Mục lục Mục lục Chương 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1 1 1 Giới thiệu 1 1 1 1 Xu hướng Internet of Things 2 1 1 2 Các tính năng nhà thông minh Smarthome 3 1 2 Tình hình nghiên cứu trong nước và thế giới 6 1 2 1.
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Giới thiệu
Nhà thông minh, hay Smarthome, là một căn hộ được trang bị hệ thống tự động tiên tiến gồm các thiết bị điện tử gia dụng kết nối thành mạng thiết bị và hoạt động theo các kịch bản tùy biến nhằm mang lại cuộc sống tiện nghi, an toàn và tiết kiệm năng lượng Các mẫu nhà thông minh hiện đại tích hợp đầy đủ công nghệ tiên tiến với các thiết bị như tủ lạnh, tivi, máy tính, camera an ninh có khả năng tự động hóa và giao tiếp với nhau theo lịch trình hoặc kịch bản đã định, đồng thời có thể được điều khiển ở bất cứ đâu qua mạng internet bằng các thiết bị di động, từ trong chính ngôi nhà thông minh đến mọi nơi trên thế giới.
Ngoài ra, hệ thống các cảm biến trong ngôi nhà thông minh sẽ liên tục cập nhật các thông số về độ ẩm, nhiệt độ… của từng khu vực trong ngôi nhà Máy chủ sẽ
Hình 1.1: Giới thiệu mô hình nhà thông minh smarthome
2 phân tích các thông số này và ra lệnh điều khiển các thiết bị như điều hòa, máy hút ẩm nhằm tạo ra và duy trì trạng thái môi trường tốt nhất
Hiện nay, các hệ thống Smarthome ở Việt Nam và trên thế giới chủ yếu tập trung vào điều khiển thay vì phân tích năng lượng tiêu thụ Xu hướng phân tích hoạt động của từng thiết bị độc lập mang lại nhiều lợi ích thiết thực, từ việc tối ưu hóa hiệu suất đến tăng cường quản lý tiêu thụ điện Với sự tiến bộ này, khả năng tích hợp thiết bị giám sát hệ thống điện vào các hệ thống nhà thông minh hiện nay là rất khả thi, mở ra cơ hội phát triển các giải pháp Smarthome thông minh và tiết kiệm năng lượng hơn.
1.1.1 Xu hướng Internet of Things
Nhờ sự phát triển nhanh chóng của Internet và điện thoại thông minh, cùng với sự gia tăng của các cảm biến và các giải pháp kết nối thế giới thực với mạng không gian ảo, Internet of Things (IoT) đang trở thành xu hướng toàn cầu Các cảm biến ngày càng nhỏ gọn, rẻ và thông minh được lắp đặt trong nhà thông minh, quần áo, phụ kiện, các thành phố, mạng lưới giao thông và năng lượng, cũng như trong các quy trình sản xuất, nhằm thu thập dữ liệu và tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của cả hệ sinh thái IoT.
IoT (Internet of Things - Internet vạn vật) là một viễn cảnh tương lai nơi mỗi đồ vật, thậm chí cả con người, được gắn định danh riêng và có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin qua Internet mà không cần tương tác trực tiếp giữa người với người hoặc giữa người và máy tính IoT được hình thành từ công nghệ không dây, vi mạch và Internet, tạo thành một mạng lưới các thiết bị có thể kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc cụ thể Nói ngắn gọn, đây là tập hợp các thiết bị có khả năng giao tiếp và thực thi các tác vụ dựa trên dữ liệu thu thập được, nhằm tối ưu hóa vận hành và hỗ trợ ra quyết định. -**Support Pollinations.AI:** -🌸 **Ad** 🌸Powered by Pollinations.AI free text APIs [Support our mission](https://pollinations.ai/redirect/kofi) to keep AI accessible for everyone.
Việc kết nối giữa các thiết bị có thể thực hiện qua Wi-Fi, mạng viễn thông băng rộng (3G/4G), Bluetooth, ZigBee và hồng ngoại Các thiết bị có thể là điện thoại thông minh, công tơ điện thông minh, máy pha cà phê, máy giặt, tai nghe, bóng đèn và nhiều thiết bị khác Cisco, nhà cung cấp giải pháp và thiết bị mạng hàng đầu, dự báo đến năm 2020 sẽ có khoảng 50 tỷ đồ vật kết nối vào Internet, và con số này được cho là sẽ còn tăng lên IoT sẽ là mạng lưới khổng lồ kết nối tất cả mọi thứ, bao gồm cả con người, mở ra các mối quan hệ tương tác giữa thiết bị và người dùng và tạo ra nhiều cơ hội chuyển đổi số trong đời sống hàng ngày.
Ba mức tương tác chính trong hệ sinh thái IoT là giữa người với người, giữa người với thiết bị và giữa thiết bị với thiết bị Một mạng IoT có thể chứa tới 50–100 nghìn tỷ đối tượng được kết nối và mạng lưới này có thể theo dõi sự di chuyển của từng đối tượng Người sống trong đô thị có thể bị bao quanh bởi khoảng 1.000 đến 5.000 đối tượng có khả năng theo dõi.
Tiếp tục theo xu hướng IoT, chúng ta nhận thấy những rào cản trong cách kiểm soát và quản lý năng lượng hiện tại Nhiều giải pháp và ứng dụng liên quan đến nhà thông minh, quản lý năng lượng và điều khiển thiết bị đang được đầu tư và phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu, bao gồm Việt Nam Sự ra đời của các giải pháp này đã nâng cao hiệu quả và tối ưu hóa quá trình kiểm soát năng lượng, giúp tiết kiệm chi phí và tăng tính an toàn cho người dùng.
1.1.2 Các tính năng nhà thông minh Smarthome
Tính năng điều khiển thông minh được thực hiện chủ yếu qua các panel điều khiển với công nghệ tiên tiến, được bố trí ở những vị trí phù hợp với nội thất và thuận tiện cho người dùng Từ các panel này, bạn có thể thiết lập và tùy chỉnh toàn diện các hệ thống chiếu sáng, rèm cửa, an ninh và điều hòa, mang lại sự đồng bộ và linh hoạt cho không gian sống hoặc làm việc.
Hình 1.2: Panel điều khiển nhà thông minh smarthome
Việc điều khiển các thiết bị được thực hiện không chỉ bằng công tắc trong nhà mà còn thông qua các thiết bị điều khiển như công tắc thông minh, mang lại sự tiện lợi và linh hoạt Đồng thời, hệ thống cho phép bạn giám sát và điều khiển thiết bị gia dụng trong nhà từ xa thông qua smartphone hoặc kết nối internet, giúp quản lý ngôi nhà một cách hiệu quả và an toàn.
Các mẫu nhà thông minh ngày nay thường trang bị hệ thống đèn tự động bật/tắt dựa trên nhận diện sự hiện diện của con người, giúp tối ưu hóa tiện ích và tiết kiệm năng lượng Các cảm biến và thuật toán thông minh được triển khai để điều khiển đèn theo thói quen sử dụng và thời gian trong ngày, đồng thời mở rộng thêm nhiều tính năng nhằm mang lại tiện ích tối ưu cho chủ nhà như an ninh, sự thuận tiện và hiệu suất năng lượng.
Tính năng theo lịch trình cho hệ thống chiếu sáng cho phép cài đặt các đèn ở các vị trí nhất định để tự động bật hoặc tắt theo khung giờ được quy định trước bởi chủ nhà Ví dụ, các đèn ngoài sân và đèn quanh nhà sẽ bật sáng khi trời tối (khoảng 6 giờ chiều) và tắt khi cả gia đình đi ngủ (khoảng 10 giờ tối), mang lại sự tiện lợi, tăng cường an ninh và tiết kiệm điện năng.
Cảm biến chuyển động nhận diện sự có mặt của người trong khu vực, cho phép hệ thống đèn tự động hoạt động khi có người di chuyển Khi phát hiện sự có mặt của người, các nhóm đèn sẽ tự động tăng sáng lên đến 30%, mang lại ánh sáng dịu mắt và đảm bảo đủ sáng cho việc đi lại trong nhà.
Tính năng điều khiển theo hoạt cảnh trong Smarthome cho phép chủ nhà thiết lập các chế độ định sẵn như một kịch bản phù hợp với từng hoàn cảnh, từ đó tự động hóa việc quản lý thiết bị và tối ưu tiện ích sinh hoạt Với hoạt cảnh được cấu hình, người dùng có thể điều khiển hệ thống Smarthome thông qua công tắc hoặc điện thoại, mang lại trải nghiệm tiện lợi và linh hoạt khi ở nhà hoặc ra vào Hình 1.3 minh họa cách điều khiển Smarthome qua công tắc hoặc điện thoại, giúp người đọc hình dung quy trình kích hoạt các hoạt cảnh một cách nhanh chóng và dễ dàng.
5 cảnh cụ thể, giúp tiết kiệm thời gian chỉnh định, mang lại hiệu quả sử dụng cao nhất và tiết kiệm nhất cho ngôi nhà
Tình hình nghiên cứu trong nước và thế giới
Các ông lớn công nghệ đang cạnh tranh quyết liệt để chiếm lĩnh thị trường Smart Home đầy tiềm năng Với cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 và sự bùng nổ của Internet of Things (IoT), các thiết bị trong nhà ngày càng thông minh, kết nối và tích hợp nhiều dịch vụ hơn, mở ra nhiều cơ hội phát triển cho các giải pháp nhà thông minh và hệ sinh thái liên quan.
Hình 1.5: Giám sát thông qua camera
Thị trường thiết bị thông minh trong gia đình (Smart Home) đầy hứa hẹn nhưng vẫn chưa hình thành một sân chơi đồng nhất về công nghệ, sản phẩm và thói quen người tiêu dùng Hiện nay chưa có chuẩn kết nối chung cho Smart Home networking, khiến việc tích hợp các thiết bị gặp nhiều thách thức Wi‑Fi, Bluetooth, Z‑Wave và Zigbee là các chuẩn kết nối phổ biến đang được các thiết bị thông minh sử dụng, và mỗi công nghệ có ưu nhược điểm riêng ảnh hưởng đến sự linh hoạt, chi phí và độ an toàn của hệ thống.
