TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH CẢM BIẾN SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ 4G TRÊN MÔ ĐUN SIM7000 II.. TÓM TẮT Hệ thống mạng di động đã trải qua một quá trình phát triển dài với các công ng
TỔNG QUAN
Hệ thống mạng di động đã trải qua một quá trình phát triển dài với nhiều công nghệ khác nhau Mạng 2G, ra đời từ năm 1992, hiện vẫn sử dụng các dải tần có giá trị, mang lại vùng phủ sóng lớn và khả năng thâm nhập tốt trong tòa nhà Tuy nhiên, việc loại bỏ dần mạng di động 2G là cần thiết để giải phóng không gian và phân bổ lại băng tần cho các mạng lưới mới hơn, nhanh hơn, phục vụ cho các thiết bị sử dụng mạng 4G và 5G trong tương lai.
Các nhà mạng toàn cầu đang có kế hoạch tắt sóng mạng 2G và 3G trong tương lai gần Việc này không chỉ giúp giảm chi phí duy trì mà còn giảm mức tiêu thụ năng lượng và đơn giản hóa hoạt động mạng.
Tại Việt Nam, chương trình chuyển đổi số quốc gia đến năm 2025, với tầm nhìn đến 2030, đặt mục tiêu phổ cập mạng 4G và tích hợp công nghệ 4G/5G cho các thiết bị di động và IoT, đồng thời loại bỏ kết nối 2G để phát triển mạng 5G Việc ứng dụng công nghệ 4G trong các dự án IoT trở thành xu hướng tất yếu.
Hiện nay, nhiều đồ án đã được thực hiện về mô đun SIM sử dụng mạng 2G, như đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm, cường độ gió, cường độ sáng qua SMS” của Lê Trọng Hoàng và Võ Đình Luân vào năm 2019 Đề tài này sử dụng mô đun SIM800L, tuy nhiên, việc áp dụng mạng 2G đã trở nên lỗi thời và không còn phù hợp cho các ứng dụng hiện đại.
Dựa trên các khảo sát và nghiên cứu, nhóm mong muốn phát triển một hệ thống chiếu sáng hiệu quả hơn, tích hợp cảm biến cho phép giám sát từ xa.
“Nghiên cứu và thi công mô hình cảm biến sử dụng công nghệ 4G trên mô đun SIM7000”
Nghiên cứu và thi công mô hình cảm biến bao gồm các loại cảm biến như cảm biến đo nhiệt độ-độ ẩm, cảm biến chuyển động và cảm biến tốc độ gió.
Hệ thống cảm biến bao gồm cảm biến khí gas, cảm biến cường độ sáng, cảm biến nhiệt độ-độ ẩm và cảm biến phát hiện lửa Tất cả các cảm biến này được giám sát qua web và điện thoại thông minh thông qua mạng 4G/LTE sử dụng mô đun sim7000.
Trong quá trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp về mô hình cảm biến sử dụng công nghệ 4G trên mô đun SIM7000, nhóm chúng em sẽ tập trung vào việc nghiên cứu và thi công các nội dung chính liên quan đến dự án.
- Nội dung 1: Kết nối cảm biến với Arduino
- Nội dung 2: Kết nối mô đun SIM7000 với Arduino
- Nội dung 3: Kết nối mô đun SIM7000 với internet để cập nhật dữ liệu dùng cho việc hiển thị
- Nội dung 4: Tính toán công suất nguồn và công suất pin năng lượng mặt trời
- Nội dung 5: Thiết kế giao diện hiển thị dữ liệu trên web
- Nội dung 6: Thiết kế mô hình hệ thống
- Nội dung 7: Chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống
- Nội dung 8: Viết báo cáo thực hiện
- Nội dung 9: Bảo vệ luận văn
- Thiết kế 2 mô hình cảm biến
- Gửi dữ liệu lên server, gửi tin nhắn SMS đến điện thoại và theo dõi qua giao diện web
Chương này trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, giới hạn bố cục của đồ án
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Giới thiệu các linh kiện, thiết bị sử dụng thiết kế hệ thống, trình bày các lý thuyết liên quan đến đề tài
Chương 3: Tính toán và thiết kế
Tính toán thiết kế, đưa ra sơ đồ nguyên lý của hệ thống
Chương 4: Thi công hệ thống
Chương này sẽ tóm tắt quá trình thi công hệ thống, bao gồm việc liệt kê các linh kiện, thi công các khối, cung cấp hình ảnh toàn bộ hệ thống sau khi hoàn thiện và lưu đồ giải thuật.
Chương 5: Kết quả, nhận xét, đánh giá
Sau khi thi công hệ thống trình bày kết quả thu được đồng thời rút ra nhận xét đánh giá
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Trình bày ngắn gọn kết quả thu được dựa trên mục tiêu và nội dung nghiên cứu Đưa ra hướng phát triển cho đề tài.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Mạng 1G
Mạng di động 1G, được triển khai lần đầu tiên tại Nhật Bản bởi công ty Nippon Telegraph and Telephone (NTT) vào năm 1979, đã nhanh chóng phủ sóng toàn bộ đất nước vào năm 1984 Sự phát triển này đã mở đường cho các quốc gia phương Tây bắt đầu triển khai mạng 1G trong khu vực.
Mạng 1G sử dụng truyền thông tương tự với ăng ten thu phát sóng, dẫn đến kích thước điện thoại khá to và cồng kềnh Thời điểm đó, mạng 1G gặp nhiều khuyết điểm như chỉ hỗ trợ dịch vụ thoại, chất lượng âm thanh thấp, cuộc gọi thường xuyên bị ngắt, âm thanh nhiễu, không có bảo mật và dung lượng pin hạn chế Tốc độ mạng chỉ đạt khoảng 2,4 Kbps.
Mạng 2G
Mạng di động 2G, hay hệ thống thông tin di động toàn cầu (GSM), lần đầu tiên được thử nghiệm tại Phần Lan vào năm 1991, đánh dấu sự chuyển đổi quan trọng từ truyền thông tương tự sang truyền thông số Mạng 2G không chỉ cung cấp dịch vụ thoại mã hóa kỹ thuật số với chất lượng âm thanh tốt hơn và giảm nhiễu, mà còn hỗ trợ các dịch vụ nhắn tin như SMS và MMS Tốc độ truyền dữ liệu của mạng 2G đã cải thiện đáng kể, đạt khoảng 10 Kbps, và sau nhiều cải tiến, có thể đạt tới 500 Kbps nhờ vào các công nghệ GPRS và EDGE.
Tuy hiện nay đã được thay thế bởi nhiều công nghệ mới, nhưng mạng 2G vẫn được sử dụng ở nhiều nơi trên thế giới bao gồm cả Việt Nam
Mạng 3G
Mạng di động 3G, lần đầu tiên được triển khai tại Nhật Bản, đã cải thiện đáng kể khả năng truyền tải dữ liệu điện thoại, bao gồm nghe gọi, SMS, gửi email và tải dữ liệu hình ảnh So với mạng 2G, 3G cung cấp tốc độ truy cập internet cao hơn, với khả năng truyền dữ liệu nhanh gấp 4 lần, đạt tới 2 Mbps Điều này cho phép người dùng thực hiện các cuộc gọi video trực tiếp và tham gia hội nghị trực tuyến một cách dễ dàng ngay cả khi đang di chuyển.
