DẪN NHẬP
Lý do chọn đề tài
Ngày nay, sự phát triển vượt bậc của Khoa học kỹ thuật đã làm cho vi điều khiển Atmega và PIC trở nên phổ biến hơn Tuy nhiên, sự ra đời của Arduino vào năm 2005 tại Italia đã tạo ra một bước ngoặt mới cho lĩnh vực vi điều khiển.
Sự xuất hiện của Arduino đã hỗ trợ đáng kể cho việc lập trình và thiết kế, đặc biệt cho những người mới bắt đầu với vi điều khiển mà không có nhiều kiến thức về lập trình và điện tử Thiết bị này tích hợp nhiều chức năng cơ bản, sử dụng mã nguồn mở với ngôn ngữ C và thư viện phong phú, giúp Arduino ngày càng phổ biến trên toàn thế giới Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của hệ thống thông minh, ngành tự động hóa đã tạo ra bước ngoặt quan trọng trong lĩnh vực ngôi nhà thông minh, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người Tại Việt Nam, nhiều công ty chuyên lắp đặt hệ thống thông minh đã xuất hiện, trong đó nổi bật là công ty BKAV của CEO Nguyễn Tử Quảng, với dự án ngôi nhà thông minh điều khiển bằng điện thoại trên nền tảng Android, bắt đầu từ năm 2011 và hiện đang thi công nhiều dự án trên toàn quốc.
Ngôi nhà thông minh ra đời nhằm giải quyết những công việc lặp đi lặp lại hàng ngày mà con người phải thực hiện, như bật tắt đèn, điều chỉnh máy nước nóng, và hệ thống báo động Ngoài ra, nó còn giúp quản lý các nhiệm vụ quan trọng khác như thanh toán hóa đơn, bảo trì xe, và chăm sóc gia đình Việc áp dụng công nghệ thông minh sẽ mang lại sự tiện lợi và giảm bớt gánh nặng cho cuộc sống hàng ngày.
Xuất phát từ những thực tiễn nói trên, em quyết định thực hiện đề tài tốt nghiệp: “Thiết kế và thi công mô hình ngôi nhà thông minh”.
Hướng giải quyết vấn đề
Có nhiều hướng thiết kế bộ xử lý trung tâm để điều khiển ngôi nhà gồm có:
Dùng vi điều khiển PIC
Dùng vi điều khiển Arduino
Việc sử dụng các IC rời để xử lý có thể dẫn đến việc tạo ra nhiều board mạch kết hợp, gây cồng kềnh và phức tạp trong kết nối Điều này sẽ làm cho việc mở rộng và sửa chữa sau này trở nên khó khăn hơn.
Khi sử dụng PIC để giao tiếp với thiết bị qua Bluetooth hoặc Wi-Fi, cần phải lắp thêm một board chuyển đổi cho từng loại, và PIC cũng gặp hạn chế trong việc đọc các tín hiệu tương tự Ngược lại, PLC có giá thành cao và thường chỉ phù hợp cho các ứng dụng trong ngành công nghiệp.
Nhóm quyết định sử dụng Arduino cho đề tài vì nó đáp ứng các tiêu chí nghiên cứu của nhóm, bao gồm khả năng kết nối với các module Internet, Bluetooth và WLAN Arduino có chi phí hợp lý hơn so với PLC và không cần thiết kế mạch chuyển đổi RS232 như vi xử lý PIC, giúp đơn giản hóa quá trình giao tiếp với máy tính Thêm vào đó, với kích thước mô hình nhỏ, việc sử dụng Arduino là lựa chọn hợp lý nhất.
Giới hạn của đề tài
Nhóm chỉ thi công ngôi nhà thông minh trên mô hình trong phạm vi cho phép, do thời gian thực hiện đề tài có hạn và lượng kiến thức được truyền đạt trong khóa học cũng như khả năng của nhóm Vì vậy, nhóm chỉ tập trung giải quyết những vấn đề cụ thể liên quan đến đề tài.
Thiết kế hệ thống báo cháy qua SMS
Thiết kế hệ thống xứ lý khi có mưa
Thiết kế hệ thống cửa cuốn tự động
Điều khiển thiết bị qua điện thoại Smartphone và qua trang web.
Nội dung đề tài
Trong chương này trình bày về kế hoạch và ý tưởng thực hiện
Chương 2: Giới thiệu về ngôi nhà thông minh
Trong chương này, ta tìm hiểu về cách hoạt động của nhà thông minh
Chương 3: Cơ sở lý thuyết
Trong chương này trình bày về nguyên lý hoạt động các mạch sử dụng
Chương 4: Thiết kế phần cứng mô hình
Trong chương này trình bày các thiết kế chi tiết, nguyên lý hoạt động của mạch điện, cũng như kết quả thu được
Chương 5: Thiết kế phần mềm mô hình
Trong chương này trình bày về lưu đồ thuật toán và phần mềm lập trình
Chương 6: Kết quả mô hình thực tế
Chương này sẽ trình bày những hình ảnh thực tế từ thi công mô hình
Chương 7: Kết luận và hướng phát triển
Chương này nêu những ưu và khuyết của đề tài, khẳng định những đóng góp của đề tài vào thực tiễn.
Ý nghĩa thực tiễn
Thiết kế mạch điều khiển thiết bị và báo động từ xa qua điện thoại di động mang lại cái nhìn trực quan cho người nghiên cứu, nâng cao hiệu quả nghiên cứu Mạch này được xây dựng từ vi điều khiển và một số IC khác, giúp giảm chi phí và tiết kiệm tài chính Hệ thống có thể áp dụng tại nhà riêng, cơ quan, xí nghiệp, trường học, và đặc biệt là tại những nơi nguy hiểm, cho phép người dùng điều khiển thiết bị theo ý muốn Ngoài ra, mạch còn tích hợp chức năng báo động từ xa qua điện thoại, giúp người điều khiển kiểm soát thiết bị và phòng ngừa cháy nổ, trộm cắp.
Đối tượng nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu một phương thức điều khiển tự động tích hợp nhiều lĩnh vực như tổng đài điện thoại và vi mạch điện tử Để phát triển sản phẩm hoàn chỉnh, người thực hiện cần tập trung vào vi mạch điện tử, đóng vai trò trung tâm trong việc liên kết và xử lý tín hiệu Hệ thống sử dụng board mạch Arduino, được thiết kế từ các linh kiện điện tử có sẵn như điện trở, tụ điện và các IC số, với vi điều khiển làm trung tâm Khi nhận tín hiệu từ cảm biến, board sẽ thực hiện nhiệm vụ đã được lập trình, như hệ thống báo cháy qua SMS, phát câu thông báo cháy đã được ghi sẵn.
Dàn ý, phương tiện và phương án thực hiện
Từ những lập luận trên, nhóm thực hiện tiến hành xây dựng đồ án với những nội dung dàn ý như sau:
Phần viết báo cáo gồm các nội dung chính:
Mô hình, sơ đồ khối và phương án thiết kế
Tóm tắt – Kết luận – Đề nghị và hướng phát triển đề tài
Phần thi công mô hình và mạch điện gồm:
1.7.2 Phương tiện và phương án thực hiện
Nhóm thực hiện xây dựng kế hoạch công việc dựa trên các phương tiện vật chất hiện có, bao gồm máy vi tính và dụng cụ làm mạch điện, nhằm tối ưu hóa quy trình thực hiện.
Tìm hiểu về hệ thống báo trộm, báo cháy, và các thiết bị đóng mở cửa bằng mật mã là bước đầu quan trọng trong việc phát triển ngôi nhà thông minh Bằng cách đo và hiển thị thông tin ngôi nhà cục bộ, chúng ta có thể xây dựng mô hình thiết bị điều khiển và giám sát qua mạng điện thoại Từ đó, lựa chọn kiểu mẫu phù hợp nhất với khả năng thực hiện và trình bày cho giáo viên hướng dẫn để được duyệt.