Các tập đoàn công nghệ lớn như Google, Amazon, Apple và Samsung đang tích cực chiếm lĩnh thị trường Smart Home đang lên, nắm bắt cơ hội từ một xu hướng công nghệ ngày càng phổ biến Đối với họ, việc chiếm lĩnh và làm chủ hệ sinh thái của một xu hướng mới là yếu tố then chốt để tạo lợi thế cạnh tranh và định hình tương lai của nhà thông minh Cuộc đua này tập trung vào tích hợp thiết bị, trợ lý ảo và nền tảng dịch vụ nhằm mang lại trải nghiệm người dùng liền mạch và đồng bộ trên mọi thiết bị.
Google Home có thiết kế rất cơ bản và đơn giản, như một trợ lý thông minh làm việc bằng giọng nói Chúng ta có thể hỏi nó về thông tin trên internet, nhắc lịch hẹn, dậy sớm vào buổi sáng, bật/tắt đèn và phát nhạc Với tính năng trợ lý tích hợp, Google Home tra cứu thông tin nhanh chóng và chính xác, đồng thời cho phép kết nối với các sản phẩm nhà thông minh của bên thứ ba Ví dụ, người dùng có thể kết nối Philips Hue để điều khiển đèn thông qua Google Home và ra lệnh bật/tắt đèn bằng giọng nói Tuy nhiên hiện tại vẫn còn khá ít các dịch vụ được tích hợp đầy đủ, khiến trải nghiệm điều khiển bằng giọng nói đôi khi còn bị giới hạn.
8 thể sử dụng với Home Ngoài ra nó Google Home còn đóng vai trò là một chiếc loa nghe nhạc để giải trí như những loại loa Bluetooth khác
Amazon đã bất ngờ giới thiệu loa thông minh điều khiển bằng giọng nói Echo, một thiết bị kết nối internet tích hợp trợ lý ảo Alexa Tương tự Siri của Apple hay Cortana của Microsoft, người dùng có thể giao tiếp với Echo bằng giọng nói để thực hiện nhiều tác vụ Ngoài việc phát nhạc, Echo có thể trả lời các câu hỏi về thời tiết, đọc truyện và hỗ trợ mua hàng trực tiếp thông qua hệ thống thương mại của Amazon.
Gần đây, Amazon giới thiệu Echo Look với camera có thể nhận diện khoảng cách đến chủ thể, nhận lệnh giọng nói của chủ nhân và dùng trí tuệ nhân tạo để làm mờ hậu cảnh phía sau Thiết bị này còn đưa ra gợi ý trang phục phù hợp với chủ nhân, giúp người dùng chọn đồ phù hợp nhanh chóng Echo Look có khả năng chụp ảnh và quay video, và có thể lưu trực tiếp vào iPhone.
Apple đã đưa HomeKit, chuẩn kết nối thiết bị thông minh, vào nền tảng di động iOS, giúp các thiết bị trong ngôi nhà của bạn kết nối và hoạt động trên iPhone Người dùng có thể quản lý và điều khiển các thiết bị thông minh bằng trợ lý ảo Siri, từ đó thiết lập các kịch bản và tự động hóa dễ dàng ngay từ iPhone Với sự tích hợp này, hệ sinh thái Apple và iOS mang lại trải nghiệm nhà thông minh an toàn, tiện lợi và tối ưu cho người dùng.
TV sẽ hoạt động như một bộ điều khiển trung tâm để kết nối với các thiết bị khác trong gia đình
Chiến lược chung của các hãng lớn là vừa tạo doanh thu trước mắt vừa kiểm soát hệ sinh thái thị trường nhà thông minh để đảm bảo lợi thế lâu dài Với nền tảng công nghệ hiện tại, hai yếu tố quan trọng cho hệ sinh thái nhà thông minh là smartphone và smart home hub, đóng vai trò là cửa ngõ và trung tâm điều phối các thiết bị trong gia đình Apple và Google có lợi thế đặc biệt nhờ sở hữu hai hệ điều hành di động phổ biến là iOS và Android, cho phép họ tích hợp sâu và triển khai nhanh chóng các công nghệ mới trên diện rộng, từ đó đẩy mạnh sự đồng bộ giữa các thiết bị và gia tăng giá trị cho người dùng và đối tác trong hệ sinh thái nhà thông minh.
Hình 1.9: HomeKit và Apple TV
1 số thương hiệu cạnh tranh với các thương hiệu lớn nước ngoài ở thị trường trong nước phải kể đến BKAV, Lumi,
Nhà thông minh BKAV là sản phẩm của tập đoàn công nghệ BKAV, thuộc đại học Bách Khoa Hà Nội Ngay khi ra mắt, Smart Home BKAV tập trung vào phân khúc cao cấp trên thị trường và cạnh tranh trực tiếp với các sản phẩm Smart Home đến từ nước ngoài với chi phí tương đương Điều này đặt BKAV trước một thách thức đáng kể khi phải khẳng định vị thế và sự khác biệt của mình trong lĩnh vực nhà thông minh tại Việt Nam.
Khác với BKAV, Lumi tập trung mạnh vào phân khúc nhà thông minh trung và cao cấp tại Việt Nam Lumi ra mắt công tắc cảm ứng và giải pháp nhà thông minh từ đầu năm 2012; sau bốn năm xây dựng và phát triển, Lumi đã vươn lên trở thành nhà cung cấp có thị phần lớn nhất trong phân khúc trung và cao cấp ở Việt Nam về cảm ứng công tắc, thiết bị thông minh và giải pháp nhà thông minh Các sản phẩm Lumi đã xuất hiện trong nhiều dự án lớn tại Việt Nam như Times City và Royal City Trên thị trường cũng có các sản phẩm từ Trung Quốc như Kawa và Broadlink, tuy nhiên chất lượng vẫn chưa được đánh giá cao.
Hình 1.10: Hệ sinh thái IoT
Hình 1.11: Mô hình đề xuất
Bảng 1.1 Bảng thông số lý thuyết thiết kế hệ thống
Chức năng Thông số Ghi chú
Số thiết bị tối đa trong hệ thống 99 thiết bị
Có thể mở rộng thêm bằng cách mở rộng frame truyền
Chiều dài dây từ Master đến Slave cuối cùng Lên tới 1200m
Kết nối wifi với hệ thống Wifi 2.4GHz
Hệ thống gồm Master kết nối với các Slave qua mạng RS-485; trên Master lắp đặt các module DS3231 đồng bộ thời gian thực, LCD hiển thị các thông số hệ thống và ESP8266 kết nối Internet qua WiFi để người dùng điều khiển thiết bị thông qua Webserver, đồng thời module SIM800A cho phép điều khiển từ điện thoại ở những nơi không có Internet Các Slave kết nối vào mạng RS-485 gồm Slave Device 1 có chức năng bật/tắt Relay cho các thiết bị thông thường, Slave Device 2 ngoài chức năng bật/tắt Relay còn thu thập các thông số điện năng của thiết bị và gửi lên cơ sở dữ liệu Slave Button có chức năng điều khiển các Slave Device từ xa Slave Sensor ngoài chức năng thu thập dữ liệu về nhiệt độ và độ ẩm của hệ thống còn có khả năng cảnh báo người dùng khi phát hiện khí gas dễ cháy nổ.
Webserver kết nối với Master qua wifi để điều khiển và giám sát hệ thống từ xa qua mạng Internet Ứng dụng Smarthome trên điện thoại thông minh cho phép kết nối với webserver và tích hợp AI hỗ trợ người dùng điều khiển các thiết bị bằng giọng nói, mang lại trải nghiệm tiện lợi và hiện đại.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chọn chuẩn truyền phù hợp
Hiện nay có rất nhiều chuẩn truyền thông được hình thành để đáp ứng các mục đích khác nhau trong công nghệ và tự động hóa Các chuẩn phổ biến bao gồm cả truyền thông không dây và có dây như I2C, ISP, RS232, RS485, CAN, Bluetooth, WiFi và Zigbee, mang lại sự linh hoạt và khả năng kết nối cho từ các thiết bị nhỏ đến mạng lưới hệ thống công nghiệp.
Vào năm 1983, Hiệp hội công nghiệp điện tử (EIA) phê chuẩn tiêu chuẩn truyền cân bằng RS-485, được chấp nhận rộng rãi trong công nghiệp, y tế và dân dụng RS-485 là sự phát triển của RS-232 trong truyền dữ liệu nối tiếp Liên kết RS-485 được thiết kế để nhận dữ liệu ở khoảng cách xa và điều khiển cho các ứng dụng Những đặc điểm nổi bật của RS-485 là baud có thể lên tới 115200 và khoảng cách lên tới 1200 mét.
RS485 có thể tăng tốc độ và khoảng cách truyền thông lên tới 4000 feet (1200 m) nhờ sử dụng phương pháp truyền hai dây vi sai cân bằng; vì hai dây có đặc tính giống nhau, tín hiệu truyền đi là hiệu số điện áp giữa hai dây nên loại bỏ được nhiễu chung Mặt khác do chuẩn truyền thông RS232 không cho phép có hơn 2 thiết bị truyền nhận tin trên đường dây.
RS-485 là chuẩn truyền dữ liệu sử dụng đường truyền vi sai, trong đó mức tín hiệu ở các ngõ ra được xác định dựa trên sai biệt điện áp giữa hai dây tín hiệu Khi VAB vượt quá 200 mV, ngõ ra sẽ cho mức logic 1; ngược lại, khi VAB nhỏ hơn 200 mV sẽ cho mức logic 0 Nhờ đặc tính vi sai nên RS-485 có khả năng chống nhiễu tốt và thích hợp cho mạng truyền thông công nghiệp.
