TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Giới thiệu đề tài
Trong những năm gần đây, khái niệm tự động hóa đã trở nên phổ biến và không còn giới hạn trong các lĩnh vực kỹ thuật chuyên môn Tự động hóa hiện diện trong mọi lĩnh vực, từ sản xuất đến các khía cạnh trong cuộc sống hàng ngày Mục tiêu của công nghệ tự động hóa là xây dựng một hệ thống với con người làm trung tâm, nơi mà con người đặt ra yêu cầu và các thao tác thực hiện được đảm nhận bởi các hệ thống kỹ thuật đặc trưng Kết quả là giải phóng sức lao động và nâng cao hiệu quả sản xuất.
Trên toàn cầu, hệ thống thông minh và tự động đã được áp dụng từ lâu và đóng góp quan trọng trong xây dựng công trình Việc triển khai các hệ thống tự động là cần thiết để duy trì điều kiện làm việc lý tưởng cho con người và thiết bị trong công trình Một hệ thống tự động hoàn chỉnh cung cấp giải pháp quản lý các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, không khí, ánh sáng, an ninh, báo cháy, và tiết kiệm năng lượng Tại Việt Nam, sự đóng góp của các hệ thống tự động trong công trình công nghiệp và dân dụng ngày càng rõ ràng, với khái niệm quản lý tòa nhà và bảo vệ môi trường không còn xa lạ Tuy nhiên, mức độ áp dụng vẫn còn hạn chế, nhưng điều này sẽ thay đổi nhanh chóng trong tương lai khi nhu cầu xây dựng công trình hiện đại gia tăng và các hệ thống tự động hóa ngày càng đáng tin cậy.
Tự động hóa trong ngôi nhà đã trở thành yếu tố thiết yếu, đáp ứng nhu cầu quản lý các hoạt động thông minh như hệ thống an ninh, kiểm soát truy cập, điều khiển ánh sáng và kiểm soát nhiệt độ Những công nghệ này không chỉ mang lại sự tiện lợi mà còn đảm bảo an toàn cho mỗi ngôi nhà hiện đại.
Hệ thống điều khiển chiếu sáng tự động cho phép người vận hành lập lịch hoạt động cho từng khu vực và thời điểm cụ thể Ví dụ, tại các hành lang thường xuyên có người qua lại, hệ thống sẽ tự động bật sáng trong giờ làm việc Đối với những khu vực nhạy cảm về an ninh, hệ thống sẽ tự động chiếu sáng khi trời tối hoặc tăng cường ánh sáng vào các thời điểm nhạy cảm.
Dựa trên những ý tưởng và thực trạng đã nêu, tôi đã chọn đề tài "Thiết kế hệ thống tự động điều khiển và giám sát trong ngôi nhà thông minh" cho đồ án tốt nghiệp của mình.
T n đề tài: “Thiết kế hệ thống tự động điều khiển và giám sát trong ngôi nhà thông minh”
+ Tìm kiếm giải pháp mang tính hệ thống
+ Thiết kế thiết bị đầu cuối nhận nhiệm v nhận và truyền dữ liệu
1.1.3 Yêu cầu kĩ thuật của hệ thống
- Kiểm soát ra vào bằng thẻ RFID, thông báo cho chủ nhà biết khi ra vào cửa
- Hiển thị ra màn hình LCD các thông tin của hệ thống
- Giám sát giá trị nhiệt đ đ ẩm trong nhà và cảnh áo khi vượt ngưỡng
- Giám sát sự chuyển đ ng và cảnh báo khi có hiện tượng xâm nhập trái phép qua SMS
- Điều khiển thiết bị đèn trong nh qua tin nhắn SMS
- Điều khiển đèn ngo i cổng dựa trên cảm biến hồng ngoại.
Cơ sở lý thuyết
M t hệ thống RFID toàn diện bao gồm bốn thành phần:
- Thẻ RFID được lập trình điện tử với thông tin duy nh t
- Các reader hoặc sensor (cái cảm biến) để truy v n các thẻ
- Thiết bị nhận dữ liệu và phân tích dữ liệu
Hình 1.1 Thẻ và đầu đọc
Hệ thống RFID bao gồm ba thành phần cơ bản: thẻ RFID, đầu đọc và máy tính chủ Thẻ RFID chứa chip và anten, được thiết kế dưới nhiều hình thức như thẻ vào ra trong tòa nhà Mỗi thẻ được lập trình với một mã nhận dạng duy nhất (ID), cho phép theo dõi các đối tượng hoặc cá nhân gắn thẻ Chip trong thẻ RFID có khả năng lưu trữ lượng lớn dữ liệu, bao gồm thông tin như chuỗi số, hướng dẫn cấu hình, dữ liệu kỹ thuật số và lịch trình Tương tự như phát sóng tivi hay radio, hệ thống RFID sử dụng nhiều tần số khác nhau: tần số thấp (LF), tần số cao (HF), siêu cao tần (UHF) và sóng cực ngắn.
Đầu đọc RFID bao gồm một anten liên lạc với thẻ RFID và một đơn vị đo điện tử được kết nối với máy tính chủ Đơn vị này tiếp nhận tín hiệu giữa máy tính chủ và tất cả các thẻ trong phạm vi đọc của anten, cho phép đầu đọc liên lạc với hàng trăm thẻ đồng thời Nó cũng thực hiện các chức năng bảo mật như mã hóa, giải mã và xác thực người dùng Đầu đọc RFID có khả năng phát hiện thẻ ngay cả khi không nhìn thấy chúng Hầu hết các mạng RFID bao gồm nhiều thẻ và nhiều đầu đọc được kết nối với nhau qua một máy tính trung tâm, thường là một trạm làm việc gọn gàng Máy tính chủ xử lý dữ liệu mà các đầu đọc thu thập từ các thẻ và kết nối giữa mạng RFID với các hệ thống thông tin lớn hơn, nơi quản lý dây chuyền hoặc cơ sở dữ liệu quản lý có thể thực thi.