Sau khi đưa ra được mô hình dự kiến, được giáo viên hướng dẫn đồng ý, nhóm tiến hành thực hiện từng phần của mô hình đó là :
1 Thiết kế, thi công mạch điện
2 Viết chương trình và cho chạy thử nghiệm
Thử nghiệm lại chương trình và viết báo cáo
Kiểm tra lại toàn bộ những gì đã làm được và báo cáo với thầy hướng dẫn về những kết quả của đề tài.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Tình hình nghiên cứu trong nước:
Hình 1.1: Nhà thông minh Bkav SmartHome
Bkav SmartHome là một hệ thống nhà thông minh toàn diện, cho phép kết nối và điều khiển các thiết bị trong nhà như đèn chiếu sáng, rèm cửa, điều hòa, ti vi, dàn âm thanh, cảm biến môi trường, chuông cửa hình, camera an ninh, hàng rào điện tử và cảnh báo rò rỉ khí gas thông qua các kịch bản thông minh.
Người dùng nhà thông minh thường có nhu cầu thay đổi kịch bản sử dụng theo thời gian và hoàn cảnh Hệ thống Bkav SmartHome sẽ tự động học hỏi và cập nhật các kịch bản phù hợp với những thay đổi này Người dùng có thể điều khiển ngôi nhà của mình dễ dàng thông qua smartphone, máy tính bảng với giao diện 3D trực quan hoặc bằng giọng nói nhờ công nghệ trợ lý ảo.
(Theo báo điện tử của trang web www.bkav.com.vn)
Vào đầu năm 2014, Google đã mua lại Nest, một công ty chuyên sản xuất bộ điều khiển nhiệt độ thông minh và thiết bị báo khói Cùng thời điểm, Samsung giới thiệu hệ thống nhà thông minh tích hợp trong các sản phẩm của mình, cho phép điều khiển theo các kịch bản đơn giản Gần đây, Apple cũng ra mắt nền tảng ứng dụng HomeKit, tuy nhiên, hiện tại vẫn chưa có phần cứng đi kèm.
(Theo báo điện tử Tinh Tế tại trang web: www.tinhte.vn)
Thực hành lại các kiến thức đã học về các cảm biến để có thêm kinh nghiệm trước khi đi làm
Tự thiết kế một ngôi nhà thông minh cho riêng mình
Điều khiển thiết bị qua smartphone.
TỔNG QUÁT VỀ NGÔI NHÀ THÔNG MINH
Khái niệm về hệ thống ngôi nhà thông minh
Vào năm 2003, Bộ Thương mại và Công nghiệp Vương quốc Anh đã định nghĩa ngôi nhà thông minh là một ngôi nhà được trang bị các mạng lưới thông tin liên lạc, cho phép người cư trú điều khiển, theo dõi và truy cập các thiết bị và dịch vụ từ xa.
Ngôi nhà thông minh là một không gian sống được trang bị các công nghệ tiên tiến, giúp nâng cao chất lượng cuộc sống cho cư dân Khác với ngôi nhà truyền thống, ngôi nhà thông minh tích hợp nhiều hệ thống như điều khiển nhiệt độ, ánh sáng, và an ninh, tạo thành một mạng lưới thống nhất Những hệ thống này tự động hoạt động theo nhu cầu của người sử dụng, đảm bảo môi trường sống an toàn và thoải mái.
EUROCERT thực hiện kiểm tra và đánh giá các sản phẩm nhà thông minh để cấp chứng nhận theo tiêu chuẩn CE Marking CE Marking là tiêu chuẩn an toàn và tính thân thiện với người tiêu dùng của Châu Âu Một số tiêu chuẩn CE Marking áp dụng cho các sản phẩm nhà thông minh bao gồm các yêu cầu về an toàn và hiệu suất.
Electro-magnetic Compatibilty (EMC) (2004/108 / EC):
Các chỉ tiêu kỹ thuật của ngôi nhà thông minh
2.2.1 Chỉ tiêu về ánh sáng Đảm bảo ánh sáng theo yêu cầu sử dụng như chất lượng ánh sáng và tiết kiệm điện, ánh sáng tại mỗi nơi đều như nhau, không để chỗ quá sáng chỗ quá tối Ánh sáng có thể được tắt mở thông qua hệ thống tự động điều khiển hoặc điều khiển từ xa Ngoài ra thiết bị ánh sáng cần được kết nối với một số thiết bị trong nhà như: thiết bị báo trộm, báo cháy
2.2.2 Chỉ tiêu về thông gió Đảm bảo lượng gió vừa đủ, tốc độ gió phù hợp với yêu cầu chung Ngoài ra lượng gió và tốc độ gió có thể được thay đổi tùy theo yêu cầu của người sử dụng
Hệ thống tự động nhận biết nhiệt độ trong nhà giúp điều chỉnh phù hợp với khí hậu môi trường, ngăn ngừa tình trạng chênh lệch nhiệt độ lớn khi ra vào nhà, từ đó bảo vệ sức khỏe con người.
2.2.3 Chỉ tiêu về nhiệt độ
Nhiệt độ trong nhà có thể được điều chỉnh theo sở thích cá nhân thông qua hệ thống điều khiển từ xa Để đảm bảo an toàn, cần trang bị các thiết bị cảnh báo và phòng chống khi nhiệt độ vượt quá mức cho phép, như thiết bị báo cháy và còi báo động.
2.2.4 Chỉ tiêu về an toàn
Để đảm bảo an ninh cho ngôi nhà, cần thiết lập hệ thống phát hiện và cảnh báo khi có người lạ xâm nhập, bao gồm còi báo động, đèn chiếu sáng, tự động liên lạc với chủ nhà và đóng kín các cửa ra vào Bên cạnh đó, cần chú ý đến độ bền của ngôi nhà, đặc biệt là trong các vùng dễ xảy ra bão hoặc hỏa hoạn, để có biện pháp cảnh báo kịp thời và hiệu quả.
Các thành phần của một hệ thống nhà thông minh
Một hệ thống nhà thông minh tiêu biểu sẽ có 3 thành phần như sau:
Bộ xử lý trung tâm được thiết kế theo dạng tủ, bao gồm các thiết bị chính như board Arduino, các mạch xử lý, bộ nguồn chính và bộ nguồn dự phòng.
- Đầu báo: báo nhiệt, báo gas, báo mưa
- Cảm biến siêu âm, cảm biến PIR
- Cửa ra vào, cửa gara
- Màn hình LCD 16x2 hiển thị mã Password nhập vào và thông báo
- Bộ quay số điện thoại tự động module sim 900a
Nguyên lí hoạt động
Hệ thống hoạt động chủ yếu ở chế độ Auto, cho phép chủ nhà nhập mật khẩu đã được cài đặt trước Màn hình LCD 16x2 hiển thị trạng thái đăng nhập; nếu mật khẩu đúng, cửa chính sẽ mở và đèn quạt sẽ hoạt động Tuy nhiên, nếu nhập sai mật khẩu quá 3 lần, hệ thống sẽ tự động khóa không cho đăng nhập tiếp Ngoài ra, khi trung tâm nhận tín hiệu từ các thiết bị cảm biến, nó sẽ xử lý và điều khiển các thiết bị đã được lập trình sẵn.
Khi xảy ra sự cố như cháy, trộm hoặc rò rỉ gas, cảm biến sẽ gửi tín hiệu về trung tâm Tại đây, hệ thống sẽ xử lý tín hiệu theo chương trình đã cài đặt, phát thông báo khu vực xảy ra cháy qua loa trung tâm Đồng thời, các thiết bị ngoại vi sẽ được kích hoạt để phát tín hiệu báo động cháy và thực hiện các nhiệm vụ đã được lập trình sẵn.
Khi sử dụng chế độ Manual, chủ nhà có khả năng điều khiển thiết bị thông qua ứng dụng trên điện thoại thông minh hoặc truy cập vào trang web qua Internet để thực hiện việc điều khiển.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Arduino mega 2560
3.1.1 Giới thiệu chung về Arduino
Arduino đã tạo ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực DIY (Do It Yourself), tương tự như sự thành công của điện thoại thông minh Apple trong ngành công nghệ Sự phát triển mạnh mẽ của Arduino đã thu hút một lượng lớn người dùng và tạo ra nhiều ứng dụng đa dạng, khiến ngay cả những người sáng lập cũng phải ngạc nhiên.