Độ chênh lệch điện áp giữa dây A và dây B ở mức nhất định được xem là vùng bất định Điện thế của mỗi dây tín hiệu so với mass phía thu phải nằm trong giới hạn từ -7V đến 12V Nhờ đặc tính này cùng với việc sử dụng cáp tín hiệu loại dây xoắn, nhiễu chung được loại bỏ đáng kể nên RS-485 có khả năng kháng nhiễu mạnh.
Hình minh họa cho thấy sự đối nhau giữa hai đường truyền: khi một đường ở mức 1 thì đường kia ở mức 0 và ngược lại, nhằm tạo sự chênh lệch điện áp giữa hai dây để xác định mức logic ở ngõ ra RS-485 có ưu điểm nổi bật là tốc độ truyền dữ liệu khá cao, hiện nay có thể đạt hơn 10 Mbit/s và khoảng cách truyền lên tới 1200 m (4000 ft); tuy nhiên hai giới hạn này không thể đồng thời đạt được Theo đồ thị, có sự tương quan giữa tốc độ và khoảng cách: tốc độ 10 Mbit/s chỉ có thể sử dụng với cự ly không quá khoảng 3 m (dưới 10 ft); ngược lại với khoảng cách 1200 m, tốc độ tối đa chỉ ở mức khoảng 100 kbit/s.
Về cơ bản RS485 chỉ có thể truyền bán song công do sử dụng cùng lúc cả 2 đường tín hiệu
Trong mạng đa trạm ngang quyền, khi không có trạm nào phát, đường truyền RS-485 phải ở trạng thái idle xác định và các ngõ vào mỗi trạm ở trạng thái tổng trở cao Đối với RS-485, khi ở trạng thái idle, ngõ ra phải được đặt ở mức cao để chờ Start bit (mức thấp) báo hiệu có dữ liệu được phát Điều này được đảm bảo bằng việc phân cực fail-safe trên đường truyền, nhằm duy trì điện áp trên dây ở mức xác định và ổn định, giảm nhiễu và đảm bảo nhận diện đúng trạng thái idle trên mạng.
Hình 2.1: Dạng tín hiệu trên 2 đường truyền RS 485
A luôn lớn hơn dây ít nhất 200mV khi không có trạm nào phát, do đó giữ được mức tín hiệu ở ngõ ra ở mức cao
2.1.2.3 Điện trở đầu cuối Điện trở đầu cuối là điện trở nối giữa 2 dây tín hiệu được đặt tại đầu ngoài cùng của đường truyền phía thu, có tác dụng phối hợp với trở kháng đặc tính Z0 của cáp tín hiệu (do nhà sản xuất cung cấp) nhằm loại bỏ sóng phản xạ trên đường truyền dài Do chuẩn RS485 sử dụng chung cặp dây tín hiệu cho việc thu và phát nên cần đặt điện trở đầu cuối ở cả 2 phía của đường truyền Giá trị của điện trở đầu cuối lý tưởng bằng giá trị trở kháng đặc tính cáp tín hiệu, thông thường vào khoảng 100Ω -120Ω
Hình 2.2: Phân cục fail-safe trên đường truyền đa trạm
Hình 2.3: Dạng sóng ngõ ra trên dây A tương ứng với 2 giá trị điện trở đầu cuối
Việc lựa chọn dây dẫn cho đường truyền cũng là một vấn đề khá quan trọng do yêu cầu về phối hợp trở kháng và sử dụng trong môi trường nhiều nhiễu điện từ Theo khuyến cáo, nên chọn loại dây xoắn 24AWG có trở kháng khoảng 120Ω Nếu có thể nên chọn loại có bọc kim cho khả năng chống nhiễu tốt hơn tuy nhiên giá thành cao hơn đáng kể
Ngoài chuẩn RS485 ra, còn có các chuẩn truyền không dây như Bluetooth, Wifi, Zigbee…
Bluetooth là một chuẩn truyền thông không dây sử dụng sóng radio, hoạt động ở dải tần số từ 2400–2480 MHz Công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị như điện thoại di động, tai nghe, máy in và nhiều thiết bị khác Bluetooth có nhược điểm là khoảng cách kết nối ngắn, giới hạn phạm vi giao tiếp so với các chuẩn không dây khác.
Wi-Fi là một công nghệ truyền thông không dây phổ biến cho các thiết bị kết nối với Internet, hoạt động ở tần số 2.4 GHz tương tự Bluetooth Nó cho phép kết nối Internet không dây và có phạm vi lên đến 1000 m tùy điều kiện.
Trong các ứng dụng nhà thông minh ngày nay, công nghệ truyền thông không dây Zigbee nổi lên như một chuẩn phổ biến Zigbee là tập hợp các giao thức giao tiếp cho mạng không dây có phạm vi vừa phải, ưu tiên tiết kiệm năng lượng và cho tốc độ truyền dữ liệu phù hợp với các thiết bị cảm biến, điều khiển và các thiết bị IoT gia đình Nhờ mô hình mạng mesh, Zigbee mở rộng vùng phủ sóng, tăng độ tin cậy và giúp hệ thống nhà thông minh vận hành hiệu quả, tiết kiệm pin và mang lại trải nghiệm người dùng mượt mà hơn.
Hình 2.4: Cáp xoắn đôi 24AWG có bọc chống nhiễu
Dữ liệu từ Zigbee đáp ứng được các ứng dụng điều khiển và giám sát trong nhà thông minh, trong khi điểm mạnh nhất của công nghệ này là khả năng kết nối theo kiểu mạng lưới Ba dải tần số của Zigbee là 868 MHz, 915 MHz và 2.4 GHz, mang lại sự linh hoạt về phạm vi và khả năng tương thích thiết bị Tuy có nhiều ưu điểm như mạng lưới mở rộng và tiêu thụ điện năng thấp, Zigbee vẫn là công nghệ mới và giá thành còn khá đắt, khoảng 350.000–500.000 đồng cho mỗi mô-đun.
Bảng 2.1 Bảng so sánh các đặc điểm kỹ thuật của các module kết nối không dây
So sánh giữa các module
Chi phí Cao Thấp Rất cao
Công suất Cao Cao Thấp
Tốc độ 25 Mb/s 54 Mb/s 250 kb/s Ở đây, ngoài chuẩn RS485, tôi dùng thêm module wifi để giao tiếp giữa các thiết bị và Web server trên máy tính.
Vi điều khiển
2.2.1 Lý thuyết vi điều khiển
Vi điều khiển (μC) là một hệ thống nhúng nhỏ gọn, tích hợp sẵn bộ xử lý, bộ nhớ và các thiết bị ngoại vi để hoạt động độc lập, phục vụ như một nền tảng điều khiển cho các thiết bị và quá trình trong sản phẩm tiêu dùng, máy móc, điện thoại, thiết bị ngoại vi, xe ô tô và các hệ thống máy tính Trên thị trường có nhiều loại vi điều khiển với các mức kích thước 4-bit, 8-bit, 64-bit và 128-bit, phục vụ từ các ứng dụng đơn giản đến các ứng dụng đòi hỏi hiệu năng cao Nhờ khả năng lập trình nhúng, vi điều khiển được người dùng kiểm soát thông qua các tập lệnh và dùng để triển khai chức năng, xử lý tín hiệu tại chỗ và tích hợp chặt chẽ vào các hệ thống máy móc và thiết bị điện tử.
CPU là bộ não trung tâm của vi điều khiển, chịu trách nhiệm quản lý mọi hoạt động của hệ thống và thực thi các thao tác trên dữ liệu như nạp lệnh, giải mã và thực thi lệnh Nó kết nối và điều phối các thành phần của vi điều khiển thành một hệ thống duy nhất, cho phép vi điều khiển hoạt động nhanh nhạy và ổn định trong nhiều ứng dụng.
Bộ nhớ vi điều khiển đóng vai trò như một hệ thống lưu trữ tích hợp, lưu trữ toàn bộ các chương trình và dữ liệu mà vi điều khiển cần để hoạt động Bộ nhớ của vi điều khiển có thể là ROM (EPROM, EEPROM) hoặc RAM với dung lượng nhất định, và ngày nay còn có bộ nhớ flash lưu trữ mã nguồn chương trình.
Cổng Input/output (vào/ra) - cổng I/O sử dụng để giao tiếp hoặc điều khiển các thiết bị khác nhau như máy in, LCD, LED, …
Serial Ports - Những cổng này cung cấp giao tiếp nối tiếp giữa vi điều khiển và thiết bị ngoại vi khác nhau
Trong các vi điều khiển, Timer hay bộ định thời được tích hợp dưới dạng một hoặc nhiều thành phần, có nhiệm vụ kiểm soát các bộ đếm và thời gian hoạt động bên trong hệ thống Timer có thể đếm xung từ nguồn ngoài và thực hiện các chức năng chính như tạo xung đầu ra, đo tần số, điều chế tín hiệu và tạo dao động Việc sử dụng Timer giúp vi điều khiển quản lý thời gian chính xác, đồng bộ hóa các phần tử hệ thống và đáp ứng các yêu cầu xử lý thời gian trong các ứng dụng nhúng.
ADC - ADC là bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số
DAC (digital to analog converter) : Có chức năng ngược lại với ADC DAC thường được sử dụng để giám sát các thiết bị tương tự
Điều khiển ngắt là một số sự kiện khẩn cấp xảy ra trong hoặc ngoài bộ vi điều khiển, buộc vi điều khiển tạm dừng chương trình đang thực thi và phục vụ ngay lập tức nhiệm vụ mà ngắt yêu cầu; nhiệm vụ này được gọi là trình phục vụ ngắt (ISR).