Mạng 4G
Mạng di động 4G, lần đầu tiên được triển khai vào năm 2009 với tên gọi LTE, đã cải tiến đáng kể về tốc độ Mạng LTE (Long-term evolution) có nhiều phiên bản, trong đó LTE Cat 1 hỗ trợ tốc độ tải xuống 10 Mbps và tải lên 5 Mbps Phiên bản này phù hợp cho các ứng dụng không yêu cầu tốc độ truyền tải nhanh nhưng cần độ tin cậy cao, đặc biệt trong các dự án IoT.
Mạng 4G hiện nay cung cấp tốc độ truy cập cao lên đến 1 Gbps, cho phép người dùng cố định truyền tải video hội nghị và trực tiếp sự kiện với độ phân giải Full-HD và 4K Nó có khả năng phục vụ đồng thời hơn 300 người dùng, với tốc độ mã hóa nhanh hơn và khả năng nén dữ liệu tốt hơn so với mạng 3G.
Mạng 5G
Mạng di động 5G, lần đầu tiên được triển khai tại Hàn Quốc vào năm 2019, có thể đạt tốc độ gần 170 Mbps, nhanh hơn nhiều so với 4G Điểm nổi bật của 5G so với 4G là độ trễ giảm mạnh, từ khoảng 50ms xuống chỉ còn 10ms, và có thể giảm đến 1ms Bên cạnh đó, băng thông của 5G trải dài từ 30GHz đến 300GHz, mang lại tốc độ tải lên và tải xuống đáng kể.
Tổng quan về mô đun sim A7670C-LASS
Giới thiệu sơ lược về mô đun A7670C-LASS
Mô đun A7670C-LASS của SIMCOM được thiết kế hỗ trợ 4G-LTE, nhắn tin SMS, HTTP, MQTT, nhưng không hỗ trợ gọi thoại và GPS Mô đun này giao tiếp với vi điều khiển qua giao thức UART và sử dụng tập lệnh AT để điều khiển.
Hình 2-5 Mô đun sim A7670C-LASS
- Mạng hỗ trợ: LTE Cat1
- Kiểu khay sim: Nano SIM, Open-Lock
- Dòng ở chế độ ngủ: 2.5mA
- Dòng ở chế độ chờ: 24mA
- Dòng khi truy cập mạng: ~600mA
- Dòng tiêu thụ tối đa: 2A
- Tốc độ truyền tải: 10(DL)/5(UL) Mbps
- Hỗ trợ tin nhắn SMS
- Băng tần hỗ trợ: LTE-FDD: B1/B3/B5/B8
- Giao thức hỗ trợ: TCP/IP/IPV4/IPV6/Multi-
PDP/FTP/FTPS/HTTP/HTTPS/DNS
- Chức năng các chân mô đun:
- VCC: cấp nguồn cho mô đun, nguồn cấp trong khoảng từ 5V đến 16V
- RX: chân UART nhận lệnh từ vi điều khiển
- TX: chân gửi dữ liệu về vi điều khiển
- RST: chân điều khiển reset
- PWK: chân bật/tắt mô đun
Tập lệnh kiểm tra và điều khiển trạng thái mô đun
Bảng 2-1 Bảng lệnh kiểm tra và điều khiển trạng thái mô đun
Lệnh Phản hồi Mô tả
AT+CPIN? +CPIN: READY Kiểm tra trạng thái SIM
AT+CSQ +CSQ: 24, 99 Kiểm tra chất lượng tin hiệu
AT+CREG? +CREG: 0,1 Kiểm tra đăng ký mạng AT+CPSI? +CPSI:
AT+CRESET OK Khởi động lại mô đun
Kiểm tra thông tin mô đun
Revision: A7670C-LASS IMEI: 3516020345688570 +GCAP: +CGSM,+FCLASS,+DS
Tập lệnh AT điều khiển tin nhắn:
Bảng 2-2 Bảng lệnh điều khiển tin nhắn
AT+CMGF=1 Chọn định dạng tin nhắn SMS ở dạng kí tự AT+CMGS="84XXXXXXXXX" Gửi tin nhắn, 84 là mã khu vực Việt
Để gửi tin nhắn qua Arduino, bạn cần nhập số điện thoại và nội dung tin nhắn, sau đó gửi ký tự char(26) Để đọc tin nhắn trong bộ nhớ, sử dụng lệnh AT+CMGR=X, trong đó X là địa chỉ tin nhắn cần đọc, và thông tin trả về sẽ bao gồm nội dung và số điện thoại Để kiểm tra số lượng tin nhắn lưu trữ trong bộ nhớ hệ thống, bạn có thể sử dụng lệnh AT+CPMS?.
Trước khi khởi động giao thức, cần khai báo APN và dùng địa chỉ IP bằng 2 lệnh
AT+HTTPINIT Khởi động giao thức HTTP
AT+HTTPTERM Kết thúc giao thức HTTP
AT+HTTPPARA=”URL”, Đặt địa chỉ muốn truy cập, địa chỉ
URL bắt đầu ghi tại và được đặt trong 2 dấu ngoặc kép AT+HTTPACTION= Chọn phương thức HTTP:
0 GET, 1 POST, 2 HEAD, 3 DELETE, 4 PUT
Trước khi khởi động giao thức, cần khai báo APN và dùng địa chỉ IP bằng 2 lệnh AT+CGACT=1,1
AT+CMQTTSTART Khởi động giao thức MQTT
AT+CMQTTSTOP Kết thúc giao thức MQTT
Lệnh AT+CMQTTACCQ=X, “ten-client”, Y được sử dụng để đặt tên cho client khi kết nối đến MQTT Broker Trong đó, X có giá trị 0 hoặc 1 để biểu thị số lượng client, và Y xác định phương thức kết nối: nếu Y là 0, kết nối đến MQTT Broker sẽ sử dụng TCP, còn nếu Y là 1, kết nối sẽ sử dụng phương thức khác.
AT+CMQTTREL Xoá client đã đặt
Để kết nối đến broker, bạn cần chọn client đã đặt, URL và cổng broker, cũng như thời gian duy trì kết nối để nhận tin nhắn và xóa thông tin khi hoàn thành giao tiếp Lệnh AT+CMQTTTOPIC=0, 9 được sử dụng để chọn topic mà bạn muốn gửi đến.
Chọn client đã đặt và thiết lập độ dài tối đa cua topic
AT+CMQTTPAYLOAD= 0, 15 Nhập tin nhắn muốn gửi đến broker, chọn client 0 đã đặt trước đó và độ dài của tin nhắn
Tổng quan về Arduino Nano
Giới thiệu sơ lược về Arduino Nano
Mạch điện Arduino Nano V3.0 ATmega328P là bản thu gọn của các bo như uno rất thích hợp cho các dự án cần sự nhỏ gọn và tiện lợi
Bo mạch Arduino Nano V3 được trang bị chip Atmega328-AU, bổ sung thêm 2 chân Analog A6 và A7 Nó có một opamp tự động chuyển nguồn khi nguồn cấp lớn hơn nguồn đang sử dụng Arduino Nano sử dụng chip CH340 để giao tiếp, giúp giảm giá thành sản phẩm.