GSM, viết tắt của Global System Mobile Communication, là hệ thống truyền thông di động toàn cầu sử dụng công nghệ số, khác biệt hoàn toàn so với các hệ thống mạng điện thoại analog cổ điển như AMPS Được phát triển tại Châu Âu, GSM không tương thích với các hệ thống trước đó và hoạt động chủ yếu ở tần số 900 MHz Trong hệ thống này, người dùng liên lạc với nhau thông qua một trạm trung tâm tại mỗi vị trí, sử dụng các kênh kết nối lên (uplink) và xuống (downlink) riêng biệt Tần số kết nối lên bắt đầu từ 935.2 MHz và kết nối xuống từ 890.2 MHz, với tất cả các kênh đều có băng thông 200 kHz.
Hệ thống GS ở Việt am hiện nay đang hoạt đ ng ở tần số 900 Hz
Hiệu ứng Doppler là một hiện tượng vật lý được đặt theo tên Christian Andreas Doppler, mô tả sự thay đổi tần số và bước sóng của sóng âm, sóng điện từ, hay các loại sóng khác khi nguồn phát sóng di chuyển so với người quan sát.
ếu s ng được phát ra từ nguồn phát cố định đến m t đầu thu cố định thì tần số thu ằng tần số phát
Nếu khoảng cách giữa đầu thu và đầu phát thay đổi trong thời gian thu sóng, thời gian sóng truyền đến đầu thu sẽ bị ảnh hưởng Cụ thể, thời gian này sẽ ngắn lại khi đầu thu và đầu phát ở gần nhau, và sẽ kéo dài ra khi chúng ở xa nhau.
Sử ng cảm iến ựa tr n hiệu ứng Doppler để phát hiện sự chuyển đ ng sẽ tăng th m đ tin cậy cho tòa nh th ng minh.
PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
Các giải pháp và lựa chọn phương án
Kiểm soát người ra vào (access control)
Hình 2.1 Kiểm soát người vào ra Yêu cầu kỹ thuật:
Thiết bị cần được thiết kế gọn nhẹ, đảm bảo tính bảo mật cao và có khả năng xử lý chính xác Điều này giúp nâng cao mức độ an toàn cho ngôi nhà.
Các phương án lựa chọn: Đối với nhà mở cửa tự đ ng, hiện nay có r t nhiều cách:
Tự đ ng mở cửa khi c người đi tới
Tự đ ng mở cửa, khi nhận dạng dạng giọng nói của chủ nhân
Tự đ ng mở cửa khi chủ nhà nhập đ ng passwor như đã thiết lập
Dùng thẻ từ để truy cập
Dùng vân tay để mở cửa
Trong các tình huống nêu trên, việc sử dụng thẻ từ RFID để mở cửa là lựa chọn tối ưu Phương án này không chỉ mang lại tính bảo mật cao mà còn rất phù hợp cho các ứng dụng trong nhà thông minh.
Có thể thay đổi passwor khi passwor cũ ị tiết l
Giá linh kiện không quá cao
Phải thiết lập chương trình hoạt đ ng
Phải giao tiếp với mo ule RFID để l y dữ liệu ID của thẻ
Phát hiện chuyển động, cảnh báo sớm việc kẻ lạ đột nhập
Hình 2.2 Mô hình cảnh báo trộm sớm
Phát hiện được chuyển đ ng của kẻ lạ đ t nhậpvà cảnh báo bằng còi h áo đ ng hoặc bằng tin nhắn SMS cu c gọi …
Các phương án lựa chọn:
Hiện nay, thị trường có nhiều loại cảm biến và phương pháp phát hiện chuyển động, bao gồm cảm biến hồng ngoại, cảm biến khoảng cách, và cảm biến sử dụng hiệu ứng Doppler.
Để tăng cường tính bảo mật, việc sử dụng cảm biến phát hiện chuyển động dựa trên hiệu ứng Doppler là một lựa chọn hiệu quả Phương pháp này cho phép xác định vận tốc chuyển động của vật thể mà không phụ thuộc vào việc đó là người hay đồ vật, khác với cảm biến hồng ngoại chỉ phát hiện chuyển động của con người Ưu điểm của giải pháp này là khả năng phát hiện chính xác và đa dạng các loại chuyển động.
Xác định được cả người hoặc vật di chuyển
Gọn nhẹ, dễ lắp đặt
Thiết kế mạch lọc và khuếch đại tín hiệu khó, đặt IC n nước ngoài
L y mẫu tín hiệu, tính toán tần số phản hồi khó
Lập trình phức tạp và dễ xảy ra nhiễu
Màn hình hiển thị các thông số trạng thái
Hiển thị các thông số của cảm biến, hiển thị các thông báo của hệ thống cho người sử d ng
Các phương án lựa chọn:
Có nhiều phương pháp giao tiếp với người dùng, bao gồm giao tiếp qua âm thanh, hình ảnh hoặc kết hợp cả hai Trong đồ án này, tôi đã chọn sử dụng màn hình TFT để truyền tải thông tin và tương tác với người dùng, nhờ vào những ưu điểm nổi bật của nó.
Hiển thị trực quan được nhiều thông tin cùng m t lúc
Thông tin hiển thị trực quan
Giao tiếp với phần cứng kh khăn
Điều khiển ánh sáng tự động
Bạn có thể tự động điều khiển các đèn trong nhà, với tính năng tự tắt khi không có người và tự sáng khi có người Hệ thống này hoạt động theo hai chế độ: bằng tay hoặc tự động, mang lại sự tiện lợi và tiết kiệm năng lượng cho ngôi nhà của bạn.
Các phương án lựa chọn:
Sử dụng lập lịch đồng hồ hẹn giờ để bật tắt đèn có nhược điểm là không đồng nhất do sự thay đổi giữa các mùa và thời tiết hàng ngày Thay vào đó, phương án sử dụng cảm biến quang để phát hiện sự sáng tối là giải pháp khả thi hơn, giúp tự động hóa việc bật tắt điện một cách hiệu quả.
