Việt Nam đang trong giai đoạn phát triển của thời kì nền công nghiệp 4.0, nền công nghiệp tập trung chủ yếu vào kỹ thuật số và hỗ trợ kết nối thông qua hệ thống mạng internet. Trước sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp cùng với bộ óc tư duy không ngừng sáng tạo của con người mà mô hình ngôi nhà thông minh đã được ra đời. Ngôi nhà thông minh là ngôi nhà được trang bị hệ thống công nghệ hiện đại cho phép tất cả đồ gia dụng, đèn, hệ thống điều hoà nhiệt độ, âm thanh, tivi, máy tính, an ninh…đều có thể giao tiếp với nhau và được điều khiển thông qua điện thoại thông minh hay máy tính bảng, và thậm chí là bằng giọng nói. Công nghệ ngôi nhà thông minh có ý nghĩa trong việc giúp cuộc sống ngày một tiện nghi hơn, giải phóng sức lao động của con người bằng sự trợ giúp của công nghệ hiện đại. Ngoài ra, ngôi nhà thông minh còn góp phần tiết kiệm điện năng, chỉ sử dụng điện năng vào những mục đích cần thiết, phục vụ trực tiếp đến đời sống con người, kiểm soát và loại trừ tất cả điện năng lãng phí không mang lại lợi ích cho đời sống. Không chỉ đơn thuần là sự kiểm soát các thiết bị mà ngôi nhà thông minh còn có khả năng học thói quen của chủ nhà và điều chỉnh các hoạt động của các thành phần trong hệ thống cho phù hợp với chủ nhà. Với những đặc tính ưu việt, công nghệ ngôi nhà thông minh đang dần là xu hướng khi quan tâm đến thiết kế và xây dựng nội thất, quản lý hoạt động bên trong của ngôi nhà trong giai đoạn cách mạng công nghệ. Trước nhu cầu sử dụng ngày càng tăng cùng với sự hiện đại, sang trọng và những tính năng công nghệ mà ngôi nhà thông minh mang lại có ý nghĩa trong việc giúp cuộc sống ngày một tiện nghi hơn, giải phóng sức lao động của con người bằng sự trợ giúp của công nghệ... Với ngôi nhà thông minh người sử dụng có thể kiểm soát ngôi nhà của mình một cách dễ dàng hơn. Ngoài ra, ngôi nhà thông minh còn góp phần tiết kiệm điện năng, chỉ sử dụng điện năng vào những mục đích cần thiết, phục vụ trực tiếp đến đời sống con người, kiểm soát và loại trừ tất cả điện năng lãng phí không mang lại lợi ích cho đời sống.
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO ĐẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ TRƯỜNG BÁCH KHOA
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH
NGÔI NHÀ THÔNG MINH
Tháng 05/2023
Trang 2MỤC LỤC
MỤC LỤC i
MỤC LỤC HÌNH iv
MỤC LỤC BẢNG viii
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGÔI NHÀ THÔNG MINH 1
1.1 Giới thiệu chung 1
1.2 Các chỉ tiêu về kỹ thuật 4
1.2.1 Chỉ tiêu về ánh sáng 4
1.2.2 Chỉ tiêu về thông gió 4
1.2.3 Chỉ tiêu về nhiệt độ 5
1.2.4 Chỉ tiêu về an toàn 5
1.3 Một số chức năng của ngôi nhà thông minh 5
1.4 Ưu điểm của nhà thông minh 6
1.5 Nhược điểm của nhà thông minh 6
1.6 Tầm quan trọng của việc quản lý năng lượng 6
1.7 Nội dung đề tài 6
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÁC LINH KIỆN TRONG MÔ HÌNH 8
2.1 Cấu tạo của hệ thống ngôi nhà thông minh 8
2.2 Nguyên lý hoạt động của ngôi nhà thông minh 8
2.3 Các linh kiện trong mô hình 9
2.3.1 Giới thiệu Arduino Mega2560 9
2.3.1.1 Sơ lược về Arduino 9
2.3.1.2 Arduino Mega2560 10
2.3.2 Giới thiệu Module Wifi ESP8266 nodeMCU 12
2.3.3 Giới thiệu module cảm biến khí gas MQ2 14
2.3.4 Giới thiệu module cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR SR505 15
2.3.5 Giới thiệu module cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 17
2.3.6 Giới thiệu module cảm biến mưa 18
2.3.7 Sơ lược về Relay 5 V 19
2.3.8 Giới thiệu module cảm biến thẻ từ RFID 20
2.3.9 Giới thiệu thiết bị hiển thị LCD 16×2 22
Trang 32.3.10 Giới thiệu module cảm biến ánh sáng Photoresistor 23
2.3.11 Giới thiệu module đo điện AC giao tiếp UART PZEM - 004T 24
2.3.12 Giao tiếp I2C 25
2.3.13 Module còi chip 26
2.3.14 Giới thiệu bàn phím ma trận 4×4 27
2.3.15 Giới thiệu động cơ servo 27
2.3.16 Các linh kiện khác 28
2.3.16.1 Dây bus UL2468 26AWG 28
2.3.16.2 Dây cắm USB 28
2.3.16.4 Nút nhấn 4 chân 28
2.3.16.5 Đèn 29
2.3.16.6 Quạt tản nhiệt 5 VDC 29
2.4 Phần mềm liên quan 30
2.4.1 Giới thiệu phần mềm Visual Studio Code 30
2.4.2 Giới thiệu ứng dụng Blynk 32
CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 34
3.1 Thiết kế ngôi nhà thông minh 34
3.1.1 Yêu cầu thiết kế 34
3.1.2 Thiết kế chức năng thông minh cho từng khu vực trong ngôi nhà 34
3.1.3 Sơ đồ khối hệ thống của ngôi nhà thông minh 35
3.1.4 Kích thước tổng thể của ngôi nhà 36
3.2 Thiết kế các khu vực của ngôi nhà 37
3.2.1 Thiết kế chức năng thông minh khu vực sân 37
3.2.2 Thiết kế chức năng thông minh khu vực phòng khách 38
3.2.3 Thiết kế chức năng thông minh khu vực phòng ngủ 1 và phòng ngủ 2 40
3.2.4 Thiết kế chức năng thông minh khu vực phòng bếp 40
3.2.5 Thiết kế chức năng thông minh khu vực nhà vệ sinh 41
3.3 Sơ đồ kết nối giữa Blynk, Arduino Mega2560 và ESP8266 42
3.4 Lưu đồ thuật toán 42
3.4.1 Lưu đồ thuật toán điều khiển đèn và quạt 42
3.4.1.1 Điều khiển bằng app Blynk 43
3.4.1.2 Điều khiển bằng nút nhấn 44
3.4.1.3 Điều khiển đèn bằng cảm biến chuyển động PIR SR505 mini 46
