TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH
Tổng quan về nhà thông minh
1.1 Bối cảnh và nhu cầu sử dụng nhà thông minh
Ngày nay, với sự phát triển của đời sống, nhu cầu về tiện nghi và hỗ trợ ngày càng cao Sự mở rộng của mạng internet đã thúc đẩy việc giám sát và điều khiển hệ thống qua mạng trở nên cần thiết Từ đó, ý tưởng về ngôi nhà thông minh ra đời, nơi mọi hoạt động của con người được hỗ trợ linh hoạt và ngôi nhà có khả năng tự động quản lý một cách thông minh.
Ngôi nhà thông minh được trang bị các cảm biến như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, khí gas và báo cháy, cùng với các thiết bị kết nối internet như bóng đèn, điều hòa, ti vi và tủ lạnh Người dùng chỉ cần một thiết bị kết nối internet để theo dõi dữ liệu từ các cảm biến và điều khiển thiết bị theo ý muốn Hệ thống này giúp giám sát mức tiêu thụ điện, nước và cung cấp thông tin về an ninh, báo cháy, cũng như rò rỉ khí gas qua mạng internet Nhờ đó, ngôi nhà thông minh đơn giản hóa quá trình giám sát và điều khiển, mang lại sự tiện lợi cho người sử dụng.
Hình 1.1 Mô hình tổng quát nhà thông minh.
1.2 Các mô hình nhà thông minh đang được áp dụng hiện nay
1.2.1 Các giải pháp nhà thông minh trên thế giới
Hình 1.2: Mô hình Smart home của công ty Compro Technology.
Hình 1.3: Mô hình Smart home của công ty IEI Integration.
Hình 1.4: Mô hình Smart home Eco-Future-World.
1.2.2 Các giải pháp nhà thông minh ở Việt Nam
Hình 1.5: Mô hình Smart home của BKAV.
Hình 1.6: Mô hình Smart home của Lumi.
Lựa chọn hướng thiết kế
Nhà thông minh là một chủ đề phong phú với nhiều khía cạnh cần xem xét Thiết kế hệ thống nhà thông minh phụ thuộc vào nhu cầu của chủ sở hữu, trong đó hệ thống điều khiển và giám sát đóng vai trò quan trọng.
Trước đây, nhà thông minh chỉ tồn tại trong trí tưởng tượng và phim ảnh, nhưng từ đầu những năm 1900, các thiết bị điều khiển từ xa đã được nghiên cứu và phát minh, mở đường cho sự phát triển của nhà thông minh Nhờ vào sự tiến bộ không ngừng của công nghệ, các giải pháp nhà thông minh ngày càng đa dạng và tiện lợi cho người dùng.
Nhà thông minh ban đầu chỉ bao gồm các thiết bị điều khiển từ xa phục vụ nhu cầu cơ bản của con người Tuy nhiên, với sự phát triển của internet, việc kết nối và điều khiển thiết bị qua mạng đã trở nên phổ biến, bổ sung thêm các tiện ích như hệ thống an toàn và tính toán năng lượng Điều này cho phép người dùng điều khiển thiết bị từ xa, không còn giới hạn trong ngôi nhà Gần đây, xu hướng điều khiển bằng giọng nói đã được tích hợp, giúp việc sử dụng trở nên dễ dàng hơn Trong tương lai, nhờ vào công nghệ mới và trí tuệ nhân tạo, ngôi nhà thông minh sẽ có khả năng phân biệt giọng nói của từng thành viên và ghi nhớ thói quen của họ.
Hình 1.7 Xu hướng phát triển của smarthome.
Hiện nay, giải pháp xây dựng nhà thông minh tại Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ nhờ vào hệ thống điều khiển và giám sát qua internet, phù hợp với công nghệ và điều kiện kinh tế hiện tại Bài viết này sẽ tập trung vào thiết kế một mô hình nhà thông minh có kích thước 1000cm x 800cm, sử dụng mạng wifi để điều khiển và giám sát các thiết bị Các chức năng cơ bản của hệ thống bao gồm: cửa tự động đóng/mở, giám sát và cảnh báo cháy, cảnh báo khí gas rò rỉ, cảnh báo xâm nhập trái phép, cùng với việc tự động bật đèn và quạt.
THIẾT KẾ TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH
Các modul thiết bị được sử dụng trong mô hình và chức năng
1.1 Phòng khách a) Bộ xử lý.
Board mạch Arduino Uno R3 có khả năng nhận và xử lý tín hiệu từ các cảm biến, đồng thời thực thi các lệnh đã được lập trình cho các thiết bị gắn trên board mạch.
The Arduino Mega 2560 board, combined with the Arduino Ethernet Shield W5100, is capable of receiving and processing signals from various devices connected to other Uno boards, enabling data transmission to a web server Additionally, it features an actuator mechanism for enhanced functionality.
- 2 động cơ servo có nhiệm vụ đóng mở cửa chính.
- 1 cảm biến hồng ngoại ở cầu thang, khi phát hiện có người vào nhà thì sẽ tự động bật đèn và quạt.
- 1 động cơ servo có chức năng đóng/mở cửa nhà xe, điều khiển qua giao diện web. c) Cơ cấu bảo mật, giám sát.
