TỔNG QUAN
Tính cấp thiết của đề tài
Trong vài năm gần đây, với sự phát triển của Internet of Things (IoT), nhà thông minh đã trở thành xu hướng công nghệ tất yếu và tiêu chuẩn của nhà ở hiện đại Tại triển lãm công nghệ điện tử và tiêu dùng lớn nhất thế giới vào tháng 1/2015 tại Las Vegas, nhà thông minh là một trong những chủ đề nổi bật Theo dự báo của Gartner, công nghệ IoT sẽ bùng nổ từ năm 2015, với sự tham gia của nhiều hãng công nghệ hàng đầu.
Việt Nam cũng không nằm ngoài xu hướng phát triển nhà thông minh Năm 2014, các chủ đầu tư của nhiều khu đô thị lớn như Phú Mỹ Hưng, Royal City, Times City, Ecopark và Vinhomes Central Park đã tích hợp công nghệ IoT vào các căn hộ, mang lại tiện nghi và đẳng cấp cho người dân, khẳng định tầm quan trọng của IoT trong cuộc sống hiện đại.
Sự gia tăng tiêu thụ điện năng đang trở thành một vấn đề đáng lo ngại, đặc biệt khi các thiết bị điện ngày càng tiêu thụ nhiều năng lượng hơn Nguồn năng lượng chính mà con người sử dụng hiện nay đang dần cạn kiệt Do đó, việc tiết kiệm và sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng hiện có là rất cần thiết để bảo vệ môi trường và đảm bảo sự bền vững cho tương lai.
Việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo đang trở nên cấp bách trên toàn cầu Mặc dù nhiều quốc gia đã đạt được những thành tựu đáng kể trong phát triển năng lượng, Việt Nam vẫn chưa chú trọng đúng mức đến vấn đề này.
Người thực hiện đã chọn đề tài Mô hình Smart Home sử dụng năng lượng mặt trời nhằm đáp ứng các yêu cầu phát triển ngành kỹ thuật cao tại Việt Nam Đề tài này không chỉ giúp Việt Nam theo kịp xu hướng hiện đại của IoT mà còn giải quyết vấn đề năng lượng Hơn nữa, tính thực tiễn cao của mô hình cho phép áp dụng trực tiếp vào tình hình hiện tại của đất nước.
Mục tiêu nghiên cứu
Với đề tài: “Mô hình SMARTHOME sử dụng năng lượng mặt trời”.Sau khi hoàn thành đồ án người thực hiện cần đạt các mục tiêu:
Lập trình phần mềm LabVIEW là kỹ năng quan trọng giúp bạn kết nối và điều khiển các thiết bị như kit myRIO và các module như mạch cầu H, buzzer, relay, cũng như các cảm biến gas, nhiệt độ, ánh sáng, keypad và LCD Việc nắm vững các thông số và cách giao tiếp giữa các module này sẽ nâng cao khả năng phát triển các ứng dụng tự động hóa và điều khiển trong các dự án kỹ thuật.
Giao tiếp giữa thiết bị và máy tính qua mạng Wifi cho phép triển khai ứng dụng trên máy tính bảng thông qua phần mềm DashBoard, từ đó điều khiển các thiết bị một cách hiệu quả.
Rèn luyện kĩ năng nghiên cứu, tìm hiểu tài liệu.
Thiết kế giao diện phần mềm giúp người sử dụng theo dõi và điều khiển mạch phần cứng.
Nhiệm vụ nghiên cứu
Nghiên cứu tài liệu hướng dẫn sử dụng kit myRio về cấu tạo, đặc tính kỹ thuật.
Tìm hiểu về phần mềm lập trình Labview và cách lập trình cho kit.
Các module trong đồ án:Pmod, keypad, mạch cầu H,cảm biến ánh sáng cảm biến nhiệt độ cảm biến gas, module relay, module buzzer.
Tìm hiểu mạch sạt năng lượng mặt trời V2
Cấu hình mạng để kit giao tiếp được với máy tính.
Xây dựng thuật toán và viết code cho ứng dụng dựa theo mục tiêu đã đề ra.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Kit myRio là một hệ thống mạnh mẽ bao gồm phần mềm Labview và mạch cầu H, cho phép người dùng dễ dàng kết nối và điều khiển các module theo Kit cũng như các module bên ngoài Hệ thống này hỗ trợ cấu hình mạng điều khiển qua wifi, giúp tối ưu hóa việc quản lý và giám sát Bên cạnh đó, nghiên cứu về web service ứng dụng Data Dashboard cũng được tích hợp, mang lại khả năng phân tích dữ liệu hiệu quả và trực quan.
Nghiên cứu lập trình ứng dụng đơn giản là bước khởi đầu quan trọng cho việc phát triển các ứng dụng phức tạp hơn sau này Qua việc nắm vững những kiến thức cơ bản, người học có thể mở rộng và nâng cao kỹ năng lập trình của mình.
LabVIEW là phần mềm với giao diện trực quan và sinh động, tuy đã được sử dụng rộng rãi nhưng vẫn còn khá mới mẻ đối với sinh viên hiện nay Do đó, người thực hiện quyết định nghiên cứu đề tài này như một cách tiếp cận công nghệ mới Tuy nhiên, quá trình này cũng gặp phải một số khó khăn và thiếu sót.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp thu thập thông tin, tự nghiên cứu, sau đó tổng hợp và đưa ra phương án thực hiện đề tài.
Ý tưởng: Điều khiển các module sử dụng kit myRio gồm điều khiển qua má tính,laptop vàđiều khiển qua máy tí nh bảng.