3.4.1.4 Điều khiển đèn bằng cảm biến ánh sáng Photoresistor 47
3.4.2 Lưu đồ thuật toán giám sát nhiệt độ và độ ẩm bằng cảm biến DHT11 48
3.4.3 Lưu đồ thuật toán mở cổng bằng cảm biến thẻ từ RFID 49
Trang 43.4.4 Lưu đồ thuật toán điều khiển sào phơi quần áo bằng cảm biến mưa 51
3.4.5 Lưu đồ thuật toán mở cửa bằng mật khẩu 53
3.4.6 Lưu đồ thuật toán điều khiển còi báo bằng cảm biến khí gas MQ2 55
3.4.7 Lưu đồ thuật toán của module đo điện AC giao tiếp UART PZEM-004T 57 3.5 Sơ đồ đấu nối linh kiện 57
3.5.1 Sơ đồ đấu nối linh kiện trong khu vực phòng ngủ 1 57
3.5.2 Sơ đồ đấu nối linh kiện trong khu vực phòng ngủ 2 59
3.5.3 Sơ đồ đấu nối linh kiện trong khu vực nhà vệ sinh 60
3.5.4 Sơ đồ đấu nối linh kiện trong khu vực khu vực bếp 61
3.5.5 Sơ đồ đấu nối linh kiện trong khu vực phòng khách 62
3.5.6 Sơ đồ đấu nối linh kiện trong khu vực sân 65
3.5.7 Sơ đồ kết nối linh kiện trong hệ thống giám sát năng lượng 66
3.5.8 Sơ đồ kết nối giữa Arduino Mega2560 với ESP8266 67
CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH 69
4.1 Xây dựng mô hình ngôi nhà thông minh 69
4.1.1 Vật liệu để làm mô hình 69
4.1.2 Tổng quan về mô hình 69
4.2 Phương thức điều khiển ở mỗi khu vực 73
4.2.1 Khu vực sân 74
4.2.2 Khu vực phòng khách 79
4.2.3 Khu vực phòng ngủ 1 và phòng ngủ 2 84
4.2.4 Khu vực nhà vệ sinh 86
4.2.5 Khu vực nhà bếp 87
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 90
5.1 Kết luận 90
5.2 Kiến nghị 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO 92
PHỤ LỤC 1: CODE CHO ARDUINO MEGA2560 93
PHỤ LỤC 2: CODE CHO ESP8266 108
Trang 5MỤC LỤC HÌNH
Hình 1.1 Dự báo thị trường SmartHome tại Việt Nam giai đoạn 2021-2025 2
Hình 1.2 Hệ thống nhà thông minh BKAV 2
Hình 1.3 Ngôi nhà thông mịnh VSMARTHOME 3
Hình 1.4 Nhà thông minh LUMI 3
Hình 1.5 Mô hình ngôi nhà thông minh ACIS 3
Hình 1.6 Một số chức năng của ngôi nhà thông minh 5
Hình 2.1 Cấu tại của một hệ thống nhà thông minh cơ bản 8
Hình 2.2 Một số loại Arduino Arduino: Uno R3 (a); RedBoard Arduino (b); Arduino Leonado (c) 9
Hình 2.3 Ứng dụng của Arduino làm Robot điều khiển 10
Hình 2.4 Arduino Mega2560 10
Hình 2.5 Module Wifi ESP8266 nodeMCU 12
Hình 2.6 Sơ đồ chân của Module Wifi ESP8266 nodeMCU 14
Hình 2.7 Module cảm biến khí gas MQ2 15
Hình 2.8 Sơ đồ chân của modul cảm biến khí gas MQ2 15
Hình 2.9 Module cảm biến chuyển động PIR HC-SR505 16
Hình 2.10 Cấu tạo của Module cảm biến chuyển động PIR HC-SR505 17
Hình 2.11 Module cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm DHT11 17
Hình 2.12 Module cảm biến mưa 18
Hình 2.13 Module Relay 5 V 20
Hình 2.14 Module cảm biến thẻ từ RFID 21
Hình 2.15 Thiết bị hiển thị LCD 16 × 2 22
Hình 2.16 Sơ đồ chân thiết bị hiển thị LCD 16×2 23
Hình 2.17 Module cảm biến ánh sáng Photoresistor 23
Hình 2.18 Module đo điện AC giao tiếp UART PZEM - 004T 24
Hình 2.19 Ảnh biến dòng của module đo điện AC giao tiếp UART PZEM-004T 25
Hình 2.20 Giao tiếp I2C 26
Hình 2.21 Còi Buzzer 26
Hình 2.22 Bàn phím ma trận 4×4 27
Hình 2.23 Động cơ servo SG90 27
Hình 2.24 Dây Bus 28
Hình 2.25 Dây cáp USB 28
Hình 2.26 Nút nhấn 4 chân 29
Trang 6Hình 2.27 Bóng đèn: LED trái ớt (a), LED ruồi (b) 29
Hình 2.28.Quạt tản nhiệt 5 VDC 29
Hình 2.29 Phần mềm Visual Stuidio Code 30
Hình 2.30 Giao diện của Visual Studio Code 32
Hình 2.31 Ứng dụng Blynk 32
Hình 2.32 Phương thức hoạt động của ứng dụng Blynk 33
Hình 3.1 Sơ đồ khối phần cứng biểu diễn các chức năng của ngôi nhà thông minh 35
Hình 3.2 Bản vẽ mặt bằng của ngôi nhà 37
Hình 3.3 Sơ đồ kết nối giữa Blynk, Arduino Mega2560 và ESP8266 42
Hình 3.4 Lưu đồ thuật toán điều khiển đèn bằng app Blynk 43
Hình 3.5 Lưu đồ thuật toán điều khiển quạt bằng app Blynk 44
Hình 3.6 Lưu đồ thuật toán điều khiển đèn bằng nút nhấn 45
Hình 3.7 Lưu đồ thuật toán điều khiển quạt bằng nút nhấn 46
Hình 3.8 Lưu đồ thuật toán điều khiển đèn bằng cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR SR505 47
Hình 3.9 Lưu đồ thuật toán điều khiển đèn bằng cảm biến ánh sáng Photoresistor 48 Hình 3.10 Lưu đồ thuật toán giám sát nhiệt độ và độ ẩm bằng cảm biến DHT11 49
Hình 3.11 Lưu đồ thuật toán điều khiển mở cổng bằng cảm biến thẻ từ RFID 50
Hình 3.12 Lưu đồ thuật toán điều khiển đóng mở cửa cổng bằng Blynk 51
Hình 3.13 Lưu đồ thuật toán điều khiển sào phơi quần áo bằng cảm biến mưa 52
Hình 3.14 Lưu đồ thuật toán điều khiển sào phơi quần áo bằng Blynk 53
Hình 3.15 Lưu đồ thuật toán mở cửa bằng bàn phím ma trận 54
Hình 3.16 Lưu đồ thuật toán mở cửa bằng app Blynk 55
Hình 3.17 Lưu đồ thuật toán điều khiển còi báo bằng cảm biến khí gas MQ2 56
Hình 3.18 Lưu đồ thuật toán kết nối PZEM-004T với Arduino Mega2560 và ESP8266 57
Hình 3.19 Sơ đồ đấu nối linh kiện trong khu vực phòng ngủ 1 58
Hình 3.20 Sơ đồ đấu nối linh kiện trong khu vực phòng ngủ 2 60
Hình 3.21 Sơ đồ đấu nối linh kiện trong khu vực nhà vệ sinh 61
Hình 3.22 Sơ đồ đấu nối linh kiện trong khu vực bếp 62
Hình 3.23 Sơ đồ đấu nối linh kiện trong khu vực phòng khách 64
Hình 3.24 Sơ đồ đấu nối linh kiện trong khu vực sân 65