2.2.3 Một số dòng vi điều khiển
- STMicroelectronics STM8S (8-bit), ST10 (16-bit) và STM32 (32-bit)
- Atmel AVR (8-bit), AVR32 (32-bit), và AT91SAM (32-bit)
- Freescale ColdFire (32-bit) và S08 (8-bit)
- PIC (8-bit PIC16, PIC18, 16-bit dsPIC33 / PIC24)
- Renesas Electronics: RL78 16-bit MCU; RX 32-bit MCU; SuperH; V850 32- bit MCU; H8; R8C 16-bit MCU
- PSoC (Programmable System-on-Chip)
- Texas Instruments Microcontrollers MSP430 (16-bit), C2000 (32-bit), và Stellaris (32-bit)
Đo lường điện áp
Để đo điện áp, có 2 phương pháp cần được xem xét:
Một cách phổ biến để lấy điện áp ra mong muốn là dùng mạch chia áp Trong mạch này, một chuỗi các điện trở được mắc nối tiếp với nguồn điện Điện áp ở điểm chia áp tỉ lệ với tỷ lệ giữa giá trị trở của điện trở ở phía ra và tổng trở của toàn mạch, nên điện áp ra tại điểm chia áp có thể tính được bằng Vout = Vin × (R_out / R_total).
- Hai là đo dòng điện xuyên qua một điện trở với giá trị biết trước
Qua 2 cách tôi chọn cách một để đo áp Ưu điểm của nó là giá thành rẻ thiết kế đơn giản Tuy vậy không đảm bảo được cách ly cho mạch đo lường Để đảm bảo cách ly tôi sử dụng thêm một máy biến áp phía trước mạch chia áp Tuy nhiên máy biến áp có thể gây ra sự biến dạng và dịch pha điện áp, có thể làm giảm sự chính xác của phép đo
Hình 2.5: Nguyên lý mạch chia áp
Đo lường dòng điện
Phương pháp đo dòng điện đơn giản nhất là đo điện áp rơi trên một điện trở Shunt Shunt có trị số rất nhỏ, chỉ khoảng vài milliohm, cho phép dòng điện lớn đi qua và vì vậy điện áp rơi trên nó rất nhỏ, giúp giảm tối đa tổn thất điện năng Nhược điểm của phương pháp này là mạch đo không được cách ly với mạch động lực.
Một cảm biến Hall hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall: khi áp dụng một từ trường vuông góc lên một thanh Hall làm bằng kim loại, bán dẫn hoặc chất dẫn điện nói chung đang có dòng điện chạy, ta thu được hiệu điện thế Hall ở mặt đối diện Ưu điểm của cảm biến Hall là sự cách ly giữa mạch cảm biến và mạch nguồn, giúp đo lường mà không bị nhiễu bởi mạch động lực Tuy nhiên, từ trường xung quanh và nhiễu từ bên ngoài có thể gây sai lệch phép đo và làm giảm độ chính xác nếu điều kiện từ môi trường không được kiểm soát.
Hình 2.7: Nguyên lý cảm biến Hall
Biến dòng hoạt động tương tự cảm biến Hall nhưng dựa trên từ trường do dòng điện chạy trong dây dẫn sinh ra Dòng điện này gây ra từ thông trong lõi, từ đó sinh ra dòng điện trong cuộn thứ cấp Ưu điểm của biến dòng là cách ly mạch đo với mạch động lực Nhược điểm là có thể gây hiện tượng dịch pha của dòng điện từ 0.1° đến 0.3°, dẫn đến sai số trong các phép đo công suất Tuy nhiên sai số này không đáng kể.
Qua các tìm hiểu trên, tôi quyết định dùng biến dòng vì có thể cách ly mạch đo, dễ tìm mua và thiết kế không quá phức tạp Cảm biến Hall không đáng tin cậy vì dễ bị ảnh hưởng bởi từ tính xung quanh và không an toàn vì không thể cách ly mạch đo.
Đo lường công suất
Công suất thực được đo lường bởi công được thực hiện trong một đơn vị thời gian
Trong đó Vrms và Irms là điện áp và dòng hiệu dụng và θ là độ lệch pha giữa điện áp và dòng điện
Hình 2.8: Nguyên lý hoạt động của biến dòng
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
Sơ đồ kết nối
Bảng 3.1 Bảng thông số lý thuyết thiết kế hệ thống
Chức năng Thông số Ghi chú
Số thiết bị tối đa trong hệ thống 99 thiết bị
Có thể mở rộng thêm bằng cách mở rộng frame truyền
Chiều dài dây từ Master đến Slave cuối cùng Lên tới 1200m
Hình 3.1: Sơ đồ kết nối phần cứng hệ thống
Kết nối wifi với hệ thống Wifi 2.4GHz
Hệ thống điều khiển Master–Slave nối mạng RS-485 gồm Master kết nối với các Slave và được tích hợp đồng hồ thực DS3231 để đồng bộ thời gian, kèm màn hình LCD hiển thị các tham số hệ thống; Master còn có module ESP8266 để kết nối Internet qua WiFi phục vụ Webserver cho người dùng điều khiển thiết bị từ xa, và module Sim800A cho phép điều khiển thiết bị qua điện thoại ở những nơi không có Internet Các Slave trên mạng RS-485 gồm Slave Device 1 với chức năng bật/tắt Relay cho các thiết bị thường, Slave Device 2 ngoài việc bật/tắt Relay còn thu thập các thông số điện năng của thiết bị và gửi lên cơ sở dữ liệu, Slave Button có chức năng điều khiển từ xa các Slave Device, và Slave Sensor vừa thu thập dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm của hệ thống vừa cảnh báo người dùng khi phát hiện khí gas dễ gây cháy nổ.
Webserver kết nối với Master qua WiFi, cho phép điều khiển và giám sát hệ thống qua Internet Ứng dụng Smarthome trên điện thoại thông minh kết nối với webserver và tích hợp AI, giúp người dùng điều khiển các thiết bị bằng giọng nói một cách dễ dàng và nhanh chóng.
Thiết kế phần cứng cho mạch Master
Yêu cầu đối với vi điều khiển:
- Hỗ trợ giao tiếp UART để giao tiếp module wifi, module SIM800A, RS485
- Hỗ trợ giao tiếp I2C để giao tiếp với IC thời gian thực DS3231
- Đủ tốc độ và bộ nhớ cho chương trình
Dựa trên những yêu cầu, tôi chọn MCU STM32F407VGT6 vì những lý do sau:
- Lập trình bằng ngôn ngữ C có nguồn tài liệu tham khảo tốt
- Lõi ARM Cotex 32bit M4 tốc độ lên tới 168 MHz
- Hỗ trợ lên tới 140 chân I/O
- Hỗ trợ lên tới 4 USART và 2 UART
Giá thành rẻ là mục tiêu hàng đầu của dự án; để giảm chi phí, thay vì gắn kit trực tiếp lên board như các nghiên cứu trước, tôi đã thiết kế mạch để hàn trực tiếp con chip lên board Cách làm này giúp cắt bỏ chi phí phụ kiện và tối ưu quy trình sản xuất, đồng thời đáp ứng yêu cầu về hiệu suất và độ ổn định của sản phẩm.
3.1.1 Truyền thông giao tiếp UART
UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) là kiểu truyền thông tin nối tiếp không đồng bộ, cho phép truyền nhận dữ liệu giữa các thiết bị thông qua đường tín hiệu RX/TX mà không cần đồng bộ hóa bằng đồng hồ chung UART thường được dùng trong máy tính công nghiệp, hệ thống truyền thông và vi điều khiển, cũng như ở một số thiết bị truyền tin khác, nhờ tính đơn giản, chi phí thấp và khả năng hoạt động ở nhiều mức baud khác nhau.
Hình 3.2: Sơ đồ khối MCU mạch Master
Trong ứng dụng, Master giao tiếp với RS485 qua USART1 chân PB6-PB7, với module Wifi qua USART2 chân PD5-PD6, với module SIM800A USART3 qua chân PD8-PD9
Dùng IC MAX485 đưa ngõ ra qua các jack RJ11
Module SIM800A của hãng SimCom là lựa chọn phổ biến cho các dự án GSM tại Việt Nam nhờ giá thành rẻ, nhưng nó cũng đi kèm nhiều hạn chế như tiêu thụ công suất lớn và truyền tải dữ liệu chậm Dù SIM800A có khả năng nghe gọi và nhắn tin kèm kết nối GPRS ở mức cơ bản, tốc độ truyền tải hạn chế khiến nó không phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu băng thông cao hoặc thời gian đáp ứng nhanh Khi lên kế hoạch sử dụng module này, cần cân nhắc kỹ giữa chi phí và hiệu suất, và xem xét các biện pháp tối ưu hoá phần mềm, tối ưu nguồn cấp và quản lý năng lượng để giảm thiểu tiêu thụ điện năng mà vẫn đáp ứng được mục tiêu dự án.
Module Sim800A kết với vi điều khiển bằng giao thức truyền thông nối tiếp
Hình 3.3: Sơ đồ mạch RS485
Bảng 3.2 Một vài lệnh AT cơ bản sử dụng trong gửi nhận tin nhắn, cuộc gọi:
AT+CNMI = 2,1,0,0,0 Báo hiệu khi có tin nhắn tới
ATD0939863350 Gọi tới một số điện thoại
AT + CMGS = 0939863350 Gửi tin nhắn tới một số điện thoại
Module Wifi ESP8266 được dùng để giao tiếp giữa hệ thống với Webserver Một số thông số cơ bản:
- Wifi 2.4GHz, hỗ trợ WPA/WPA2
- Tích hợp sẵn TCP/IP protocol
Hình 3.6: Sơ đồ khối Wifi
Chuẩn giao tiếp nối tiếp 2 dây I2C (Inter-Intergrated Circuit) được phát triển bởi Phillips năm 1980 I2C sử dụng 2 đường truyền tín hiệu:
- Một đường xung clock SCL do master phát đi
- Một đường dữ liệu SDA theo 2 hướng
Rất nhiều thiết bị có thể kết nối với bus I2C, nhưng sẽ không xảy ra nhầm lẫn vì mỗi thiết bị có địa chỉ I2C duy nhất Để giao tiếp với IC thời gian thực DS3231, tôi sử dụng chuẩn giao tiếp I2C: SCL nối vào PB8 và SDA nối vào PB9.