Bật tắt đèn tự đ ng linh hoạt
Tự đ ng bật tắt đèn khi trời tối
Phải thiết lập chương trình hoạt đ ng
Mạch hoạt đ ng phải gắn gần n phím để giảm nhiễu
Hệ thống cảnh báo qua tin nhắn GSM
Thông báo bằng tin nhắn SMS các trạng thái cảnh báo, thông số của toàn b hệ thống cho người sử d ng
Các phương án lựa chọn:
Sử d ng m t số mo ule như SI 908 SI 900 SI 548…
Trong đồ án này em sử d ng SI 908 vì đáp ứng đủ yêu cầu kỹ thuật đề ra và nâng c p dễ dàng Ưu điểm
Các tập lệnh API để giao tiếp với boad trung tâm dễ dàng
Thiết kế hệ thống
Khối gửi tin nhắn SMS:
- Hoạt đ ng được ở giải tần 900 Mhz, hoạt đ ng tin cậy và ổn định trong điều kiện vận tải khắc nghiệt
- ích thước nhỏ gọn, dễ lắp đặt
Hiện nay, có r t nhiều nhà cung c p các module GPRS, module GPS riêng lẻ và tích hợp ví d :
- Module GPS của hãng Holux: UB-93, M-89, GR-89, M9129, M9329, GR-91S4 Hãng U-blox: LEA-5H, LEA-5S, LEA-6series, NEO-6series, MAX-6series
Hãng Simcom: module sim 900, 900B, 900D, 900S, module sim 300W, 300 CZ Hãng Neoway: M580, M590
Module tích hợp GPRS/GPS:
Dựa trên các tiêu chí như gọn nhẹ, dễ lắp đặt và sử dụng, độ chính xác cho phép và kinh phí, tôi đã chọn module Sim908C của hãng Simcom, vì nó tích hợp cả GPS và GPRS engine.
- Module Sim908C tích hợp 2 engine GPS và GPRS với các thông số kĩ thuật:
Bảng 2.1 Đặc tích kỹ thuật của Sim908C
Engine Đặc tính kĩ thuật GPSEngine Đặc tính kĩ thuật
Nguồn 3.2-4.8 V Tần số GPS L1(1575.42 MHz)
Băng tần 850/900/1800/1900 MHz Giao thức NMEA 0183
GPRS GPRS multi-slot class 10
Up max: 85.6 Kbps Down max: 42.8 Kbps
Tốc độ tối đa 1850 Km/h Độ nhạy -143 dBm
1mA ở sleep mode Tần số cập nhật
1 Hz Độ chính xác vị trí
< 2.5m Độ chính xác vận tốc
Bình thường Khắc nghiệt Nhiệt đ bảo toàn
- Giao tiếp giữa Sim908C và Vi điều khiển: sử dụng các lệnh AT theo chuẩn
GS được giới thiệu sau đây
2.2.2 Giới thiệu tập lệnh AT
Các lệnh AT là các hướng dẫn được sử dụng để điều khiển một modem, trong đó "AT" là viết tắt của chữ Attention Mỗi dòng lệnh đều bắt đầu bằng "AT", cho phép người dùng giao tiếp và điều khiển modem một cách hiệu quả.
Các lệnh AT, viết tắt của Attention, được sử dụng để điều khiển các modem quay số có dây Những lệnh này bao gồm ATD (Gọi), ATA (Trả lời) và ATH (Kết thúc cuộc gọi) Các lệnh này đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý và điều khiển các thiết bị modem.
ATO (return to online ata state) cũng được hỗ trợ bởi các modem GSM/GPRS và các điện thoại i đ ng
M t số tập lệnh AT hỗ trợ của Simcom908C được nêu rõ ở phần ph l c
Tất cả các giao tiếp từ vi xử lý ARM với Simcom908C đều sử dụng tập lệnh AT command
Hỗ trợ xử lý thời gian thực
Hỗ trợ công c gỡ rối chương trình thuận tiện
Có hai cổng giao tiếp UART
Truy cập nhớ ngo i tốc đ cao
Đáp ứng yêu cầu nâng c p và phát triển hệ thống sau này
Các loại vi điều khiển hiện nay:
Các vi xử lý 8051, Atmega8, PIC16F và PIC18F là những loại vi xử lý 8 bit được sử dụng cho các ứng dụng yêu cầu tốc độ tính toán cao Chúng hỗ trợ nhiều loại ngoại vi và có khả năng lưu trữ chương trình với dung lượng nhỏ.
Vi xử lý DSPIC 30F và 33F, như 30F4011 và 30F4013, là các loại vi xử lý 16 bit với tốc độ xử lý cao hơn so với các loại 8 bit, đồng thời hỗ trợ nhiều ngoại vi và bộ nhớ lớn Những vi xử lý này thường được sử dụng trong các ứng dụng điều khiển động cơ.
SP430 là dòng vi xử lý 16-bit mới của hãng TI, xuất hiện trong những năm gần đây Đây là vi xử lý tiết kiệm năng lượng, hỗ trợ nhiều ngoại vi và có khả năng tương thích với các bộ nhớ lớn Tốc độ xử lý của SP430 khá cao, tương đương với DSPIC.
AR Cortex 3 là loại vi xử lý 32 bit của hãng ST, được trang bị đầy đủ các giao tiếp ngoại vi và khả năng xử lý cao, cùng với bộ nhớ chương trình lớn Vi xử lý này thường được sử dụng cho các ứng dụng truyền thông và lõi xử lý trong smartphone.
DSP là loại vi xử lý 32 bit được sản xuất bởi nhiều hãng khác nhau, nổi bật với tốc độ xử lý và tính toán rất cao, nhưng giá thành cũng tương đối đắt Thiết bị này thường được sử dụng trong các ứng dụng chuyên ngành như đo lường và điều khiển động cơ.
Dựa trên các tiêu chí đã nêu, đặc biệt là khả năng xử lý các ứng dụng liên quan đến truyền thông và dữ liệu, nhóm vi xử lý STM32F103VCT của hãng ST sử dụng lõi Arm Cortex M3 là lựa chọn tối ưu.
2.2.2.2 Giới thiệu dòng vi điều khiển Arm Cortex M3 và STM 32F103VCT
Ngày nay các nhà sản xu t IC đưa ra thị trường hơn 240 òng chip vi điều khiển sử d ng lõi ARM
Tập đo n ST icroelectronic cho ra mắt dòng chip
ST 32 vi điều khiển đầu tiên dựa trên nền lõi ARM
Cortex M3 thế hệ mới của ARM, được cải tiến từ lõi ARM7, đã mang lại thành công lớn cho công ty Dòng STM32 đã thiết lập tiêu chuẩn mới về hiệu suất chi phí và khả năng đáp ứng cho các ứng dụng tiêu thụ năng lượng thấp, đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển thời gian thực.