Hình 3.25 Sơ đồ kết nối linh kiện trong hệ thống giám sát năng lượng 67
Hình 3.26 Sơ đồ kết nối linh kiện điều khiển qua wifi 68
Hình 4.1 Tấm fomex 69
Hình 4.2 Bản vẽ mặt bằng của mô hình 70
Trang 7Hình 4.3 Mô hình đang hoạt động 71
Hình 4.4 Mô hình được chụp từ trên xuống 72
Hình 4.5 Mô hình được chụp từ trước ra sau 72
Hình 4.6 Mô hình được chụp từ bên phải 73
Hình 4.7 Mô hình được chụp từ bên trái 73
Hình 4.8 Mô hình được chụp từ sau ra trước 73
Hình 4.9 Khu vực sân 74
Hình 4.10 Cổng chính trong mô hình 74
Hình 4.11 Nơi gắn đèn và nút nhấn điều khiển 75
Hình 4.12 Nơi lắp cảm biến và sào phơi đồ 75
Hình 4.13 Màn hình giao diện chế độ Manual trên app Blynk 76
Hình 4.14 Đèn sân sáng khi nhấn nút nhấn 1 76
Hình 4.15 Sào thu vào mái che 77
Hình 4.16 Sào kéo ra khỏi mái che 77
Hình 4.17 Giao diện khi điều khiển đèn và sào phơi quần áo khu vực sân trên app Blynk 78
Hình 4.18 Màn hình giao diện chế độ Auto trên app Blynk 78
Hình 4.19 Giao diện điều khiển mở cổng trên app Blynk 79
Hình 4.20 Cổng mở 79
Hình 4.21 Ảnh khu vực phòng khách 80
Hình 4.22 Đèn sáng ở khu vực phòng khách 80
Hình 4.23 Quạt ở khu vực phòng khách đang quay 81
Hình 4.24 Giao diện điều khiển khu vực phòng khách trên app Blynk 81
Hình 4.25 Nhiệt độ và độ ẩm được hiển thị lên màn hình LCD 82
Hình 4.26 Màn hình hiển thị lúc mới khởi động 82
Hình 4.27 Màn hình hiển thị khi nhập mật khẩu “2222’ 82
Hình 4.28 Màn hình hiển thị khi nhập mật khẩu “2222” và nhấn phím [#] mở cửa82 Hình 4.29 Màn hình hiển thị khi nhập mật khẩu vào khác “2222” 83
Hình 4.30 Màn hình hiển thị khi nhập mật khẩu khác “2222] và nhấn phím [#] 83
Hình 4.31 Giao diện điều khiển mở cửa trên app Blynk 83
Hình 4.32 Cửa mở 84
Hình 4.33 Khu vực phòng ngủ 1 84
Hình 4.34 Khu vực phòng ngủ 2 85
Hình 4.35 Đèn ở phòng ngủ 1 và phòng ngủ 2 khi đang hoạt động 85
Hình 4.36 Giao diện điều khiển phòng ngủ 1 trên app Blynk 86
Hình 4.37 Giao diện điều khiển phòng ngủ 2 trên app Blynk 86
Hình 4.38 Khu vực nhà vệ sinh 86
Trang 8Hình 4.39 Đèn ở nhà vệ sinh khi đang hoạt động 87
Hình 4.40 Giao diện điều khiển đèn WC trên app Blynk 87
Hình 4.41 Khu vực bếp 88
Hình 4.42 Đèn, quạt ở khu vực bếp khi đang hoạt động 88
Hình 4.43 Giao diện cảnh báo rò rỉ khí gas trên app Blynk 89
Hình 4.44 Giao diện giám sát năng lượng của thiết bị 89
Trang 9MỤC LỤC BẢNG
Bảng 1.1 Bảng so sánh giữa nhà thông minh có dây và nhà thông minh không dây 4
Bảng 2.1 Bảng thông số kỹ thuật của Arduino Mega2560 11
Bảng 2.2 Bảng thông số kỹ thuật của Module Wifi ESP8266 nodeMCU 12
Bảng 2.3 Bảng thông số kỹ thuật của module cảm biến khí gas MQ2 15
Bảng 2.4 Bảng thông số kỹ thuật của module cảm biến chuyển động PIR SR505 16 Bảng 2.5 Bảng thông số kỹ thuật của module cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm DHT11: 17
Bảng 2.6 Bảng thông số kỹ thuật của module cảm biến mưa 18
Bảng 2.7 Các thông số kỹ thuật của Relay 5 V 20
Bảng 2.8 Bảng thông số kỹ thuật của module cảm biến thẻ từ RFID 21
Bảng 2.9 Bảng thông số kỹ thuật của thiết bị hiển thị 16×2 22
Bảng 2.10 Bảng thông số kỹ thuật của module cảm biến ánh sáng Photoresistor 24
Bảng 2.11 Bảng thông số kỹ thuật của module đo điện AC giao tiếp 25
UART PZEM - 004T 25
Bảng 2.12 Bảng thông số kỹ thuật của còi Buzzer 26
Bảng 2.13 Bảng thông số kỹ thuật của động cơ servo 27
Bảng 2.14 Bảng thông số kỹ thuật của quạt tản nhiệt 5 VDC 30
Bảng 3.1 Kích thước cụ thể của các khu vực của ngôi nhà 36
Trang 10CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGÔI NHÀ THÔNG MINH
1.1 Giới thiệu chung
Khái niệm “Nhà thông minh” lần đầu tiên được đưa ra vào năm 1984 bởi Hội Liên Hiệp Xây dựng Hoa Kỳ Ngôi nhà thông minh bắt đầu được hình thành từ những
ý tưởng không có thật của các nhà văn, các nhà làm phim từ đó thiết kế ra hình tượng những ngôi nhà thông minh với đầy đủ các tính năng cần thiết, phục vụ một cách tự động hoá hoàn toàn bằng thiết bị điện tử hoặc trí tuệ nhân tạo [1]
Năm 1999, bộ phim có tựa đề "Smart House" đã phác thảo về nhà thông minh qua một câu chuyện: Một cậu bé 13 tuổi giành được giải thưởng trong một cuộc thi máy tính là một "Ngôi nhà của tương lai" với cô giúp việc ảo PAT (Công nghệ ứng dụng cá nhân) [2] Ngôi nhà thông minh với nền tảng chính là công nghệ tự động hóa ngôi nhà, là hình thức kiến trúc nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có tác dụng
tự động hóa hoàn toàn hoặc bán tự động nhằm thay thế con người trong việc thực hiện một hoặc một số thao tác quản lý, điều khiển Không đơn thuần là sự kiểm soát các thiết bị, hệ thống ngôi nhà thông minh có thể cho phép ngôi nhà có khả năng học thói quen của chủ nhà và điều khiển các hoạt động của các thành phần trong hệ thống cho phù hợp với chủ nhà
Trên thế giới, nhiều kiến trúc sư đang cân nhắc đến hệ thống nhà thông minh trong thiết kế và xây dựng nhà Khi hệ thống được tích hợp trong quá trình xây dựng nhà, chi phí cho việc lắp đặt, bảo trì giảm xuống đồng thời hệ thống cũng được triển khai đầy đủ, linh hoạt hơn