- 1 cảm biến chuyển động đặt ngoài cửa giám sát hoạt động bên ngoài.
- Bàn phím và màn hình nhập mật mã, khi người dùng nhập đúng mã thì động cơ servo sẽ xoay và mở cửa.
Cảm biến nhiệt độ LM35 và cảm biến độ ẩm sẽ giám sát nhiệt độ và độ ẩm trong nhà, với các thông số được hiển thị trên màn hình LCD.
- 1 còi báo động sẽ kêu khi nhiệt độ trong phòng đo được từ cảm biến nhiệt độ LM35 vượt quá mức cho phép.
1.2 Phòng ngủ a) Bộ xử lý.
Board mạch Arduino Uno R3 có khả năng nhận và xử lý tín hiệu từ các cảm biến, đồng thời thực thi các lệnh đã được lập trình cho các thiết bị gắn trên board Cơ cấu chấp hành đóng vai trò quan trọng trong việc thực hiện các tác vụ theo yêu cầu của hệ thống.
Hệ thống rèm thông minh sử dụng một động cơ servo kết hợp với bánh răng-dây đai để thực hiện chức năng kéo và mở rèm Đặc biệt, cảm biến ánh sáng được tích hợp để tự động điều khiển động cơ, giúp rèm đóng hoặc mở tùy thuộc vào độ sáng của môi trường Người dùng có thể dễ dàng điều khiển rèm thông qua giao diện web tiện lợi.
- 1 động cơ 1 chiều gắn vào quạt để điều khiển tốc độ quạt quay. c) Cơ cấu bảo mật, giám sát.
Cảm biến nhiệt độ LM35 sẽ giám sát nhiệt độ trong phòng và hiển thị thông số trên màn hình LCD Nếu nhiệt độ vượt quá mức cho phép, động cơ một chiều sẽ được điều khiển để tăng vòng quay, giúp duy trì nhiệt độ ổn định.
1.3 Phòng giải trí/xem phim a) Bộ xử lý.
Bảng mạch Arduino Uno R3 có khả năng nhận và xử lý tín hiệu từ các cảm biến, đồng thời thực thi các lệnh đã được lập trình cho các cảm biến và thiết bị kết nối Ngoài ra, nó còn hỗ trợ các cơ cấu chấp hành, giúp thực hiện các tác vụ theo yêu cầu của dự án.
- Động cơ servo và hệ thống bánh răng-dây đai kéo rèm đóng/mở, điều khiển qua giao diện web.
1.4 Phòng bếp a) Bộ xử lý.
Bảng mạch Arduino Uno R3 có khả năng nhận và xử lý tín hiệu từ các cảm biến, đồng thời thực thi các lệnh đã được lập trình cho các cảm biến và thiết bị kết nối trên mạch Cơ cấu chấp hành cũng đóng vai trò quan trọng trong việc thực hiện các tác vụ mà hệ thống yêu cầu.
- 1 động cơ servo và cảm biến mưa nằm bên ngoài tường phòng bếp, có nhiệm vụ kéo dây phơi vào trong mái hiên khi trời mưa.
- Quạt và đèn. c) Cơ cấu giám sát, cảnh báo.
- Cảm biến chuyển động đặt gần cửa sổ có chức năng gửi tín hiệu về board mạch để bật còi báo động khi phát hiện có xâm nhập.
Cảm biến nhiệt độ LM35 và cảm biến khí gas MQ2 hoạt động kết hợp để đảm bảo an toàn, với còi báo động sẽ kêu khi nhiệt độ vượt quá mức cho phép từ cảm biến LM35 hoặc nồng độ khí gas vượt ngưỡng an toàn từ cảm biến MQ2.
Sơ đồ nguyên lý hoạt động
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống điện tử.
Cảm biến nhiệt độ: tín hiệu đầu ra là tín hiệu tương tự.
Cảm biến độ ẩm: tín hiệu đầu ra là tín hiệu số.
Cảm biến chuyển động: tín hiệu đầu ra là tín hiệu số.
Cảm biến khí gas: tín hiệu đầu ra là tín hiệu số.
Arduino tổng hợp và xử lý tín hiệu từ cảm biến(Khối xử lý).
Cảm biến hồng ngoại: tín hiệu đầu ra là tín hiệu số.
Cảm biến ánh sáng: tín hiệu đầu ra là tín hiệu số.
Cảm biến mưa: tín hiệu đầu ra là tín hiệu số.
- Router wifi kết nối với khối xử lý thông qua cổng RJ45.
Rèm cửa phòng ngủ và phòng xem phim.
Sơ đồ mạch điện hệ thống
Hình 2.2: Sơ đồ mạch điện hệ thống.
Giới thiệu modul Arduino
Arduino là một nền tảng được sử dụng rộng rãi trên toàn cầu, nổi bật với nhiều ứng dụng sáng tạo trong cộng đồng mã nguồn mở Mặc dù vậy, tại Việt Nam, Arduino vẫn chưa được phổ biến rộng rãi.