Hình 2.4 cho thấy kiến trúc ARM STM32F với không gian địa chỉ 4Gbyte của Cortex 3, được chia thành các vùng cho bộ nhớ chương trình, SRAM ngoại vi và hệ thống Cortex 3 áp dụng cấu trúc Harvard, với bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu tách biệt, cho phép thực hiện nhiều tác vụ song song, nâng cao hiệu suất chip Khác với các dòng ARM trước, Cortex cho phép truy cập bộ nhớ không xếp hàng, tối ưu hóa việc sử dụng SRAM nội Dòng Cortex còn hỗ trợ đặt và xóa các bit trong hai vùng 1Mbyte của bộ nhớ thông qua phương pháp bit-banding, giúp truy cập hiệu quả đến các thanh ghi ngoại vi và cờ trên bộ nhớ SRAM mà không cần sử dụng bộ xử lý bên ngoài.
Một trong những thành phần chính của lỗi Cortex M3 là NVIC (Nested Vector Interrupt Controller), cung cấp cấu trúc ngắt chuẩn cho tất cả các vi điều khiển thiết kế trên lõi Cortex và xử lý ngắt đặc biệt NVIC hỗ trợ đến 240 nguồn ngắt từ ngoại vi, với khả năng ưu tiên khác nhau, và được thiết kế để có thời gian đáp ứng cực nhanh, chỉ khoảng 12 chu kỳ xung nhịp từ khi nhận tín hiệu ngắt đến khi thực hiện lệnh đầu tiên Trong trường hợp ngắt lồng nhau, NVIC sử dụng phương thức "tail chain" cho phép phục hồi ngắt liên tiếp với độ trễ chỉ 6 chu kỳ xung nhịp Đặc biệt, STM32 nổi bật với khả năng truy cập bộ nhớ không xếp hàng (Unaligned Memory Accesses), cho phép CPU hỗ trợ các biến số nguyên mà không cần thư viện phần mềm hỗ trợ như với vi điều khiển 8bit và 16bit Trái lại, các phiên bản CPU ARM trước đó chỉ có thể truy cập dữ liệu kích thước word hoặc half word, dẫn đến việc lãng phí SRAM có thể lên đến 25% Bằng cách hỗ trợ truy cập bộ nhớ không xếp hàng, Cortex M3 đảm bảo rằng SRAM được sử dụng một cách hiệu quả.
Hình 2.5 So sánh bộ nhớ ARM thường và ARM Cortex
- Lõi: ARM 32 bit Cortex M3 CPU
Tần số hoạt đ ng tối đa 72 Hz hiệu su t ở mức 0 ở trạng thái chờ truy cập b nhớ
Có b nhân và chia tần số bằng phần cứng
256 đến 512 Kbyte b nhớ Flash ROM 64 Kbyte SRAM
B điều khiển b nhớ tĩnh linh hoạt với 4 chip Select Hỗ trợ được các loại b nhớ Compact Flash, SRAM, PSRAM, NOR, NAND
Giao tiếp song song LCD
- Clock, Reset và quản lý nguồn:
2 đến 3.6V cho guồn cung c p và các cổng xu t nhập I/O
Dao đ ng thạch anh 4 đến 16 MHz
Dao đ ng n i chuẩn công nghiệp 8 MHz
Dao đ ng RTC chuẩn 32 KHz
- Tiêu thụ năng lƣợng thấp:
3 chế đ hoạt đ ng: SLEEP, STOP và STANDBY
VBAT cung c p cho RTC và thanh ghi dự phòng
- 3 x Bộ chuyển đổi A/D 12bit 1us (21 kênh chuyển đổi)
- 2 x Bộ chuyển đổi D/A12bit, 1us
- 12 kênh: Hỗ trợ các giao tiếp ngoại vi: Timer, ADC, DAC, SDIO, I2S, I2C, SPI và USART
- Với 13 giao tiếp truyền dữ liệu
Giao tiếp USB 2.0 full-speed
Giao tiếp SDIO (giao tiếp SD card)
Hình 1.6 Sơ đồ chân chip STM32F103
Hình 2.7 Các chức năng có trong STM32F103RD
- Vi xử lý MCU: STM32F103RD, là vi xử lý sử d ng lõi Arm Cortex M3 với các đặc điểm nổi bật:
Giảm kích thước code so với các dòng: MSP430, Atmel AVR8, PIC18, PIC24
Hình 2.8 So sánh kích thức code
Hiệu su t sử d ng năng lượng cao tương quan với các vi xử lý 8 bit, 16 bit th ng thường khác
Hình 2.9 So sánh hiệu suất sử dụng năng lượng
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
Sơ đồ khối thiết bị đầu cuối
Yêu cầu: khối truyền tín hiệu GSM, thiết bị đầu cuối còn cần thêm các khối khác để đảm bảo thực hiện các chức năng
Khối nguồn DC: nguồn m t chiều dùng apdaterv là 12V hoặc 24V trong khi MCU và khối Sim908C sử d ng nguồn lần lượt 3.3V và 4.1V, nên cần khối chuyển đổi nguồn
Khối các cảm biến, bao gồm cảm biến nhiệt đ , cảm biến cửa ra vào, cảm biến hồng ngoại, RFID,
Thiết kế sơ đồ khối:
Hình 3.1 Cấu trúc của thiết bị đầu cuối
Phân tích chi tiết các khối của sơ đồ nguyên lý
Chức năng của khối nguồn:
- Tạo nguồn áp 3.3V cho khối AX3232 & vi điều khiển STM32f103RD
- Tạo nguồn áp 4.1V cho khối SIM908C a) Phần nguồn 4.1V
Cần cung cấp nguồn ổn định, ít nhấp nhô cho khối Sim908C, từ đầu vào
Đầu ra phần nguồn 4.1V tức đầu vào Sim908C cần thiết lên tới 2A
Nguồn nối tiếp có thể sử dụng IC LM7805
Nguồn xung có thể sử dụng IC LM 2576-ADJ hoặc IC LM2596-ADJ
Do yêu cầu trên, thiết kế sử d ng IC LM 2576-ADJ
Mô tả khối: Đầu vào l y từ nguồn 1 chiều 12V ÷24V, công su t tối thiểu 9W, qua các t lọc tới
Đầu ra của IC được phản hồi qua biến trở RV5 để điều chỉnh đạt Ufeedback mong muốn là 1.23V Cần điều chỉnh biến trở để có được giá trị V out là 4.1V như đã định.