Cuối những năm 1990, nhà thông minh vẫn được xem là một thứ xa xỉ của nhà giàu Tuy nhiên, với sự ra đời và phổ biến của công nghệ vi điện tử và chi phí ngày càng giảm cho phép các công nghệ điều khiển thông minh có thể được ứng dụng rộng rãi Theo báo cáo của Zion Market Research năm 2016, thị trường nhà thông minh toàn cầu đã đạt giá trị khoảng 24,1 tỉ USD, năm 2022 dự kiến đạt 53,45 tỉ USD với mức tăng trưởng trung bình hàng năm trên 14,5% [3]
Ở Việt Nam, nhà thông minh có mặt từ đầu năm 2003, nhưng mới gây được
sự chú ý trong khoảng vài năm gần trở lại đây BKAV là một trong những đơn vị trong nước giới thiệu hệ thống BKAV Smart Home (Hình 1.2) thế hệ đầu tiên vào năm 2014 Đến năm 2017, BKAV tham gia cuộc thi “Nhà thông minh không dây”
Trang 11theo sóng Zigbee và Wifi, trang bị đầy đủ hệ thống âm thanh, an ninh, điều khiển giọng nói tiếng Việt đơn giản và dễ sử dụng với giá gói hợp lý hơn [4]
Hình 1.1 Dự báo thị trường SmartHome tại Việt Nam giai đoạn 2021-2025 Hiện nay, trên thị trường xuất hiện nhiều thương hiệu lớn của nước ngoài như: Siemens (Đức), Schneider (Pháp), Smart G4 (Mỹ), Gamma (Đức), Fibaro (Ba Lan), Philips Hue (Phần Lan), Xiaomi (Trung Quốc),… Bên cạnh đó, nhiều doanh nghiệp bất động sản Việt Nam cũng đang đẩy mạnh việc phát triển các căn hộ, tòa nhà thông minh như: Nhà thông minh FPT, nhà thông minh Vsmart, nhà thông minh Homegy, nhà thông minh ACIS…
Hình 1.2 Hệ thống nhà thông minh BKAV Vsmart Home (Hình 1.3) cung cấp giải pháp nhà thông minh, giải pháp quản
lý điều khiển tự động cho các chung cư, biệt thự, khách sạn, văn phòng, dự án nhà cao tầng, trung tâm thương mại [5]
Trang 12Hình 1.3 Ngôi nhà thông mịnh VSmartHome Nhà thông minh Lumi (Hình 1.4) điều khiển các thiết bị điện thông qua điện thoại hoặc máy tính bảng, điều khiển bằng giọng nói và cũng sử dụng công nghệ truyền dẫn không dây Zigbee của Singapore [3]
Hình 1.4 Nhà thông minh LUMI Ngoài ra, nhà thông minh ACIS (Hình 1.5) là một thương hiệu nhà thông minh Việt Nam chiếm thị phần lớn ở phía Nam
Hình 1.5 Mô hình ngôi nhà thông minh ACIS
Trang 13Trên thị trường hiện nay có hai hệ thống nhà thông minh phổ biến là nhà thông minh có dây và nhà thông minh không dây Các ưu điểm và nhược điểm của hai loại nhà thông minh có dây và nhà thông minh không dây được thể hiện trong Bảng 1.1 Bảng 1.1 Bảng so sánh giữa nhà thông minh có dây và nhà thông minh không dây
Nhà thông minh có dây Nhà thông minh không dây
- Lắp đặt dễ dàng, có thể tương thích với mọi ngôi nhà dù đang xây hay đã sử dụng lâu và muốn chuyển sang nhà thông minh
- Thời gian thi công nhanh
- Có nhiều tính năng mở rộng hơn
Nhược điểm
- Cần phải đục tường để đi dây nên tính thẩm mỹ thấp
- Mất nhiều thời gian thi công
và đòi hỏi kỹ thuật cao
- Giá thành đầu tư cao hơn so với hệ thống không dây
- Khó khăn trong việc thay đổi
và nâng cấp
- Tốc độ phản hồi chậm hơn so với hệ thống nhà thông minh có dây, nhưng không quá rõ rệt nếu
sử dụng kết nối Zigbee hay wave
Z Một số thiết bị đòi hỏi thay thế pin trong quá trình sử dụng
- Phụ thuộc vào bộ xử lý trung tâm
- Đòi hỏi người dùng có kiến thức cơ bản về lắp đặt
1.2.2 Chỉ tiêu về thông gió
Đảm bảo lượng gió vừa đủ, tốc độ gió phù hợp với yêu cầu chung Ngoài ra, lượng gió và tốc độ gió có thể được thay đổi tùy theo yêu cầu của người sử dụng Hệ thống tự
Trang 14động nhận biết nhiệt độ trong nhà điều chỉnh phù hợp với khí hậu môi trường, tránh tình trạng khi ra vào nhà với hai môi trường nhiệt độ khác xa nhau, gây bệnh cho người [6]
1.3 Một số chức năng của ngôi nhà thông minh
Ngôi nhà thông minh Smart Home điều khiển được hầu hết các thiết bị trong nhà qua các công tắc, các cảm biến nên có một số chức năng như [3]:
- Hệ thống chiếu sáng và điều khiển rèm cửa tự động
- Hệ thống thống kiểm soát các thông số của môi trường
- Hệ thống âm thanh giải trí đa vùng
- Hệ thống an ninh
- Hệ thống tưới vườn tự động
- Hệ thống đóng mở cửa tự động
Hình 1.6 thể hiện các chức năng của ngôi nhà thông minh
Hình 1.6 Một số chức năng của ngôi nhà thông minh
Trang 151.4 Ưu điểm của nhà thông minh
Ngôi nhà thông minh đem lại một số lợi ích tuyệt vời cho người sử dụng như:
- Sử dụng công nghệ không dây tiên tiến
- Kiểm soát dễ dàng thông qua điện thoại và máy tính bảng
- Chống trộm hoàn hảo với hệ thống camera an ninh, chuông báo động
- Tiết kiệm và kiểm soát năng lượng
- Hiện đại và sang trọng
1.5 Nhược điểm của nhà thông minh
Bên cạnh các ưu điểm như trên song ngôi nhà thông minh cũng có một số nhược điểm sau:
- Các thiết bị điều khiển có thể bị nhiễu dẫn đến hoạt động chưa chính xác
- Ngôi nhà có sử dụng các thiết bị điện tử cũng như các cảm biến nên cần có các kiến thức chuyên môn để cài đặt, thi công và sử dụng
- Khi điều khiển các thiết bị trong nhà thông qua điện thoại hay máy tính bảng thì cần thiết phải có kết nối mạng internet
- Chi phí đầu tư và lắp đặt cao
1.6 Tầm quan trọng của việc quản lý năng lượng