Hình 3.1: Ảnh bo mạch Arduino đời đầu sử dụng cổng RS232
Arduino được khởi động vào năm 2005 tại Viện thiết kế tương tác Ivrea, Italy, nhằm cung cấp một phương thức dễ dàng và tiết kiệm cho sinh viên, người yêu thích và chuyên gia tạo ra các thiết bị tương tác với môi trường thông qua cảm biến và cơ cấu chấp hành Những dự án phổ biến cho người mới bắt đầu bao gồm robot đơn giản, hệ thống điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động Arduino đi kèm với một môi trường phát triển tích hợp (IDE) cho phép người dùng lập trình bằng ngôn ngữ C hoặc C++ Tên gọi "Arduino" xuất phát từ một quán bar ở Ivrea, nơi các nhà sáng lập thường gặp nhau, và được đặt theo tên của Bá tước Arduino, vua của Italy từ năm 1002 đến 1014.
Arduino là một board mạch vi xử lý mở, giúp xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau và môi trường Phần cứng sử dụng vi xử lý AVR Atmel 8bit hoặc ARM Atmel 32-bit, với các model hiện tại trang bị 1 cổng USB, 6 chân đầu vào analog và 14 chân I/O kỹ thuật số, tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau.
3.1.2 Giới thiệu về board Arduino Mega 2560
Arduino Mega 2560 là một bo mạch mạnh mẽ, sử dụng vi điều khiển 8-bit CMOS AVR Atmega2560, cung cấp 54 ngõ vào/ra số, lý tưởng cho các dự án điện tử phức tạp.
Bảng mạch này được trang bị 16 ngõ vào analog, thạch anh 16 MHz, kết nối USB, một jack cắm điện, header ICSP và một nút reset Nó cung cấp đầy đủ các tính năng cần thiết để hỗ trợ các vi điều khiển, chỉ cần kết nối với máy tính qua cáp USB hoặc sử dụng adapter AC-DC hoặc pin.
Vi điều khiển ATmega2560 Điện áp hoạt động 5V Điện áp đầu vào (đề nghị) 7-12V Điện áp vào (giới hạn) 6-20V
Phạm vi nhiệt độ hoạt động -40 o C đến 80 o C
Số ngõ vào/ra dạng tín hiện số 54
Số ngõ vào dạng tương tự 16
Dòng điện DC trong mỗi chân vào/ra số 40 mA
Dòng điện chân nguồn 3.3V 50 mA
Bảng 3.1: Các thông số kỹ thuật của Arduino Mega 2560
Hình 3.3: Sơ đồ vi điều khiển Atmega2560
Hình 3.4 : Sơ đồ khối của Arduino Mega 2560
ATmega2560 sở hữu bộ nhớ 256 KB cho mã lập trình, trong đó 8 KB được dành cho nạp khởi động Nó còn có 4 KB EEPROM và 8 KB SRAM, cho phép đọc và ghi thông qua thư viện EEPROM.
Hình 3.5: Sơ đồ khối cấu trúc của AVR
Arduino Mega hỗ trợ kết nối qua USB hoặc nguồn điện bên ngoài như adapter AC-DC hoặc pin, với nguồn điện được chọn tự động Arduino có thể hoạt động với nguồn cung cấp từ 6 đến 20V, nhưng nếu dưới 5V, thiết bị có thể hoạt động không ổn định Ngược lại, nếu sử dụng nguồn trên 12V, Arduino có nguy cơ bị quá nóng và hư hỏng linh kiện Phạm vi nguồn cung cấp khuyến nghị là từ 7 đến 12V.
Chức năng một số chân tại vùng cấp nguồn :
VIN: điện áp đầu vào Arduino
5V: Nguồn quy định cho vi điều khiển và các thành phần khác trên board
3V3 : Điện áp ngõ ra 3.3V Dòng điện là 50 mA
GND: chân được nối đất
AREF: điện áp tham chiếu cho ngõ vào tương tự
Arduino Mega sở hữu 54 ngõ vào/ra tín hiệu số, có thể sử dụng như ngõ vào hoặc ngõ ra, trong đó 15 ngõ hỗ trợ xuất xung PWM Tất cả các ngõ vào/ra hoạt động ở mức điện áp 5V và được trang bị điện trở nội kéo lên (mặc định không hoạt động) Mỗi ngõ vào/ra có khả năng cung cấp hoặc nhận tối đa 40 mA.
The serial communication pins are designated as follows: Serial 0 (RX: 0, TX: 1), Serial 1 (RX: 19, TX: 18), Serial 2 (RX: 17, TX: 16), and Serial 3 (RX: 15, TX: 14) These pins are utilized for receiving (RX) and transmitting (TX) TTL serial data.
PWM: từ chân số 0 đến 13 cung cấp 8-bit đầu ra PWM dung lệnh analogWrite ()
SPI: 50 (MISO), 51 (MOSI), 52 (SCK), 53 (SS) Những hỗ trợ chân SPI truyền thông bằng cách sử dụng thư viện SPI
LED: 13 Có một LED kết nối kỹ thuật số chân 13 Khi pin là giá trị cao, đèn LED, khi pin là LOW
Arduino Mega có 16 ngõ vào tương tự, từ A0 đến A15, cung cấp 10 bit độ phân giải (tức là 1024 giá trị khác nhau)
Arduino Mega hỗ trợ nhiều phương thức giao tiếp với máy tính, các board Arduino khác, hoặc vi điều khiển khác Chip ATmega2560 cung cấp giao tiếp nối tiếp UART TTL (5V) thông qua các chân số 0 (RX) và 1 (TX).
3.1.9 USB bảo vệ quá dòng
Arduino được trang bị cầu chì điện tử resettable polyfuse, giúp bảo vệ cổng USB của máy tính khỏi hiện tượng quá dòng Mặc dù nhiều máy tính đã có bảo vệ nội bộ, nhưng cầu chì này cung cấp một lớp bảo vệ bổ sung Khi dòng điện vượt quá 500mA, cầu chì sẽ tự động ngắt dòng, đảm bảo an toàn cho thiết bị.
LCD 16x2
Màn hình LCD mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với các loại hiển thị khác, bao gồm khả năng hiển thị đa dạng ký tự như chữ, số và ký tự đồ họa Nó dễ dàng tích hợp vào các mạch ứng dụng thông qua nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, đồng thời tiêu tốn ít tài nguyên hệ thống và có giá thành phải chăng.
Sơ đồ chân của LCD:
Hình 3.6: Sơ đồ chân LCD và hình ảnh thực tế
Chân số Ký hiệu Mức logic I/O Chức năng
1 Vss - - Nguồn cung cấp(GND)
3 Vee - I Điện áp để điều chỉnh độ tương phản
0= Không cho LCD hoạt động 1= Cho phép hoạt động
Từ 1 xuống 0: bắt đầu đọc/ghi
7 DB1 0/1 I/O Data bus line 0(LSB)
14 DB8 0/1 I/O Data bus line 7(MSB)
15 Vcc - - Nguồn cung cấp đèn LED nền
Bảng 3.2: Bảng mô tả chân LCD
Chân 15 và chân 16: ghi là A và K Nó là anot và katot của một con led dùng để sáng LCD trong bóng tối, chúng ta có thể không nối , nếu sử dụng nối chân 15 với trở 220 hoặc 330 Ω lên VCC , chân 16 nối đất.
Bàn phím ma trận 4x4
Để nhập mật khẩu có cả chữ và số, bàn phím cần tối thiểu 16 nút, tương ứng với ma trận 4x4 Trong mô hình nhóm, chúng tôi đã chọn bàn phím 4x4 để sử dụng.