PHẦN MỀM LẬP TRÌNH LABVIEW
Phần mềm lập trình Labview
Hình 2 1: Labview khi khởi động
LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) là phần mềm do National Instruments phát triển, được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm và lĩnh vực khoa học kỹ thuật như tự động hóa, điều khiển, điện tử, cơ điện tử, hàng không, hóa sinh và điện tử y sinh, đặc biệt phổ biến ở Mỹ, Hàn Quốc và Nhật Bản.
Ngôn ngữ lưu đồ đồ họa của LabVIEW thu hút sự quan tâm của các kỹ sư và nhà khoa học toàn cầu nhờ vào tính trực quan trong tự động hóa hệ thống đo lường và điều khiển Sự kết hợp giữa ngôn ngữ lưu đồ, I/O gắn liền, và giao diện người sử dụng tương tác cùng đèn chỉ báo, đã làm cho LabVIEW trở thành lựa chọn lý tưởng cho các chuyên gia trong lĩnh vực này.
LabVIEW là một ngôn ngữ lập trình độc đáo, khác biệt hoàn toàn so với các ngôn ngữ lập trình truyền thống như C hay Pascal Nó sử dụng cú pháp hình ảnh trực quan trong môi trường soạn thảo, do đó thường được gọi là lập trình G (viết tắt của Graphical) Hiện nay, ngoài phiên bản dành cho hệ điều hành Windows và Linux, NI cũng đã phát triển các mô-đun LabVIEW cho máy hỗ trợ cá nhân (PDA).
LabVIEW được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như đo lường, tự động hóa, cơ điện tử, robotics, vật lý, toán học, sinh học và vật liệu ô tô.
Labview giúp người lập trình kết nối bất kỳ cảm biến, và bất kỳ cơ cấu chấp hành nào với máy tính.
Labview có thể được sử dụng để xử lý các kiểu dữ liệu như tín hiệu tương tự (analog), tín hiệu số (digital), hình ảnh (vision), âm thanh (audio)…
LabVIEW hỗ trợ nhiều giao tiếp như RS232, RS485, TCP/IP, PCI, PXI, và đã trở nên phổ biến trong các phòng thí nghiệm tại Nhật, Hàn, Mỹ, Anh, Đức, cũng như đang được sinh viên và kỹ sư Việt Nam tiếp cận Một số ứng dụng tiêu biểu bao gồm: ứng dụng đo lường để thu thập dữ liệu tàu vũ trụ nhỏ tại NASA; mô phỏng 3D cánh tay robot đơn giản do Thạc sĩ Đỗ Trung Hiếu thực hiện; điều khiển phương tiện không người lái cho robot dò tìm dưới nước của tập đoàn Nexans; và ứng dụng thu thập hình ảnh, mô phỏng động lực học hệ thống lái không trục lái trong ô tô, kết hợp với hình ảnh từ webcam hiển thị trên giao diện người dùng.
Trong bài viết này, người thực hiện đã áp dụng Labview để thu thập dữ liệu từ cảm biến, tiếp theo là xử lý và truyền tín hiệu về kit myRio nhằm đáp ứng các yêu cầu của đề tài.
2.1.3 Cách sử dụng phần mềm Labview
Sau khi cài đặt xong phần mềm Labview, để khởi chạy, ta click vào biểu tượng của phần mềm (hình 2.1)
Hình 2.2: Icon labview 2014 Để tạo project mới, chọn File -> New Vi (hoặc nhấn phím tắt Ctrl + N)
Hình 2.3: Cửa sổ giao diện Labview khi mới khởi động
Hai cửa sổ xuất hiện, một màu xám (Front Panel) và một màu trắng (Block Diagram) như hình 2.2 Để canh đều hai cửa sổ này, nhấn Ctrl+T.
Hình 2.4: Front Panel và Block Diagram
Front Panel là giao diện người dùng tương tác cho toàn bộ hệ thống, cho phép người dùng quan sát kết quả từ các thiết bị ảo Trong khi đó, Block Diagram là sơ đồ khối bao gồm các thiết bị đầu cuối, subVis, nút, hàm chức năng, hằng số, cấu trúc và dây kết nối, nơi dữ liệu được truyền giữa các đối tượng khác nhau.
Trong LabVIEW, các nút nhấn được gọi là Control, đóng vai trò là đầu vào (input) như tay nắm, nút ấn, thanh trượt, boolean, chuỗi, giúp mô phỏng thiết bị đầu vào và cung cấp dữ liệu cho sơ đồ khối của VI Ngược lại, các LCD hiển thị được gọi là Indicator, đóng vai trò là đầu ra (output) với các dạng như đồ thị, biểu đồ, đèn LED, chuỗi trạng thái Để thêm các Control và Indicator, người dùng chỉ cần nhấp chuột phải trên cửa sổ Front Panel Các Control thường kết nối vào các nút bên trái của hàm, có màu trắng và có mũi tên lên xuống để điều chỉnh giá trị, trong khi các Indicator kết nối vào các nút bên phải, có màu xám và không thể nhập giá trị vào.
Hình 2.5: Control và Indicator trên Front Panel
Để gọi hàm trong cửa sổ sơ đồ khối (Block Diagram), bạn chỉ cần nhấp chuột phải Sử dụng các đường dây nối để thiết lập mối liên kết giữa các khối và hàm.
Hình 2.6: Các hàm trên Block Diagram
Từ đây, người lập trình sẽ gọi các control, indicator và các hàm để lập trình theo từng yêu cầu, từng mục đích của người thực hiện.
Sau khi lập trình xong, để chạy chương trình, ta click vào Operate -> Run (hoặc nhấn phím tắt Ctrl + R) hoặc click vào biểu tượng như hình 2.6
Hình 2.7: Click Run để chạy chương trình
Trong LabVIEW, để lưu tệp, bạn chọn File -> Save, sau đó chọn vị trí lưu và đặt tên cho tệp trước khi nhấn OK Các tệp chương trình LabVIEW có đuôi VI, viết tắt của "Virtual Instrumentation" (thiết bị ảo).