Quản lý năng lượng sẽ thu thập dữ liệu về lượng điện năng tiêu thụ tại nơi được lắp đặt, tạo điều kiện cho việc kiểm soát hoạt động của các thiết bị, giảm chi phí và góp phần đảm bảo chất lượng điện sử dụng Quản lý và giám sát năng lượng
là chìa khóa để tiết kiệm năng lượng trong các tổ chức thương mại, công nghiệp và chính phủ cũng như trong các hộ gia đình
Việc quản lý năng lượng giúp giám sát được chi tiết điện năng trong từng khu vực mong muốn liên tục 24/24 mọi lúc mọi nơi để có thể kiểm soát và có thể điều chỉnh các thiết bị điện đảm bảo hiệu suất hoạt động và đưa ra những giải pháp sử dụng hợp lí, tiết kiệm điện
1.7 Nội dung đề tài
Để hòa nhập cuộc sống vào trong thời đại 4.0 thì ngôi nhà thông minh sẽ là lựa chọn phù hợp cho ngôi nhà của chúng ta, nhằm đáp đáp ứng tốt các yêu cầu về tính hiện đại, độ thẩm mỹ, tính an toàn cao và cùng nhiều tiện ích khác mà ngôi nhà thông minh mang lại Nội dung của đề tài được xây dựng với bố cục gồm có 5 chương:
- Chương 1: Tổng quan về ngôi nhà thông minh
Trang 16- Chương 2: Cơ sở lý thuyết về các linh kiện trong mô hình
- Chương 3: Tính toán và thiết kế
- Chương 4: Xây dựng mô hình
- Chương 5: Kết luận và kiến nghị
Trang 17CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÁC LINH KIỆN TRONG MÔ HÌNH
2.1 Cấu tạo của hệ thống ngôi nhà thông minh
Một hệ thống nhà thông minh (Hình 2.1) cơ bản gồm [6]:
- Trung tâm điều khiển: Là bộ não của ngôi nhà, có nhiệm vụ kết nối các thiết
bị với nhau và điều khiển toàn bộ hệ thống
- Các thiết bị đầu vào: Là các cảm biến, bàn phím nhập mật khẩu…
- Các thiết bị đầu cuối: Là những vật dụng điện tử trong nhà như điều hòa, các
hệ thống chiếu sáng, quạt, tivi, bếp, hệ thống camera giám sát, bảo vệ an ninh
Hình 2.1 Cấu tại của một hệ thống nhà thông minh cơ bản Trung tâm điều khiển và các thiết bị đầu cuối kết nối và hoạt động theo nguyên
lý sử dụng phương pháp kết nối tiêu chuẩn là Internet Protocol (IP) Mọi thiết bị được kết nối và sử dụng wifi thông qua địa chỉ IP của nó để truyền tải thông tin đến bộ định tuyến kết nối Internet, được điều khiển thông qua App từ mọi thời điểm và mọi vị trí
2.2 Nguyên lý hoạt động của ngôi nhà thông minh
Nguyên lý hoạt động của hệ thống nhà thông minh là tập trung chủ yếu vào việc giải quyết tương tác giữa hệ thống với môi trường Thông qua các cảm biến được kết nối Internet và các tín hiệu được thu nhận, sau đó các tín hiệu này sẽ được lưu trữ,
xử lý và tùy theo yêu cầu của từng điều kiện đặt ra mà điều khiển các thiết bị theo mục đích cụ thể Để nhà thông minh hoạt động một cách ổn định, người dùng sẽ cài đặt các thiết bị và cho trung tâm điều khiển học lệnh của tất cả các thiết bị đó
Trang 182.3 Các linh kiện trong mô hình
2.3.1 Giới thiệu Arduino Mega2560
2.3.1.1 Sơ lược về Arduino
Arduino là một bo mạch vi điều khiển do một nhóm giáo sư và sinh viên người
Ý thiết kế và đưa ra đầu tiên vào năm 2005 Mạch Arduino được sử dụng để cảm nhận và điều khiển nhiều đối tượng khác nhau Nó có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ
từ lấy tín hiệu từ cảm biến đến điều khiển đèn, động cơ, và nhiều đối tượng khác
Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử
lý AVR Atmel 8 bit, hoặc ARM Atmel 32 bit Những Model hiện tại được trang bị gồm một cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau
Một số loại Arduino như: Arduino Uno, Arduino Diecimila, Arduino Duemilanove, Arduino Leonardo, Arduino Mega, Arduino Mega2560 R3, Arduino Nano, Arduino Due, Arduino Pro Mini… được thể hiện trong Hình 2.2
Hình 2.2 Một số loại Arduino Arduino: Uno R3 (a); RedBoard Arduino (b); Arduino
Leonado (c) Một số lợi ích của việc sử dụng Arduino:
- Phần mềm hỗ trợ đa nền tảng, có thể chạy trên các hệ điều hành
- Chi phí Arduino ít tốn kém
- Phần mềm Arduino được xuất bản dưới dạng các công cụ mã nguồn mở, ngôn ngữ có thể được mở rộng thêm bởi các chuyên gia lập trình viên có kinh nghiệm
thông qua các thư viện ngôn ngữ C++ Đối với những người nghiên cứu về kỹ thuật
có thể tích hợp và nhúng ngôn ngữ AVR vào Arduino nếu cần
- Hỗ trợ kết nối các thiết bị ngoại vi đa dạng thông qua các module
Một số ứng dụng của Arduino (Hình 2.3): Làm robot, game tương tác, máy bay không người lái, điều khiển tín hiệu đèn giao thông, điều khiển các thiết bị cảm biến, làm máy in 3D,…
Trang 19Hình 2.3 Ứng dụng của Arduino làm Robot điều khiển
2.3.1.2 Arduino Mega2560
Arduino Mega2560 (Hình 2.4) là một bo mạch vi điều khiển dựa trên ATmega2560 và là phiên bản nâng cấp của Arduino Mega1280 Arduino Mega2560 khác với tất cả các vi xử lý trước vì không sử dụng FTDI chip điều khiển chuyển tín hiệu từ USB để xử lý mà sử dụng ATmega16U2 lập trình như là một công cụ chuyển đổi tín hiệu từ USB
Arduino Mega2560 được thiết kế với 54 chân đầu vào/đầu ra kỹ thuật số Trong đó 15 chân có thể được sử dụng làm đầu ra PWM, 16 đầu vào tương tự, 4 UART (cổng nối tiếp phần cứng), bộ dao động tinh thể thạch anh 16 MHz, kết nối USB, giắc cắm nguồn, đầu cắm ICSP, và một nút đặt lại Arduino Mega2560 chứa mọi thứ cần thiết để hỗ trợ vi điều khiển chỉ cần kết nối nó với máy tính bằng cáp USB hoặc cấp nguồn bằng bộ chuyển đổi AC to DC hoặc pin để bắt đầu [7]