Hình 2.3 Hình ảnh Arduino Uno R3
Arduino là nền tảng tạo mẫu mở về điện tử, bao gồm cả phần cứng và phần mềm, cho phép người dùng lập trình và điều khiển thiết bị một cách dễ dàng Đây là một bộ điều khiển logic có thể tương tác với môi trường thông qua cảm biến và hành vi được lập trình sẵn Với Arduino, việc lắp ráp và điều khiển các thiết bị điện tử trở nên đơn giản hơn, đặc biệt cho những người đam mê công nghệ nhưng không có nhiều thời gian để tìm hiểu sâu về lập trình và cơ điện tử.
Hiện nay, việc lập trình vi điều khiển bằng C/C++ hoặc Assembly gặp khó khăn với những người không có kiến thức sâu về điện tử Điều này tạo ra rào cản cho những ai muốn tự tạo ra sản phẩm công nghệ Arduino ra đời nhằm đơn giản hóa quá trình thiết kế, lắp ráp linh kiện điện tử và lập trình vi xử lý, giúp mọi người dễ dàng tiếp cận công nghệ mà không cần nhiều kiến thức chuyên sâu Dưới đây là những ưu điểm nổi bật của Arduino so với các nền tảng vi điều khiển khác.
Lập trình Arduino có thể chạy trên nhiều nền tảng khác nhau, bao gồm các hệ điều hành Windows, Mac OS, Linux trên máy tính để bàn và Android trên thiết bị di động.
Ngôn ngữ lập trình đơn giản dễ hiểu
Arduino là một nền tảng mở, cho phép người dùng dễ dàng chia sẻ và tích hợp phần mềm vào nhiều nền tảng khác nhau.
Mở rộng phần cứng: Arduino được thiết kế và sử dụng theo dạng module nên việc mở rộng phần cứng cũng dễ dàng hơn.
Đơn giản và nhanh: Rất dễ dàng lắp ráp, lập trình và sử dụng thiết bị
Dễ dàng chia sẻ: Mọi người dễ dàng chia sẻ mã nguồn với nhau mà không lo lắng về ngôn ngữ hay hệ điều hành mình đang sử dụng.
Arduino được sử dụng rộng rãi làm bộ não cho nhiều thiết bị, từ đơn giản đến phức tạp, nhờ vào khả năng thực hiện các nhiệm vụ phức tạp Một số ứng dụng nổi bật của Arduino bao gồm công nghệ in 3D, robot dò đường theo hướng có nguồn nhiệt, thiết bị nhấp nháy theo âm thanh và đèn laser, cũng như hệ thống thông báo cho khách hàng khi bánh mì vừa ra lò.
Mỗi phòng trong căn nhà chỉ có tối đa 3 cảm biến và 3 cơ cấu chấp hành Trong số đó, cảm biến nhiệt độ LM35 là duy nhất có tín hiệu ra dạng tương tự (analog), trong khi các cảm biến khác chủ yếu phát tín hiệu số (digital) Do đó, chỉ cần sử dụng module cho hệ thống này.
Arduino Uno là có thể xử lý được tất cả tín hiệu.
Hình 2.4 Cấu trúc phần cứng của Arduino Uno
Arduino Uno là bo mạch vi điều khiển sử dụng chip Atmega328, với 14 chân vào ra số, trong đó 6 chân hỗ trợ điều chế độ rộng xung Bo mạch có 6 chân đầu vào tín hiệu tương tự để kết nối với cảm biến bên ngoài, sử dụng dao động thạch anh 16MHz Arduino Uno được trang bị cổng USB để nạp chương trình, chân cấp nguồn, ICSP header và nút reset Nó cung cấp mọi thứ cần thiết cho vi điều khiển, với nguồn cung cấp từ máy tính qua USB, bộ nguồn chuyên dụng chuyển đổi AC sang DC, hoặc pin.
Arduino có thể được cấp điện qua kết nối USB hoặc nguồn bên ngoài, với dải điện áp từ 6V đến 20V Tuy nhiên, nếu nguồn cung cấp dưới 7V, chân 5V có thể không ổn định Ngược lại, nếu sử dụng trên 12V, bộ điều chỉnh điện áp có thể quá nóng, gây nguy hiểm cho bo mạch Do đó, dải điện áp khuyến nghị cho Arduino là từ 7V đến 12V.
Chân Vin trên Arduino cho phép cung cấp điện áp đầu vào từ nguồn bên ngoài, khác với nguồn 5V từ USB hoặc jack cắm nguồn riêng Người dùng có thể sử dụng chân này để cấp nguồn cho thiết bị Arduino một cách thuận tiện.
Chân 5V trên bo mạch cung cấp nguồn cho vi điều khiển và các linh kiện khác, đồng thời cũng cấp nguồn cho các thiết bị ngoại vi khi được kết nối.
Chân 3,3V: Cung cấp nguồn cho các thiết bị cảm biến
Chân GND: Chân nối đất.
Chân Aref: Tham chiếu điện áp đầu vào analog.
Chân IOREF cung cấp điện áp cho các vi điều khiển, cho phép chúng hoạt động hiệu quả Một shield được cấu hình chính xác có khả năng đọc điện áp từ chân IOREF, từ đó lựa chọn nguồn cung cấp phù hợp hoặc kích hoạt bộ chuyển đổi điện áp để hoạt động ở mức 5V hoặc 3,3V.