Để lưu file hiện tại thành một file mới, chọn "Save as" và hộp thoại sẽ xuất hiện như hình 2.8 Ba lựa chọn trong mục copy có ý nghĩa như sau:
Substitude… có nghĩa là file mới tạo sẽ được mở, file cũ sẽ đóng lại.
Create… có nghĩa là file cũ sẽ được mở, file mới tạo sẽ được đóng lại.
Open… có nghĩa là cả hai file cũ và mới tạo sẽ được mở.
Nếu chọn mục Rename thì không có file mới nào được tạo nhưng có thể thay đổi tên file hiện tại.
Để mở file trong Labview, bạn cần chọn File -> Open và tìm đến file cần mở Cần lưu ý rằng các file được tạo bằng phiên bản Labview cũ sẽ không thể mở bằng phiên bản mới hơn, và ngược lại, file lưu bằng phiên bản mới không thể mở trong phiên bản cũ Để đảm bảo tính tương thích, hãy sử dụng chức năng Save for previous version trong menu File khi bạn muốn lưu file để có thể mở bằng các phiên bản Labview thấp hơn.
9 Để sử dụng Labview hiệu quả, rút ngắn thời gian, giảm bớt các công đoạn vào thư viện lấy control, indicator… thì cần phải nhớ các quy tắc:
Quy tắc 1: Sử dụng chuột phải để tạo, thay thế hoặc thay đổi chức năng của các khối Quy tắc này giúp tăng tốc độ lập trình và giảm thiểu số lần nhấp chuột cần thiết để tìm kiếm các khối cần thiết.
Quy tắc 2: Ctrl + H để xem sơ đồ chân của hàm và đọc hướng dẫn tóm tắt của một hàm bất kỳ (context help).
Quy tắc 3: Search để tìm kiếm các đối tượng, các hàm.
2.1.4 Giao tiếp giữa kit NI myRio với phần mềm Labview trên PC. Để cấu hình mạng cho NI myRio, sau khi kết nối kit myRio với PC bằng cáp USB, ta tìm và click vào biểu tượng NI MAX trên PC để cấu hình địa chỉ cho kit, ta được giao diện như 2.9
Hình 2.10: Giao diện cửa sổ NI MAX
Mạch sạt pin năng lượng mặt trời V2
Mạch vi điều khiển 16F676 được sử dụng để điều khiển mạch sạc pin năng lượng mặt trời V2, nhờ vào tính năng phù hợp với đề tài nghiên cứu và mức giá hợp lý Việc thiết kế một mạch sạc mới không khả thi trong điều kiện nghiên cứu hiện tại, do đó, quyết định sử dụng mạch sạc có sẵn là lựa chọn tối ưu.
- Điều khiển sạt ắc quy cho Pin mặt Trời.
- Tự động ngắt khi bình đầy, tự động nạp lại khi bình yếu.
- Các LED hiển thị dung lượng ắc quy từ 25%, 50%, 75% và 100%
- LED báo chế độ sạt, LED báo cho phép ra tải
- Có cổng ra tải có chức năng bảo vệ ắc quy Tự ngắt khi bình yếu.
- Bảo vệ quá dòng, tự động ngắt khi quá dòng.
Gồm 01 ngõ vào, 01 ngõ ra tải và
- Dòng bảo vệ quá dòng : 20A
- Mặc định nạp cho bình < 100AH.
Hình 3 30: Mạch sạt pin năng lượng mặt trời V2
46
Sơ đồ khối hệ thống
4.1.1 Yêu cầu của hệ thống
Hệ thống hoạt động có khả năng:
- Thu thập dữ liệu nhiệt độ, ánh sáng từ môi trường,hiển thị ngày giờ.
- Phát hiện cảnh báo nếu có sự cố về gas hoặc cháy nổ.
- Có khả năng đóng mở của bằng mật khẩu.
- Có khả năng điều khiển các đèn Relay tự động và bằng tay.
Hệ thống kit NI myRio cho phép điều khiển không dây thông qua kết nối wifi, tương thích với các thiết bị cầm tay sử dụng hệ điều hành Android hoặc iOS.
- Lưu trữ và gửi dữ liệu lên máy tính thông qua wifi.
- Xây dựng hệ thống web severs bao gồm:
Hình 4 1: Sơ đồ khối của hệ thống
Khối năng lượng mặt trời bao gồm tấm panel năng lượng mặt trời, mạch sạc pin năng lượng mặt trời V2 và acquy, tạo thành một nguồn năng lượng dự phòng hiệu quả cho mạch.
- Khối nguồn chính: đây là mạch chuyển giữa việc sử dụng năng lượng mặt trời và điện thế quốc gia
- Khối nguồn Adapter: dùng để bến đổi điện xoay chiều thành 1 chiều 12V làm nguồn năng lượng cho hệ thống.
Khối nhận tín hiệu môi trường bao gồm các cảm biến ánh sáng, nhiệt độ và gas, nhằm thu thập các tín hiệu analog từ môi trường xung quanh Các tín hiệu này sau đó được truyền đến khối xử lý trung tâm để tiến hành lưu trữ và xử lý thông tin.
- Khối giao tiếp trực tiếp: bao gồm ma trận phím, LCD và các Switch điều khiển dùng để giao tiếp trực tiếp với hệ thống
Khối điều khiển trung tâm có vai trò quan trọng trong việc thu thập tín hiệu từ các khối khác, xử lý thông tin và phát ra tín hiệu để điều khiển hoạt động của hệ thống.
Môi trường internet đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng yêu cầu của đề tài, bao gồm hệ thống máy chủ web và giao diện người dùng trên các máy chủ này.