Thông số hoạt động IC 2576-adj
+Đảm bảo dòng ngõ ra lên tới 3A
+ gõ ra điều chỉnh r ng, từ (1.2V ÷ 37V) ± 4%
+ Dải điện áp đầu vào r ng, lên tới 40V
+ Đảm bảo điều tiết nhiệt đ
+ Hiệu su t đạt 77 % (V in V, I Load :, V out =5V)
+ Ngõ ra được bảo vệ ngắn mạch
Trong đ V ref =1.23V, VR 3, VR 1 l điện trở tính từ
2 đầu của biến trở VR 5K
Hình 3.3 IC LM2576 b) Phần nguồn 3.3V
Cung c p nguồn ổn định cho vi mạch ax3232 v vi điều khiển STM32f103RD
Đầu ra cỡ v i trăm mA
Dùng io e Zener 3.3V hoặc 5V cần c th m mạch phân áp phải th m các linh kiện ph trợ mạch cồng kềnh hơn
1 Loại IC n y c khản năng cung c p òng 1A
L loại IC chuy n ng ễ kiếm khản năng cung c p òng 1A Điện áp v o: 4.8V-12V
Do vậ nh m chọn IC 111
Sử d ng IC LT1117- 3.3V Đầu vào l y từ phần nguồn 5V Đầu ra được giữ cố định 3.3V
Các tụ điện trước và sau IC đóng vai trò quan trọng trong việc lọc nguồn đầu vào và bù tần số ở đầu ra Đặc biệt, tụ Tantalum với giá trị ESR (điện trở nối tiếp tương đương) thấp là cần thiết để đảm bảo mạch nguồn hoạt động chính xác.
Thông số hoạt đ ng IC LT1117-3.3V
Dòng ngõ ra lên tới 800mA
Điện áp vào cực đại lên tới 15V
Ngõ ra cố định 3.3V với các dòng tải khác nhau
Điện áp rơi cực đại: 1.2V khi dòng tải
Dòng ngõ ra cực tiểu: 1.7mA
Hình 3.5 IC LM1117 c) Phần nguồn 5V:
Cung c p nguồn 5V công su t cỡ 0.5W cho IC LT1117-3.3V và cho các ứng d ng mở r ng về sau
Với ưu điểm đơn giản, khi cần hoạt đ ng ở công su t nhỏ, ta chọn IC LM7805
Thông số hoạt động IC 7805
Công su t tiêu tán lớn nh t 2W nếu không dùng tản nhiệt, 15W nếu tản nhiệt đủ lớn
Chênh lệch áp vào ra tối thiểu 2V
Dòng ngõ ra tối đa c thể duy trì 800mA
Hạn chế dòng ngắn mạch
Nhiệm vụ: Sim908C hoạt đ ng trong dải điện áp vào: 3.2V ÷4.8V, tuy nhiên, khi
Khi VBAT dưới 3.3V, Sim908C sẽ tự động chuyển sang chế độ ngủ (Sleep mode), tắt các chức năng GPS và GPRS Do đó, trong môi trường có nhiễu cao tần, đặc biệt là sóng điện thoại ở tần số 900 MHz, việc thiết kế một khối lọc nguồn trước đầu vào VBAT là cần thiết để đảm bảo nguồn cung cấp cho Sim908C luôn ổn định.
3.2.3 Khối thu nhận tín hiệu GSM (khối Sim908C)
Là trung gian truyền nhận tín hiệu giữa thiết bị i đ ng và các trạm BTS
GPIO0 34 DBG_RXD 36 DBG_TXD 38 GND 40 MIC1P 42 MIC1N 44 MIC2P 46 MIC2N 48
NC 54 GPS_VCC_RF 56 58 GPS_VANT
SIM_VDD SIM_RST SIM_DATA SIM_CLOCK R32 GND 10K
DBG_RXD DBG_TXD NUT BAT SIMCOM
GPIO1 DISP_CS DISP_CLK DISP_DATA DISP_D/C DISP_RST GPIO0
Khối này sử d ng module Sim908C của hãng SIM Technology Group Ltd
Khối được c p nguồn 4.1V thông qua các chân VBAT
Đồng hồ thời gian thực trong Sim908C được duy trì nhờ nguồn 3V là pin Lithium-ion
Chân PWR EY ùng để khởi đ ng hoặc đưa Sim908C về chế đ sleep mode
Để thiết bị có thể truyền nhận dữ liệu qua dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp GSM/GPRS, cần sử dụng một simcard được cài đặt dịch vụ GSM/GPRS của nhà mạng tại Việt Nam Trong đồ án này, chúng tôi đã chọn sim đầu số của mạng MobiFone.
Sim n y được đặt trong khối Sim Card để giao tiếp và c p nguồn từ khối Sim908C
- Sử d ng Sim holder 6 chân
- Các Diot Zenner 5V được sử d ng để tránh hiệu ứng ESD (ph ng điện tĩnh) gây hỏng hỏng cho thiết bị
Nhiệm vụ: Báo hiệu đã c tín hiệu của các khối nguồn, khối Sim908C, tín hiệu mạng Trong đ đèn etlight áo hiệu trạng thái của tín hiệu mạng
Bảng 3.1 Đèn trạng thái netlight
64ms sáng/800ms tắt Chưa kết nối mạng GSM
64ms sáng/3000ms tắt Đã kết nối mạng GSM
64ms sáng/300ms tắt Kết nối điểm- điểm được khởi tạo
Hình 3.11 Khối báo tín hiệu
- Sử d ng các led quang 3mm với 3 m u: xanh đỏ vàng cùng với 1 loa 5V để báo hiệu
- Các led báo hiệu trạng thái hoạt đ ng của Sim908C được đ ng mở bởi các chân báo hiệu tương ứng từ Sim908C
3.2.6 Khối giao tiếp với máy tính
Nhiệm vụ: là giao diện phần cứng kết nối giữa khối Sim908C v máy tính để kiểm tra hoạt đ ng của thiết bị
- Dùng mạch chuyển đổi sử d ng các IC chuyên d ng như ax3232 ax232
- Mạch chuyển đổi sử d ng các transitor Để mạch đơn giản và chạy ổn định, ta chọn phương án 1
RXD TXD GPS_TXD GPS_RXD
Hình 3.12 Khối ghép nối máy tính
- Sử d ng 2 cổng DB9-Female:
- Cổng DB_GSM: giao tiếp giữa Sim908C với PC bằng lệnh AT
- Cổng DB_GPS: truyền giữ liệu GPS từ Sim908C tới PC
Max3232 là một mạch chuyển đổi mức điện áp logic giữa máy tính và Sim908C Cụ thể, ngõ vào RXD_in được kết nối với ngõ ra TXD của DB9, trong khi ngõ vào TXD_in nối với ngõ ra TXD của Sim908C Đồng thời, ngõ ra TXD_out được kết nối với ngõ vào RXD của DB9 và ngõ ra RXD_out nối với ngõ vào RXD của Sim908C.