LCD được dùng để hiển thị các thông số ngày giờ, nhiệt độ và độ ẩm của hệ thống Tôi sử dụng LCD 20x4 để hiển thị những dữ liệu này và có thể mở rộng sau này thành một bảng điều khiển hoàn chỉnh.
Hình 3.7: Sơ đồ khối thời gian thực
Bảng 3.3 Chức năng của các chân LCD
Chân Ký hiệu Mô tả
1 VSS Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch nối chân này với
GND của mạch điều khiển
2 VDD Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch nối chân này với
VCC=5V của mạch điều khiển
3 VEE Điều chỉnh độ tương phản của LCD
4 RS Chân chọn thanh ghi (Register select) Nối chân RS với logic
“0” (GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi + Logic
Trong giao tiếp với LCD, bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD ở chế độ ghi (write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD ở chế độ đọc (read); khi tín hiệu logic 1 được áp dụng, bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD.
5 R/W Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write) Nối chân R/W với logic “0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic
“1” để LCD ở chế độ đọc
Chân E (Enable) được dùng để cho phép tiếp nhận dữ liệu trên bus DB0-DB7 Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có một xung kích hoạt ở chân E Ở chế độ ghi, LCD sẽ nhận dữ liệu từ bus và ghi vào thanh ghi nội bộ khi phát hiện một xung từ mức high sang low ở chân E Ở chế độ đọc, LCD sẽ xuất dữ liệu ra DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên từ low sang high ở chân E và giữ dữ liệu trên bus cho đến khi chân E về mức thấp.
Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này:
+ Chế độ 8 bit: Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7
+ Chế độ 4 bit: Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7
15 Nguồn dương cho đèn nền
Do GSM và Wifi hoạt động tiêu thụ dòng lớn, tôi dùng mạch nguồn tổ ong 220VAC/12VDC để cấp nguồn qua mạch nguồn xung 12V/5V nhằm nuôi mạch master Trong luận văn, tôi thiết kế nguồn bằng IC LM2596 và sơ đồ nguyên lý của mạch nguồn được trình bày như sau.
LM1117 (hoặc AMS1117) là IC regulator dòng thấp được dùng để hạ áp từ 5V xuống 3.3V, cung cấp nguồn ổn định cho vi điều khiển và các mạch nhạy cảm Để cấp nguồn 3.3V cho vi điều khiển từ nguồn 5V, ta dùng mạch hạ áp có chức năng giảm điện áp xuống 3.3V và AMS1117/LM1117 là giải pháp phổ biến nhờ độ ổn định cao và dễ tích hợp Việc chọn đúng phiên bản 3.3V và thiết kế phù hợp giúp đảm bảo nguồn cấp và dòng tiêu thụ phù hợp cho dự án.
Hình 3.9: Sơ đồ khối nguồn 12V/5V
IC này cung cấp dòng lên đến 1 A và được tối ưu hóa cho các thiết bị có điện áp thấp, phù hợp với các mạch cần nguồn có dòng ổn định và kích thước nhỏ Thiết kế nhỏ gọn của IC cho phép tích hợp dễ dàng trên PCB mà vẫn đảm bảo hiệu suất và tin cậy Đây là giải pháp nguồn lý tưởng cho các ứng dụng nhúng, các thiết bị di động và các hệ thống yêu cầu nguồn cấp ổn định với không gian tối ưu, giúp giảm tiêu thụ năng lượng và tối ưu hóa chi phí thiết kế.
- Tối ưu hóa cho điện áp thấp
- Nhiệt tỏa trên chip hạn chế
Thiết kế phần cứng cho mạch Master
Yêu cầu đặt ra với các mạch Slave:
- Kích thước nhỏ gọn, giá rẻ
- Đủ khả năng xử lý
- Hỗ trợ giao tiếp UART để giao tiếp với mạch Master
- Dễ dàng lắp đặt, thay thế, sửa chữa
Hình 3.11: Vi điều khiển PIC16F628A Hình 3.10: Mạch chuyển 5V về 3.3V
Dựa trên các yêu cầu đề ra, vi điều khiển PIC được chọn làm Slave cho Button và Slave Device do có kích thước nhỏ gọn và mức giá hợp lý Theo Bảng 3.4, thông số kỹ thuật của vi điều khiển PIC16F628A cho thấy điện áp hoạt động từ 2 đến 5,5 V, phù hợp với nguồn cấp của hệ thống.
Với Slave Compteur dùng để đo các thông số điện năng, vi điều khiển PIC 16F887 được chọn vì giao tiếp SPI cũng như giá cả phải chăng
Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật của vi điều khiển PIC16F887 Điện áp hoạt động 2 – 5.5V
Ngoại vi ngoài 1 – UART, 1- SPI, 1 – I2C
Hình 3.12: Vi điều khiển PIC16F887
3.2.1 Thiết kế khối nguồn cho các mạch Slave:
Khác với khối nguồn ở mạch Master đòi hỏi công suất cao, khối nguồn ở các mạch Slave đa phần chỉ yêu cầu công suất nhỏ để hoạt động Do vậy IC nguồn dành cho các mạch Slave thường được thiết kế nhỏ gọn, tiêu thụ năng lượng thấp và chi phí sản xuất thấp, nhằm tối ưu hóa kích thước hệ thống và hiệu suất tổng thể Các IC nguồn này tập trung cung cấp nguồn ổn định cho các phần tử mạch Slave mà không tạo tải lớn lên nguồn chính, giúp tăng độ tin cậy và tiết kiệm năng lượng cho toàn bộ hệ thống.
7805 được lựa chọn cho các khối nguồn ở mạch Master
3.2.2 Thiết kế khối giao tiếp RS485 cho các mạch Slave:
Các mạch Slave giao tiếp với mạch Master thông qua khối mạch RS485 sử dụng
IC MAX 485 được kết nối với mạch Master thông qua Jack RJ11 Ở đây điện trở đầu cuối được để 120 Ohm có tác dụng triệt nhiễu trên đường dây
Hình 3.13: Sơ đồ mạch nguồn
Hình 3.14: Sơ đồ mạch RS485
3.2.3 Thiết kế khối vi điều khiển cho các mạch Slave: Mạch Slave Button và Slave Device:
Sử dụng vi điều khiển PIC16F628A kết nối với thạch anh 20MHz
Sử dụng vi điều khiển PIC16F887 kết nối thạch anh 20MHz
Hình 3.15: Sơ đồ mạch vi điều khiển
Hình 3.16: Sơ đồ mạch đo MCU
3.2.4 Thiết kế khối button cho các mạch Slave Button:
3.2.5 Thiết kế khối Relay cho các mạch Slave Device:
Relay là một công tắc điện hoạt động bằng điện, có hai trạng thái ON và OFF Trạng thái của relay phụ thuộc vào dòng điện chạy qua cuộn coil: khi có dòng điện, coil sẽ kích hoạt relay và khiến nó ở trạng thái ON; ngược lại, khi coil không có dòng điện, relay ở trạng thái OFF Sử dụng relay 12V 10A giúp tránh đóng cắt sai relay khi truyền nguồn qua những đoạn dây dài, tăng độ ổn định và an toàn cho hệ thống.
Hình 3.17: Sơ đồ mạch Button
Hình 3.18: Sơ đồ mạch Relay
3.2.6 Thiết kế khối Sensor cho mạch Slave Sensor:
2 khối sensor để kết nối với cảm biến nhiệt độ DHT11 và cảm biến GAS MQ135 Cảm biến nhiệt độ:
Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 là cảm biến cơ bản và có giá rẻ so với các cảm biến khác, rất thích hợp cho các ứng dụng thu thập dữ liệu cơ bản Cảm biến DHT11 có 2 phần, một cảm biến độ ẩm điện dung và một điện trở nhiệt Dữ liệu ngõ ra của cảm biến DHT là ở dạng số, có thể dùng bất cứ vi điều khiển nào để lấy dữ liệu ra Dữ liệu độ ẩm mà cảm biến đo được ở mức từ 20% đến 90%, nhiệt độ đo được từ 0 đến 50 độ C, thời gian trả dữ liệu dưới 50 ms.
- Sai số nhiệt độ: ±2ºC
Cảm biến khí gas MQ135:
Hình 3.19: Cảm biến nhiệt độ DHT11
Hình 3.20: Cảm biến gas MQ135
Cảm biến khí gas MQ135 là thiết bị dùng để phát hiện các loại khí gas trong không khí và được xem như giải pháp an toàn cho gia đình Vì có thiết kế phù hợp để lắp đặt ở bếp hoặc gần nguồn gas, MQ135 giúp cảnh báo ngay khi phát hiện rò rỉ khí, từ đó người dùng có thể xử lý kịp thời Cùng với các hệ thống cảnh báo, MQ135 có thể kích hoạt chuông báo, đèn tín hiệu hoặc gửi thông báo tới smartphone, giúp người dùng nhanh chóng khóa gas và giảm thiểu nguy cơ cháy nổ Việc tích hợp cảm biến MQ135 vào hệ thống an toàn trong nhà mang lại sự chủ động và an tâm cho gia đình khi sinh hoạt và nấu nướng hàng ngày.