Thiết bị di động thông minh cho phép người dùng tận dụng khả năng của khối xử lý trung tâm, giúp điều khiển các thiết bị trong nhà thông qua kết nối wifi một cách dễ dàng và tiện lợi.
Các thiết bị tải là những thiết bị thực hiện các tác vụ sau khi khối xử lý trung tâm đã tiếp nhận và xử lý tín hiệu từ khối cảm biến cùng với các khối khác.
4.1.4 Hoạt động của hệ thống
Hệ thống thu thập dữ liệu nhiệt độ, ánh sáng được giám sát và điều khiển bằng
2 cách để mô hình khi áp dụng vào thực tế sẽ dễ sử dụng hơn trong từng điều kiện làm việc và môi trường khác nhau.
Giám sát và điều khiển trên máy tính cho phép người điều khiển tác động gián tiếp đến hệ thống thông qua giao diện điều khiển.
Thiết kế, tính toán hệ thống
Giám sát và điều khiển hệ thống được thực hiện thông qua các phím trên keypad và máy tính bảng, cho phép người điều khiển trực tiếp theo dõi và quản lý các hoạt động trong thực tế.
4.2.1 Panel mặt trời, mạch sạt, acquy, mạch chuyển nguồn, adapter
Hình 4 2: Sơ đồ nối dây các khối của mạch nguồn
Toàn bộ các module trên nhầm đáp úng được nguồn nuôi 12V của thiết bị, các nguồn 5V,3,3V lấy trực tiếp từ kit Ni myRIO.
4.2.2 Module cảm biến nhiệt độ - PmodTMP3
Hình 4 3: Sơ đồ nối dây module PmodTMP3 với kit NI myRIO
Cấu hình mode I2C, địa chỉ slave
Bước 1: Cấu hình mode I2C, địa chỉ slave để khởi tạo bus kết nối đến FPGA.
Ghi giá trị thiết lập cho các thanh ghi của module Đọc dữ liệu từ module truyền về
Xử lý, chuyển đổi dữ liệu
Hiển thị kết quả ra màn hình
Bước 2: Ghi giá trị thiết lập cho các thanh ghi: CONFIG để cài đặt độ phân giải, T SET cài đặt giới hạn trên,
T HYST cài đặt giới hạn dưới, T A để đọc thanh ghi giá trị nhiệt nhiệt độ.
Bước 3 : Đọc 2 byte dữ liệu ở thanh ghi
Hình 4 4:Lưu đồ giải thuật đọc nhiệt độ từ module PmodTMP3
Bước 4: Xử lí chuyển đổi dữ liệu.
Bước 5: Hiển thị kết quả ra màn hình.
Bước 6: Kiểm tra xem có dừng hay.không? Nếu có thì kết thúc chương.trình, nếu không thì quay lại bước
Hình 4 5: Kết quả mô phỏng đọc giá trị ánh sáng từ module PmodALS.
Source code điều khiển module PmodTMP3 xem ở phần phụ lục
4.2.2 Module cảm biến ánh sáng – PmodALS
Hình 4 6: Sơ đồ kết nối modue PmodALS với kit NI myRIO
CS=0 Đọc dữ liệu từ module
Xử lí, chuyển đổi dữ liệu
Hiển thị kết quả ra màn hình
Bước 1: cấu hình mode SPI để khởi tạo bus kết nối đến FPGA.
Bước 2: cho chân CS =0 Để bắt đầu quá trình đọc dữ liệu từ module.
Bước 3: Đọc dữ từ module truyền về. Bước 4: xử lí chuyển đổi dữ liệu.
Bước 5: Hiển thị kết quả ra màn hình.
Bước 6: cho chân CS =1 để kết thúc quá trinh đọc dữ liệu từ module.
Hình 4 7: Lưu đồ giải thuật đọc cường độ ánh sáng
Bước 7: Kiểm tra xem điều kiện có dừng hay không? Nếu có thì kết thúc chương trình, nếu không thì quay lại bước 2.
Hình 4 8:Kết quả mô phỏng đọc giá trị ánh sáng từ module PmodALS.
Source code đọc giá trị ánh sáng từ module PmodALS xem ở phần phụ lục
Hình 4 9 : Sơ đồ kết nối module RTC DS1307 với kit NI myRIO
Get thời gian thực từ hệ thống
Chuyển đổi dữ liệu từ thập phân sang BCD
Ghi vào các thanh ghi
Bước 1: Cấu hình mode I2C để khởi tạo bus kết nối đến FPGA.
Bước 2: Get thời gian thực từ hệ thống PC.
Bước 3: chuyền đổi dữ liệu thời gian từ hệ thống sang BCD.
Bước 4: Ghi các dữ liệu vào các thanh ghi của IC DS1307.
4 1 0 : L ư u đ ồ g i ả i t h ật cài đặt thời gian thực từ hệ thống cho module RTC
Source code đọc thời gian thực từ module RTC
DS1307 xem ở phần phụ lục 4.
Hình 4 11: LCD với:Sơ đồ kết nối board
Lưu đồ giải thuật begin cấu hình mode
UART ghi lệnh khỏi tạo
Bước 1: Cấu hình mode UART để khởi tạo bus kết nối đến FPGA.
Bước 2: Ghi lệnh khởi tạo lcd 16x2, con trỏ đầu hàng.
Bước 3: Gọi hàm đọc thời gian thực trên PC.
Chuyển đổi sang mã ASCII.
Bước 5: Kiểm tra điều kiện có dừng hay không? Nếu có thì kết thúc chương trình, nếu không thì quay lại bước 3.