Hình 3.7: Sơ đồ chân và hình ảnh thực tế của bàn phím ma trận 4x4
Nguồn hoạt động: 24 VDC, 30 mA
Giao diện: có 8 dây đầu ra để kết nối với vi điều khiển tương ứng với 16 nút nhấn
Kích thước bàn phím: 6.9 x 7.6 cm
Module cảm biến siêu âm hc-srf05
Hình 3.9: Hình ảnh của cảm biến siêu âm SRF-05
Thông số kỹ thuật: Điện áp hoạt động 5V DC
Dòng điện hoạt động 15 mA
Tần số hoạt động 40 Hz
Phạm vi tối thiểu 2cm
Tín hiệu đầu vào Trigger Xung 10uS TTL
Tín hiệu đầu ra Echo Mức tín hiệu đầu vào TTL
Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật của SRF-05
Hình 3.10: Biểu đồ xung SRF-05
Để bắt đầu quá trình, chỉ cần cung cấp một xung ngắn 10uS vào trigger Sau đó, các module sẽ phát ra một chuỗi 8 chu kỳ sóng siêu âm ở tần số 40 kHz và khuếch đại tín hiệu Echo sẽ được sử dụng để đo khoảng cách, tính toán độ rộng xung và phạm vi theo tỷ lệ Khoảng cách có thể được xác định bằng cách đo thời gian giữa tín hiệu kích hoạt từ trigger và tín hiệu phản hồi từ echo.
uS / 58 (đơn vị cm) hoặc uS / 148 (đơn vị inch)
Phạm vi khoảng cách = thời gian * vận tốc (340m/s) / 2 [3]
Cảm biến chuyển động pir
3.5.1 Khái niệm cảm biến PIR
Cảm biến PIR (Passive InfraRed sensor) là thiết bị cảm biến thụ động sử dụng tia hồng ngoại để phát hiện sự chuyển động của các vật thể nóng Tia hồng ngoại, hay tia nhiệt, được phát ra từ các vật thể có nhiệt độ, như cơ thể con người với nhiệt độ trung bình khoảng 37 độ C Cảm biến này hoạt động bằng cách sử dụng tế bào điện để chuyển đổi tia nhiệt thành tín hiệu điện, cho phép phát hiện sự hiện diện của các đối tượng nóng Điểm đặc biệt của cảm biến PIR là nó không cần nguồn nhiệt tự phát mà chỉ dựa vào thân nhiệt từ các thực thể xung quanh như con người và động vật.
Hình 3.11: Đầu dò PIR D203B và lăng kính Fresnel
Đầu dò PIR bên trong được trang bị 2 cảm biến tia nhiệt và có 3 chân kết nối: chân GND nối đất, chân nguồn từ 3-15VDC và chân xuất tín hiệu Với góc dò lớn, việc sử dụng kính Fresnel không chỉ tăng độ nhạy cho đầu dò mà còn giúp ngăn chặn tia tử ngoại.
Các nguồn nhiệt, bao gồm cả thân nhiệt của người và động vật, phát ra tia hồng ngoại Tia hồng ngoại này được lọc qua kính Fresnel và xử lý bằng hai cảm biến hồng ngoại gắn trên đầu dò Điện áp từ các cảm biến này được khuếch đại bằng transistor FET Khi có vật nóng di chuyển qua, hai cảm biến sẽ tạo ra tín hiệu, và các tín hiệu này sẽ được khuếch đại để đủ biên độ, sau đó được đưa vào mạch so áp để điều khiển hoặc báo động.
Hình 3.12: Sơ đồ hoạt động của cảm biến PIR
Module cảm biến mưa
Hình 3.13: Hình ảnh thực tế của cảm biến mưa
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 : 5-12VDC
Ngõ ra: tín hiệu tương tự hoặc số
Mạch cảm biến mưa hoạt động bằng cách so sánh điện thế của cảm biến ngoài trời với giá trị định trước, có thể điều chỉnh thông qua biến trở màu xanh Khi có sự thay đổi, mạch sẽ phát ra tín hiệu để đóng hoặc ngắt rơ le qua chân D0.
Khi thời tiết khô ráo, chân D0 của module cảm biến duy trì mức cao từ 5V đến 12V Ngược lại, khi có nước xuất hiện trên bề mặt cảm biến do trời mưa, đèn LED màu đỏ sẽ bật sáng và chân D0 sẽ giảm xuống mức thấp 0V.
(Theo datasheet cảm biến mưa hshop.vn)
Hình 3.14: Sơ đồ cấu tạo của module cảm biến mưa
Module gsm/gprs sim 900
3.7.1 Giới thiệu tổng quan về GSM
GSM, viết tắt của "Global System for Mobile Communication", là một trong những công nghệ mạng di động phổ biến nhất trên thế giới Đây là tiêu chuẩn cho các thuê bao di động, cho phép người dùng duy trì liên lạc khi di chuyển giữa các vị trí địa lý khác nhau Mạng GSM sử dụng công nghệ TDMA (Time Division Multiple Access), cho phép tối đa 7 thiết bị di động cùng sử dụng một kênh truy cập.
1 kênh để đàm thoại , mỗi máy sẽ sử dụng 1/8 khe thời gian để truyền và nhận thông tin
3.7.1.2 Lịch sử phát triển của GSM
Vào đầu những năm 1980, châu Âu đã phát triển một mạng điện thoại di động hoạt động trong một số khu vực hạn chế Đến năm 1982, mạng này đã được chuẩn hóa, đánh dấu bước tiến quan trọng trong công nghệ viễn thông.
Administrations) và tạo ra Groupe Special Mobile (GSM) với mục đích sử dụng chung cho toàn Châu Âu
Mạng di động sử dụng công nghệ GSM được khai thác lần đầu bởi Radiolinja tại Finland Năm 1989, viện viễn thông châu Âu (ETSI) tiếp quản việc quản lý tiêu chuẩn và phát triển mạng GSM, với các tiêu chuẩn được công bố vào năm 1990 Đến cuối năm 1993, mạng GSM đã thu hút hơn 1 triệu thuê bao từ 70 nhà cung cấp dịch vụ tại 48 quốc gia.
3.7.1.3 Cấu trúc mạng di động
Hình 3.15: Cấu trúc mạng thông tin di động
EIR ( Equipment Indentity Register) : Chứa số liệu phần cứng của thiết bị
Trung tâm xác thực (AuC) là cơ sở dữ liệu bảo mật lưu trữ bản sao các khóa bảo mật của mỗi thẻ SIM, đóng vai trò quan trọng trong việc xác thực và mã hóa thông tin trên kênh vô tuyến.
Hệ thống trạm gốc (Base Station Subsystem) quản lý kết nối vô tuyến giữa trạm di động và mạng Nó bao gồm hai thành phần chính: Trạm thu phát gốc (BTS) và Trạm điều khiển gốc (BSC), với BSC đóng vai trò kết nối giữa trạm di động và tổng đài chuyển mạch di động (MSC).
Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động (MSC) đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển mạch cuộc gọi, cho phép kết nối giữa các thuê bao di động và giữa thuê bao 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 chứa thông tin quản trị cho các thuê bao đã đăng ký trong mạng GSM, bao gồm cả vị trí hiện tại của họ Mặc dù có thể triển khai dưới dạng cơ sở dữ liệu phân bố, nhưng chỉ có một HLR logic cho toàn bộ mạng GSM.
Bộ ghi địa chỉ tạm trú (VLR) chứa thông tin quản trị từ HLR, cần thiết cho việc điều khiển cuộc gọi và cung cấp dịch vụ cho thuê bao di động trong khu vực quản lý Mặc dù các chức năng này có thể hoạt động trên thiết bị độc lập, nhưng hầu hết các nhà sản xuất tổng đài đều tích hợp VLR vào MSC, giúp đơn giản hóa quá trình báo hiệu giữa MSC và VLR trong việc điều khiển vùng địa lý.
3.7.2 Giới thiệu về Module Sim 900
Sim900 là một module GSM/GPRS nhỏ gọn, thiết kế cho thị trường toàn cầu, hoạt động trên 4 băng tần GSM 850MHz, EGSM 900MHz, DCS 1800MHz và PCS 1900MHz Với chip xử lý đơn nhân mạnh mẽ dựa trên vi xử lý ARM926EJ-S, Sim900 cung cấp nhiều tính năng quan trọng, đồng thời kích thước chỉ 24x24 mm giúp đáp ứng tốt các yêu cầu không gian trong các ứng dụng M2M.