- IC nạp và giao tiếp UART: CH340
- Điện áp cấp: 5VDC cổng USB hoặc 7-12VDC chân Vin
- Mức điện áp giao tiếp GPIO: TTL 5VDC
- Số chân Digital: 14 chân, trong đó có 6 chân PWM
- Số chân Analog: 8 chân (hơn Arduino Uno 2 chân)
- Flash Memory: 32KB (2KB Bootloader)
- Tích hợp Led báo nguồn, led chân D13, LED RX, TX
- Tích hợp IC chuyển điện áp 5V LM1117
Arduino Nano có thể nhận nguồn qua cổng mini USB hoặc từ nguồn ngoài qua chân Vin Theo khuyến cáo của nhà sản xuất, điện áp cấp cho chân Vin nên nằm trong khoảng từ 7V đến 12V Nếu nguồn cấp vượt quá 12V, IC ổn áp có thể bị quá nhiệt và dẫn đến hư hỏng mạch.
- GND (Ground): Cực âm của nguồn cấp cho Arduino
- 5V: Cấp 5V đầu ra, dòng tối đa ở chân này là 500mA
- 3.3V: Cấp 3.3V đầu ra, dòng tối ra tói đa 50mA
- Vin (Voltage Input): Chân cấp nguồn 7V đến 12V cho Arduino
- REF: Tham chiếu điện áp hoạt động của vi xử lí
Các ngõ vào/ra (I/O pins) của Arduino Nano
Hình 2-7 Sơ đồ chân chi tiết của Nano
Arduino Nano có 14 chân digital, mỗi chân có thể được lập trình làm ngõ vào hoặc ngõ ra Điện áp đầu ra của mỗi chân là 5V với dòng tối đa 40mA và có điện trở kéo lên từ 20 – 50Kohm Bên cạnh đó, một số chân còn có chức năng đặc biệt.
- 0 (RX), 1 (TX) dùng để nhận (RX) và truyền (TX) dữ liệu nối tiếp TTL
- 2, 3 là 2 chân dùng ngắt ngoài (exernal interrupts)
- 3, 5, 6, 9, 10, 11 là chân cung cấp PWM 8-bit với hàm analogWrite()
- 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) hỗ trợ giao tiếp SPI
Chân 13 được tích hợp với một LED, khi chân có giá trị cao, LED sẽ bật và ngược lại Nano có 8 chân analog 10 bit (0 – 1023) với giá trị đo từ 0 đến 5V Lưu ý rằng chân 6 và 7 không thể sử dụng làm chân kỹ thuật số Ngoài ra, còn có một số chân với chức năng riêng biệt.
- A4 (SDA), A5 (SCL) dùng để giao tiếp I2C
- AREF chân điện áp tham chiếu dùng cho tín hiệu analog ngõ vào
- RESET dùng để reset vi điều khiển.
Tổng quan về mô đun giảm áp Buck DC-DC LM2596 3A
Giới thiệu sơ lược về mô đun
Mạch hạ áp DC LM2596S có khả năng giảm điện áp từ 30V xuống 1.5V với hiệu suất cao lên tới 92% Sản phẩm này rất phù hợp cho các ứng dụng cần chia nguồn và hạ áp, như điều khiển motor và mạch sạc.
Hình 2-8 Mô đun giảm áp Buck DC-DC LM2596
- Điện áp đầu vào: Từ 4V đến 35V
- Điện áp đầu ra: Từ 1.25 đến 30V
- Dòng đáp ứng tối đa là 3A
- Kích thước: 45mm * 20mm * 14mm
- IN+: Nối ngõ vào dương
- IN-: Nối ngõ vào âm
- OUT+: Nối ngõ ra dương
- OUT-: Nối ngõ ra âm
Mô đun hoạt động dựa trên nguyên lý mạch hạ áp Buck, sử dụng các khóa mạch như Mosfet hoặc BJT để thực hiện chuyển mạch điện tử Quá trình này nối tải với nguồn trong một khoảng thời gian nhất định theo chu kỳ.
Điện áp ngõ ra trong mạch Buck sẽ thay đổi tùy thuộc vào chu kỳ T và thời gian đóng cắt của khóa chuyển mạch.
Tổng quan về mạch chuyển mức logic 4 kênh
Mạch chuyển đổi tín hiệu logic 3.3V sang 5V hai chiều với 4 kênh hỗ trợ tốc độ cao, phù hợp cho các giao tiếp như UART, SPI và I2C.
Hình 2-9 Mạch chuyển mức logic 4 kênh
- Mô đun giảm tín hiệu 5V xuống 3.3V và đồng thời tăng từ 3.3V-5V
- Mô đun này cũng có thể hoạt động với các thiết bị 2.8V và 1.8V
- Có 4 kênh chuyển đổi độc lập với nhau
- Hỗ trợ giao tiếp: I2C, UART, SPI, 1-wire,
Hình 2-10 Sơ đồ chân mạch chuyển mức logic 4 kênh
- HV: Ngõ cấp mức logic cao (5V)
- LV: Ngõ cấp mức logic thấp (3.3V)
- HV1, HV2, HV3, HV4: Nối với chân tín hiệu mức cao (5V) cần chuyển đổi tương ứng 4 kênh
- LV1, LV2, LV3, LV4: Nối với chân tín hiệu mức thấp (3.3V) cần chuyển đổi tương ứng 4 kênh.
Tổng quan về mạch sạc pin 18650 2S
Mạch sạc pin 2 viên 18650 có khả năng quản lý sạc cho 2 pin lithium hoặc các loại pin tương tự Mạch này được trang bị tính năng bảo vệ quá dòng, quá áp và ngắn mạch, giúp đảm bảo an toàn trong quá trình sử dụng Trong trường hợp xảy ra ngắn mạch, cần thực hiện sạc phục hồi để khôi phục chức năng của pin.
- Điện áp xả quá mức: 2.9V ± 0.05V
- Dòng điện làm việc tối đa: 8A
- Dòng điện tức thời giới hạn trên: 10A
- Dòng tĩnh: ít hơn 10uA
- Bảo vệ ngắn mạch: có, cần sạc phục hồi
- B+: Nối đầu pin có điện áp + 7.4V
- B+: Nối đầu pin có điện áp 0V
- BM: Nối đầu pin có điện áp +3.7V
Hình 2-12 Sơ đồ kết nối mạch sạc pin
Tổng quan về cảm biến DHT11
Mô đun cảm biến nhiệt độ và độ ẩm rất phổ biến nhờ vào giá thành phải chăng và khả năng kết nối dễ dàng thông qua giao thức one wire đơn giản.
Hình 2-13 Mô đun cảm biến DHT11
- Điện áp đầu vào từ 3 đến 5VDC
- Đo tốt ở dải nhiệt độ từ 0 đến 55 độ C với sai số +- 2 độ C
- Đo tốt ở độ ẩm 20 - 90 % RH với sai số 5%
- Tần số lấy mẫu tối đa 1%
- OUT: Ngõ ra cảm biến
Hình 2-14 Sơ đồ chân DHT11
Để giao tiếp với cảm biến DHT11, vi xử lý cần thực hiện hai bước theo chuẩn one wire Đầu tiên, vi xử lý gửi tín hiệu yêu cầu đo đến cảm biến, sau đó cảm biến xác nhận và gửi lại vi xử lý 5 byte dữ liệu.