13: Hình kết quả hiển thị LCD
Source code điều khiển module PmodTMP3 xem ở phần phụ lục
Hình 4 14: Sơ đồ kết nối module PmodKYPD với kit NI myRIO
Begin khởi tạo bus kết nối các chân keypad đến
Quét 4 cột thiết lập chế độ hi-z tất cả các cột cột thứ nhất se đọc tất cả các hàng
Bước 1: Khởi tạo bus kết nối các chân hàng và cột của keypad đến FPGA.
Bước 2: Tiến hành quét 4 cột.
Bước 3: Thiết lập chế độ Hi-Z cho tất cả các cột.
Bước 4: cho cột thứ nhất se. Bước 5: đọc tất cả các hàng.
Bước 6: Kiểm tra sự tồn tại của phím nhấn Nếu không có, đặt giá trị của cột tiếp theo là false và quay lại bước 5 Nếu có phím nhấn, tiếp tục đến bước 6.
Yes End N o cột kế se
Bước 6: Tìm mã ứng với phím nhấn chuyển đổi thành số.
B ki ện có dừ ng ha y không? Nếu có thì kết thúc chương trinhg, nếu không thì quay lại bước2.
Lưu đồ giải thuật điều khiển
Hình 4 16 : Kết quả mô phỏng điều khiển module PmodKYPD
4.2.6 Module điều khiển động cơ L298 và động cơ
Hình 4 17:Sơ đồ kết nối module L298 với kit NI MyRIO 1900
Kiểm tra EN1 và EN2
Bước 1: Kiểm tra tín hiệu cho chân EN1, EN2 nếu sai thì quay lại từ đầu
Lưu đồ giải thuật điều khiển động cơ bằng Module L298
Bước 2: Khởi động PWM điều kiển
Kiểm tra Keypad xem có đúng không.
Bước 4:Nếu đúng cho các động cơ hoạt động Sai thì kết thúc chương trình
Tiếp tục thực hiện vòng lặp
4.2.7 Module cảm biến gas MQ2 và module buzzer.
Hình 4 19:Sơ đồ kết nối module MQ2 và Module Buzzer
Hình 4 20:Lưu đồ giải thuật nhận tín hiệu từ MQ2 và điều khiển buzzer
Bước 1: Kiểm tra chân nhận D0 của MQ2.
Bước 2: Nếu kết quả nhận về là thấp thì chứng tỏ có hiện tượng rò rỉ gas.
Bước 3: Tiến hành bào động bằng buzzer và đèn báo
+ Đèn báo ở đây là hệ thống đèn của hệ thống Các đèn sẽ chóp tắt liên tục
Kích hoạt động cơ cửa để thoát hiểm ra ngoài, đồng thời tắt tất cả thiết bị khác nhằm ngăn ngừa nguy cơ chập điện trong trường hợp xảy ra cháy.
* Lưu ý do chỉ có 1 bước kiểm tra cảm biến nên độ nhạy của cảm biến được chỉnh thấp
4.2.8 Module Relay, Switch, Nút nhấn và hệ thông đèn led.
Hình 4 21:Sơ đồ kết nối Module Relay, Nút nhấn
Lưu đồ này được thực thi khi hệ thống hoạt động ở chế độ MAIN
Bước 1: nút nhấn Main nếu nhận được mức cao thì hệ thống đang chế độ Main.
Bước 2: Nếu hệ thống đang chế độ Main thì tiếp tục kiểm tra các Switch để điều khiển các thiết bị
Bước 3: Thực thi theo các Switch chọn.
Hình 4 22: Lưu đồ giải thuật nhận tín hiệu Switch và điều khiển ht đèn, Relay
4.3.1 Thiết kế kết cấu mô hình Mica
Thiết kế được lấy ý tưởng từ các nhà phố ở khu vực thành phố Hồ Chí Minh.
Mô hình có kích thước hẹp về bề ngang nhưng dài về chiều dài, được thiết kế dựa trên bản vẽ xây dựng nhà cụ thể Mô hình mica được thu nhỏ với tỷ lệ 1/20 so với thực tế, và các bản vẽ thiết kế chi tiết được đính kèm trong phần Phụ lục.
4.3.2 Thiết kế mạch nguyên lý.
Mạch nguyên lý được tổng hợp thiết kế từ các sơ đồ kết nối của từng module cũng như các kiến thức đã có trong quá trình học.
Sau đây là Sơ đồ mạch nguyên lý của hệ thống.
4.4.1 Thiết kế giao diện Để lập trình cũng như tạo giao diện cho website ta cần dùng 1 ngôn ngữ để viết Ở đây ta sử dụng ngôn ngữ PHP Để tạo giao diện cần sử dụng phần mềm Adobe Dreamweaver CS6 Phần mềm này có hộ trợ trực quan giúp người dùng dễ dàn thiết kế giao diện web theo ý muốn
Hình 4 23: Phần mềm với giao diện người dùng Sau khi hoàn thành giao diện như sao
Giao diện người dùng vẫn còn đang xây dựng
4.5 Giao tiếp với máy tính bảng
Sử dụng kết nối WiFi của kit NI myRio để giao tiếp với thiết bị di động chạy Android, iOS hoặc Windows Phone, sau đó thiết kế giao diện điều khiển hệ thống trên thiết bị di động.
4.5.2 Phần mềm NI Data Dashboard trên Android
Có nhiều cách để tạo giao diện điều khiển trên thiết bị cầm tay, như lập trình ứng dụng bằng Xcode với Objective C cho iOS hoặc sử dụng Java cho Android Tuy nhiên, việc học một ngôn ngữ lập trình và làm quen với nó để phát triển phần mềm là một quá trình khó khăn và tốn thời gian Do đó, người thực hiện đã chọn phần mềm NI Data Dashboard để giao tiếp với kit myRio trong việc điều khiển hệ thống Phần mềm này được phát triển bởi NI để kết nối thiết bị cầm tay với LabVIEW và hiện có sẵn trên cả ba hệ điều hành lớn: Android, iOS và Windows.