3.7.2.2 Khảo sát sơ đồ chân sim 900
Hinh 3.17: Sơ đồ chân Sim900
Chức năng từng chân được thể hiện trong bảng như sau:
STT Tên chân I/O Miêu tả
PWRKEY là công tắc dùng để bật hoặc tắt nguồn hệ thống Người dùng điều khiển PWRKEY với điện áp thấp trong thời gian ngắn, nhằm đảm bảo hệ thống có đủ thời gian để kích hoạt sim900 hoạt động.
Khi người dùng kết nối PWRKEY và PWRKEY-OUT, họ có thể kích hoạt module trong thời gian ngắn và sau đó tắt hoặc khởi động lại các module một cách dễ dàng.
3 DTR I Dữ liệu thiết bị đầu cuối sẵn sang
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
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
37 SDA I/O Đường truyền dữ liệu I2C
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
VBAT có 3 chân chuyên dụng để cung cấp điện áp cho sim900, với mức điện áp hoạt động từ 3.4V đến 4.5V Nguồn điện phải đảm bảo cung cấp đủ dòng điện trong giai đoạn khởi động của sim900, khi dòng điện có thể tăng lên tới 2A.
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
Hiển thị trạng thái làm việc của sim bằng đèn LED Khi có nguồn cung cấp cho sim900 hoạt động, LED này sẽ sang
Bảng 3.4: Chức năng từng chân của Sim900
Hình 3.18: Module Sim 900 thực tế
Thông số kỹ thuật của Sim900
Nguồn cấp: 3,5V - 4,5V, có thể sử dụng với nguồn dòng thấp từ 500mAh trở lên (như cổng USB, nguồn từ Board Arduino)
Dòng khi ở chế độ chờ: 10 mA
Dòng khi hoạt động: 100 mA đến 2A
Nhiệt độ hoạt động: −30 o C đến 80 o C
Tốc độ GPRS: download dat: 85.6kpbs; upload data: 42.8kpbs
Hỗ trợ đồng hồ thời gian thực, lập trình bằng tập lệnh AT
Chức năng các chân của module Sim900:
TXD: Chân truyền Uart TX
RXD: Chân nhận Uart RX
Headphone: Chân phát âm thanh
Microphone: Chân nhận âm thanh (phải gắn thêm Micro từ GND vào chân này thì mới thu được tiếng)
Reset: Chân khởi động lại Module (thường không xài)
3.7.2.4 Các chế độ hoạt động của Module sim 900
GSM/GPRS SLEEP: Module sẽ tự động chuyển sang chế độ SLEEP nếu
DTR được thiết lập ở mức cao mà không có ngắt phần cứng như GPIO hoặc dữ liệu trên cổng nối tiếp, giúp giảm dòng tiêu thụ của module xuống mức thấp nhất Trong chế độ SLEEP, module vẫn có khả năng nhận gói tin nhắn hoặc SMS từ hệ thống.
GSM IDLE: Phần mềm tích cực Module kết nối mạng GSM và module sẵn sàng gửi và nhận
GSM TALK cho phép kết nối giữa hai thuê bao mà không có dữ liệu được gửi hoặc nhận Trong tình huống này, mức tiêu thụ năng lượng phụ thuộc vào cấu hình GPRS và thiết lập mạng.
GPRS STANDBY là trạng thái mà module đã sẵn sàng để truyền dữ liệu GPRS, nhưng không có dữ liệu nào được gửi hoặc nhận Trong tình huống này, mức tiêu thụ năng lượng sẽ phụ thuộc vào cấu hình GPRS và thiết lập của mạng.
Cảm biến khí gas mq2
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 các chất gây cháy, độ dẫn của nó sẽ thay đổi đáng kể Nhờ vào đặc điểm này, người ta đã thiết kế mạch đơn giản để chuyển đổi sự thay đổi độ nhạy thành tín hiệu điện áp.
Khi môi trường sạch, điện áp đầu ra của cảm biến MQ2 sẽ thấp Tuy nhiên, giá trị điện áp đầu ra sẽ tăng lên khi nồng độ khí gây cháy xung quanh cảm biến này gia tăng.
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, MQ2 được ứng dụng rộng rãi trong cả ngành công nghiệp và đời sống hàng ngày.
Hình 3.19: Cảm biến khí gas MQ2 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
3.8.2 Sơ đồ mạch cảm biến MQ2
Hình 3.20 : Sơ đồ mạch MQ2
Aout: điện áp ra tương tự Nó chạy từ 0.3V đến 4.5V, phụ thuộc vào nồng độ khí xung quang MQ2
Dout: điện áp ra số, giá trị 0,1 phụ thuộc vào điện áp tham chiếu và nồng độ khí mà MQ2 đo được
Chân ra số Dout rất tiện lợi 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, khi nồng độ MQ2 đo được thấp hơn mức cho phép, Dout sẽ tắt đèn LED Ngược lại, khi nồng độ khí vượt quá mức cho phép, Dout sẽ bật đèn LED sáng.
Việc sử dụng chân tương tự Aout để xử lý các tình huống yêu cầu độ chính xác cao bắt đầu bằng việc đo trạng thái không khí sạch với giá trị Vout1 Khi khí ga từ bật lửa rò rỉ vào môi trường, giá trị Aout sẽ tăng lên Khi đạt đến khoảng cách khí ga hợp lý tương ứng với nồng độ nguy hiểm, ta ghi lại giá trị Vout2 và chọn đây là ngưỡng cảnh báo Nếu giá trị đo được vượt quá ngưỡng này, hệ thống sẽ phát ra cảnh báo.
Chỉnh chân biến trở để điện áp đo tại chân 3 của L358 = Vout2.
Cảm biến nhiệt độ lm35
Cảm biến nhiệt độ LM35 là một loại cảm biến tương tự rất hay được ứng dụng trong các ứng dụng đo nhiệt độ thời gian thực
Nhiệt độ được xác định bằng cách đo hiệu điện thế ngõ ra của LM35
Nhiệt độ thay đổi tuyến tính: 10mV/°C
Module bluetooth hc-05
3.10.1 Giới thiệu cho truyền thông không dây tầm gần giữa các thiết bị điện tử Công nghệ này hỗ trợ việc truyền dữ liệu qua các khoảng cách ngắn giữa các thiết bị di động và cố định, tạo nên các mạng cá nhân không dây (Wireless Personal Area Network-PANs)
Bluetooth có khả năng truyền dữ liệu với tốc độ lên đến 1Mb/s, và hỗ trợ tốc độ tối đa 720 Kbps trong khoảng cách từ 10 m đến 100 m Khác với kết nối hồng ngoại (IrDA), Bluetooth hoạt động theo phương thức vô hướng và sử dụng tần số 2,4 GHz.
Để kết nối và điều khiển tín hiệu ngoại vi cho Arduino, người dùng có thể sử dụng thiết bị điều khiển qua sóng Bluetooth Hiện nay, module Bluetooth HC-05 là một lựa chọn phổ biến và tiện dụng cho các ứng dụng liên quan đến Arduino.
3.10.2 Thông số kỹ thuật Bluetooth HC-05
Điện thế hoạt động của UART 3.3 – 5V
Dòng điện khi hoạt động: khi Pairing 30 mA, sau khi pairing hoạt động truyền nhận bình thường 8 mA
Baudrate UART có thể chọn được: 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400,
Kích thước của module chính: 28 mm x 15 mm x 2.35 mm
Dải tần sóng hoạt động: 2.4GHz
Bluetooth protocol: Bluetooth Specification v2.0+EDRo
Kích thước: 26.9mm x 13mm x 2.2 mm
Bluetooth module Vi điều khiển
Bảng 3.5: Sơ đồ chân HC-05
Để thiết lập chế độ SLAVE, bạn cần kết nối smartphone, laptop hoặc USB Bluetooth để tìm kiếm module và thực hiện ghép nối với mã PIN 1234 Sau khi ghép nối thành công, bạn sẽ có một cổng serial từ xa hoạt động với tốc độ baud rate 9600.