- Byte 1: Giá trị phần nguyên của độ ẩm (RH%)
- Byte 2: Giá trị phần thập phân của độ ẩm (RH%)
- Byte 3: Giá trị phần nguyên của nhiệt độ (°C)
- Byte 4: Giá trị phần thập phân của nhiệt độ (°C)
Byte 5 có giá trị bằng tổng các byte 1, 2, 3, 4 thì đo nhiệt độ, độ ẩm chính xác còn nếu byte 5 có giá trị khác thì phép đo sai.
Tổng quan về cảm biến BH1750
Cảm biến BH1750 đo cường độ ánh sáng theo đơn vị lux, sử dụng ADC nội và bộ tiền xử lý, cho phép giao tiếp qua chuẩn I2C.
Hình 2-15 Cảm biến ánh sáng BH1750
- Tiêu thụ dòng điện thấp: 0,12mA
- Điện áp giao tiếp: TTL 3.3~5VDC
Một số mẫu về cường độ của ánh sáng:
- Trời nhiều mây trong nhà: 5 - 50 lux
- Trời nhiều mây ngoài trời: 50 - 500 lux
- Trời nắng trong nhà: 100 - 1000 lux
- Ánh sáng cần thiết để đọc sách: 50 - 60 lux
- VCC: Chân cấp nguồn mô đun từ 2.4V đến 3.6V, thường sử dụng 3V
- SCL: Chân xung clock cấp xung nhịp cho giao thức I2C
- SDA: Chân truyền dữ liệu giao thức I2C
- ADDR: Chân địa chỉ chọn địa chỉ thiết bị giao tiếp khi có nhiều hơn hai mô đun kết nối
(Chân ADDR thả nổi hoặc kết nối với GND → địa chỉ:0x23
Chân ADDR kết nối với VCC → địa chỉ: 0x5C)
Hình 2-16 Sơ đồ chân BH1750
Cảm biến cung cấp hai chế độ đo: chế độ đo liên tục và chế độ đo một lần, với mỗi chế độ hỗ trợ ba mức độ phân giải khác nhau.
Bảng 2-5 Các chế độ đo của BH1750
Chế độ đo Thời gian do Độ phân giải
Chế độ độ phân giải thấp 16 ms 4 lux
Chế độ độ phân giải cao 120 ms 1 lux
Cảm biến độ phân giải cao 2 120 ms với độ nhạy 0,5 lux có khả năng đo liên tục các giá trị ánh sáng xung quanh Trong chế độ đo một lần, cảm biến sẽ ghi nhận giá trị ánh sáng xung quanh và sau đó tự động chuyển sang chế độ tắt nguồn.
Tổng quan về cảm biến chuyển động HCSR 501
Cảm biến thân nhiệt PIR HC-SR501 là thiết bị phát hiện chuyển động của các nguồn phát hồng ngoại như con người, động vật và các vật thể phát nhiệt Thiết bị này cho phép điều chỉnh độ nhạy và thời gian trễ thông qua biến trở tích hợp sẵn.
Hình 2-17 Cảm biến chuyển động HCSR 501
- Điện áp hoạt động : DC 4.5V – 20V
- Có 2 chế độ hoạt động:
- + L không lặp lại kích hoạt
- Thời gian trễ: 5 – 200s có thể điều chỉnh từ 0,xx đến hàng chục giây
- Thời gian khóa: 2.5s (mặc định)
- Kích thước ống cảm biến: 23mm (mặc định)
- Kích thước bo: 32mm*24mm
Mô đun được trang bị hai biến trở cho phép điều chỉnh độ trễ và độ nhạy của cảm biến Cảm biến hoạt động với hai chế độ khác nhau, có thể chuyển đổi qua lại bằng cách sử dụng jumper.
- Chế độ L điện áp ra Vout tự chuyển về 0 khi hết thời gian trễ dù vẫn có chuyển động
- Chết độ H điện áp ra Vout tự động giữ nguyên 3,3V cho đến khi không còn chuyển động
Hình 2-18 Sơ đồ chân cảm biến chuyển động
- OUT: Ngõ ra cảm biến 3,3V mức cao 0V mức thấp
Cảm biến hồng ngoại PIR hoạt động bằng cách thu nhận tia hồng ngoại phát ra từ các vật thể, đặc biệt là cơ thể con người hoặc nguồn nhiệt khác Cảm biến này được trang bị hai đơn vị cảm biến, với một lăng kính fresnel bằng nhựa ở phía trước, giúp phân chia vùng tiếp nhận tia hồng ngoại Lăng kính fresnel có vai trò quan trọng trong việc chặn và phân vùng, cho phép tia hồng ngoại đi vào mắt cảm biến một cách hiệu quả.
Hai điện cực, một dương (+) và một âm (-), khi được kích hoạt tuần tự sẽ tạo ra một xung điện Xung điện này có tác dụng kích hoạt cảm biến.
Tổng quan về cảm biến tốc độ gió SEN0170
Cảm biến tốc độ gió bao gồm vỏ, cốc gió và mô đun mạch, được chế tạo từ hợp kim nhôm với công nghệ đúc chính xác cao Vật liệu này có khả năng chống chịu thời tiết, chống ăn mòn và chống thấm nước, đảm bảo độ bền và hiệu suất trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt.
Hình 2-19 Cảm biến tốc độ gió
- Kiểu thiết kế: Ba cốc
- Chất liệu: Hợp kim nhôm
- Điện áp ngõ ra: 0-5V (Tín hiệu điện áp)
- Điện áp cung cấp: DC 9-24V
- Công suất tiêu thụ: Điện áp MAX≤0.3W
- Phạm vi đo tốc độ gió hiệu quả: 0-30m/s
- Khoảng cách truyền tải: Hơn 1000m
- Phương tiện truyền dẫn: Truyền dẫn cáp
- Chế độ kết nối: Hệ thống ba dây
- Độ ẩm làm việc: 35％～85% (Không Ngưng Tụ)
Hình 2-20 Dây cáp kết nối cảm biến gió
Dây vàng: Tín hiệu điện áp
Dây xanh: Tín hiệu dòng điện
Cảm biến đo tốc độ gió có giới hạn từ 0 đến 30m/s và cung cấp ngõ ra điện áp từ 0 đến 5V Mối quan hệ giữa tốc độ gió và điện áp ngõ ra được thể hiện trong bảng dưới đây.
Bảng 2-6 Tốc độ gió theo điện áp
Tốc độ gió (m/s) Điện áp (V)
Tốc độ gió (m/s) Điện áp (V)
Tổng quan về cảm biến khí gas MQ2
Cảm biến khí gas MQ-2 có độ nhạy cao với các loại khí như LPG, Propane, Hydrogen và metan (CH4), cùng với khả năng phát hiện khí dễ cháy Với chi phí thấp và độ chính xác cao, cảm biến này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Nó cung cấp cả ngõ ra số và ngõ ra tương tự, trong đó ngõ ra số có thể được điều chỉnh thông qua biến trở.