Người thực hiện quyết định chọn sử dụng hệ điều hành Android trên máy tính bảng Samsung, vì đây là thiết bị mà họ đã sở hữu trước đó.
Dựa vào những đặc điểm của ứng dụng NI Data Dashboard, người thực hiện sẽ thiết kế một giao diện để điều khiển hệ thống gồm:
01 công tắc bật tắt để cho phép điều khiển Relay
05 công tắt để điều khiển đèn ở các khu vực
05 đèn hiển thị ở các khu vực
Một đồng hồ hiển thị ánh sáng ngoài trời
Từ những dữ kiện ở trên, người thực hiện đã thiết kế giao diện trên ứng dụng
NI Data Dash Board, sau đó sử dụng chức năng chia sẻ biến của cả Labview và NI Data Dashboard thông qua Wifi xuống kit myRio.
Hình 4 25 Giao diện trên máy tính bảng
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
- Trong thời gian cho phép đề tài đã thực hiện cơ bản các yêu cầu.
- Xây dựng được mô hình ở mức độ tương đối.
Do thời gian thực hiện đề tài có hạn, chương trình được xây dựng dựa trên một số hàm và ví dụ, demo từ nhà sản xuất cũng như trên internet, nên chưa được hiểu rõ và sâu sắc.
- Kit NI myRIO và phần mềm LabVIEW myRIO cũng như lý thuyết về nhúng còn khá mới, chủ yếu do National Instruments cung cấp.
- Tiếp nối những đề tài đi trước, người thực hiện bước đầu đã đưa kit
Ni myRIO đóng vai trò quan trọng trong ứng dụng thực tiễn của cuộc sống Mặc dù các ứng dụng hiện tại còn đơn giản và điển hình, nhưng chúng đã tạo nền tảng vững chắc để người sử dụng nắm bắt được kiến thức cơ bản về bộ kit cũng như phần mềm lập trình LabVIEW.
- Đưa ra được các vấn đề về năng lượng, và việc sử dụng năng lượng mặt trời.
- Trong quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp của các thầy (cô) và các bạn.
Sau khi thực hiện xong đề tài “Mô hình SMARTHOME sử dụng năng lượng mặt trời”, đề tài đã hoàn thành các nội dung chính như sau:
- Tìm hiểu về cấu trúc thiết kế Kit NI myRIO.
- Tìm hiểu các đặc tính kỹ thuật Kit NI myRIO
Trình bày tổng quát nội dung về Kit NI myRIO.
Về phần mềm lập trình
Tìm hiểu về ngôn ngữ lập trình LabVIEW và cách lập trình trên Kit NI myRIO
Tìm hiểu và phân tích các đặc tính kỹ thuật của các module như PmodCLS, PmodKYD, RTC DS1307, PmodALS, và PmodTMP3, đồng thời thực hiện giao tiếp với kit NI myRIO để nâng cao khả năng ứng dụng trong các dự án điện tử.
- Source code cho các module ( file đính kèm)
Về triển khai ứng dụng:
Xây dựng hệ thống mô hình SMARTHOME sử dụng năng lượng mặt trời để thu thập dữ liệu ánh sáng và nhiệt độ Hệ thống này sẽ lưu trữ và hiển thị kết quả trên màn hình LCD, đồng thời truyền dữ liệu lên máy tính để theo dõi và phân tích.
5.3 Hướng phát triển đề tài
Sau khi hoàn thành đề tài, chúng tôi đã xây dựng cơ bản phần cứng và tìm hiểu về phần mềm Mặc dù chưa khai thác hết mọi tính năng của Kit NI myRIO và chỉ triển khai ứng dụng điển hình, nhưng vẫn còn nhiều thiếu sót so với thực tế Để nâng cao chất lượng và hiệu quả của đề tài, cần phát triển một số vấn đề quan trọng trong tương lai.
- Nâng cao mức độ phức tạp hơn về yêu cầu ứng dụng Kit NI.
Xử lí hình ảnh thu được từ camera thông qua cổng USB.
Điều khiển cổng Audio output: phát âm thanh được lưu trong Ram hoặc thẻ nhớ thông qua cổng USB.
Tối ưu hóa hiệu suất hấp thụ năng lượng mặt trời
Trong quá trình thực hiện đề tài, người nghiên cứu đã phải làm quen với ngôn ngữ lập trình Labview hoàn toàn mới, dẫn đến việc chưa tiếp thu hết các tính năng của nó Do đó, đề tài chỉ đạt được mức độ cơ bản của Labview Để chương trình điều khiển và giám sát có thể ứng dụng hiệu quả trong sản xuất thực tế, cần phải nghiên cứu và thực hiện thêm nhiều vấn đề khác.
6.1 Kết quả và nhận xét
Sau quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài “Mô hình smarthome sử dụng năng lượng mặt trời” thì đề tài đã hoàn thành các nội dung sau:
Nắm được cấu hình phần cứng của kit NI myRio.
Tìm hiểu và phân tích các đặc điểm kỹ thuật của kit Các giao tiếp chính của kit với thiết bị ngoại vi.
Kết nối các linh kiện với kit.
Trình bày về Labview và lập trình cho kit NI myRio.
Về các linh kiện khác:
Trình bày về mạch sạt pin năng lượng mặt trời V2
Trình bày về động cơ DC.
Trình bày về mạch cầu H
Trình bày về mặt buzzer
Trình bày vềcảm biến ánh sáng ,nhiêṭđô,c̣cảm biến gas
Trình bày vềreal-time DS1307.
Về thiết kế hệ thống:
Xây dựng được mô hình gắn liền với thực tế.