Chip Atmega328 có 32KB (với 0,5KB sử dụng cho bootloader) Nó còn có 2KB SRAM và 1KB EEPROM.
Arduino Uno có 14 chân digital (chân 0 – 13) và 6 chân analog (chân A0 – A5).
Các chân digital có thể được cấu hình để nhận dữ liệu từ các thiết bị ngoại vi hoặc truyền tín hiệu ra các thiết bị này Việc sử dụng các hàm pinMode(), digitalWrite() và digitalRead() cho phép điều khiển chức năng của từng chân Mỗi chân digital có khả năng cung cấp hoặc nhận dòng điện tối đa 40mA và đi kèm với một điện trở kéo nội (mặc định không nối) là 20kΩ.
50 kOhms Ngoài ra có một số chân có chức năng đặc biệt:
Chân 0 (Rx): Chân được dùng để nhận dữ liệu nối tiếp
Chân 1 (Tx): Chân được dùng để truyền dữ liệu nối tiếp.
Chân 2 và 3: Chân ngắt ngoài.
Chân 3, 5, 6, 9, 10 và 11 được sử dụng để vào/ra số hoặc điều chế độ rộng xung Chân 13 được kết nối với một LED đơn, sẽ sáng hoặc tắt tương ứng với mức logic của chân này.
Chân 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK): Chuẩn giao tiếp SPI.
Các chân analog có độ phân giải 10 bit, tương ứng với 1024 mức giá trị khác nhau trong khoảng từ 0 đến 5V Bên cạnh đó, một số chân còn được trang bị các chức năng đặc biệt.
Chân A4 (SDA) và A5 (SCL): Hỗ trợ truyền thông TWI.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT, CẢNH BÁO
Sơ đồ mạch điều khiển các thiết bị cảm biến .33 2.Tổng quan về các cảm biến được sử dụng trong hệ thống giám sát, cảnh báo 33
2 Tổng quan về các cảm biến được sử dụng trong hệ thống giám sát, cảnh báo
2.1 Cảm biến nhiệt độ LM35
Hình 3.1: Sơ đồ chân cảm biến LM35.
LM35 là một cảm biến nhiệt độ analog.
Nhiệt độ được xác định bằng cách đo hiệu điện thế ngõ ra của LM35.
Cấu tạo gồm có 3 chân:
Cảm biến LM35 là một thiết bị cảm biến nhiệt độ tích hợp, nổi bật với độ chính xác cao và điện áp đầu ra tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius Những đặc điểm chính của cảm biến LM35 bao gồm khả năng đo nhiệt độ chính xác và dễ dàng sử dụng trong các ứng dụng khác nhau.
+ Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V.
+ Độ phân giải điện áp đầu ra là 10mV/oC.
+ Độ chính xác cao ở 25 C là 0.5 C.
+ Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải.
+ Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ -55 C - 150 C với các mức điện áp ra khác nhau.
+ Nhiệt độ -55 C điện áp đầu ra -550mV.
+ Nhiệt độ 25 C điện áp đầu ra 250mV.
+ Nhiệt độ 150 C điện áp đầu ra 1500mV.
+ Tùy theo cách mắc của LM35 để ta đo các giải nhiệt độ phù hợp Đối với hệ thống này thì đo từ 0 đến 150.
- Nguyên tắc hoạt động của cảm biến nhiệt độ LM35
Cảm biến LM35 cung cấp giá trị hiệu điện thế tại chân Vout (chân giữa) tương ứng với từng mức nhiệt độ, cho phép đo nhiệt độ chính xác trong môi trường hoặc thiết bị mong muốn.
Để đo nhiệt độ từ cảm biến LM35, kết nối chân bên trái với nguồn 5V và chân bên phải với đất Sau đó, sử dụng chân giữa để đo hiệu điện thế qua pin A0 trên Arduino, tương tự như cách đọc giá trị từ biến trở Bạn sẽ nhận được nhiệt độ trong khoảng 0-100ºC thông qua công thức tính toán.
- Ứng dụng cảm biến nhiệt trong hệ thống
Cảm biến nhiệt độ sẽ theo dõi và tự động điều chỉnh hệ thống điều hòa khi nhiệt độ vượt quá mức đã cài đặt Ngoài ra, nó cũng sẽ kích hoạt còi báo động khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng cho phép Dữ liệu nhiệt độ sẽ được gửi liên tục đến trang webserver để người dùng dễ dàng theo dõi.
2.2 Cảm biến khí gas MQ2
Giới thiệu module cảm biến khí gas MQ2
Hình 3.2: Module cảm biến khí gas MQ2.
Module cảm biến phát hiện khí gas.
- Kết nối 4 chân với 2 chân cấp nguồn (VCC và GND) và 2 chân tín hiệu ngõ ra.
- Hổ trợ cả 2 dạng tín hiệu ra Analog và TTL Ngõ ra Analog 0 – 4.5V tỷ lệ thuận với nồng độ khí gas, ngõ TTL tích cực mức thấp.