Hình 2.4 Arduino Mega2560
Bo mạch Mega2560 tương thích với hầu hết các tấm chắn được thiết kế cho Uno và các bo mạch trước đây là Duemilanove hoặc Diecimila Ngoài ra, Arduino Mega2560 cơ bản vẫn giống Arduino Uno R3, chỉ khác số lượng chân và nhiều tính năng mạnh mẽ hơn
Trang 20Các thông số kỹ thuật của Arduino Mega2560 được thể hiện trong Bảng 2.1: Bảng 2.1 Bảng thông số kỹ thuật của Arduino Mega2560
STT Arduino Mega2560 Thông số kỹ thuật
1 Vi điều khiển AVR ATMega2560 (8 bit)
5 Xung clock 16 MHz (NSX cài đặt là 1MHz)
8 Cổng giao tiếp USB, ICSP, SPI, I2C và USART
9 Bộ Timer 2 (8bit) + 4 (16bit) = 6 Timer
Chân điều khiển:
- Reset: Arduino Mega2560 có sẵn mạch reset với nút ấn để thiết lập lại hệ thống và chân này có thể được sử dụng khi kết nối các thiết bị khác để thiết lập lại bộ điều khiển
- XTAL1, XTAL2: Thạch anh được kết nối với xung clock cung cấp cho bộ điều khiển
- AREF: Được dùng khi sử dụng ADC để chuyển đổi tín hiệu với điện áp tham chiếu bên ngoài mà không muốn sử dụng điện áp tham chiếu nội bộ 1,1 V hoặc 5 V
Các chân Digital (70): Từ 0÷53 (số) và 0÷15 (tương tự) có thể được sử dụng làm đầu vào hoặc đầu ra cho thiết bị
Chân tương tự (16): Từ 0 ÷ 15 (Analog) có thể được sử dụng như chân đầu vào tương tự cho bộ ADC, nếu không sử dụng thì sẽ hoạt động như chân Digital bình thường
Chân có chức năng thay thế:
Chân SPI (Giao diện ngoại vi nối tiếp) (Chân 22SS, 23_SCK, 24MOSI, 25
Trang 21-MISO): Sử dụng cho giao tiếp nối tiếp với giao thức SPI để liên lạc giữa 2 thiết bị trở lên
- Chân I2C: Chân 20 cho SDA và 21 cho SCK (tốc độ 400 kHz) để cho phép liên lạc hai dây với các thiết bị khác
- Chân PWM: Chân 2 ÷ 13 có thể được sử dụng như đầu ra PWM với hàm analogWrite () để ghi giá trị pwm từ 0÷255
- Chân USART: Sử dụng cho giao tiếp nối tiếp giữa bo mạch với máy tính hoặc hệ thống khác để chia sẻ, ghi dữ liệu
- Chân ngắt: Sử dụng để ngắt và kích hoạt chân ngắt phải cài đặt bật ngắt toàn cục
+ Chân digital: 0, 22, 23, 24, 25, 10, 11, 12, 13, 15, 14
+ Chân analog: 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15
- Chân ngắt phần cứng: Chân 18 ÷ 21, 22, 23 ngắt phần cứng được sử dụng cho các ứng dụng ngắt Ngắt phần cứng phải được bật với tính năng ngắt toàn cục để ngắt quãng từ các thiết bị khác
2.3.2 Giới thiệu Module Wifi ESP 𝟖𝟐𝟔𝟔 nodeMCU
Module Wifi ESP8266 nodeMCU (Hình 2.5) là một vi mạch dạng SoC (System-on-a-Chip) do hãng ESPRESSIF của Trung Quốc sản xuất và đã trở nên phổ biến trên toàn thế giới khi tích hợp được module wifi vào vi mạch Với thiết kế dễ sử dụng
và đặc biệt là có thể sử dụng trực tiếp trình biên dịch của Arduino để lập trình và nạp code trở nên dễ dàng sử dụng và lập trình các ứng dụng trên ESP8266 đơn giản hơn
Hình 2.5 Module Wifi ESP8266 nodeMCU Không như ứng dụng vi điều khiển, module Wifi ESP8266 nodeMCU muốn hoạt động được phải có thêm bộ nhớ Flash bên ngoài để chứa dữ liệu chương trình
và phải được thiết kế antena tốt mới có cho kết nối Wifi ổn định Do đó, sử dụng module ESP8266 đã được tích hợp sẵn bộ nhớ Flash để lưu chương trình và Antena
là lựa chọn tốt nhất cho người dùng phổ thông
Các thông số kỹ thuật của Module Wifi ESP8266 nodeMCU được thể hiện như trong Bảng 2.2
Bảng 2.2 Bảng thông số kỹ thuật của Module Wifi ESP8266 nodeMCU
Trang 22STT Module Wifi
ESP2866 nodeMCU Thông số kỹ thuật
lại vào khoảng 50 kB
3 ROM Bộ nhớ ngoài để lưu chương trình thực thi, bộ
nhớ Flash giao tiếp SPI dung lượng đến 16 MB
Chân được sử dụng khi khởi động:
- GPIO16: Chân ở mức cao khi khởi động
- GPIO0: Lỗi khởi động nếu kéo mức thấp
- GPIO2: Chân ở mức cao khi khởi động, không khởi động nếu kéo mức thấp
- GPI015: Lỗi khởi động nếu kéo mức cao
- GPIO3: Chân ở mức cao khi khởi động
- GPIO1: Chân ở mức cao khi khởi động, không khởi động nếu kéo mức thấp
- GPIO10: Chân ở mức cao khi khởi động
- GPIO9: Chân ở mức cao khi khởi động
Chân mức cao khi khởi động: GPIO16, GPIO3, GPIO1, GPIO10, GPIO9
Sơ đồ thể hiện chi tiết các chân của Module Wifi ESP8266 nodeMCU được thể hiện như Hình 2.6
Trang 23Hình 2.6 Sơ đồ chân của Module Wifi ESP8266 nodeMCU
Đầu vào Analog: Module Wifi ESP2866 nodeMCU chỉ hỗ trợ đọc Analog trong một GPIO GPIO đó được gọi là ADC0 và thường được đánh dấu trên màn lụa
là A0 Điện áp đầu vào tối đa của chân ADC0 là 0 đến 3,3 V
LED trên board mạch: Hầu hết các bo phát triển ESP8266 đều có đèn LED tích hợp và thường được kết nối với GPI02
Chân RST: Khi chân RST được kéo thấp, ESP8266 sẽ RESET
GPIO0: Khi GPIO0 được kéo thấp khi đó ESP8266 vào chế độ bộ nạp khởi động cũng giống như nhấn nút FLASH/BOOT trên bo mạch
I2C: ESP8266 không có chân I2C phần cứng, nhưng nó có thể được triển khai trong phần mềm Do đó có thể sử dụng bất kỳ GPIO nào làm I2C nhưng thông thường các GPIO được sử dụng làm chân I2C là GPIO5(SCL), GPI04 (SDA)
Các chân được sử dụng làm SPI trong ESP8266 là: GPIO12 (MISO), GPIO13 (MOSI), GPIO14 (SCLK), GPIO15 (CS)