Sử d ng vi điều khiển STM32f103VCT của hãng ST Microelectronics
- Đ ng vai trò trung tâm của thiết bị đầu cuối
- Điều khiển khối truyền nhận tín hiệu GSM/GPRS
- Tiền xử lý dữ liệu trước khi gửi GSM qua khối Sim908C
- Điều khiển nhận thông tin các cảm biến, l y thông tin và truyền lên qua GSM
OSC_IN/PD0 5 OSC_OUT/PD1 6
PA0/WKUP/USART2_CTS/AINO/TIM2_CH1_ETR
PA1/USART2_RTS/AIN1/TIM2-CH2
PA2/USART2_TX/AIN2/TIM2_CH3
PA3/USART2_RX/AIN3/TIM2_CH4
PA4/SPI1_NSS/USART2_CK/AIN4/ADC_OUT1
PA5/SPI1_SCK/AIN5/ADC_OUT2
PA6/SPI1_MISO/AIN6/TIM3_CH1
PA7/SPI1_MOSI/AIN7/TIM3_CH2
PA8/USART1_CK/TIM1_CH1
PA9/USART1_TX/TIM1_CH2
PA10/USART1_RX/TIM1_CH3
PA11/USART1_CTS/USBDM/CANRX/TIM1_CH4
PA12/USART1_RTS/USBDP/CANTX/TIM1_ETR
PB12/SPI2_NSS/I2C2_SMBAI/USART3_CK/TIM1_BKIN
PB13/SPI2_SCK/USART3_CTS/TIM1_CH1N
PB14/SPI2_MISO/USART3_RTS/TIM1_CH2N
PB15/SPI2_MOSI/TIM1_CH3N
AIN10/PC0 8 AIN11/PC1 9 AIN12/PC2 10 AIN13/PC3 11 AIN14/PC4 24 AIN15/PC5 25 PC6 37 PC7 38 PC8 39 PC9 40 PC10 51 PC11 52 PC12 53 ANTI_TAMP/PC13 2 OSC32_IN/PC14 3 OSC32_OUT/PC15 4
VDD_1 32 VDD_2 48 VDD_3 64 VDD_4 19 VDD_A 13
PC12 PC11 PC10 PC9 PC8 PC7 PC6 PC5 PC4 PC3 PC2 PC1 PC0
- Vi điều khiển sử d ng hai thạch anh ngoài có tần số lần lượt là 32.768 Khz (dùng cho ứng d ng thời gian thực) và 8 Mhz
- Nguồn c p 3.3V từ mạch nguồn phía tr n được lọc đầu vào qua các t 104
- Các chân TXD v RXD được nối chéo với các chân TXD, RXD của Sim908C để thực hiện giao tiếp UART
Hình 3.14 Mạch nguyên lý khối HB100
- Khối HB100 là cảm biến chuyển đ ng đầu ra là tín hiệu dạng xung
Nguồn cấp 3.3V từ mạch nguồn phía trên được lọc qua các tụ 104 Sau đó, tín hiệu từ HB100 được đưa vào op-amp OPA2365 và OPA365 để khuếch đại và xử lý, nhằm cung cấp tín hiệu chuẩn cho vi điều khiển để đo và tính toán kết quả.
Dùng để e ug chương trình trực tiếp v o cho Arm cortex m3 th ng qua phần mềm KeilC 5.0
- SW1: reset vi điều khiển Arm
- SW2: đánh thức vi điều khiển từ trạng Sleep
- SW3: n t áo đ ng khi xảy ra sự cố tr n ở nhà
Hình 3.16 Khối nút bấm 3.2.11 M t số khối m r ng
Dùng để điều khiển các thiết ị từ xa trong nh
Dùng UL 2003L l loại IC ịch mức logic v lợi òng đầu ra cho vi điều khiển
GND GND GND GND GND
- hối đo nhiệt độ DS18B20
Dùng IC DS18B20 l loại IC chuy n ùng để đo nhiệt đ ữ liệu được truyền về vi điều khiển theo chuẩn OneWire
Hình 3.18 Cấu trúc và sơ đồ kết nối giữa vi điều khiển và DS18B20
Hối SD card đóng vai trò quan trọng trong việc lưu trữ thông tin về các thông số của xe, tương tự như hộp đen của người điều khiển Hối SD card giao tiếp với vi điều khiển AR thông qua chuẩn SPI, giúp truyền tải dữ liệu một cách hiệu quả.
Mạch in PCB
Được thiết kế ằng phần mềm Atium esign 2010
- Giao iện đẹp ễ sử ng
- Hỗ trợ nhiều thư viện của các nh sản xu t IC
- áy tính đòi hỏi c u hình cao
- Vẽ mạch in m t thời gian
Sau đây l mạch in m nh m đã thiết kế:
Hình 3.20 Mạch in khối HB100
THIẾT KẾ PHẦN MỀM
Phần mềm nhúng cho hệ thống điều khiển trung tâm
4.1.1 Hệ điều hành thời gian thực RTOS
Khái niệm hệ điều hành thời gian thực:
Hệ thống thời gian thực là hệ thống mà độ tin cậy không chỉ phụ thuộc vào độ chính xác của kết quả mà còn vào thời điểm đưa ra kết quả Nếu không đáp ứng được yêu cầu về thời gian, hệ thống sẽ gặp lỗi.