MQ2 là cảm biến khí chuyên dụng để phát hiện các khí dễ cháy, được cấu tạo từ chất bán dẫn SnO2 Chất này có độ nhạy thấp với không khí sạch, nhưng khi tiếp xúc với môi trường có chất gây cháy, độ dẫn của nó sẽ thay đổi nhanh chóng Nhờ vào đặc điểm này, người ta thiết kế mạch đơn giản để chuyển đổi độ nhạy của cảm biến thành tín hiệu điện áp.
Cảm biến MQ2 có khả năng hoạt động hiệu quả trong môi trường khí hóa lỏng như LPG, H2 và các khí gây cháy khác, với điện áp đầu ra tăng khi nồng độ khí gây cháy xung quanh cảm biến cao Nhờ vào mạch đơn giản và chi phí thấp, cảm biến MQ2 được ứng dụng rộng rãi trong cả lĩnh vực công nghiệp và dân dụng.
Cảm biến MQ2 hoạt động hiệu quả trong môi trường khí hóa lỏng như LPG, H2 và các khí dễ cháy khác Với mạch thiết kế đơn giản và chi phí thấp, nó được sử dụng phổ biến trong cả ngành công nghiệp và dân dụng.
Hình 3.3: Cấu tạo module cảm biến khí gas MQ2.
Cảm biến MQ2 là thiết bị chuyên dụng để phát hiện các khí gây cháy, được chế tạo từ chất bán dẫn SnO2 Chất này có độ nhạy thấp trong không khí sạch, nhưng khi tiếp xúc với các chất gây cháy, độ dẫn của nó sẽ thay đổi ngay lập tức Đặc điểm này cho phép tích hợp vào mạch đơn giản để chuyển đổi độ nhạy thành tín hiệu điện áp Khi môi trường sạch, điện áp đầu ra của cảm biến sẽ thấp, và giá trị điện áp này sẽ tăng lên tương ứng với nồng độ khí gây cháy xung quanh MQ2.
Khi phát hiện rò rỉ khí gas, module sẽ phát tín hiệu ở hai dạng: DOUT (số) và AOUT (tương tự) Người dùng có thể lựa chọn loại tín hiệu phù hợp với mục đích sử dụng của mình.
Trong mạch có 2 chân đầu ra là Aout và Dout Trong đó:
- Aout: điện áp ra tương tự Nó chạy từ 0.3 đến 4.5V, phụ thuộc vào nồng độ khí xung quang MQ2.
- Dout: điện áp ra số, giá trị 0 hay 1 phụ thuộc vào điện áp tham chiếu và nồng độ khí mà MQ2 đo được.
Chân ra số Dout rất hữu ích cho việc kết nối các ứng dụng đơn giản mà không cần vi điều khiển Chỉ cần điều chỉnh giá trị biến trở đến nồng độ mong muốn để cảnh báo Nếu nồng độ khí MQ2 đo được thấp hơn mức cho phép, Dout sẽ ở trạng thái 1 và còi sẽ không phát âm thanh Ngược lại, khi nồng độ khí gây cháy vượt quá mức cho phép, Dout sẽ chuyển về 0 và còi sẽ kêu.
Ta có thể ghép nối vào mạch Realy để điều khiển bật tắt đèn, còi, hoặc thiết bị cảnh báo khác.
Một thách thức khi sử dụng cảm biến MQ2 là việc quy đổi điện áp Aout thành giá trị nồng độ ppm để hiển thị và cảnh báo Điều này trở nên phức tạp do các giá trị điện áp trả về khác nhau cho từng loại khí và còn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ ẩm.
Trong thiết bị của mình, có thể xác định điểm cảnh báo một cách thủ công:
- Đầu tiên đo trạng thái không khí sạch, giá trị thu được Vout1.
Khi khí ga từ bật lửa rò rỉ, giá trị Aout sẽ tăng lên Khi khoảng cách khí ga đạt mức hợp lý và tương ứng với nồng độ khí nguy hiểm, giá trị Vout2 được ghi lại Giá trị Vout2 sẽ được chọn làm ngưỡng cảnh báo; nếu giá trị đo được vượt quá ngưỡng này, hệ thống sẽ phát đi cảnh báo.
- Chỉnh chân biến trở để điện áp đo tại chân 3 của L358 = Vout2 Ứng dụng của module
Cảm biến khí gas có ứng dụng rất lớn trong đời sống:
- Phát hiện rò rỉ khí gas trong nước.
- Trong công nghiệp dùng đề phát hiện chất dễ cháy.
- Máy phát hiện khí dễ cháy.
2.3 Cảm biến chuyển động HC-SR510
Hình 3.4: Module cảm biến chuyển động HC-SR510.
Hình 3.5: Sơ đồ chân cảm biến chuyển động HC-SR510 Thông số kĩ thuật:
- Thứ tự chân: Vcc, OUT, GND.
+ (L) không lặp lại kích hoạt
- Thời gian trễ: điều chỉnh trong khoảng 0.5-200S.
- Kích thước PCB:32mmx24mm
- Sử dụng cảm biến: 500BP
- Nguyên tắc hoạt động của module
Cảm biến hồng ngoại PIR hoạt động bằng cách thu nhận tia hồng ngoại phát ra từ các vật thể, đặc biệt là cơ thể con người hoặc bất kỳ nguồn nhiệt nào.