Thiết kế hoạt động chưa ổn định các chức năng
Dưới đây là một số hình ảnh thực tế của thiết bi:c̣
Hình 6 1: Mô hình đồ án mặt ngang
Hình 6 2 Mô hình mặt trước
Hình 6 3Phòng điều khiển mô hình
Người thực hiện đã nghiên cứu phần mềm LabVIEW, tìm hiểu cách lập trình và các giao tiếp chính, cũng như cách kết nối với kit myRio để lập trình điều khiển theo yêu cầu Bên cạnh đó, họ cũng đã phát triển ứng dụng NI Data Dashboard và thiết kế giao diện điều khiển trên nền tảng này.
CHỨC NĂNG TỪNG KHỐI
Khối năng lượng mặt trời bao gồm tấm panel năng lượng mặt trời, mạch sạc pin năng lượng mặt trời V2 và acquy, tạo thành nguồn năng lượng dự phòng hiệu quả cho mạch.
Khối nguồn chính: đây là mạch chuyển giữa việc sử dụng năng lượng mặt trời và điện thế quốc gia
Khối nguồn Adapter: dùng để bến đổi điện xoay chiều thành 1 chiều
12V làm nguồn năng lượng cho hệ thống.
Khối nhận tín hiệu môi trường bao gồm các cảm biến ánh sáng, nhiệt độ và gas, với mục đích thu thập tín hiệu analog từ môi trường xung quanh Những tín hiệu này sau đó được truyền đến khối xử lý trung tâm để lưu trữ và xử lý thông tin.
Khối giao tiếp trực tiếp: bao gồm ma trận phím, LCD và các Switch điều khiển dùng để giao tiếp trực tiếp với hệ thống
Khối điều khiển trung tâm có nhiệm vụ thu thập tín hiệu từ các khối khác và xử lý thông tin này Đồng thời, nó cũng phát ra các tín hiệu để điều khiển hoạt động của hệ thống.
Môi trường internet là một phần quan trọng trong hệ thống nhằm đáp ứng yêu cầu của đề tài Hệ thống này bao gồm các máy chủ web và giao diện người dùng được triển khai trên các máy chủ đó.
Thiết bị di động thông minh cho phép người dùng tận dụng khả năng của khối xử lý trung tâm để điều khiển các thiết bị trong nhà thông qua kết nối wifi.
Các thiết bị tải là những công cụ được sử dụng để thực hiện các tác vụ sau khi bộ xử lý trung tâm đã xử lý tín hiệu từ các cảm biến và các khối khác.
LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT
Cấu hình mode I2C, địa chỉ slave
Ghi giá trị thiết lập cho các thanh ghi của module Đọc dữ liệu từ module truyền về
Xử lý, chuyển đổi dữ liệu
Hiển thị kết quả ra màn hình
Bước 1: Cấu hình mode I2C, địa chỉ slave để khởi tạo bus kết nối đến FPGA.
Bước 2: Ghi giá trị thiết lập cho các thanh ghi: CONFIG để cài đặt độ phân giải,
T SET cài đặt giới hạn trên, T HYST cài đặt giới hạn dưới, T A để đọc thanh ghi giá trị nhiệt nhiệt độ.
Bước 3 : Đọc 2 byte dữ liệu ở thanh ghi TA.
Bước 4: Xử lí chuyển đổi dữ liệu.
Bước 5: Hiển thị kết quả ra màn hình.
Bước 6: Kiểm tra xem có dừng hay không? Nếu có thì kết thúc chương trình, nếu không thì quay lại bước đọc dữ liệu.
CS=0 Đọc dữ liệu từ module
Xử lí, chuyển đổi dữ liệu
Hiển thị kết quả ra màn hình
Bước 1: cấu hình mode SPI để khởi tạo bus kết nối đến FPGA.
Bước 2: cho chân CS =0 Để bắt đầu quá trình đọc dữ liệu từ module.
Bước 3: Đọc dữ từ module truyền về Bước 4: xử lí chuyển đổi dữ liệu.
Bước 5: Hiển thị kết quả ra màn hình.
Bước 6: cho chân CS =1 để kết thúc quá trinh đọc dữ liệu từ module.
Bước 7: Kiểm tra xem điều kiện có dừng hay không? Nếu có thì kết thúc chương trình, nếu không thì quay lại bước 2.
Hình 4: Lưu đồ giải thuật đọc cường độ ánh sáng
Get thời gian thực từ hệ thống
Chuyển đổi dữ liệu từ thập phân sang BCD
Ghi vào các thanh ghi RTC
Bước 1: Cấu hình mode I2C để khởi tạo bus kết nối đến FPGA.
Bước 2: Get thời gian thực từ hệ thống PC.
Bước 3: chuyền đổi dữ liệu thời gian từ hệ thống sang BCD.
Bước 4: Ghi các dữ liệu vào các thanh ghi của IC DS1307.
Hình 5: Lưu đồ giải thuật cài đặt thời gian thực từ hệ thống cho module RTC DS1307
Begin khởi tạo bus kết nối các chân keypad đến
Quét 4 cột thiết lập chế độ hi-z tất cả các cột cột thứ nhất se đọc tất cả các hàng có phím nhấn ?
Tìm mã ứng với phím nhấn chuyển thành số
Bước 1: Khởi tạo bus kết nối các chân hàng và cột của keypad đến FPGA.
Bước 2: Tiến hành quét 4 cột.
Bước 3: Thiết lập chế độ Hi-Z cho tất cả các cột.
Bước 4: cho cột thứ nhất se.
Bước 5: đọc tất cả các hàng.
