
Cảm biến chuyên dùng để phát hiện lửa, thường dùng trong các hệ thống báo cháy Tầm hoạt động trong khoảng 80cm với góc quét 60°.
Cảm biến phát hiện lửa hiệu quả nhất trong dải bước sóng 760nm - 1100nm, tích hợp IC LM393 để xử lý tín hiệu và điều chỉnh độ nhạy bằng biến trở.
Hình 3.24: Mạch cảm biến lửa
Khả năng phát hiện lửa hoặc nguồn sáng có bước sóng tương tự.
Sử dụng cảm biến hồng ngoại YG1006 với tốc độ đáp ứng nhanh và độ nhạy cao.
Tích hợp IC LM393 để chuyển đổi ADC, tạo 2 ngõ ra cả số và tương tự, rất linh động trong việc sử dụng.
Biến trở để tùy chỉnh độ nhạy cảm biến.
Có thể ứng dụng trong các hệ thống báo cháy, robot chữa cháy,
Điện áp hoạt động: 3.3 ~ 5.3 VDC
Bước sóng phát hiện được: 760 ~ 1100 nm
Kích thước: 3.0 cm x 1.5 cm x 0.5 cm
Hình 3.25: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến lửa
3.6.6 Cảm biến chuyển động PIR
PIR (Passive InfraRed) là bộ cảm biến thụ động phát hiện chuyển động bằng cách ghi nhận tia hồng ngoại phát ra từ các vật thể có nhiệt độ, như con người và động vật Cảm biến chuyển đổi tín hiệu nhiệt thành tín hiệu điện, hoạt động dựa trên nguồn nhiệt bên ngoài chứ không tự phát ra nhiệt.
Hình 3.26: Mạch cảm biến PIR
Module cảm biến PIR gồm các khối chính: cảm biến hồng ngoại PIR, mạch khuếch đại tín hiệu, mạch so sánh, mạch định thời gian delay, cuối cùng là tín hiệu điều khiển thiết bị.
Người ta đã thiết kế ra một loại IC được tích hợp tất cả các khối trên vào đó, IC có tên là BISS0001
IC BISS0001 có 16 chân và có hình dạng như sau:
Hình 27: Sơ đồ chân IC BISS0001
Hình 3.28: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến chuyển động
Kính Fresnel lọc tia hồng ngoại phát ra từ nguồn nhiệt (bao gồm cả người và động vật) Hai cảm biến hồng ngoại trên đầu dò thu nhận và khuếch đại tín hiệu này bằng transistor FET Sự chênh lệch tín hiệu từ hai cảm biến, khi vật nóng đi qua, kích hoạt mạch so áp, từ đó điều khiển thiết bị báo động hoặc hệ thống điều khiển.
Hình 3.29: Nguyên lý làm việc của cảm biến chuyển động
Cảm biến ánh sáng quang trở (CDS) hoạt động dựa trên nguyên lý điện trở giảm khi cường độ ánh sáng tăng Điện trở tối của CDS thường trên 1MΩ, giảm xuống dưới 100Ω khi được chiếu sáng mạnh.
Quang điện trở hoạt động dựa trên nguyên lý: ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn (như CdS, CdSe) tạo ra electron tự do, tăng độ dẫn điện và giảm điện trở Hiệu suất và độ nhạy của quang điện trở phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo.
Hình 3.31: Mạch cảm biến ánh sáng Đặc điểm:
Có thể điều chỉnh cường độ ánh sáng phát hiện.
Điện áp làm việc của 3,3V-5V.
Hình thức đầu ra: Digital và Analog.
Hình 282: Mạch nguyên lý cảm biến ánh sáng
Một số mạch và linh kiện khác
3.7.1 Mạch điều khiển động cơ
Hình 3.33: Mạch điều khiển động cơ L298
Module L298N điều khiển 2 động cơ DC hoặc 1 động cơ bước, tích hợp tản nhiệt 2A và 4 lỗ bắt vít chắc chắn Các điốt bảo vệ vi xử lý khỏi dòng điện cảm ứng khi khởi động/tắt động cơ.
Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H Điện áp điều khiển : +5V ~ +12 V
Dòng tối đa cho mỗi cầu H là :2A Điện áp của tín hiệu điều khiển : +5 V ~ +7 V
Công suất hao phí : 20W (khi nhiệt độ T = 75 °C)
Hình 3.34: Mạch nguyên lý điều khiển động cơ L298
Module 8 relay thích hợp cho các ứng dụng đóng ngát điện thế cao AC hoặc DC, các thiết bị tiêu thụ dòng lớn, module thiết kế nhỏ gọn, có oppo và transistor cách ly, kích dòng bằng mức thấp (0V).
Sử dụng nguồn nuôi 5VDC.
Mỗi relay tiêu thụ khoảng 80mA. Điện thế đóng ngắt tối đa: AC250V – 10A hoặc DC30V – 10A.
Có đèn báo đóng ngắt trên mỗi relay.
Module RFID RC522, tích hợp chip MFRC522 của NXP, đọc ghi dữ liệu thẻ NFC 13.56MHz Ứng dụng rộng rãi trong bảo mật (ví dụ: xe máy), kiểm soát cửa, quản lý và chấm công.
1 SDA(SS): Chân lựa chọn chip khi giao tiếp SPI( Kích hoạt ở mức thấp)
2 SCK: Chân xung trong chế độ SPI
3 MOSI(SDI): Master Data Out- Slave In trong chế độ giao tiếp SPI
4 MISO(SDO): Master Data In- Slave Out trong chế độ giao tiếp SPI
Dòng ở chế độ chờ: 1013mA.
Dòng ở chế độ nghỉ: < 80uA.