3.2.7 Thiết kế khối Speaker cho mạch Slave Sensor:
Khối Speaker dùng để cảnh báo cho người sử dụng biết khi nào có sự cố xảy ra
Hình 3.22: Sơ đồ mạch đo MCU Hình 3.21: Sơ đồ mạch đo Sensor
3.2.8 Thiết kế khối đo các thông số điện năng
ADE7753 là 1 IC do hang analog device sản xuất và nó có những tính năng cơ bản sau:
- Tích hợp bộ tích phân
- Tính giá trị hiệu dụng của dòng điện và điện áp với sai số nhỏ hơn 0,1%
- Hiệu chẩn số cho nguồn, pha và bù đầu vào
- Lập trình tần số xng ngõ ra
- Yêu cầu ngắt ở chân IRQ và thanh ghi trạng thái
- Điện áp chuẩn 2.4V, cho đưa từ ngoài
- Nguồn nuôi 5V, công suất thấp 25mW
Bảng 3.6 Sơ đồ và chức năng các chân của EMIC ADE7753
Chân số Ký hiệu Mô tả
1 RESET Thiết lập lại ADE7753, tín hiệu ở mức thấp sẽ giữ cho
ADC và những mạch kỹ thuật số ở chế độ khởi động lại
DVDD là nguồn mạch số cấp cho ADE7753, cung cấp nguồn cho các mạch số bên trong vi chip; điện áp cấp cho DVDD được duy trì ở mức 5V ±5% Chân AVDD được tách riêng với DGND để cách ly phần nguồn analog khỏi phần digital, giảm nhiễu và tăng độ chính xác đo lường Hình 3.23: EMIC ADE7753.
38 qua hai tụ điện mắc song song là tụ 10àF và tụ gốm
3 AVDD Nguồn mạch tương tự, chân này cung cấp điện áp tương tự cho các mạch tương tự trong ADE7753 Điện áp cần được duy trì ở mức 5V±5% Chân AVDD được tách riêng với DGND qua hai tụ điện mắc song song là tụ 10àF và tụ gốm 100 àF
4,5 V1P,V1N Tín hiệu tương tự sẽ vào bởi kênh 1 Kênh được thiết kế để sử dụng với một bộ chuyển đổi dòng di/dt (như cuộn Rogowski), cảm biến dòng (ví dụ Shunt) hoặc biến áp dòng CT
V2P và V2N là tín hiệu tương tự sẽ được đưa vào kênh 2 Kênh 2 được thiết kế dành cho bộ chuyển đổi điện áp, nhận tín hiệu analog đầu vào với biên độ tối đa là ±0.5 V Kênh còn có khả năng chịu quá điện áp lên tới ±6 V, giúp bảo vệ mạch khỏi sự cố quá mức.
Chân AGND (đất analog) cung cấp tham chiếu điện áp cho toàn bộ mạch analog bên trong ADE7753, bao gồm các ADC Việc kết nối AGND giúp giảm nhiễu và xung răng cưa, đồng thời tối ưu hóa hiệu suất của các bộ lọc, bộ biến dòng và nguồn điện áp.
9 REF: Truy cập và kiểm tra điện áp trên chân REF của chip, nơi điện áp đạt 2,4 V ± 8% và nhiệt độ tham chiếu là 30 ppm/°C Một số nguồn ngoài cũng áp nguồn lên chân này Trong cả hai trường hợp, chân REF cần được tách riêng để kết nối với tụ có giá trị 1µF.
DGND là điện áp tham chiếu số, cung cấp sự tham chiếu cho các mạch số bên trong ADE7753 như bộ nhân, bộ lọc và bộ chuyển đổi tần số Dòng điện số trong ADE7753 rất nhỏ, nhưng điện dung cao trên chân DGND có thể ảnh hưởng đến nhiễu và độ ổn định của hệ thống nếu không được quản lý đúng cách Vì vậy, trong thiết kế nên tách biệt mạch số và mạch analog, bố trí đất hợp lý và đảm bảo đường DGND ngắn, kết nối đất ở một điểm tham chiếu cố định để tối ưu hóa hiệu suất đo lường và giảm nhiễu.
DOUT có thể dẫn đến tín hiệu số bị nhiễu, làm ảnh hưởng đến sự so sánh
CF là tần số đầu ra ở mức logic Chân CF cung cấp thông tin về công suất hiệu dụng Các tần số ra được điều chỉnh bởi các tín hiệu điều khiển CSDEN và CFNUM.
12 ZX Điện áp dạng sóng (kênh 2)
13 SAG Cổng này mở ra khi mức công suất xuống thấp
14 IRQ Ngắt ngõ ra Khi công suất xuống thấp cổng này sẽ mở ra
CLKIN là xung đồng hồ ngõ vào cho ADEs, và quá trình điều chế tín hiệu số từ xung đồng hồ có tần số 3.579545 MHz Trong mạch, sử dụng hai tụ điện với giá trị 22 pF và 33 pF để tối ưu hóa đáp ứng và ổn định tín hiệu.
16 CLKOUT Cung cấp xung đồng hồ cho ADE7753 Có thể dung một tải CMOS
17 CS Chọn Chip Dùng 4 dây nối tiếp SPI ADE7753 sẽ hoạt động với đầu vào là mức thấp
18 SCLK Xung đầu vào đồng bộ Tất cả dữ liệu truyền nối tiếp được quản lý bởi xung này
19 DOUT Dữ liệu đầu ra, dữ liệu được chuyển khi sườn lên của
SCLK tác động Trong trường hợp trở kháng cao, sẽ xuất ra mức logic thông thường
20 DIN Dữ liệu đầu vào, dữ liệu được chuyển khi sườn xuống của SCLK tác động
Thiết kế khối chuyển điện áp:
Dùng biến áp tỷ số 220/12 Chọn Vmax = 250√2 V, VR17max = 250mV, R17 = 1kΩ
1+2∗𝑅15=> 𝑅15 = 𝑅16 > 38.07𝑘Ω Chọn R15 = R16 = 47 kΩ => điện áp hiệu dụng tối đa đo được là 307V
Thiết kế khối chuyển dòng điện:
Chọn biến dòng 2000:1 Dòng điện cực đại cần đo 10A
⁄√2 => R12 = R13 Dòng điện tối đa đo được là 17.7A
Hình 3.24: Khối chuyển đổi điện áp
Hình 3.25: Khối chuyển dòng điện
3.2.9 Sơ đồ thiết kế các mạch hoàn chỉnh
Hình 3.26: Sơ đồ nguyên lý mạch Master
42 Hình 3.27: Sơ đồ nguyên lý mạch Master
Hình 3.28: Sơ đồ nguyên lý mạch Slave Button
Hình 3.29: Sơ đồ nguyên lý mạch Slave Device
Hình 3.30: Sơ đồ nguyên lý mạch Slave Sensor
Hình 3.31: Sơ đồ nguyên lý mạch Slave Compteur
3.3 Mạch giám sát hệ thống qua camera:
Ngày trước, khi nhắc đến camera giám sát, người dùng thường chỉ xem tại chỗ trên màn hình lắp đặt và khi bước ra khỏi phạm vi đó việc theo dõi bị gián đoạn Nhờ sự phát triển không ngừng của mạng internet, rào cản đó dần được phá bỏ và camera giám sát được nâng cấp lên khả năng xem qua mạng internet Dù bạn ở đâu, chỉ cần có kết nối internet và thiết bị truy cập như máy tính hoặc laptop là có thể xem camera giám sát từ xa Hệ thống giám sát sử dụng Raspberry Pi 3 kết hợp với camera Logitech C270 để phát trực tiếp lên webserver, cho phép người dùng xem trực tiếp qua web bằng laptop.
Hình 3.32: Sơ đồ nguyên lý mạch Slave Compteur
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Các tính năng kỹ thuật
4.1.1 Khả năng đóng ngắt tiện dụng
Mạch relay cho phép đóng ngắt thiết bị điện AC với các chế độ điều khiển tiện dụng: công tắc hai trạng thái, điều khiển tại nhà hoặc từ xa thông qua kết nối wifi bằng smartphone hoặc laptop Nhờ đó có thể bật máy lạnh trước khi về nhà để nhiệt độ phòng đã đạt mức lạnh cần thiết Bên cạnh đó, thiết bị có thể kết hợp với các hoạt cảnh được lập sẵn như chế độ tiếp khách hoặc chế độ không cần nhiều ánh sáng, giúp tự động hoá và tối ưu hóa trải nghiệm sử dụng.
Ngôi nhà được trang bị tính năng hẹn giờ bật tắt thiết bị, cho phép các thiết bị hoạt động theo lịch trình và đáp ứng nhu cầu của chủ nhân Tính năng này giúp tối ưu hóa tiện ích và tiết kiệm năng lượng bằng cách tự động bật tắt các thiết bị vào khung giờ phù hợp Trang bị cảm biến nhiệt độ và độ ẩm cho phép theo dõi trạng thái hiện tại của ngôi nhà, cung cấp dữ liệu thời gian thực để điều chỉnh thiết bị và duy trì môi trường sống thoải mái.
Bên cạnh đó hệ thống còn được trang bị cảm biến khí gas giúp chúng ta có thể tránh được những nguy hiểm từ việc rò rỉ gas
Hình 4.1: Tổng quan chức năng mô hình smarthome
4.1.2 Sơ đồ khối chức năng tổng quát
Mô tả sơ đồ khối:
Gồm 1 IC STM32F407VGT6 được hàn thẳng lên board và không dùng kit nhằm tiết kiệm chi phí cũng như làm board mạch gọn lại rất nhiều Ngoài ra còn IC thời gian thực DS3231, chip wifi ESP8266, khối giao tiếp RS485, module GSM và LCD Master có nhệm vụ quản lý các Slave, nhận dữ liệu từ các Slave sau đó gửi thông tin truyền tương ứng với các nhiệm vụ được giao Master kết nối với internet qua wifi để nhận thông tin điều khiển từ internet cũng như cập nhật thông tin hệ thống lên webserver Ngoài ra người dùng có thể điều khiển hệ thống qua GSM phòng khi đang ở xa không có internet
Hình 4.2: Sơ đồ khối chức năng smathome
Slave Button là vi điều khiển PIC 16F628A của Microchip đảm nhận nhiệm vụ điều khiển các Slave bằng cách gửi frame tín hiệu qua đường truyền tới Master, từ đó thực hiện các chức năng được chỉ định Việc sử dụng PIC 16F628A cho kiến trúc Master–Slave giúp hệ thống nhúng điều khiển đồng bộ, tin cậy và dễ mở rộng Các frame tín hiệu được thiết kế chuẩn để bảo đảm tính tương thích giữa Master và Slave, tăng hiệu quả truyền nhận dữ liệu và tối ưu hóa hiệu suất điều khiển từ xa.