Chân PWM: ESP8266 cho phép phần mềm PWM ở tất cả các chân I/0 từ GPIO0 đến GPIO16 Tín hiệu PWM trên ESP8266 có độ phân giải 10 bit
Chân ngắt: ESP8266 hỗ trợ chân ngắt trong bất kỳ GPIO nào, ngoại trừ GPI016
Một số ứng dụng của module wifi ESP2866: Điều khiển thiết bị từ xa qua Website, cập nhật Firmware từ xa cho ESP8266 (OTA), điều khiển bằng giọng nói
sử dụng ESP8266, điều khiển xe từ xa qua ESP8266, sử dụng ESP8266 hiển thị lên LED ma trận
2.3.3 Giới thiệu module cảm biến khí gas MQ 𝟐
Trang 24Module cảm biến khí gas MQ2 (Hình 2.7) là loại cảm biến sử dụng để nhận biết nồng độ các loại khí: LPG, I-butan, Propane, Methane, Alcohol, Hydrogen, Smoke và khí ga từ 200 ppm đến 10.000 ppm
Hình 2.7 Module cảm biến khí gas MQ2 Module cảm biến khí gas sử dụng phần tử SnO2 có độ dẫn điện thấp hơn trong không khí sạch, khi khí dễ cháy tồn tại, cảm biến có độ dẫn điện cao hơn, nồng độ chất dễ cháy càng cao thì độ dẫn điện của SnO2 sẽ càng cao và được tương ứng chuyển đổi thành mức tín hiệu điện [11] Các chân của cảm biến khí gas MQ2 được thể hiện trong Hình 2.7
Hình 2.8 Sơ đồ chân của modul cảm biến khí gas MQ2 Các thông số kỹ thuật của cảm biến khí gas MQ2 được thể hiện như Bảng 2.3: Bảng 2.3 Bảng thông số kỹ thuật của module cảm biến khí gas MQ2
STT Module cảm biến khí gas MQ2 Thông số kỹ thuật
Trang 25Cảm biến chuyển động PIR HC-SR505 (Hình 2.9) có kích thước nhỏ gọn chỉ
10 mm, được sử dụng để phát hiện chuyển động của các vật thể phát ra bức xạ hồng ngoại: Con người, con vật, các vật phát nhiệt [9]
Hình 2.9 Module cảm biến chuyển động PIR HC - SR505 Các thông số kỹ thuật của cảm biến chuyển động PIR HC-SR505 được thể hiện như trong Bảng 2.4
Bảng 2.4 Bảng thông số kỹ thuật của module cảm biến chuyển động PIR HC - SR505
STT Module cảm biến chuyển động
PIR HC-SR505 Thông số kỹ thuật
Low: 0 V
5 Thời gian trễ sau khi kích hoạt 8 s ( ± 30 %)
Các chân chức năng của cảm biến chuyển động PIR HC-SR505 (Hình 2.10):
- Chân nguồn: Cấp nguồn cho cảm biến 5 V
- Chân GND: Nối cực âm của mạch
- Chân Signal Output: Chân ngõ ra tín hiệu
Trang 26Hình 2.10 Cấu tạo của Module cảm biến chuyển động PIR HC-SR505
Cảm biến chuyển động PIR HC-SR505 Mini sẽ xuất ra tín hiệu mức cao khi phát hiện vật thể nhiệt chuyển động trong vùng quét, tín hiệu này sau đó sẽ được giữ
ở mức cao trong khoảng thời gian trễ T sau khi kích hoạt, lúc này nếu cảm biến vẫn bắt được tín hiệu sẽ vẫn duy trì chân tín hiệu mức cao trong thời gian trễ T, chỉ khi trong khoảng thời gian trễ T mà cảm biến không bắt được tín hiệu thì chân tín hiệu cảm biến mới trở về mức thấp
Cảm biến chuyển động có một số ứng dụng sau:
- Mục đích an ninh
- Tự động cảm biến đối tượng
- Đèn cảm ứng và đồ chơi
- Tự động hóa và điều khiển công nghiệp
2.3.5 Giới thiệu module cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT 𝟏𝟏
Module cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 (Hình 2.11) là một cảm biến nhiệt
độ và độ ẩm thường được sử dụng để đo nhiệt độ và một bộ vi điều khiển 8 bit để xuất ra các giá trị nhiệt độ và độ ẩm dưới dạng dữ liệu nối tiếp Cảm biến có thể dễ dàng giao tiếp với bất kỳ bộ vi điều khiển vi nào như Arduino, Raspberry Pi để đo
độ ẩm và nhiệt độ ngay lập tức
Hình 2.11 Module cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm DHT11 Cảm biến DHT11 bao gồm một phần tử cảm biến độ ẩm điện dung và một điện trở nhiệt để cảm nhận nhiệt độ Tụ điện cảm biến độ ẩm có hai điện cực với chất nền giữ ẩm làm chất điện môi giữa chúng Thay đổi giá trị điện dung xảy ra với sự thay đổi của các mức độ ẩm IC đo, xử lý các giá trị điện trở đã thay đổi này và chuyển chúng thành dạng kỹ thuật số Các thông số kỹ thuật của module cảm biến đo nhiệt
độ và độ ẩm DHT11 được thể hiện như trong Bảng 2.5
Bảng 2.5 Bảng thông số kỹ thuật của module cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm DHT11:
STT Module cảm biến khí gas Thông số kỹ thuật
Trang 274 Độ ẩm
Độ phân giải: 1% RH
Độ chính xác: ± 5% RH (0oC ÷ 50oC) Phạm vi đo: 20% RH ~ 90% RH(25oC )
5 Điều kiện lưu trữ được đề nghị Nhiệt độ: 10oC ÷ 40oC
Cảm biến có một số ứng dụng như: Đo nhiệt độ và độ ẩm, trạm thời tiết cục
bộ, kiểm soát khí hậu tự động, giám sát môi trường
2.3.6 Giới thiệu module cảm biến mưa
Cảm biến mưa (Hình 2.12) là cảm biển được sử dụng để nhận biết giọt nước hoặc lượng mưa Cảm biến mưa hoạt động giống như một công tắc bao gồm hai phần
là đệm cảm biến và một module cảm biến [10]
Hình 2.12 Module cảm biến mưa Các thông số kỹ thuật của module cảm biến mưa được thể hiện như trong Bảng 2.6
Bảng 2.6 Bảng thông số kỹ thuật của module cảm biến mưa
STT Module cảm biến mưa Thông số kỹ thuật
Trang 281 Điện áp 5 VDC
Màu đỏ: Báo mưa
- Bộ phận cảm biến mưa được gắn ngoài trời
- Bộ phận điều chỉnh độ nhạy cần được che chắn
Nguyên lý hoạt động của cảm biến mưa hoạt động theo nguyên tắc so sánh hiệu điện thế của mạch cảm biến nằm ngoài trời với giá trị định trước (giá trị này thay đổi được thông qua một biến trở màu xanh) từ đó phát ra tín hiệu đóng/ngắt Relay qua chân D0 Khi có nước trên bề mặt cảm biến, độ dẫn điện tốt hơn và tạo ra ít điện trở hơn, chân D0 được kéo xuống thấp (0 V), đèn LED màu đỏ sẽ sáng lên Khi cảm biến khô ráo, độ dẫn điện kém và cho điện trở cao, chân D0 của module cảm biến mưa được giữ ở mức cao (5 V - 12 V)