Khoảng các hoạt động: 0 ~ 60mm ( mifare 1 card).
Tốc độ truyền dữ liệu: tối đa 10Mbit/s.
Các loại card hỗ trợ: mifare1 S50, mifare1 S70, mifare UltraLight, mifare Pro, mifare Desfire.
3.7.4 động cơ DC Được sử dụng trong các mô hình nhà thông minh, robot đơn giản.
Hình 3.37: Động cơ DC giảm tốc
Thông số lỹ thuật: Điện áp hoạt động: 3 – 9VDC.
Dòng điện tiêu thụ: 110- 114mA.
Số vòng / phút: o 125 vòng tại 3VDC. o 208 vòng tại 5VDC.
3.7.5 Động cơ bơm chìm Động cơ bơm chìm Mini 5VDC có kích thước rất nhỏ gọn, sử dụng điện áp 3- 5VDC, vì thuộc dạng bơm chìm nên động cơ có khả năng chống nước và hoạt động khi ngâm trong nước, ứng dụng dùng để bơm nước, dung dịch trong các thiết kế nhỏ, mô hình tưới cây, hồ cá…
Hình 3.38: Động cơ bơm chìm
Thông số kỹ thuật: Điện áp sử dụng: 3 – 5VDC.
Dòng điện sử dụng: 100 – 200mA.
XÂY DƯNG MÔ HÌNH
Sơ đồ kết nối phần cứng
Sơ đồ kết nối phần cứng tổng thể gồm 3 khối chính:
Khối ra lệnh điều khiển: cảm biến, công tắc hành trình,laptop, smartphone,… Khối xử lý: Arduino, Sim800L, Ethernet Shield
Khối chấp hành: động cơ DC, đèn Led, còi, quạt.
Hình 4.1: Sơ đồ kết nối các khối
Khối ra lệnh điều khiển
4.2.1 Đóng mở của bằng thẻ RFID
Hình 4.2: Lưu đồ giải thuật đóng mở cửa
4.2.2 Bật tắt đèn, đóng mở ban công và tưới cây tự động
Hình 4.3: Lưu đồ giải thuật bật tắt đèn
Hệ thống đóng mở ban công và tưới cây tự động có lưu đồ giải thuật tương tự như trên.
4.2.3 Điều khiển thiết bị bằng Bluetooth
Hình 4.4: Lưu đồ giải thuật điều khiển thiết bị bằng bluetooth
4.2.4 Điều khiển thiết bị bằng Sim
Hình 4.5: Lưu đồ giải thuật điều khiển thiết bị bằng Sim
4.2.5 Điều khiển thiết bị bằng Internet
Hình 4.6: Lưu đồ giải thuật hiện thị và điều khiển thiết bị bằng mạng.
4.2.6 cảnh báo thiết bị qua Sim
Hình 4.7: Cảnh báo thiết bị qua Sim.
Kết nối Arduino với các Module chính
Hình 4.8: Kết nối mạch Arduino
KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
Hình ảnh mô hình tổng quan
Hình 5.1: Ảnh mô hình thực tế
Hình 5.2: Mạch điều khiển Đóng mở cửa bằng thẻ từ. Đóng ban công khi có mưa.
Tưới cây khi đất khô.
Bật tắt đèn bằng Bluetooth, Sim, Internet.
Cảnh báo nhiệt độ, khí gas, trộm qua Sim.
Hiện thị các giá trị cảm biến, trạng thái qua Internet.
Nguyên lý hoạt động của mô hình điều khiển
Quá trình cấu hình nguồn sẽ tự động khởi tạo các thiết lập mặc định, bao gồm đóng tất cả cửa Tại cửa chính, hệ thống sử dụng thẻ từ để đóng/mở cửa, tùy thuộc vào trạng thái hiện tại của cửa sau khi xác thực mã thẻ.
Có 1 hệ thống bật/ tắt đèn tự động Khi độ sáng ngoài trời nhỏ hơn 20% đèn được bật lên Ở phòng khách:
Có 1 cảm biến chuyển động Ta có thể bật/ tắt cảm biến bằng Internet Khi có vật thể nhiệt đi vào khu vực ( trộm), còi kêu Hệ thống gọi điện đến điện thoại chủ nhà, và sau đó gửi tin nhắn.
Có 1 cảm biến nhiệt độ Khi nhiệt độ vượt mức 40 độ C Hệ thống gọi điện và nhắn tin đến chủ nhà.
Có 1 bóng đèn, cửa sổ và quạt, ta bật tắt đèn và quạt thông qua bluetooth, sim hoặc web. Ở khu vực bếp:
Có cảm biến phát hiện lửa Nếu phát hiện lửa, còi kêu, hệ thống gọi điện và gửi tin nhắn đến điện thoại chủ nhà.
Có cảm biến phát hiện khí gas Nếu phát hiện nhiễm khí gas, còi kêu, hệ thống gọi điện và gửi tin nhắn đến điện thoại chủ nhà.
Có 1 bóng đèn và quạt, ta bật tắt đèn và quạt thông qua bluetooth, sim hoặc web. Ở phòng ngủ 1 và 2:
Có đèn, quạt, cửa sổ Bật/ tắt sử dụng bluetooth, sim hoặc web. Ở khu vực ban công:
Có một hệ thống tưới cây tự động dạng mô hình nhỏ Khi đất khô, động cơ bơm nước Khi đất ướt, động cơ tắt.
Có 1 hệ thống che ban công Khi trời nắng tấm che mở Khi trời mưa, tấm che đóng lại.
Giao diện Web
Hình 5.3: Hình ảnh giao diện Web trên máy tính
Hình 5.4: Giao diện web trên điện thoại
Hình 5.5: Điều khiển thiết bị