Hình 2-21 Cảm biến khí gas MQ2
- Dòng tiêu thụ khi nóng: ≤ 180mA
- Phạm vi phát hiện: 300 10000ppmm
- Các khí phát hiện được: LPG (Khí hóa lỏng), i-butane, Propane, Methane, Alcohol, Khí gas, Khói
Hình 2-22 Sơ đồ mạch cảm biến MQ2
Cảm biến khí gas MQ-2 được làm từ SnO2, một chất liệu có độ dẫn điện thấp trong không khí sạch Khi nồng độ chất dễ cháy tăng, độ dẫn điện của SnO2 cũng tăng theo Sự thay đổi này cho phép chuyển đổi nồng độ chất dễ cháy thành tín hiệu điện đầu ra.
Tổng quan về cảm biến phát hiện lửa
Cảm biến phát hiện lửa (flame sensor) là thiết bị quan trọng trong các hệ thống báo cháy và xe chữa cháy, với khả năng phát hiện trong khoảng cách 80cm và góc quét 60 độ Thiết bị này được ứng dụng rộng rãi trong các không gian nhỏ, nhờ vào độ nhạy cao với ngọn lửa có bước sóng từ 760 đến 1100nm.
Hình 2-23 Cảm biến phát hiện lửa
- Tín hiệu ra: Digital 3.3 - 5VDC tùy nguồn cấp hoặc Analog
- Bước sóng phát hiện được: 760 ~ 1100 nm
- Aout: Ngõ ra tương tự
Hình 2-24 Sơ đồ chân cảm biến phát hiện lửa
Khi mô đun hoạt động các chân tín hiệu sẽ báo tín hiệu về thiết bị điều khiển Lúc đó tín hiệu chân Dout:
- Tín hiệu mức cao là không có lửa
- Tín hiệu thấp là có lửa
Aout cho ra tín hiệu tương tự
Các cảm biến phát hiện lửa chỉ có chức năng phát hiện đám cháy mà không có khả năng chống cháy Khi sử dụng, cần duy trì khoảng cách an toàn để tránh hư hỏng.
Tổng quan về tấm pin mặt trời
Cấu tạo và hoạt động của tấm pin mặt trời
Pin mặt trời bao gồm các tế bào quang điện (các phần tử bán dẫn hay đi-ốt quang) có khả năng biến đổi quang năng thành điện năng
Silicon là chất bán dẫn quan trọng trong tấm pin mặt trời, bao gồm hai loại chính là loại n và loại p Khi hai loại silicon này được đặt cạnh nhau, electron từ loại n sẽ lấp đầy khoảng trống của loại p, dẫn đến việc silicon loại n tích điện dương và loại p tích điện âm, tạo ra một từ trường trên tấm pin.
Ánh sáng mặt trời chủ yếu bao gồm các hạt photon, chúng truyền năng lượng cho electron, khiến chúng tách ra khỏi nguyên tử và tạo ra dòng điện Sự tách rời này dẫn đến mất cân bằng điện trong pin mặt trời.
Silicon, với tính chất là một chất bán dẫn, có khả năng cách điện và duy trì sự mất cân bằng điện trong pin mặt trời Khi photon từ ánh sáng mặt trời tác động, chúng làm cho electron liên kết với nguyên tử silicon văng ra, tạo ra dòng điện.
Hình 2-25 Cấu tạo một tế bào (cell) pin mặt trời
Tổng quan về pin lithium
Hình 2-26 Cấu tạo pin lithium
Cấu tạo của pin sẽ bao gồm 1 cực dương, 1 cực âm cùng với bộ phân tách, chất điện phân và hai bộ thu dòng điện
Điện cực dương được tạo thành từ hai vật liệu chính là LicoO2 và LiMnO4, với cấu trúc phân tử là Oxide và Coban liên kết với nguyên tử Lithium Khi dòng điện chạy qua, nguyên tử Lithium sẽ tách khỏi cấu trúc, tạo thành ion dương Li+.
- Điện cực âm được tổng hợp từ Than Chì và các vật liệu phân tử Cacbon với chức năng lưu trữ các ion Li+ trong tinh thể
- Bộ phân tách còn được gọi là màng ngăn cách điện, được làm từ nhựa PE và
PP nằm ở vị trí trung tâm giữa cực dương và cực âm Bộ phận tách có nhiều lỗ nhỏ, giúp ngăn cách hai cực nhưng vẫn cho phép ion Li+ đi qua.
Chất điện phân, nằm giữa hai cực và màng phân cách, bao gồm dung dịch LiPF6 và dung môi hữu cơ Nó đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải ion Li+ giữa hai đầu cực trong quá trình sạc và xả pin.
Trong pin lithium ion, cực dương và cực âm là nguyên liệu chính cho phản ứng điện hóa Dung dịch điện phân tạo điều kiện cho ion liti di chuyển giữa hai điện cực Khi pin hoạt động, dòng điện di chuyển qua mạch ngoài, thể hiện rõ trong quy trình sạc và xả.
Hình 2-27 Quá trình sạc/xả pin Lithium
Ion liti mang điện dương di chuyển từ cực âm (thường là graphite) qua dung dịch điện ly sang cực dương, nơi chúng phản ứng với ion liti Khi mỗi ion Li dịch chuyển từ cực âm sang cực dương trong pin, một electron cũng di chuyển từ cực âm sang cực dương qua mạch bên ngoài, tạo ra dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm Quá trình này giúp duy trì sự cân bằng điện tích giữa hai cực.
Quá trình sạc pin diễn ra ngược lại với quá trình xả, khi đó electron di chuyển từ điện cực dương (trở thành cực âm) dưới điện áp sạc Ion Li tách khỏi cực dương và quay trở lại điện cực âm, nơi đóng vai trò là cực dương trong quá trình này Trong suốt quá trình sạc và xả, chiều của dòng điện sẽ đảo ngược.
Trong chu kỳ phóng điện, các nguyên tử liti ở cực dương bị ion hóa và tách khỏi điện cực Các ion liti di chuyển qua chất điện phân đến cực âm, nơi chúng tái kết hợp với điện cực và trung hòa điện.
Trong đề tài này nhóm sử dụng Pin Sạc BRC 18650 4800mAh 3.7V
Tìm hiểu về web server
Web server là sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm, sử dụng giao thức HTTP để phản hồi yêu cầu từ máy khách Chức năng chính của web server là hiển thị và xử lý nội dung trang web, bao gồm các tập tin HTML, hình ảnh, CSS và Javascript Ngoài HTTP, web server còn hỗ trợ các giao thức khác như SMTP và FTP.
Phần cứng của web server kết nối với mạng, cho phép dữ liệu được chuyển tiếp giữa các thiết bị khác nhau Trong khi đó, phần mềm quản lý quyền truy cập của người dùng đối với các tập tin lưu trữ.
Web server là máy chủ lưu trữ và truyền tải dữ liệu cho trang web, bao gồm văn bản, hình ảnh, video và các dữ liệu khác Người dùng giao tiếp với web server thông qua trình duyệt web, yêu cầu dữ liệu khi tương tác với trang web qua các hành động như truy cập đường link, bấm nút hoặc tải xuống thư mục Mỗi trang web có một địa chỉ URL (Uniform Resource Locator) duy nhất, chỉ dẫn đến trang web đó.