Hình 3.6.Nguyên tắc hoạt động của cảm biến chuyển động.
Cảm biến PIR được trang bị sensor với hai đơn vị, có lăng kính fresnel bằng nhựa ở phía trước Lăng kính này giúp phân chia không gian thành nhiều vùng, cho phép tia hồng ngoại đi vào sensor Nếu không có lăng kính, toàn bộ bức xạ môi trường sẽ chỉ tạo thành một vùng duy nhất, khiến cảm biến không thể phân biệt chuyển động và nhạy cảm với mọi thay đổi nhiệt độ xung quanh.
Hai đơn vị của mắt sensor hoạt động như hai điện cực, một dương (+) và một âm (-) Khi được kích hoạt tuần tự, chúng tạo ra một xung điện kích hoạt sensor Nguyên lý này cho phép sensor phát hiện sự hiện diện của người đi qua khu vực kiểm soát, khi thân nhiệt của họ (bức xạ hồng ngoại) lần lượt kích hoạt từng đơn vị cảm biến, dẫn đến việc báo động.
Nguyên lý hoạt động các hệ thống giám sát
Hình 3.7 Lưu đồ thuật toán các hệ thống giám sát.
3.2 Hệ thống báo cháy hoạt động dựa trên cảm biến nhiệt độ LM35
3 Nguyên lí hoạt động: Khi nhiệt độ tại một vị trí nào đó trong nhà tăng cao đột ngột(lớn hơn 60 o C) hệ thống này sẽ tự động bật loa cảnh báo, khi nhiệt độ trở về mức dưới 60 o C thì hệ thống chuông báo sẽ ngừng hoạt động Giá trị nhiệt độ này được lấy từ tín hiệu đầu ra của cảm biến nhiệt độ LM35.
P O W E R A T M E G A 3 2 8 P A T M E L www.arduino.cc blogembarcado.blogspot.com
Hình 3.8: Sơ đồ hệ thống báo cháy.
Tín hiệu nhiệt độ từ ba cảm biến sẽ được gửi đến và xử lý trên board Arduino Uno, sau đó tín hiệu này sẽ được so sánh với ngưỡng giá trị để xác định tình trạng báo cháy.
#include // thư viện của cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11
#define DHT_PIN A0 thernet DHT_TYPE = DHT11; // khai báo loại cảm biến nhiệt độ, độ ẩm int nhiet_do, do_am, i = 0, j;
DHT dht(DHT_PIN, DHT_TYPE); //khai báo chân, loại cảm biến đã định nghĩa void setup() {
Serial.begin(9600); lcd.init(); // khởi động LCD lcd.backlight(); // bật đèn LCD
/*cứ sau khoảng thời gian là 1000 lần tăng của i thì gửi tín hiệu lên LCD*/
The code snippet demonstrates how to read temperature and humidity values using a DHT sensor and display them on an LCD It begins by retrieving the temperature with `dht.readTemperature()` and humidity with `dht.readHumidity()` The LCD is then cleared, and the temperature and humidity readings are printed in a formatted manner, showing temperature in degrees Celsius and humidity as a percentage.
“Bật còi báo động khi nhiệt độ vượt mức định sẵn”
#define buzz 6 int nhiet_do, i; void setup() { pinMode(CBND, INPUT); pinMode(buzz, OUTPUT); digitalWrite(buzz, LOW);
} void loop() { nhiet_do = 5.0 * 100.0 * analogRead(CBND) / 1024.0; if (digitalRead(CBGAS) == 0 || nhiet_do > 60)
{ if (state_fan == 0) { // neu quat dang tat thi bat, con dang bat thi thoi digitalWrite(fan, 0); delay(100); data_send = 3;
} digitalWrite(buzz, HIGH); // bat chuong canh bao
{ digitalWrite(buzz, LOW); // neu ko con nguy hiem thi tat chuong canh bao
3.3 Hệ thống báo rò rỉ khí gas
Hình 3.9: Sơ đồ nối cảm biến khí gas MQ2 a) Nguyên lí hoạt động:
Tín hiệu đầu ra DOUT của cảm biến MQ2 được kết nối với chân số 2 của mạch Arduino Uno Khi nồng độ khí gas vượt ngưỡng cho phép, chân DOUT sẽ xuất ra giá trị 0, đồng thời Arduino sẽ phát tín hiệu logic 1 (5V) tại chân số 3, kích hoạt loa để phát ra âm thanh cảnh báo.
#define buzz 6 int gas, i; void setup() { pinMode(CBGAS, INPUT); pinMode(buzz, OUTPUT); digitalWrite(buzz, LOW);
} void loop() { if (digitalRead(CBGAS) == 0) // cam bien gas bao co gas ở mức cao
3.4 Hệ thống cảnh báo xâm nhập
Khi có người đi qua, tia nhiệt từ cơ thể được cảm biến hồng ngoại thu nhận, tạo ra hai tín hiệu đầu ra Những tín hiệu này sau đó được khuếch đại để đạt biên độ cao, sau đó được đưa vào mạch xử lý nhằm kích hoạt thiết bị điều khiển hoặc hệ thống báo động.