Trong chế độ MASTER, module sẽ tự động quét và tìm kiếm các thiết bị Bluetooth khác như HC-06, HC-05, USB Bluetooth hoặc Bluetooth của laptop Quá trình ghép nối sẽ diễn ra chủ động mà không cần bất kỳ thiết lập nào từ máy tính hoặc smartphone.
Module bluetooth HC05 có nhiều chức năng
Module Bluetooth HC05 có thể được điều khiển thông qua các lệnh AT để thực hiện các tác vụ cần thiết Để chuyển đổi từ chế độ thông thường sang chế độ điều khiển bằng lệnh AT, có hai phương pháp thực hiện.
Cấp nguồn cho module Bluetooth bằng cách kết nối Vcc và Gnd, đồng thời cung cấp điện áp cao cho chân KEY của module Giao tiếp với module thông qua lệnh AT qua cổng Serial (Tx và Rx) với tốc độ baud rate 38400 được khuyên dùng.
Đầu tiên, hãy cấp nguồn cho module Bluetooth, sau đó cung cấp điện áp cao cho chân KEY của nó Khi hoàn tất, bạn có thể giao tiếp với module thông qua các lệnh AT với tốc độ baud rate 9600.
Sau khi pair thành công với thiết bị bluetooth khác, đèn trên module bluetooth HC05 sẽ nhấp nháy chậm cho thấy kết nối Serial đã được thiết lập
Module wifi esp8266 v1
Hình 3.23: Module wifi ESP8266 V1 Đây là module truyền nhận WiFi đơn giản dựa trên chip ESP8266 SoC (System on Chip)
ESP8266 là một chip tích hợp lý tưởng cho các ứng dụng Internet of Things (IoT) Module này đi kèm với firmware được cài sẵn, cho phép người dùng dễ dàng kết nối với WiFi thông qua lệnh AT qua giao tiếp UART với baudrate mặc định là 9600.
ESP8266 cũng có thể làm bộ phát wifi cho các thiết bị khác gia nhập vào mạng để trao đổi dữ liệu
Chuẩn điện áp hoạt động: 3.3V
Chuẩn giao tiếp nối tiếp UART với tốc độ Baud lên đến115200
Có 3 chế độ hoạt động: Client, Access Point, Both Client and Access Point
Hỗ trợ các chuẩn bảo mật như: OPEN, WEP, WPA_PSK, WPA2_PSK, WPA_WPA2_PSK
Hỗ trợ cả 2 giao tiếp TCP và UDP
Làm việc như các máy chủ có thể kết nối với 5 máy con
(Theo trang giới thiệu về module wifi ESP8266 V1, http://www.machdientu.vn)
Các thông số Ký hiệu Min Max Đơn vị Điện áp đầu vào tối thiểu Vil -0.3 0.25xV10 V Điện áp đầu vào tối đa Vih 0.75xV10 3.6 V
Dòng rò đầu vào IIL - 50 nA Điện áp đầu ra tối thiểu VOL - 0.1xV10 V Điện áp đầu ra tối đa VOH 0.8xV10 - V Điện dung đầu vào Cpad - 2 pF
Bảng 3.6 : Thông số kỹ thuật của ESP8266 V1
Hình 3.24: Sơ đồ chân ESP8266 V1
Tx: Chân Tx của giao thức UART, kết nối đến chân Rx của vi điều khiển
Rx: Chân Rx của giao thức UART, kết nối đến chân Tx của vi điều khiển
RST: chân reset, kéo xuống mass để reset
CH_PD: Kích hoạt chip, sử dụng cho Flash Boot và updating lại module
GPIO0: kéo xuống thấp cho chế độ update
Module thu sóng rf pt2272-t4
Hình 3.25: Module thu sóng PT2272-T4
Điện áp hoạt động: 5VDC
Tần số hoạt động: 315Mhz
Dòng điện tiêu thụ khi ở trạng nghỉ: 4.5mA
Anten mắc thêm: dài 23cm, đơn lõi, có thể cuộn tròn
VT: Chân trạng thái, có tín hiệu sóng sẽ kích lên mức 1
GND: Chân Mass, cấp nguồn 0V.
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG MÔ HÌNH
Yêu cầu đặt ra cho mô hình nhà thông minh
Sau khi nghiên cứu đề tài và tham khảo tài liệu, nhóm đã nhận được sự cho phép từ giáo viên hướng dẫn để đặt ra một số yêu cầu nhằm thực hiện các vấn đề đã đề ra.
Thiết kế hệ thống báo cháy qua SMS
Thiết kế hệ thống cảnh báo khí gas qua SMS
Thiết kế hệ thống xứ lý khi có mưa
Thiết kế hệ thống cửa cuốn tự động
Điều khiển thiết bị qua điện thoại Smartphone và web.
Ý tưởng thiết kế
Hệ thống được thiết kế với chức năng đăng nhập bằng mật khẩu để mở cửa chính Khi người điều khiển nhập mã, hệ thống sẽ kiểm tra tính chính xác; nếu mã đúng, thông báo “Mật mã đúng” sẽ xuất hiện và cửa sẽ mở cùng với đèn hoạt động.
Khi người sử dụng nhập sai mật khẩu, hệ thống sẽ thông báo: “Mật mã sai Mời nhập lại” Nếu sau 3 lần nhập sai, hệ thống sẽ tự động khóa và không cho phép nhập mật khẩu nữa Để kích hoạt lại, cần có sự can thiệp từ người chủ nhà.
Hệ thống được nâng cấp với chức năng báo cháy, báo trộm, xử lý khi có mưa và cảnh báo khí gas Khi xảy ra sự cố, cảm biến sẽ gửi tín hiệu về khối xử lý, cho phép điện thoại tự động gọi cho chủ nhà hoặc các số khẩn cấp như chữa cháy, cấp cứu, công an Các tin nhắn cảnh báo sẽ được gửi đi, chẳng hạn như “nhà bạn có kẻ trộm đột nhập”, “nhà bạn bị cháy” hoặc “cảnh báo rò rỉ gas” Trong trường hợp có trộm, hệ thống sẽ tự động gọi cho chủ nhà, và nếu có cháy, nó cũng sẽ gọi cho chủ nhà đồng thời tắt tất cả các thiết bị điện để ngăn ngừa nguy cơ chập nổ điện.
Sơ đồ khối hệ thống
Sơ đồ khối của hệ thống nhà thông minh:
Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống nhà thông minh
KHỐI ĐIẾU KHIỂN NGOẠI VI
Chức năng của từng khối:
Chức năng của khối này là để đảm bảo cung cấp nguồn cho toàn hệ thống hoạt động
Khối xử lý trung tâm
Khối này có chức năng nhận diện tín hiệu và trạng thái gửi về, từ đó phát lệnh điều khiển toàn bộ hoạt động của các khối khác trong hệ thống.
Khối này có chức năng kiểm tra mật khẩu mà người dùng nhập vào, sau đó gửi thông tin về khối xử lý trung tâm để quyết định xem có mở cửa hay không.
Khi xảy ra cháy, nhiệt độ trong phòng tăng cao, cảm biến sẽ gửi tín hiệu đến khối xử lý trung tâm Khối xử lý này sẽ tự động điều khiển hệ thống thông báo cho chủ nhà hoặc phòng chữa cháy.
Khối thiết bị chống trộm
Khi có người vào khu vực được bảo vệ, khối báo cháy sẽ gửi tín hiệu đến khối xử lý trung tâm, từ đó khối này sẽ kích hoạt hệ thống gọi điện để thông báo cho chủ nhà hoặc công an.
Khối cảnh báo khí gas
Khối này có chức năng kiểm tra nồng độ khí gas, đảm bảo rằng nó không vượt quá mức cho phép, và gửi tín hiệu về khối xử lý trung tâm.
Khối xử lý khi có mưa
Khi lượng mưa vượt quá mức cho phép, cảm biến sẽ gửi tín hiệu đến khối xử lý trung tâm, từ đó kích hoạt động cơ để đóng trần nhà.