Web server giao tiếp với trình duyệt thông qua giao thức HTTP, sử dụng ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản (HTML) để định dạng nội dung Nội dung này có thể là tĩnh, như văn bản và hình ảnh, hoặc động, ví dụ như hiển thị hóa đơn tổng hợp sau khi người dùng chọn các món hàng Để truyền tải nội dung động, các máy chủ cần hỗ trợ các ngôn ngữ lập trình web như JavaScript, PHP, và Python để xử lý logic phía server.
Một trang web được truy cập khi trình duyệt gửi yêu cầu từ người dùng đến máy chủ, và máy chủ sẽ phản hồi bằng cách cung cấp nội dung hiển thị của trang web.
Trình duyệt nhận địa chỉ IP từ tên miền, chẳng hạn như “www.google.com”, thông qua hai phương pháp: tìm kiếm trong bộ nhớ đệm hoặc gửi yêu cầu đến máy chủ DNS.
Trình duyệt yêu cầu đầy đủ tên địa chỉ URL: Sau khi đã biết được địa chỉ IP, trình duyệt sẽ lấy đầy đủ URL
Máy chủ web server thực hiện việc phản hồi yêu cầu từ trình duyệt bằng cách cung cấp nội dung của trang web tương ứng Nếu địa chỉ không chính xác hoặc trang web không tồn tại, máy chủ sẽ gửi thông báo lỗi cho người dùng.
Trình duyệt hiển thị trang web: Trình duyệt sẽ hiển thị nội dung nhận được từ phía web server.
Giới thiệu về HTML, CSS, PHP
HTML, viết tắt của Hypertext Markup Language, là ngôn ngữ dùng để thiết lập bố cục và định dạng cho các trang web.
HTML sử dụng các thẻ định dạng để đánh dấu các thành phần như tiêu đề, đoạn văn và bảng nhiều cột, giúp trình duyệt nhận diện và hiển thị chính xác kích thước của các thành phần này.
Thẻ HTML cho phép hiển thị nội dung trang web một cách cụ thể, như thay đổi kích cỡ font chữ lớn hơn bình thường hoặc định dạng văn bản bằng cách in đậm, in nghiêng.
Các thẻ HTML phổ biến hiện nay bao gồm: p, a, html, head, body, h1, h2, và nhiều thẻ khác Mỗi thẻ được bắt đầu và kết thúc bằng hai dấu lớn hơn, với thẻ kết thúc có thêm một dấu gạch chéo, ví dụ: \ Nội dung \.
Có 2 cấp độ chính của thẻ đó là block-level và inline: block-level sẽ đánh dấu nội dung sử toàn bộ không gian chiều ngang của trang web và inline thì chiếm phần nhỏ bên trong block-level Để có thể chỉnh sửa kĩ càng hơn nội dung của các thẻ thì ta có thể sử dụng các thuộc tính mở rộng cho thẻ, bằng cách thêm id và class, các thẻ có thể được tuỳ biến riêng
HTML5 là phiên bản thứ 5 của ngôn ngữ HTML, mang đến nhiều tính năng mới cho hiệu ứng đồ họa và chuyển động đặc biệt, đồng thời hỗ trợ âm thanh và video, giúp trang web trở nên trực quan hơn.
HTML5 hỗ trợ phát triển ứng dụng đa nền tảng với nhiều độ phân giải và kích thước màn hình, nâng cao trải nghiệm người dùng Một trong những cải tiến lớn nhất của HTML5 là tính năng Local Storage, cho phép lưu trữ dữ liệu tạm thời trên máy tính, giảm tải cho máy chủ và cải thiện thời gian phản hồi Tuy nhiên, chỉ sử dụng HTML sẽ chỉ tạo ra trang web tĩnh, do đó cần kết hợp với CSS và các ngôn ngữ lập trình như JavaScript hay PHP để tạo ra giao diện đẹp và tương tác hơn.
CSS, hay Cascading Style Sheets, là công cụ quan trọng để định dạng và trang trí cho trang web, bao gồm việc thiết lập màu sắc, cỡ chữ, kích thước, thêm hoạt ảnh và chỉnh sửa cột trong bảng.
Khi trình duyệt hiển thị nội dung, nó thực hiện quy trình tổng hợp các thành phần để tạo ra kiểu hiển thị phù hợp Đầu tiên, trình duyệt tải tệp HTML và sau đó chuyển đổi nó thành định dạng có thể hiển thị.
DOM (Mô hình đối tượng tài liệu) là đại diện của tài liệu trong bộ nhớ máy tính Trình duyệt sẽ tìm nạp các nội dung liên quan đến HTML, bao gồm hình ảnh, video được nhúng và các liên kết với CSS.
Trình duyệt phân tích cú pháp CSS, sắp xếp các quy tắc thành các nhóm như element, Class, và ID Dựa trên các bộ chọn, trình duyệt xác định quy tắc nào áp dụng cho từng phần trong DOM, từ đó đính kèm style và hiển thị trên trang web.
PHP, viết tắt của Hypertext Preprocessor, là ngôn ngữ kịch bản phía máy chủ chuyên dụng cho lập trình web Nó cho phép nhúng mã PHP vào tệp HTML một cách dễ dàng, đồng thời cũng cho phép viết HTML trực tiếp trong tệp PHP Đặc điểm nổi bật của PHP là yêu cầu có máy chủ để hoạt động hiệu quả.
PHP tương tác trực tiếp với máy chủ thông qua các yêu cầu từ trình duyệt Khi nhận được yêu cầu, PHP sẽ xử lý các lệnh và gửi phản hồi lại cho người dùng.
B1: Máy khách gửi yêu cầu đến với máy chủ
B2: Máy chủ khi đó chuyển tiếp yêu cầu cho trình biên dịch của PHP
B3: PHP thực hiện yêu cầu và phản hồi lại với máy chủ
B4: Cuối cùng máy chủ sẽ phản hồi lại với người dùng nội dung cần thiết
PHP là một ngôn ngữ lập trình đa nền tảng, hoạt động trên Windows, Linux và Unix, dễ tiếp cận cho người mới Nó cho phép kết nối linh hoạt với nhiều cơ sở dữ liệu như MySQL, Postgres và MongoDB, giúp người dùng dễ dàng thao tác với dữ liệu, bao gồm thu thập, nhập, thêm, xoá và thay đổi nội dung.