Hình 4.1 Một hệ RTOS trong điều khiển
RTOS thường có cấu trúc mềm dẻo, cho phép tích hợp các dịch vụ gia tăng theo vòng tròn đồng tâm, với nhân cung cấp các đặc tính quan trọng nhất cho hệ điều hành thời gian thực Các vòng ngoài có thể được thêm vào khi cần thiết, giúp xây dựng hệ thống thời gian thực lớn hơn Nhân nhỏ của RTOS thích hợp cho các ứng dụng xử lý nhỏ, trong khi các vòng ngoài hỗ trợ mở rộng khả năng RTOS cũng cung cấp các mức xử lý ưu tiên, với các công việc ưu tiên cao hơn được thực hiện trước Ngoài các chức năng cơ bản, hệ điều hành thời gian thực còn hỗ trợ thêm nhiều chức năng khác.
- Lập lịch phân chia thời gian sử d ng t i nguy n đặt mức ưu ti n các tác v
- Truyền th ng v đồng b giữa các tác v hoặc giữa tác v và ngắt
- Quản lý các thiết bị vào ra
Hình 4.2 Sơ đồ chức năng của một hệ RTOS
Hệ điều hành thời gian thực khác biệt với hệ điều hành không thời gian thực chủ yếu ở tính tiền định (deterministic) Tính tiền định yêu cầu các dịch vụ của hệ điều hành phải thực hiện trong khoảng thời gian nhất định, đòi hỏi tính toán chính xác theo toán học Trong hệ điều hành thời gian thực, các đáp ứng về thời gian là nghiêm ngặt và không thể có thành phần thời gian ngẫu nhiên, vì điều này có thể dẫn đến trễ ngẫu nhiên và không đáp ứng được deadline.
Các đặc điểm của RTOS
M t RTOS được ứng d ng thành công vào m t nền vi điều khiển thường phải bao gồm 3 nhóm sau:
RTOS Kernel: nhân của hệ điều h nh trong đ thực thi các nhiệm v cơ ản của RTOS Kernel dùng chung cho t t cả các plat orm v được cập nhật theo version
Port: thường được phát triển bởi nhà sản xu t CU n khác nhau đối với từng họ MCU
BSP (Board Support Package): chứa các hàm chức năng truy xu t đến các ngoại vi, thực ch t đây chính l river cho các ngoại vi của MCU
Một RTOS chất lượng phụ thuộc vào nhân mạnh mẽ, tài liệu đầy đủ và các công cụ phát triển hiệu quả Do đó, việc tính toán thời gian ngắt và thời gian chuyển mạch ngữ cảnh là rất quan trọng, cùng với các thông số khác để đảm bảo hiệu suất tối ưu cho RTOS.
Xây dựng các khối cơ bản của phần mềm dưới RTOS chủ yếu là tạo ra các tác vụ Việc tạo ra các tác vụ trong RTOS khá đơn giản, với mỗi tác vụ được xem như một thủ tục con Trong quá trình thực thi chương trình, chúng ta thực hiện một hoặc nhiều lời gọi đến một hàm trong RTOS để khởi động các tác vụ Mỗi tác vụ trong RTOS luôn ở một trong ba trạng thái chính.
Hình 4.3 Trạng thái tác vụ
Running: Với ý nghĩa xử lý đang thực hiện tác v Với m t b xử lý thì chúng ta chỉ chạy m t tác v tại m t thời điểm nh t định
Ready: Với ý nghĩa m t số tác v khác sẵn sàng chạy nếu b xử lý rỗi
Blocked là trạng thái mà tác vụ không thể thực hiện, ngay cả khi đang ở trong trạng thái nghỉ (Idle) Tác vụ ở trong trạng thái này vì đang chờ đợi một sự kiện bên ngoài để kích hoạt lại và chuyển về trạng thái sẵn sàng.
Trong đồ án này em đã sử dụng hệ điều hành thời gian thực RTOS RTX, nhúng trong vi điều khiển ARM Cortex M3
Sơ lược về hệ điều hành RTOS RTX
- Là hệ điều h nh được phát triển dựa trên chuẩn CMX RTOS , với các đặc điểm sau:
Hình 4.4 Kiến trúc của hệ điều hành RTX RTOS
- Các thông số cơ ản của RTX RTOS:
RAM Space for Kernel 300 bytes + 128 bytes Main Stack
RAM Space for a Thread StackSize + 52 bytes
RAM Space for a Mailbox MaxMessages * 4 + 16 bytes
RAM Space for a Semaphore 8 bytes
RAM Space for a Mutex 12 bytes
RAM Space for a User Timer 20 bytes
Hardware Requirements SysTick timer or other hardware timer Thread context switch time < 2.6 us - 72 MHz
Interrupt lockout time Not disabled
- Để c u hình cho RTX ta c u hình trong ile RTX_Conf_CM.C
Với mô hình hệ thống như hình 4.1 thì y u cầu về phần mềm nhúng phải đảm bảo:
Thực hiện việc giao tiếp với Simcom908 thông qua tập lệnh AT
Nhận và gia công chuỗi tin nhắn S S để l y th ng tin điều khiển từ Sim908C
Xử lý đa nhiệm với các luồng chạy đ c lập nhau, thời gian thực RTOS
Hình 4.5 Mô hình hệ thống điều khiển và giám sát nhà thông minh
4.2 ƣu đồ giải thuật a) Lưu đồ thuật toán nhúng trong vi điều khiển
NO iểm tra ID lệnh điều khiển?
Mailbox thread 1: eror sent sms
Hình 4.6 Lưu đồ giải thuật module
- Bật nguồn để bắt đầu
- Khởi tạo các thread giao tiếp
- Thread SMS: làm nhiệm v điều khiển simcom908
- Thread HB100: làm nhiệm v giao tiếp với cảm biến BH100 và cảnh báo nếu c người lạ đ t nhập
- Thread RFID: làm nhiệm v access control điều khiển việc đ ng mở của khi c người xu t thẻ RFID
- Thread light: làm nhiệm v đo cường đ sáng và bật tắt bóng tự đ ng
- Thread DS18B20: làm nhiệm v đo nhiệt đ và mailbox tới LCD
- Thread LCD: làm nhiệm v nhận mailbox từ các thread khác và hiển thị lên
LCD b) Lưu đồ giải thuật xử lý tin nhắn
NO iểm tra lệnh điều khiển?