Khối điều khiển ngoại vi
Các thiết bị trong nhà như cửa, đèn và quạt có thể được điều khiển dễ dàng thông qua smartphone hoặc trang web Hệ thống cũng cung cấp cảnh báo về trộm cắp, rò rỉ gas và cháy nổ, gửi thông báo qua tin nhắn SMS đến chủ nhà cũng như các cơ quan chức năng như phòng cháy chữa cháy và công an.
Khối này để hiển thị màn hình đăng nhập mật khẩu và tình trạng đã đăng nhập thành công hay chưa
Khối này để thực thi các lệnh từ khối xử lý trung tâm gữi đến để đóng/mở cửa, quạt và đèn
Khối xử lý sự cố
Trong quá trình sử dụng, nếu phát sinh lỗi lập trình, khối hệ thống sẽ tự động reset chương trình Khi có tín hiệu báo cháy, hệ thống sẽ ngắt điện toàn bộ ngôi nhà để đảm bảo an toàn.
Sơ đồ thiết kế ngôi nhà
Hình 4.2 : Sơ đồ thiết bị trong ngôi nhà
Nguyên tắc hoạt động: Có 2 chế độ Auto và Manual
Chế độ Auto trong hệ thống nhà thông minh khởi động ở chế độ Manual khi người dùng đăng nhập bằng mật khẩu Khi phát hiện có người vào, các cảm biến sẽ hoạt động theo chương trình đã được thiết lập trước Trong trường hợp xảy ra sự cố, toàn bộ nguồn điện sẽ được ngắt, ngoại trừ loa, khối xử lý trung tâm và module sim 900, những thiết bị này vẫn có nguồn phụ để thông báo cho chủ nhà.
Chế độ Manual: Khi chủ nhà muốn điều chỉnh lại một số thiết bị hoạt động theo ý mình thì sẽ điều khiển bằng remote hoặc điện thoại smartphone.
Thiết kế khối nguồn
Nhóm đã chọn nguồn CPU của máy tính để bàn làm đề tài nghiên cứu vì nó có khả năng cung cấp nguồn liên tục cho toàn bộ hệ thống.
Hệ thống sử dụng 2 nguổn 5VDC và 12VDC
Bảng 4.1: Các chân của bộ nguồn (theo CPUZ.NET)
Nguồn phụ: trong trường hợp xảy ra sự cố thì nguồn dự phòng sẽ hoạt động , trong đề tài mô hình thì nhóm chọn khay đế chứa 4 pin AA
Hình 4.4: Khay chứa pin AA
Nguồn phụ để cung cấp nguồn điện cho khu xử lý trung tâm và thiết bị
Thiết kế khối cảnh báo cháy
4.6.1 Khối cảm biến nhiệt độ
Hệ thống cảnh báo cháy sử dụng cảm biến nhiệt độ LM 35 với nguồn nuôi là 5V
Hình 4.5 Mạch cảm biến nhiệt độ LM35
Cảm biến nhiệt LM35 cung cấp điện áp tương ứng với nhiệt độ cho bộ ADC của vi xử lý trung tâm Vi điều khiển sẽ xử lý tín hiệu này và hiển thị kết quả trên màn hình LCD.
Tính toán nhiệt độ đầu ra của LM35:
Việc đo nhiệt độ bằng cảm biến LM35 được thực hiện thông qua bộ chuyển đổi ADC và vi điều khiển Với Arduino, bộ chuyển đổi ADC đã được tích hợp sẵn, do đó không cần thêm thiết bị chuyển đổi nào khác Công thức tính toán điện áp đầu ra là U = t * k, trong đó U là điện áp đầu ra, t là nhiệt độ, và k là hệ số nhiệt độ của LM35, tương đương 10mV/°C.
Điện áp cấp cho LM35 là 5V, bộ chuyển đổi ADC trong Arduino là 10 bit
Vậy bước thay đổi của LM 35 sẽ là 5/(2^10)=5/1024
Giá trị ADC đo được thì điện áo đầu ra của LM35 là:
Vậy nhiệt độ ta đo được t= giá trị ADC/2.048
Tại 0 o C thì điện áp của LM35 là 1V
Tại 150 o C thì điện áp của LM35 là 1.5V
Dải điện áp biến đổi là 1.5-0.1=1.49 V
Bước thay đổi của LM35 sử dụng bộ chuyển đổi ADC 10 bit là 5/1024=0.0049V
4.6.2 Khối báo động của khối cảnh báo cháy
Gồm có báo động ra loa và ra Led
Khối báo động sử dụng tranzitor NPN C1815 làm khóa điện tử để điều khiển nguồn 5V cho loa hoạt động Điện trở R7 có giá trị 1KΩ giúp hạn chế dòng vào chân B của tranzitor, trong khi đó, điện trở R8 cũng đóng vai trò quan trọng trong mạch.
Sử dụng LED đỏ sáng nhấp nháy khi hệ thống chuyển sang trạng thái báo động có cháy
Mạch LM35 hoạt động bằng cách đọc giá trị nhiệt độ trong nhà và gửi kết quả đến khối xử lý Arduino tiếp nhận dữ liệu này và nếu nhiệt độ trong nhà đạt hoặc vượt quá mức cho phép, hệ thống sẽ kích hoạt loa báo cháy và đèn nhấp nháy.
Khi nhiệt độ vượt quá 60 độ C hoặc tăng đột ngột hơn 20 độ C, hệ thống sẽ tự động kích hoạt báo động, gửi tin nhắn đến chủ nhà và ngắt nguồn điện để ngăn chặn nguy cơ cháy nổ.
Thiết kế khối nhập mật khẩu
Hình 4.7: Khối nhập mật khẩu
Các chân 1,2,3,4,A,B,C,D là chân dữ liệu 8 bit nối vào vi điều khiển Arduino
Dùng để hiển thị các trạng thái trong quá trình đăng nhập mật khẩu
Hình 4.8: Khối hiển thị LCD
Các chân 1, 2, 3 bao gồm VSS, VDD và VEE Trong đó, VSS là chân nối đất, VEE là chân điều chỉnh độ tương phản thông qua một biến trở 10K, với một đầu nối VCC và đầu còn lại nối với mát Chân VDD được kết nối với nguồn dương.
Chân chọn thanh ghi RS (Register Select): Có hai thanh ghi trong LCD, chân RS (Register Select) được dùng để chọn thanh ghi, như sau:
Trong chế độ ghi lệnh, khi RS = 0, các thao tác như xóa màn hình hoặc bật tắt con trỏ được thực hiện Ngược lại, khi RS = 1 trong chế độ ghi dữ liệu, hệ thống sẽ hiển thị ký tự và chữ số lên màn hình.
Chân đọc/ghi (R/W) là đầu vào cho phép người dùng ghi thông tin lên LCD khi R/W = 0 hoặc đọc thông tin từ LCD khi R/W = 1 Đối với mạch chỉ dùng để hiển thị, chân R/W cần được giữ ở mức 0 (nối mass).
Chân cho phép E (Enable) là một thành phần quan trọng trong mạch LCD, dùng để chốt dữ liệu Khi dữ liệu được gửi đến chân dữ liệu, cần có một xung từ mức cao xuống mức thấp tại chân E để LCD thực hiện việc chốt dữ liệu Độ rộng của xung này phải được đảm bảo tối thiểu để hoạt động chính xác.
Chân D0 – D7 là 8 chân dữ liệu 8 bit, dùng để truyền thông tin đến LCD hoặc đọc nội dung từ các thanh ghi của LCD Trong trường hợp sử dụng LCD 4 bit, chỉ cần kết nối 4 chân D4-D7 Để làm cho màn hình LCD hoạt động, cần nối chân 15 qua điện trở.
330 Ω lên nguồn 5v, chân 16 nối mass
Khi người điều khiển nhập mã, nó sẽ kiểm tra, nếu đúng thì sẽ báo: “Mật mã đúng” Sau đó cửa sẽ mở, đèn hoạt động
Khi người dùng nhập sai mật khẩu, hệ thống sẽ hiển thị thông báo “Mật mã sai Mời nhập lại” Nếu sau 3 lần nhập sai, hệ thống sẽ tự động khóa và không cho phép nhập mật khẩu nữa Để kích hoạt lại, cần có sự can thiệp từ người chủ nhà.