Hình 3.1: Sơ đồ nối cảm biến chuyển động HC-SR510 b) Code hoạt động
#define CBCD2 5 int state_baodong = 0;
LiquidCrystal_I2C lcd(0x3f, 16, 2); void setup() { lcd.init(); lcd.backlight(); pinMode(CBCD1, INPUT); pinMode(CBCD2, INPUT); pinMode(buzz, OUTPUT); pinMode(button_baodong, INPUT_PULLUP);
} void loop() { if (digitalRead(button_baodong) == 0) INT_BAO_DONG(); if (state_baodong == 1) {
} void INT_BAO_DONG() { while (digitalRead(button_baodong) == 0); state_baodong = !state_baodong; lcd.clear(); if (state_baodong == 0) { lcd.print(“OFF”); digitalWrite(buzz, 0); delay(50);
} else { lcd.print(“ON”); delay(50);
} void CHECK_BAO_DONG() { if ((digitalRead(CBCD1) == 1) || (digitalRead(CBCD2) == 1)) { digitalWrite(buzz, 1); // phat bao dong delay(50);
HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH QUA MẠNG INTERNET
Mạng internet(Ethernet)
Internet là một hệ thống thông tin toàn cầu, cho phép truy cập công cộng và bao gồm nhiều mạng máy tính liên kết với nhau Hệ thống này sử dụng phương thức truyền thông tin qua nối chuyển gói dữ liệu (packet switching) dựa trên giao thức IP đã được chuẩn hóa Nó bao gồm hàng ngàn mạng máy tính nhỏ hơn từ doanh nghiệp, viện nghiên cứu, trường đại học, người dùng cá nhân và các chính phủ trên toàn thế giới.
Internet là mạng cục bộ (LAN) phổ biến nhất hiện nay, hoạt động chủ yếu trên lớp vật lý và một phần lớp liên kết dữ liệu Nó cho phép sử dụng nhiều giao thức khác nhau, với TCP/IP là giao thức thông dụng nhất Các nhà cung cấp có thể phát triển giao thức riêng hoặc tuân theo chuẩn quốc tế cho giải pháp của họ High Speed Ethernet (HSE) của Fieldbus Foundation là một trong tám hệ bus trường được chuẩn hóa quốc tế theo IEC 61158.
Hình 4.1: Mạng internet kết nối toàn cầu
Mạng Internet cung cấp nhiều tiện ích hữu dụng cho người dùng, bao gồm hệ thống thư điện tử (email), trò chuyện trực tuyến (chat), máy tìm kiếm (search engine), dịch vụ thương mại và chuyển ngân, cùng với các dịch vụ y tế và giáo dục như chữa bệnh từ xa và lớp học ảo Những tiện ích này mang lại một lượng thông tin và dịch vụ phong phú trên Internet.
Internet là một mạng lưới các máy tính kết nối qua dây đồng và cáp quang, trong khi WWW (World Wide Web) là tập hợp các tài liệu liên kết thông qua siêu liên kết và địa chỉ URL Dịch vụ và thông tin phong phú trên Web được truy cập nhờ vào Internet, nhưng hai khái niệm này không đồng nghĩa với nhau.
Các cách thức thông thường để truy cập Internet là quay số, băng rộng, không dây, vệ tinh và qua điện thoại cầm tay.
Một số trình duyệt web phổ biến hiện nay:
- Internet Explorer có sẵn trong Microsoft Windows, của Microsoft.
- Mozilla và Mozilla Firefox của Tập đoàn Mozilla.
- Safari trong Mac OS X, của Apple Computer.
- Avant Browser của Avant Force (Ý).
Kể từ khi ra đời, internet đã khẳng định vai trò thiết yếu trong công nghệ và đời sống hàng ngày của con người toàn cầu Nó không chỉ kết nối mọi người mà còn mang lại giá trị công nghệ, giúp khoa học ứng dụng vào thực tiễn và nâng cao công nghệ lên những tầm cao mới.
Địa chỉ IP
Địa chỉ IP là một mã số xác định máy tính trong mạng, giúp các thiết bị giao tiếp và chuyển thông tin chính xác, tránh thất lạc dữ liệu Nó giống như địa chỉ nhà của bạn, cho phép nhân viên bưu điện gửi thư đúng người nhận.
Mỗi địa chỉ IP gồm có 2 thành phần:
NET ID là một yếu tố quan trọng dùng để nhận dạng các hệ thống trong cùng một môi trường vật lý, được gọi là Phân Đoạn (Segment) Tất cả các hệ thống trong một phân đoạn phải sở hữu cùng một Địa Chỉ Mảng, và địa chỉ này cần phải là duy nhất trong số các mạng hiện có.
HOST ID là phần nhận dạng duy nhất cho một trạm làm việc, máy chủ, Router hoặc trạm TCP/IP trong cùng một Phân Đoạn mạng Địa chỉ của mỗi trạm cần phải độc nhất trong toàn bộ mạng để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển qua internet
Hình 4.2: Sơ đồ khối hệ thống giám sát và điều khiển.
- Thành phần hệ thống giám sát và điều khiển:
Giám sát an ninh, giám sát nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm, báo cháy, giám sát rò rỉ khí gas.