Hình 4.7 Lưu đồ xử lý cuộc gọi và tin nhắn
Vi điều khiển sẽ thực hiện đa nhiệm bằng cách quét nội dung dữ liệu nhận được, đồng thời thực hiện các nhiệm vụ chính trong thuật toán mô-đun Sau đó, nó sẽ kiểm tra xem số điện thoại có nằm trong danh sách cho phép hay không.
Khi cuộc gọi đến, hệ thống sẽ tạm ngừng cuộc gọi để kiểm tra số điện thoại có được phép điều khiển thiết bị hay không Nếu số điện thoại hợp lệ, hệ thống sẽ gửi lại tin nhắn chứa thông tin điều khiển cần thiết.
Sau khi kiểm tra nội dung của tin nhắn số 1, hệ thống sẽ quyết định có thực hiện lệnh trong tin nhắn hay không Nếu thông tin trong tin nhắn hợp lệ, bao gồm số điện thoại và thẻ nhớ điều khiển thiết bị, hệ thống sẽ trả về thông tin điều khiển cần thiết Lưu đồ giải thuật xử lý HB100 sẽ hướng dẫn quy trình này.
Mailbox thread 1: eror sent sms
Hình 4.8 Lưu đồ xử lý cuộc gọi và tin nhắn
Vi điều khiển sẽ thực hiện nhiệm vụ đa nhiệm, kiểm tra xem có người lạ đã xâm nhập hay không Nếu phát hiện có, hệ thống sẽ tự động bật đèn cảnh báo và gửi tin nhắn SMS đến chủ nhà Đồng thời, lưu đồ giải thuật xử lý cảm biến nhiệt độ DS18B20 cũng được áp dụng trong quá trình này.
Hình 4.9 Lưu đồ xử lý DS18B20
Vi điều khiển sẽ xử lý đa nhiệm, sau 1s sẽ đo nhiệt đ và gửi mailbox tới LCD để hiển thị LCD e) Lưu đồ giải thuật xử lý RFID
Hình 4.10 Lưu đồ xử lý RFID
Vi điều khiển sẽ thực hiện đa nhiệm bằng cách kiểm tra ID người dùng và thực hiện mở cửa nếu ID hợp lệ, sau đó gửi thông tin tới màn hình LCD để hiển thị Đồng thời, lưu đồ giải thuật sẽ xử lý tín hiệu từ cảm biến ánh sáng.
Hình 4.11 Lưu đồ xử lý cảm biến ánh sáng
Vi điều khiển sẽ thực hiện xử lý đa nhiệm, kiểm tra cường độ sáng và điều chỉnh bật tắt thiết bị dựa trên mức cường độ sáng Đồng thời, nó sẽ gửi tín hiệu tới màn hình LCD để hiển thị thông tin cần thiết Lưu đồ giải thuật cho quá trình xử lý LCD cũng được xây dựng để minh họa rõ ràng các bước thực hiện.
Hình 4.12 Lưu đồ xử lý LCD
Vi điều khiển sẽ xử lý đa nhiệm, kiểm tra mailbox nhận ,thực hiện để hiển thị LCD.
Lưu đồ giải thuật
5.1 Các kết quả đã đạt đƣợc
Hình 5.1 Board mạch điều khiển trung tâm
CHẾ TẠO, THỬ NGHIỆM VÀ PHÁT TRIỂN
Các kết quả đã đạt được
Hình 5.1 Board mạch điều khiển trung tâm
Hình 5.2 Module Simcom908 Ở hình tr n l thiết ị thử nghiệm của nh m trong đ :
- Apdapter 12V c khản năng cung c p òng l n tới 10A
- Kit phát triển ARM cotex M3 STM32F103RD
5.1.2 Điều khiển qua SMS và hiển thị LCD
Khi c tin nhắn từ chủ nhà đến module sẽ thực hiện lệnh điều khiển các thiết bị trong nhà và hiển thị trạng thái lên LCD
Hình 5.3 Điều khiển thiết bị qua SMS 5.1.3 Test chức năng báo tr m
Hình 5.4 Test chức năng báo trộm
Hình 5.5 Test chức năng RFID
5.2 Hướng mở rộng nghiên cứu và phát triển
Tr n cơ sở những kết quả đã đạt được, em dự kiến sẽ mở r ng nghiên cứu và phát triển theo các hướng:
Hoàn thiện board với nhiều chức năng:
Thông tin cảnh báo cháy, báo sự cố:
Thông tin báo cháy và sự cố đưa vào ARM và truyền về hệ thống
Đo nhiệt đ v đ ẩm của xe:
Ta sử d ng cảm biến SHT10X đo nhiệt đ v đ ẩm truyền theo chuẩn I2C về ARM xử lý sau đ truyền về sever qua GPRS
Truyền thông dữ liệu qua mạng internet trong việc lai hóa các hệ thống truyền th ng như: 3G GPRS Ethernet …
Sử d ng mạng kh ng ây để truyền thông giữa các node mạng trong nhà bằng việc lai hóa hệ thống RF CC1101 và mạng Zigbee
Hoàn thiện web server cho trung tâm quản lý giúp người dùng dễ dàng kiểm tra thông tin, điều khiển và giám sát ngôi nhà thông qua điện thoại di động và máy tính kết nối internet.
Thiết kế phần mềm trên điện thoại Android và iOS
Hướng mở r ng nghiên cứu và phát triển
Sau một thời gian nỗ lực học tập và nghiên cứu hệ thống "Thiết kế hệ thống tự động điều khiển và giám sát trong ngôi nhà thông minh", tôi đã đạt được một số kết quả nhất định, như thực hiện chức năng nhắn tin vị trí khi có cuộc gọi hoặc tin nhắn đến Tuy nhiên, do thời gian có hạn, một số module mở rộng cùng với việc xây dựng cơ sở dữ liệu SQL Server và website vẫn chưa được thực hiện, dẫn đến một số thiếu sót không thể tránh khỏi.
Một trong những ưu tiên hàng đầu của nhóm là không chỉ thiết kế thiết bị đầu cuối mà còn định hướng và mô tả cụ thể các vấn đề liên quan đến We Server, nhằm tạo cơ sở vững chắc cho việc phát triển hoàn chỉnh hệ thống trong tương lai.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy ThS Đặng Thái Sơn cùng các thầy cô trong hội đồng đã tận tâm đánh giá và xem xét, giúp em có cơ hội phát triển và hoàn thiện bản đồ án của mình.
Em xin chân thành cảm ơn.