PHP cũng hỗ trợ giao tiếp với các dịch vụ khác thông qua nhiều giao thức như LDAP, IMAP, NNTP, POP3, HTTP…
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Hình 3-1 Sơ đồ khối mô hình 1
Khối cảm biến nhiệt độ- độ ẩm
Khối xử lý trung tâm (Arduino Nano)
Khối giao tiếp mạng internet (SIM A7670C)
Khối cảm biến tốc độ gió
Khối cảm biến chuyển động
Hình 3-2 Sơ đồ khối mô hình 2
- Khối nguồn: Có chức năng cung cấp điện áp cho toàn mạch
- Khối cảm biến nhiệt độ-độ ẩm: Đo và gửi thông số về khối xử lý trung tâm
- Khối cảm biến tốc độ gió: Đo và gửi thông số về khối xử lý trung tâm
- Khối cảm biến chuyển động: Đo và gửi thông số về khối xử lý trung tâm
- Khối cảm biến khí gas: Đo và gửi thông số về khối xử lý trung tâm
- Khối cảm biến phát hiện lửa: Đo và gửi thông số về khối xử lý trung tâm
- Khối cảm biến cường độ sáng: Đo và gửi thông số về khối xử lý trung tâm
Khối xử lý trung tâm (Arduino Nano) có nhiệm vụ nhận và xử lý dữ liệu từ các cảm biến, đồng thời giao tiếp qua mạng internet để điều khiển khối cảnh báo và khối chấp hành.
(LED), khối giao tiếp mạng internet
- Khối chấp hành (LED): Điều khiển led công suất cao và kiểm tình trạng led
- Khối cảnh báo (chuông) : Cảnh báo bằng chuông
Khối xử lý trung tâm
Khối giao tiếp mạng internet (SIM A7670C)
Khối cảm biến nhiệt độ- độ ẩm
Khối cảm biến khí gas
Khối cảm biến phát hiện lửa
Khối cảm biến cường độ sáng
- Khối truy cập internet (SIM A7670C): Truy cập mạng và gửi dữ liệu thu được lên web, gửi tín nhắn
- Khối Web: Cung cấp giao diện để người dùng có thể quan sát và trích xuất các thông tin của cảm biến
- Khối điện thoại: Nhận tin nhắn cảnh báo từ khối truy cập internet.
Tính toán và thiết kế mạch
Với yêu cầu thiết kế và thi công mô hình cảm biến nhóm quyết định thiết kế
2 mô hình là mô hình 1 dùng pin mặt trời và mô hình 2
So sánh và lựa chọn cảm biến
Cảm biến nhiệt độ độ ẩm
Bảng 3-1 Bảng so sánh các cảm biến nhiệt độ độ ẩm
Thông số DHT22 DHT11 ĐIện áp hoạt động 3.3-5.5V 3.3-5.5V
Phạm vi độ ẩm 0 ~ 99,9% RH 5 - 95%
Sai số độ ẩm ±2%RH ±5%RH
Cảm biến DHT11 là lựa chọn phù hợp cho đề tài, vì nó đo nhiệt độ môi trường trong dải từ -20 độ đến 60 độ mà không cần độ chính xác cao Nhiệt độ môi trường thường không thay đổi đột ngột, và với tính năng phù hợp cùng giá thành rẻ, DHT11 trở thành sự lựa chọn tốt nhất.
Cảm biến chuyển động HCSR-501 là một thiết bị hồng ngoại phổ biến, có khả năng phát hiện chuyển động với góc quét 360 độ và phạm vi đo lên đến 6m, có thể điều chỉnh bằng biến trở Thiết bị này hỗ trợ hai chế độ phát hiện thông qua jumper và cho phép điều chỉnh thời gian delay bằng biến trở Với những tính năng ưu việt này, cảm biến HCSR-501 đáp ứng tốt các yêu cầu của đề tài.
Cảm biến gió SEN0170 được thiết kế với vỏ hợp kim nhôm bền bỉ, có khả năng chống thời tiết và ăn mòn Với dải đo lên tới 30m/s và ngõ ra điện áp từ 0 đến 5V, cảm biến này rất phù hợp để sử dụng với Arduino Công thức tính tốc độ gió dựa trên điện áp thu được là một phần quan trọng trong việc ứng dụng cảm biến này.
(6 là tỉ lệ chênh lệch giữa điện áp ngõ ra và tốc độ gió thực tế của môi trường dựa theo datasheet)
Với yêu cầu đo tốc độ gió của đề tài thì cảm biến SEN0170 hoàn toàn đáp ứng được
Trên thị trường có nhiều loại cảm biến ánh sáng khác nhau Dưới đây là bảng so sánh một trong các cảm biến đó
Bảng 3-2 Bảng so sánh các cảm biến ánh sáng
Để đo cường độ ánh sáng và xác định mức độ bức xạ mặt trời nhằm cảnh báo sớm trong mùa nóng, BH1750 là lựa chọn phù hợp nhờ giá thành rẻ và các tính năng đáp ứng yêu cầu của đề tài.
Cảm biến phát hiện lửa
Cảm biến hồng ngoại YG1006 có khả năng phát hiện lửa và nguồn sáng với bước sóng từ 760nm đến 1100nm, mang lại tốc độ đáp ứng nhanh và độ nhạy cao Sản phẩm tích hợp IC LM393 để chuyển đổi ADC, tạo ra hai ngõ ra số và tương tự, giúp linh hoạt trong việc sử dụng Cảm biến này rất phù hợp cho các ứng dụng phát hiện lửa, đặc biệt là trong mô hình 2 của đề tài.
Cảm biến khí gas MQ2 nổi bật với khả năng phát hiện rộng, tốc độ phản hồi nhanh và độ nhạy cao Nó cung cấp cả tín hiệu số và tương tự, mang lại sự linh hoạt trong ứng dụng Mạch cảm biến thiết kế đơn giản, đảm bảo hoạt động ổn định trong thời gian dài Đặc biệt, cảm biến này rất nhạy với các khí và hơi dễ cháy như propane và mê tan.
Thiết kế khối xử lý trung tâm
Yêu cầu : Khối xử lý trung tâm phải giao tiếp được với các cảm biến, khối mạng và cấp nguồn 5V cho các cảm biến
Khi lựa chọn linh kiện, việc chọn bo mạch Arduino phù hợp với yêu cầu của đề tài là rất quan trọng Hiện nay, trên thị trường có nhiều loại bo mạch Arduino khác nhau Dưới đây là bảng so sánh các loại bo mạch Arduino phổ biến nhất hiện nay.
Bảng 3-3 Bảng so sánh các bo Arduino
Thông số Arduino Uno Arduino Mega
Vi xử lý ATmega328 ATmega2560 ATmega328 ĐIện áp hoạt động 5V 5V 5V
Tốc độ xử lý 16MHz 16MHz 16MHz
Uno và Nano đều tương đương, nhưng Uno có giá cao hơn và bo mạch lớn hơn, thích hợp cho phát triển sản phẩm Mega có nhiều chân nhất nhưng giá thành cao và số lượng chân vượt mức cần thiết Nano, với giá rẻ hơn và kích thước nhỏ gọn, đáp ứng đủ số lượng chân và thông số tương tự như Uno, hoàn toàn có thể được sử dụng trong các mô hình.
Từ đó có thể thấy được Arduino nano phù hợp với đề tài hơn hai bo mạch còn lại
Khối điện thoại nhận tin nhắn từ khối giao tiếp mạng internet khi phát hiện tín hiệu khói hoặc lửa từ các cảm biến thông qua khối xử lý trung tâm.
Thiết kế khối chấp hành (LED)
Yêu cầu chiếu sáng mô hình 1 với khả năng điều chỉnh công suất, giám sát tình trạng của đèn LED để xác định xem còn hoạt động tốt hay đã hỏng Hệ thống cần tự động bật đèn khi trời tối và tắt đèn khi trời sáng.