The slave device leverages a Microchip PIC 16F628A microcontroller to receive commands from the master and turn relays on and off to control an AC load.
Khối Slave cảm biến được trang bị vi điều khiển PIC 16F628A của Microchip, đảm nhận nhiệm vụ gửi tín hiệu nhiệt độ, độ ẩm và khí gas về master xử lý Vi điều khiển PIC 16F628A thực thi giao tiếp và đồng bộ dữ liệu cảm biến với master, đảm bảo thông tin môi trường được truyền tin cậy cho quá trình xử lý và lưu trữ Hệ thống này phù hợp cho các ứng dụng giám sát môi trường, nhà thông minh và IoT, cho phép quản lý dữ liệu cảm biến từ xa qua giao tiếp giữa khối Slave và khối Master.
Khối Slave Compteur tích hợp đầy đủ các chức năng của khối Slave Device và bổ sung tính năng giám sát và đo lường điện áp V, dòng điện I và công suất P để theo dõi công suất và lượng điện năng tiêu thụ của thiết bị Từ dữ liệu đo được, nó truyền dữ liệu lên webserver, hỗ trợ quản lý và phân tích từ xa hiệu quả.
Trong mô hình Smarthome được thiết kế trong luận văn, dữ liệu được truyền giữa các thiết bị thông qua cổng UART của vi điều khiển; từ đó tín hiệu được đưa vào IC RS485 và truyền lên đường truyền Nhờ đó, chuẩn RS485 có thể kết nối tất cả thiết bị trong hệ thống Smarthome bằng duy nhất một cáp mạng Cáp mạng này gồm 4 dây và được sử dụng để truyền tín hiệu giữa các thiết bị trong mạng lưới Smarthome.
- Dây 12V: có chức năng đưa nguồn điện đến các mạch điều khiển
- Dây A: Dây truyền tín hiệu
- Dây B: Dây truyền tín hiệu
- Dây GND: Kết nối đất chung giữa các mạch điều khiển
Truyền dẫn theo chuẩn RS485 chỉ là lớp vật lý, vì vậy cần có một giao thức truyền dữ liệu để quản lý thông tin một cách khoa học và từ đó phát triển mô hình cho phép tích hợp thêm nhiều thiết bị Đồng thời để IC RS485 hoạt động ổn định, chúng ta phải điều khiển trực tiếp chân cho phép hoạt động nhằm kích hoạt hoặc vô hiệu hóa quá trình truyền nhận theo yêu cầu Sự kết hợp giữa giao thức truyền dữ liệu và điều khiển chân cho phép sẽ tạo nền tảng cho một hệ thống RS485 có khả năng mở rộng, tích hợp và quản lý nhiều thiết bị trong một mạng duy nhất.
Việc sử dụng IC RS485 kết nối với vi điều khiển đòi hỏi thiết kế và xây dựng một giao thức truyền tin hiệu quả nhằm hiện thực hóa mô hình Smarthome Trong quá trình nghiên cứu phục vụ luận văn, tôi đã xem xét kỹ các yêu cầu của giao thức truyền và đề xuất hai mô hình truyền dẫn phù hợp, được xây dựng dựa trên các mô hình lý thuyết đã phân tích.
Thiết kế giao thức theo hình thức hỏi vòng tuần tự:
Master thực thi vòng quét tuần tự các Slave được kết nối trong hệ thống Sau khi gửi một câu hỏi yêu cầu làm việc đến một Slave, Master sẽ trễ một khoảng thời gian ngắn để chờ phản hồi từ Slave đó Nếu Slave được hỏi không có yêu cầu công việc, Master bỏ qua và tiếp tục hỏi một Slave khác Nếu Slave Button đang được Master hỏi có tín hiệu từ bên ngoài, Slave này được quyền ngắt vòng hỏi bằng cách gửi cho Master một yêu cầu xin quyền làm việc; thông tin nhận được sẽ ưu tiên truyền dữ liệu trực tiếp đến Slave Device để thực hiện công việc được yêu cầu Khi quá trình kết nối giữa Master-Input-Slave-Output kết thúc, Master tiếp tục hỏi tuần tự các Slave và lặp lại chu trình Thời gian lặp vòng của Master phải ở mức rất nhỏ (tính bằng ms) để có thể quét tất cả các Slave hiện có trong hệ thống, và thời gian hỏi cũng như thời gian nhận tín hiệu từ Slave phải đồng bộ để tín hiệu được truyền đi.
Trong giao tiếp RS485 theo mô hình Master–Slave, Slave có nhiệm vụ chờ Master hỏi và gửi dữ liệu lên đường truyền Slave Button luôn ở trạng thái nhận dữ liệu, tức chân Enable của RS485 ở mức LOW Khi được hỏi đồng thời với tín hiệu từ bên ngoài, Slave Input sẽ bật chân Enable của RS485 lên mức HIGH và gửi thông tin theo yêu cầu từ bên ngoài.
Chân Enable của RS485 trên Slave Device luôn ở mức LOW, tức là ở trạng thái chờ làm việc Khi được Master hỏi hoặc có dữ liệu gửi đến, Slave Device có nhiệm vụ phân tích và xử lý thông tin truyền đến Nếu thông tin truyền đúng với cài đặt thì sẽ làm việc theo chức năng được định sẵn.
Quá trình hỏi lặp được diễn ra liên tục, giúp giảm hiện tượng trùng lặp khi hai tín hiệu được gửi đồng thời; khi một Slave được hỏi, Slave đó sẽ trả lời ngay Tuy nhiên, việc quản lý dữ liệu gặp nhiều khó khăn do một số nguyên nhân liên quan đến đồng bộ hóa và lưu trữ dữ liệu giữa các thiết bị, khiến quá trình xử lý và phân tích dữ liệu trở nên phức tạp.
Trong cấu hình giao tiếp Master–Slave trên RS485, sau khi Master gửi dữ liệu, hệ thống phải trải qua một khoảng thời gian trễ để nhận thông tin từ các Slave và để RS485 quay về trạng thái nhận (LOW) Song song đó có một khoảng trễ nữa để đặt RS485 ở trạng thái gửi (HIGH) Vì vậy, số lượng Slave càng nhiều thì thời gian trễ tổng cộng càng lớn, khiến quá trình truyền dữ liệu qua RS485 trở nên chậm lại và ảnh hưởng tới hiệu quả hệ thống.
Thiết kế phần mềm cho Master và Slave
4.2.1 Thiết kế phần mềm cho Slave Device
4.2.2 Thiết kế phần mềm cho Slave Button
Check frame ? Cấu hình hệ thống
Xử lý lệnh bật tắt relay Nhận Frame
Hình 4.4: Sơ đồ khối Slave Device
Bấm nút ? Cấu hình hệ thống
Gửi lệnh cho Master Hình 4.5: Sơ đồ khối Slave Button Đường truyền trống ?
4.2.3 Thiết kế phần mềm cho Slave Sensor
4.2.4 Thiết kế phần mềm cho Slave Compteur
Check Frame ? Cấu hình hệ thống
Gửi dữ liệu cho Master Hình 4.6: Sơ đồ khối Slave Sensor Đường truyền trống ?
START Cấu hình hệ thống Đo V, I, P
Check Frame ? Đường truyền trống ? Gửi dữ liệu cho Master
Hình 4.7: Sơ đồ khối Slave Compteur
4.2.5 Thiết kế phần mềm cho Master
Gửi dữ liệu cho Slave
Hình 4.8: Sơ đồ khối Master
Xử lý dữ liệu YES
Nhận lệnh từ điện thoại ?
Check thời gian đọc sensor ? Đường truyền trống ?
Thiết kế Webserver điều khiển hệ thống nhà thông minh Smarthome 62 1 Thiết kế Back-end
Có 2 nền tảng phổ biến cho lập trình webserver: Dùng môi trường server điển hình LAMP (linux-Apache-SQL-PHP) hoặc nền tảng Nodejs chạy trên môi trường V8 JavaScript runtime Khi dùng LAMP, chúng ta có một webserver là Apache nằm dưới cùng PHP chạy trên nó Mỗi một kết nối tới server sẽ sinh ra một thread mới và điều này khiến webserver trở nên chậm chạp Nodejs giải quyết được bài toán này Một số module của Nodejs giúp ta có thể quản lý kiến trúc lõi của máy chủ, kết quả web sẽ có độ thực thi cao
Node.js là nền tảng server-side được Ryan Dahl phát triển từ năm 2009 với mục tiêu tạo ra các ứng dụng nhẹ, hiệu quả cho xử lý dữ liệu thời gian thực trên các thiết bị phân tán Là mã nguồn mở và đa nền tảng, Node.js hỗ trợ phát triển các ứng dụng phía máy chủ và các ứng dụng liên quan đến mạng Nhiều công ty đã ứng dụng Node.js cho server-side của mình, điển hình là eBay, GE, Microsoft, PayPal, Uber và nhiều tổ chức khác.