Khối xử lý khi có mưa
Hình 4.9: Sơ đồ kết nối cảm biến mưa
Chân 1 được nối với nguồn 5VDC
Chân 2 là chân tín hiệu ngõ ra xuất tín hiệu tương tự vào ngõ vào của Arduino
Do Arduino hỗ trợ ngõ vào tương tự với độ phân giải 10 bit do đó có 2 10 24 giá trị khác nhau
Giá trị của cám biến mưa sẽ biến đổi trong phạm vi từ 0 đến 1024 Mặc định ban đầu khi chưa tác động sẽ thì giá trị là 1024
Khi mật độ mưa trên cảm biến nhỏ hơn 300, cửa trần nhà sẽ tự động đóng lại Cửa sẽ mở lại khi mật độ mưa trở về giá trị ban đầu là 1024.
4.8.2 Phần động lực của khối cảm biến mưa Để kéo được phần mái có kích thước 10cm x 20cm thì cần một động cơ có khả năng kéo đi một khoảng cách 20cm thì không thể dùng động cơ DC thông thường bởi vì tốc độ quay vòng/phút quá nhanh có thể gây lệch đường đi của phần mái Do đó nhóm quyết định chọn động cơ RC Servo Futaba S3003 có khả năng quay một góc 360 độ
Hình 4.10 : Động cơ RC Servo Futaba S3003
Nhiệt độ hoạt động: từ - 20 đến 60 o C
Tốc độ hoạt động (4.8V); 0.23s / 60 o khi không tải
Tốc độ hoạt động (6.0V); 0.19s / 60 o khi không tải
Dòng điện tiêu thụ (4.8V): 7.2mA khi đứng yên
Dòng điện tiêu thụ (6.0V): 7.2mA khi đứng yên
Kiểu bánh răng: bánh răng nhựa
Khối hệ thống gas, cửa cuốn tự động
4.9.1 Khối cảm biến tín hiệu tương tự
Bao gồm cảm biến siêu âm, cảm biến khí gas sử dụng nguồn nuôi 5VDC
Hình 4.11 : Sơ đồ kết nối cảm biến siêu âm và gas
Chân 1 được nối với nguồn 5VDC
Chân 2 là chân tín hiệu ngõ ra xuất tín hiệu tương tự vào ngõ vào của Arduino
Tính toán: Đối với cảm biến siêu âm, công thức tính toán từ tín hiệu tương tự sang đơn vị cm hay inch:
uS là biến lưu lại số được truyền từ cảm biến vào Arduino
Khoảng cách = uS / 58 (đơn vị cm) hoặc uS / 148 (đơn vị inch)
Ở trạng thái ban đầu khi chưa bị đối tượng tác động thì giá trị mặc định uS= 1024 Đối với cảm biến khí gas:
Do Arduino hỗ trợ ngõ vào tương tự với độ phân giải 10 bit do đó có 2 10 24 giá trị khác nhau
Giá trị của cảm biến mưa dao động từ 0 đến 1024, với giá trị mặc định ban đầu là 1024 khi chưa có tác động Sau đó, giá trị này sẽ được chuyển đổi về khoảng 0 đến 100 ppm.
Khi nồng độ khí gas trong không khí vượt quá 50 ppm, hệ thống sẽ tự động gửi tin nhắn thông báo cho chủ nhà với nội dung “Báo động tràn khí gas” Đồng thời, cửa trần nhà sẽ mở ra để giúp tỏa bớt khí gas ra ngoài, chờ đợi sự can thiệp của chủ nhà.
4.9.2 Phần động lực Để kéo cửa cuốn thì em chọn động cơ DC giảm tốc Tower cùng với module L298 để đảo chiều động cơ
Điện áp hoạt động: 6-12VDC
Momen cực đại: 800gf cm min (at 3V)
Tốc độ chạy không tải: 120rpm (ở mức 3V) và 200rpm (ở mức 5V)
Tải dòng điện: 70mA (tối đa 250mA)
Sơ đồ kết nối động cơ:
Hình 4.13: Sơ đồ kết nối động cơ DC
Khi vật tác động vào cảm biến siêu âm, tín hiệu sẽ được gửi đến vi điều khiển, kích hoạt mạch L298 để điều khiển động cơ DC mở cửa cuốn Khi vật không còn tác động, mạch L298 sẽ đảo chiều động cơ, cho phép đóng cửa.
Khối điều khiển
4.10.1 Động cơ kéo cửa Để kéo cửa ra vào và phòng ngủ thì em sử dụng loại motor servo Do chỉ thử nghiệm trên mô hình nên cửa chỉ có kích thước 5x15cm nên em quyết định chọn servo 9G có nguồn cấp 5VDC để kéo mở cửa hoàn toàn phù hợp với cấu tạo của ngôi nhà
Hình 4.14: Động cơ servo SG90
Thông số kĩ thuật SG90-9G:
Tốc độ hoạt động: 60 độ trong 0.1 giây
Nhiệt độ hoạt động: 0 ºC – 55 ºC
Kết nối dây đỏ với nguồn 5V, dây nâu với mass, và dây cam với chân phát xung của vi điều khiển Cung cấp xung từ 1ms đến 2ms để điều chỉnh góc quay theo ý muốn.
Sơ đồ nối dây động cơ servo
Hình 4.15: sơ đồ nối dây động cơ servo
Chân 1 kết nối với nguồn 5VDC
Chân 2 kết nối với ngõ vào PWM được tích hợp sẵn trên Arduino
Chân 3 kết nối với mass
4.10.2 Quạt tản nhiệt mini Acer 5V
Chân 1 nhận tín hiệu từ ngõ ra của vi điều khiển Arduino
Do đề tài là mô hình nên em chọn động cơ mini để tiết kiệm được diện tích mà vẫn đảm bảo hoạt động đúng như mong muốn
Hình 4.17: Đèn led màu xanh
Tính toán điện trở hạn dòng:
Dòng điện qua led khoảng ILED = 10mA, sụt áp trên led VLED = 1.5V Điện trở hạn dòng:
Khối thiết bị báo trộm
Hình 4.18: Sơ đồ kết nối thiết bị báo trộm
Chân 1 kết nối với nguồn 5V
Chân 2 là chân tín hiệu số digital kết nối với ngõ vào số của Arduino
Khi cảm biến PIR phát hiện chuyển động của người hoặc động vật, tín hiệu sẽ được gửi đến Arduino để xử lý, sau đó thông báo sẽ được gửi đến chủ nhà.
Khối điều khiển ngoại vi
Hình 4.19: Sơ đồ kết nối các thiết bị ngoại vi
Chân 1 cấp nguồn 5V, chân 4 nối mass Riêng module wifi ESP8266 thì chỉ cần cấp nguồn 3,3V có sẵn trên Arduino để cung cấp nguồn hoạt động
Chân 2,4 của các thiết bị đều nối với TX và RX của Arduino để truyền dữ liệu
Với điện thoại có kết nối Bluetooth, người dùng có thể dễ dàng điều khiển bật tắt đèn và quạt từ xa Ngoài ra, việc kết nối qua Wi-Fi và đăng nhập vào trang web cũng cho phép mở và tắt thiết bị một cách thuận tiện Đặc biệt, khi có sự cố xảy ra, module SIM 900 sẽ gửi tin nhắn thông báo cho chủ nhà về tình trạng của ngôi nhà.
mạch nguyên lý khối xử lý trung tâm
Khi xảy ra cháy, các tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ và nồng độ khói sẽ được xử lý Khi nhiệt độ vượt quá mức quy định hoặc nồng độ khói tăng cao, các công tắc khẩn được kích hoạt Các cảm biến sẽ truyền tín hiệu đến vi điều khiển, giúp vi điều khiển xử lý thông tin và kích hoạt hệ thống cảnh báo tương ứng.
Điều khiển hệ thống cảnh báo (báo động)
Hiển thị các trạng thái hoạt động của hệ thống báo cháy qua màn hình LCD, các trạng thái khi có cháy và khi không có cháy.