Bước 6: Kiểm tra sự tồn tại của phím nhấn Nếu không có, gán giá trị false cho cột tiếp theo và quay lại bước 5 Nếu có phím nhấn, tiếp tục đến bước 6 để tìm mã tương ứng và chuyển đổi thành số.
Bước 7: Kiểm tra xem điều kiện có dừng hay không? Nếu có thì kết thúc chương trinhg, nếu không thì quay lại bước2.
Bước 1: Cấu hình mode UART để khởi tạo bus kết nối đến FPGA.
Bước 2: Ghi lệnh khởi tạo lcd 16x2, con trỏ đầu hàng.
Bước 3: Gọi hàm đọc thời gian thực trên PC.
Bước 4: Chuyển đổi sang mã ASCII.
Bước 5: Kiểm tra điều kiện có dừng hay không? Nếu có thì kết thúc chương trình, nếu không thì quay lại bước 3.
Hình 7: Lưu đồ giải thuật điều khiển
Kiểm tra EN1 và EN2
Bước 1: Kiểm tra tín hiệu cho chân EN1, EN2 nếu sai thì quay lại từ đầu
Bước 2: Khởi động PWM điều kiển
Keypad xem có đúng không.
Bước 4:Nếu đúng cho các động cơ hoạt động Sai thì kết thúc chương trình
Kết thúc Tiếp tục thực hiện vòng lặp
Hình 8: Lưu đồ giải thuật điều khiển động cơ bằng Module
Hình 9: Lưu đồ giải thuật nhận tín hiệu từ MQ2 và điều khiển buzzer
Bước 1: Kiểm tra chân nhận D0 của MQ2.
Bước 2: Nếu kết quả nhận về là thấp thì chứng tỏ có hiện tượng rò rỉ gas.
Bước 3: Tiến hành bào động bằng buzzer và đèn báo
+ Đèn báo ở đây là hệ thống đèn của hệ thống Các đèn sẽ chóp tắt liên tục
Bước 5: Kích hoạt động cơ cửa để thoát hiểm ra ngoài và đóng tất cả thiết bị khác nhằm tránh nguy cơ chập điện nếu có cháy xảy ra.
* Lưu ý do chỉ có 1 bước kiểm tra cảm biến nên độ nhạy của cảm biến được chỉnh thấp
Lưu đồ này được thực thi khi hệ thống hoạt động ở chế độ MAIN
Bước 1: nút nhấn Main nếu nhận được mức cao thì hệ thống đang chế độ Main.
Bước 2: Nếu hệ thống đang chế độ Main thì tiếp tục kiểm tra các Switch để điều khiển các thiết bị
Bước 3: Thực thi theo các Switch chọn.
Hình 10 Lưu đồ giải thuật nhận tín hiệu Switch và điều khiển ht đèn, Relay
4.3.1 Thiết kế kết cấu mô hình Mica
Thiết kế được lấy ý tưởng từ các nhà phố ở khu vực thành phố Hồ Chí Minh.
Mô hình thiết kế có kích thước hẹp về bề ngang nhưng dài về chiều dài, được phát triển dựa trên bản vẽ xây dựng nhà cụ thể Mô hình mica được thu nhỏ với tỷ lệ 1/20 so với kích thước thực tế, và các bản vẽ thiết kế chi tiết được đính kèm trong phần Phụ lục.
4.3.2 Thiết kế mạch nguyên lý.
Mạch nguyên lý được tổng hợp thiết kế từ các sơ đồ kết nối của từng module cũng như các kiến thức đã có trong quá trình học.
Sau đây là Sơ đồ mạch nguyên lý của hệ thống.
Giao tiếp với máy tính bảng
Sử dụng kết nối Wi-Fi của kit NI myRio để giao tiếp với thiết bị di động chạy hệ điều hành Android, iOS hoặc Windows Phone, người dùng có thể thiết kế giao diện điều khiển hệ thống một cách linh hoạt Ứng dụng này tận dụng các tính năng nổi bật để tối ưu hóa trải nghiệm người dùng.
NI Data Dashboard, người thực hiện sẽ thiết kế một giao diện để điều khiển hệ thống gồm:
01 công tắc bật tắt để cho phép điều khiển Relay.
05 công tắt để điều khiển đèn ở các khu vực
05 đèn hiển thị ở các khu vực
Một đồng hồ hiển thị ánh sáng ngoài trời
Từ những dữ kiện ở trên, người thực hiện đã thiết kế giao diện trên ứng dụng
NI Data Dash Board, sau đó sử dụng chức năng chia sẻ biến của cả Labview và NI Data Dashboard thông qua Wifi xuống kit myRio.
Hình 11 Giao diện trên máy tính bảng
KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT
Sau quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài “Mô hình smarthome sử dụng năng lượng mặt trời” thì đề tài đã hoàn thành các nội dung sau:
Nắm được cấu hình phần cứng của kit NI myRio.
Tìm hiểu và phân tích các đặc điểm kỹ thuật của kit Các giao tiếp chính của kit với thiết bị ngoại vi.
Kết nối các linh kiện với kit.
Trình bày về Labview và lập trình cho kit NI myRio.
Về các linh kiện khác:
Trình bày về mạch sạt pin năng lượng mặt trời V2
Trình bày về động cơ DC.
Trình bày về mạch cầu H.
Trình bày về mặt buzzer
Trình bày vềcảm biến ánh sáng ,nhiêṭđô,c̣cảm biến gas
Tri ̀ nh bày vềreal-time DS1307.
Về thiết kế hệ thống:
Xây dựng được mô hình gắn liền với thực tế.
Thiết kế hoạt động chưa ổn định các chức năng
Dưới đây là một số hình ảnh thực tế của thiết bi:c̣
Hình 12: Mô hình đồ án mặt ngang
Hình 13 Mô hình mặt trước
Hình 14 Phòng điều khiển mô hình