Giao tiếp giữa Server và hệ thống:
Trong lập trình webserver có hai phương thức cơ bản là POST và GET, đều là thành phần của giao thức HTTP Khi client gửi dữ liệu lên server, dữ liệu được mã hóa theo dạng URL encoding Phương thức GET đưa dữ liệu vào chuỗi tham số trên URL, khiến thông tin dễ bị lộ qua lịch sử trình duyệt, log máy chủ và các bản sao lưu, đồng thời giới hạn kích thước và có thể ảnh hưởng đến bảo mật Ngược lại, POST gửi dữ liệu trong thân yêu cầu nên an toàn hơn cho thông tin nhạy cảm và cho phép truyền một lượng lớn dữ liệu mà không lộ nội dung trên URL Do đó, GET thích hợp cho các truy vấn dữ liệu mà không thay đổi trạng thái của hệ thống, còn POST thích hợp cho gửi dữ liệu nhạy cảm hoặc có kích thước lớn, như điền form hoặc tương tác với API.
Truyền dữ liệu qua URL bằng phương thức GET cho tốc độ xử lý nhanh, nhưng thông tin có thể bị lộ khi dữ liệu đi kèm với chuỗi URL; trong khi đó, POST an toàn hơn vì dữ liệu được gửi trong thân yêu cầu và không hiển thị trên URL, đặc biệt khi dùng giao thức HTTPS Vì vậy, bài viết đề xuất kết hợp nhuần nhuyễn cả hai phương thức POST và GET để gửi thông tin lên và nhận dữ liệu từ hệ thống Đăng nhập vào hệ thống nên sử dụng POST, vì dữ liệu đăng nhập sẽ được bảo mật hơn khi gửi qua body của yêu cầu và được bảo vệ bằng HTTPS.
Mọi số liệu từ hệ thống sẽ được lưu trữ vào cơ sở dữ liệu nhằm mục đích xử lý và tạo đồ thị sau này Tôi chọn MongoDB làm database cho dự án để có khả năng mở rộng và quản lý dữ liệu hiệu quả Dữ liệu công suất của thiết bị được gửi lên internet và lưu trữ trong MongoDB dưới dạng JSON, nhằm tạo điều kiện cho việc truy vấn và phân tích dữ liệu sau này.
{“deviceID”: “D04”, “date”: 6, “month”: 12, “year”: 2017, “time”: 9:45, “P”: 60} Sau đó những dữ liệu này sẽ được đem ra phân tích và xử lý
Hình 4.10: Trang Login vào hệ thống
HTML là ngôn ngữ đánh dấu được dùng để nói với trình duyệt web nơi bắt đầu và cách trình bày một trang web Nhờ HTML, ta xác định tiêu đề trang, các đoạn văn bản, liên kết và hình ảnh cũng như sắp xếp cấu trúc nội dung theo một khung rõ ràng để người đọc dễ tiếp cận và SEO tốt hơn Hiểu HTML giúp tối ưu hóa cấu trúc trang và cải thiện khả năng hiển thị trên các công cụ tìm kiếm.
CSS là ngôn ngữ cung cấp hình thức và định dạng cho các trang web Nói cách khác CSS sẽ làm cho trang web trông đẹp hơn
Hình 4.11: Webserver điều khiển nhà thông minh SmartHome
Ajax cho phép cập nhật nội dung trên trang web một cách không đồng bộ bằng cách trao đổi dữ liệu nhỏ với máy chủ Nhờ vậy, các thành phần của trang có thể được làm mới riêng lẻ mà không cần tải lại toàn bộ trang, tối ưu trải nghiệm người dùng và giảm thiểu lượng dữ liệu được truyền Với Ajax, ứng dụng web trở nên phản hồi nhanh hơn và mượt mà hơn cho các tương tác như form, danh sách và bảng dữ liệu.
4.3.3 Webserver sau khi thiết kế
Trang điều khiển thiết bị:
Hình 4.12: Trang điều khiển thiết bị
Hình 4.13: Trang ngữ cảnh của hệ thống
Hình 4.14: Trang hiển thị chart hệ thống
Hình 4.14: Trang hiển thị camera an ninh
Thiết kế App Android điều khiển nhà thông minh Smarthome
React Native là công nghệ do Facebook sáng tạo cho phép xây dựng ứng dụng di động chạy được trên cả Android và iOS Việc phát triển ứng dụng cho hai hệ điều hành tốn thời gian vì phải học Java và Android SDK cho Android và Swift hoặc Objective-C cho iOS, nên việc tái sử dụng mã nguồn trở thành yếu tố quan trọng; React Native gợi ý phương án tối ưu bằng cách cho phép viết một lần và triển khai trên nhiều nền tảng Tôi dùng React Native để code và xây dựng trên Android Studio để tạo file APK có thể cài đặt trên nhiều thiết bị Thêm vào đó, React Native là dự án nguồn mở với cộng đồng hỗ trợ rất lớn, giúp tăng tốc phát triển và khắc phục sự cố Nhiều ứng dụng nổi tiếng đã được viết bằng React Native như Facebook, Skype, Instagram, Walmart và Yeti Smarthome.
Redux là một thư viện quản lý trạng thái quan trọng cho ứng dụng, được xây dựng trên nền tảng kiến trúc Flux mà Facebook giới thiệu, nên Redux với React Native là một cặp đôi hoàn hảo Việc kiểm soát trạng thái giúp giảm thiểu lỗi và đồng bộ dữ liệu trên toàn bộ ứng dụng Redux lưu mọi dữ liệu vào một nguồn dữ liệu duy nhất và dữ liệu ở đây chỉ được đọc; mọi thay đổi diễn ra thông qua các actions và được xử lý bởi reducers, không thay đổi trực tiếp dữ liệu Trong ứng dụng Android này, Redux đóng vai trò là kho chứa tất cả dữ liệu như địa chỉ IP, port của server và trạng thái của các thiết bị trong mạng; do đó khi đồng bộ với server, ta chỉ cần đồng bộ hóa Redux với server.
Những thiết bị tích hợp AI như Alexa trên Amazon Echo hay Siri của Apple cho phép người dùng tương tác và điều khiển thiết bị bằng giọng nói; trong luận văn này, tôi hình dung tự tạo một AI riêng để điều khiển các thiết bị qua giọng nói trên điện thoại thông minh và đặt tên cho nó là Geni; tôi sử dụng nền tảng API.AI của Google (nay được gọi là Dialogflow) để xây dựng Geni, tận dụng các công cụ xử lý giọng nói trên máy chủ của Google, từ việc thu âm trên smartphone sẽ được gửi lên server để nhận diện và đưa ra các hành động, sau đó được đồng bộ với webserver để điều khiển thiết bị.
When I say "Turn on device 1," Geni records the command, uploads the audio to Google's database for comparison, and replies "Ok boss, I turned it on for you," while emitting the action "turnOnDevice1." Using React Native, I parse this response and forward it to the WebServer to activate device 1, enabling seamless IoT device control through a mobile app For weather queries like "Weather in Ho Chi Minh City," Geni returns "The weather looks great" along with the current temperature and conditions in Ho Chi Minh City, providing real-time weather updates alongside voice-activated commands.
Hình 4.17: Sơ đồ hoạt động của AI
4.4.4 Một số hình ảnh của App Android
Hình 4.18: Một số hình ảnh của App Android
Hiệu chỉnh phép đo các thông số dòng điện
Trong quá trình chế tạo hoặc sử dụng một thiết bị đo, hiệu chuẩn là giai đoạn thiết yếu để đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của thiết bị Hiệu chuẩn giúp điều chỉnh sai lệch, so sánh với các chuẩn đo lường có độ chính xác cao và duy trì hiệu suất ổn định dưới mọi điều kiện làm việc Để đạt được độ chính xác tối ưu, quá trình hiệu chuẩn nên được thực hiện định kỳ kết hợp với kiểm tra hiệu suất, ghi nhận kết quả và phân tích so với các tiêu chuẩn ngành, từ đó cải thiện thiết kế và quy trình sản xuất.
ADE7753 tích hợp bộ chuyển đổi tín hiệu từ analog sang số (ADC) có độ chính xác cao và sử dụng điện áp tham chiếu Uref được tự động bù bằng phần mềm, giúp kết quả đo đạt chuẩn như yêu cầu Nhờ cơ chế bù tự động bằng phần mềm, hệ thống với ADE7753 mang lại độ chính xác ổn định và đáng tin cậy cho các ứng dụng đo lường điện năng.
Giá trị đọc về từ những thanh ghi của EMIC ADE7753 là những giá trị thập phân Mỗi đơn vị của số thập phân này gọi là một LSB Mục tiêu của việc hiệu chỉnh là chuyển những giá trị trong thanh ghi của EMIC thành những giá trị thực có nghĩa và bù những sai số do nhiễu gây nên
Có 2 phương pháp để hiệu chỉnh thông số thiết bị: thứ nhất là sử dụng một đồng hồ chuẩn, thứ hai là sử dụng một nguồn chuẩn Do điều kiện phòng thí nghiệm ICA chỉ có máy biến áp (0V - 250V) và đồng hồ AMPROBE 34XR-A và đồng hồ MFM383A, nhóm đề tài chọn phương pháp hiệu chỉnh thông số đo lường bằng đồng hồ chuẩn
Trong phạm vi đề tài, Slave cần đo 4 thông số là dòng điện, điện áp và công suất Vì vậy, tôi thực hiện một số thí nghiệm để hiệu chỉnh các thông số trên
B1: Điều chỉnh giá trị V từ 0 – 250V, đọc giá trị thanh ghi VRMS và giá trị thực đo được từ đồng hồ
Thông thường người ta hiệu chỉnh bằng cách tính sai số tuyệt đối
Sau đó tính hệ số điện áp Kv:
Công thức tính toán giá trị điện áp thực:
V = (𝑉𝑅𝑀𝑆 − 𝑉 𝑅𝑀𝑆𝑂𝑆 ) ∗ 𝐾 𝑣 (4.3) Cách 2: Dùng phương pháp xấp xỉ hàm
Dựa trên bảng số liệu dùng Matlab tính xấp xỉ hàm ra ta sẽ được 1 hàm số dạng
V = f (VRMS) với V là giá trị thực và VRMS là giá trị đọc được từ thanh ghi Làm tương tự với I và P
Hình 4.19: Bố trí thí nghiệm để đo đạc