Điều khiển và hiển thị trạng thái của cửa ra vào, nhiệt độ, độ ẩm trong nhà, cũng như mức độ khí gas và các thiết bị chấp hành khác là những chức năng quan trọng trong hệ thống quản lý thông minh.
- Yêu cầu hệ thống giám sát:
Hiển trị trạng thái đảm bảo an ninh tắt/bật, hiển thị giá trị nhiệt độ, độ ẩm trong nhà.
Điều khiển các thiết bị trong nhà thông qua mạng internet.
Hệ thống giám sát và điều khiển gồm 3 thành phần chính:
- Khối cảm biến: thu thập dữ liệu từ các cảm biến sau đó gửi về khối vi xử lí.
Khối vi xử lý đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý dữ liệu trước khi gửi lên web server hoặc nhận tín hiệu điều khiển từ web server để quản lý các thiết bị chiếu sáng và điều hòa.
Web server đóng vai trò quan trọng trong việc nhận thông tin từ vi xử lý và hiển thị chúng trên giao diện web Đồng thời, nó cũng gửi lệnh điều khiển từ người dùng trở lại vi xử lý để thực hiện các tác vụ cần thiết.
Khối chấp hành bao gồm hệ thống đèn, điều hòa và các thiết bị ngoại vi cảnh báo Khối này nhận lệnh trực tiếp từ khối vi xử lý, từ đó thực hiện các hành động phù hợp.
Trong đề tài này, hệ thống cảm biến thu thập dữ liệu từ môi trường và xử lý thông tin để gửi lệnh đến cơ cấu chấp hành cũng như lên server Trang web điều khiển được phát triển bằng HTML trong môi trường Arduino, với giao diện sử dụng CSS Phần đăng nhập được lập trình bằng ngôn ngữ PHP.
Arduino đã phát triền một bộ thư viện Ethernet giúp cho người dùng có thể trực tiếp viết code HTML ngay trong trình soạn thảo của arduino.
Thư viện Ethernet cho Arduino
Một số hàm hỗ trợ viết HTML trong môi trường Arduino:
- byte mac[] : khai báo địa chỉ mac cho web server.
- IPAddress : Khai báo địa chỉ ip cho module thernet.
- Ethernet.begin : khởi động địa chỉ IP và mac cho web.
- client.connected(): kiểm tra kết nối.
- client.println(): nhập nội dung HTML.
- readString.indexOf(): đọc và kiểm tra nội dung.
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
Mô hình thực tế
Mô hình ngôi nhà thực tế có kích thước 1000x800 mm, được chia thành 6 phần bao gồm phòng khách, phòng ngủ, phòng xem phim, khu bếp, khu vệ sinh và khu vườn trống phía trước Hệ thống điều khiển của mô hình sử dụng 3 board Arduino Uno R3, 1 board Arduino Mega 2560 và 1 board Arduino Ethernet W5100.
Sử dụng động cơ servo trong quá trình điều khiển đóng mở cửa mang lại hiệu quả cao, với khả năng quay tối đa 180 độ Động cơ này cho phép điều chỉnh góc quay một cách linh hoạt, với độ rộng thời gian xung đạt giá trị 1, giúp tối ưu hóa hoạt động của hệ thống.
Hình 5.1: Mô hình nhà thông minh dạng 3D
Hình 5.2: Mô hình nhà thông minh thực tế
Giao diện giám sát và điều khiển
Giao diện được viết bằng ngôn ngữ HTML trong Arduino, giao diện đơn giản dễ sử dụng:
Giao diện điều khiển có cấu trúc:
- Điều khiển và báo trạng thái đóng mở của cửa ra vào.
- Giám sát và điều khiển phòng khách và 2 phòng ngủ.
- Giám sát rò rỉ khí gas, gám sát xâm nhập khu nhà.
- Dữ liệu sẽ được gửi lên trang web và cứ sau 3s thì trang web lại refresh 1 lần đề cập nhật dữ liệu.
Kết quả điều khiển một số thiết bị
3.1 Báo có xâm nhập trái phép
Hình 5.4 Báo xâm nhập trái phép trên giao diện web.
3.2 Giám sát nhiệt độ phòng khách và phòng ngủ
Trên giao diện web giám sát và điều khiển, nhiệt độ các phòng được cập nhật liên tục, với giá trị nhiệt độ hiện tại trong phòng đạt khoảng 37 độ C.
Hình 5.5: Hiển thị nhiệt độ phòng khách và phòng ngủ trên giao diện web.
Kết quả trên mô hình thực tế:
Hình 5.6.Nhiệt độ đo được trong phòng khách
Kết quả đạt được
Qua quá trình chạy thực nghiệm có được một số kết quả:
Sử dụng máy tính hoặc smartphone kết nối internet, người dùng có thể truy cập vào trang web giám sát và điều khiển, từ đó thực hiện các thao tác điều khiển thiết bị một cách dễ dàng.
Hệ thống hoạt động khá ổn định, nhưng thời gian phản hồi của trang web vẫn chưa đồng nhất Điều này có thể xuất phát từ khả năng xử lý của vi điều khiển, sự không ổn định của mạng internet, hoặc độ chính xác còn hạn chế của các cảm biến.