Trong mô hình 1 sử dụng led công suất cao để chiếu sáng Ngoài ra để tăng hiệu suất chiếu sáng còn sử dụng chóa led cầu
Đèn LED công suất cao sử dụng loại LED 30W 12V, với chóa LED làm bằng nhựa mạ chrome, khung niềng bằng inox và thấu kính bằng thủy tinh Trong mô hình nhóm, LED 10W 12V được sử dụng Để điều chỉnh cường độ sáng của LED, cần áp dụng xung PWM Trên Arduino Nano, các chân D3, D5, D6, D9, D10 và D11 hỗ trợ PWM, trong đó D5 và D6 hoạt động ở tần số 980Hz, còn các chân khác là 490Hz Để lấy xung PWM từ các chân này, sử dụng lệnh analogWrite() Quan hệ giữa chu kỳ xung và mã Arduino được thể hiện trong bảng.
Bảng 3-4 Bảng chu kỳ xung PWM
Lệnh Tỉ lệ Chu kỳ xung analogWrite(0) 0/255 0% analogWrite(64) 64/255 25% analogWrite(127) 127/255 50% analogWrite(191) 191/255 75% analogWrite(255) 255/255 100%
Do led trong công suất cao có nguồn lớn hơn 5V nên phải dùng thêm mosfet để có thể băm xung PWM Mạch nguyên lý của mạch mosfet:
Hình 3-4 Mạch mosfet chỉnh công suất đèn Để điều chỉnh công suất led 30W thì Mosfet IRF540 có thể đáp ứng được:
- Điện áp tối đa từ cực máng đến cực nguồn: 100V
- Điện áp tối đa từ cực cổng đến cực nguồn phải là: ± 20V
- Dòng cực máng liên tục tối đa là: 23A
- Dòng cực máng xung tối đa là: 92A
- Công suất tiêu tán tối đa là: 100W
- Điện áp tối thiểu cần thiết để dẫn điện: 2V đến 4V
- Nhiệt độ bảo quản và hoạt động phải là: -55 đến +150 độ C
Khi áp dụng điện áp từ 0 đến 5V vào chân G của mosfet, điện áp tại chân D sẽ giảm dần về 0V Sự giảm điện áp này làm cho đèn LED sáng hơn, vì chân âm của LED được kết nối với chân D của mosfet Điện trở 10k hoạt động như một điện trở kéo xuống, giúp tắt kênh dẫn của mosfet.
Để giám sát tình trạng của đèn LED, cần thiết lập một mạch so sánh điện áp Mạch này hoạt động bằng cách so sánh điện áp ở chân âm của LED với một điện áp cố định Khi LED hoạt động bình thường, điện áp tại chân âm sẽ lớn hơn điện áp cố định, cho thấy mạch vẫn kín Ngược lại, khi LED hỏng và mạch bị hở, điện áp tại chân âm sẽ giảm xuống dưới mức điện áp cố định Mạch nguyên lý của mạch so sánh sử dụng opamp sẽ được trình bày chi tiết.
Hình 3-5 Mạch so sánh opamp kiểm tra led
Để Arduino có thể đọc chính xác mức 0 và 1, độ chênh lệch điện áp ngõ ra giữa hai mức này cần phải lớn Opamp LM324 cung cấp điện áp ngõ ra mức 0 là 0V và mức 1 là 4V khi sử dụng nguồn cấp 5V, do đó, nó đáp ứng yêu cầu thiết kế một cách hiệu quả.
- Loại khuếch đại: General Purpose
- Tốc độ đỏp ứng: 0.5 V/às
- Dòng điện - Xu hướng đầu vào: 20nA
- Điện áp - Chênh lệch đầu vào: 3mV
- Dòng điện cung cấp: 1.4mA
- Dòng điện - Đầu ra / Kênh: 60mA
Nguyên lý hoạt động của mạch: Mạch opamp sẽ so sánh điện áp ở chân âm led với điện áp cố định 2.5V từ cầu phân áp
10000+10000 = 2.5V (3.2) Khi led còn tốt thì điện áp trên chân âm led sẽ lớn hơn 2.5V khiến cho ngõ vào V+
Ngõ ra của opamp sẽ bằng 1 khi LED còn hoạt động, và bằng 0 khi LED hỏng (hở mạch) Khi LED hỏng, điện áp tại chân âm LED sẽ bằng 0V, dẫn đến V+ < V- và ngõ ra opamp bằng 0 Ngõ ra này được kết nối với Arduino, cho phép xác định trạng thái của LED Tuy nhiên, mạch chỉ kiểm tra được khi LED sáng dưới 100% công suất, vì khi LED sáng hết công suất, điện áp ở chân âm LED sẽ bằng 0 do xung PWM có chu kỳ 100% Điện áp này cũng bị dao động do điều chỉnh bởi MOSFET và xung PWM, làm cho ngõ ra của opamp không ổn định Mặc dù xung PWM có tần số cao không thể quan sát bằng mắt thường, Arduino vẫn có thể đọc được điện áp này Để cải thiện độ chính xác, tín hiệu ngõ ra của opamp sẽ được xử lý qua một đoạn code trên Arduino Để tự động bật và tắt LED theo ánh sáng môi trường, mạch sẽ dựa vào điện áp trên tấm pin năng lượng mặt trời, với điện áp bằng 0 khi trời tối Mạch đo áp trên tấm pin mặt trời sử dụng cầu phân áp với điện trở lớn để giảm hao tổn dòng.
Hình 3-6 Mạch đo áp tấm pin mặt trời
Mạch đo điện áp từ tấm pin mặt trời(Vs) và ngõ ra được đưa vào Arduino (Va) Công thức tính điện áp Va:
Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 1
Hình 3-11 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 1
Giải thích: Khối xử lý trung tâm nhận dữ liệu thu được từ các cảm biến: SEN0170,
DHT11, HC-SR501 và thông qua khối giao tiếp mạng internet gửi dữ liệu lên server
Mô đun sim sử dụng mức logic I/O UART 3.3V, trong khi Arduino Nano hoạt động ở mức 5V, do đó cần có mạch chuyển đổi mức logic để giao tiếp Hệ thống năng lượng bao gồm nguồn từ pin và pin mặt trời, cung cấp điện cho toàn bộ mạch Khối chấp hành sử dụng MOSFET IRF540 để điều khiển công suất LED.
OPAMP LM324 kiểm tra tình trạng LED
Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 2
Hình 3-12 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 2
Giải thích: Khối xử lý trung tâm nhận dữ liệu thu được từ các cảm biến: DHT11,
Mô-đun FLAME, MQ-2, và BH1750 kết hợp với khối giao tiếp mạng internet để gửi dữ liệu lên server Do mô-đun SIM sử dụng mức logic I/O UART 3.3V, trong khi Arduino Nano hoạt động ở mức 5V, nên cần có mạch chuyển đổi mức logic để giao tiếp giữa chúng Khối nguồn sử dụng adapter 9V để cung cấp năng lượng cho toàn bộ mạch.
Khối cảnh báo gồm các led đơn và chuông báo hiệu do khối xử lý trung tâm điều khiển, kích hoạt khi phát hiện khói hoặc lửa.