2.3.7 Sơ lược về Relay 5 V
Module Relay 5 V (Hình 2.13) có kích thước nhỏ gọn, tiện lợi và dễ sử dụng nên được sử dụng rộng rãi Thường được dùng như một công tắc điện, dùng để điều khiển các thiết bị công suất lớn (đèn, động cơ ) Modul có thể đóng/ngắt bằng tín hiệu điều khiển (với mức điện áp 3 V hoặc 5 V) từ các vi điều khiển khác nhau như: Arduino, 8051, AVR, PIC, DSP, ARM, MSP430, logic TTL, đồng thời module được cách ly bằng Optocoupler giúp bảo vệ tốt hơn cho các vi điều khiển [7]
Trang 29Hình 2.13 Module Relay 5 V Các thông số kỹ thuật của module Relay 5 V được thể hiện như trong Bảng 2.7
Bảng 2.7 Các thông số kỹ thuật của Relay 5 V
STT Module Relay 5 V Thông số kỹ thuật
3 Đầu vào
5 VDC Chân IN: Kích mở Relay Jump H/L level trigger: Thiết lập mức điều khiển Relay
Có hai mức: HIGH/LOW
4 Đầu ra
COM: Tiếp điểm Relay 220 V - 10 A
NO: Chân thường mở NC: Chân thường đóng
2.3.8 Giới thiệu module cảm biến thẻ từ RFID
Module cảm biến thẻ từ RFID (Radio Frequency Identification) (Hình 2.14) là loại cảm biến sử dụng công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến Module cảm biến thẻ từ RFID RC522 sử dụng IC MFRC522 của Phillip
Cấu tạo của module gồm 2 thành phần chính là thiết bị đọc và thiết bị phát mã RFID được gắn chip (tag) [6]
- Thiết bị đọc có thể thu hoặc phát sóng điện từ nhờ gắn Antenna
- Thiết bị phát mã RFID được gắn với vật cần nhận dạng, mỗi thiết bị sẽ chứa một mã số riêng, không giống nhau
Trang 30Hình 2.14 Module cảm biến thẻ từ RFID Các thông số kỹ thuật của module cảm biến thẻ từ RFID được thể hiện như trong Bảng 2.8
Bảng 2.8 Bảng thông số kỹ thuật của module cảm biến thẻ từ RFID
STT Module cảm biến thẻ từ RFID Thông số kỹ thuật
9 Các loại card RFID hỗ trợ mifare1 S50, mifare1 S70, mifare
UltraLight, mifare Pro, mifare Desfire
Chân cấp nguồn:
- Chân VCC: Trong một số phiên bản của RC522, được ký hiệu là 3,3 V thay vì VCC
- Chân RST: Là chân Reset được sử dụng để đặt lại giá trị trong trường hợp xảy ra lỗi khi thiết bị không bất kỳ phản hồi
- Chân Ground: Chân nối đất giúp tạo Mass chung với các thiết bị bên ngoài Chân giao tiếp SPI và UART:
- Chân IRQ: Linh kiện có thể chuyển sang chế độ ngủ để tiết kiệm điện năng
và chân IRQ sẽ khởi động lại nó
- Chân MISO - SCL - TX: Chân này kết nối với Arduino Vi điều khiển để giao tiếp SPI Truyền dữ liệu từ module sang Arduino Chân MISO cũng có thể sử
Trang 31dụng cho các chức năng khác thay vì SPI
- Chân MOSI: Chân đầu vào dữ liệu module RFID khi giao tiếp SPI
- Chân SCK: Gửi xung clock khi giao tiếp SPI
- Chân SS - SDA - RX: Chân SS là chân kích hoạt chip giao tiếp SPI Nhận tín hiệu khi Master (Arduino) giao tiếp SPI Chân SS của RFID có thể được sử dụng như một chân thứ hai (SDA) của giao tiếp I2C Cũng là chân nhận dữ liệu trong quá trình giao tiếp UART
Những ứng dụng của công nghệ RFID vào đời sống: Hệ thống nhà thông minh,
hệ thống y tế, hệ thống giao thông, hệ thống quản lý kho, hệ thống sản xuất dây chuyền, hệ thống bảo quản
2.3.9 Giới thiệu thiết bị hiển thị LCD 𝟏𝟔 × 𝟐
Thiết bị hiển thị LCD 16×2 (Liquid Crystal Display) (Hình 2.15) sử dụng driver/HD44780, có khả năng hiển thị hai dòng với mỗi dòng 16 ký tự, màn hình có
độ bền cao, rất phổ biến, nhiều code mẫu và dễ dàng sử dụng hơn nếu đi kèm mạch chuyển tiếp I2C [6]
Hình 2.15 Thiết bị hiển thị LCD 16 × 2 Các thông số kỹ thuật của Thiết bị hiển thị LCD 16×2 được thể hiện như trong Bảng 2.9
Bảng 2.9 Bảng thông số kỹ thuật của thiết bị hiển thị 16×2
STT Thiết bị hiển thị LCD 16×2 Thông số kỹ thuật
Trang 32Hình 2.16 Sơ đồ chân thiết bị hiển thị LCD 16×2 Chức năng các chân của màn hình LCD 16×2:
- Chân số 1 - VSS: Chân nối đất cho LCD nối với GND của mạch điều khiển
- Chân chân số 2 - VDD: Chân cấp nguồn cho LCD nối với VCC - 5 V của mạch điều khiển
- Chân số 3 - VE: Điều chỉnh độ tương phản của LCD
- Chân số 4 - RS: Chọn thanh ghi, được nối với logic "0" hoặc logic "1"
- Chân số 5 - RW: Chân chọn chế độ đọc/ghi, được nối với logic “0” để ghi hoặc nối với logic “1” đọc
- Chân số 6 - E: Chân cho phép
- Chân số 7 đến 14 - D0 đến D7: 8 đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU
- Chân số 15 - A: Nguồn dương cho đèn nền
- Chân số 16 - K: Nguồn âm cho đèn nền
2.3.10 Giới thiệu module cảm biến ánh sáng Photoresistor
Module cảm biến ánh sáng Photoresistor (Hình 2.17) là cảm biến đo cường độ ánh sáng sử dụng IC LM393 rất nhạy cảm với cường độ ánh sáng môi trường xung quanh, thường được sử dụng để phát hiện độ sáng môi trường xung quanh và cường
độ ánh sáng định hướng
Hình 2.17 Module cảm biến ánh sáng Photoresistor
Trang 33Các thông số kỹ thuật của module cảm biến ánh sáng Photoresistor được thể hiện như trong Bảng 2.10
Bảng 2.10 Bảng thông số kỹ thuật của module cảm biến ánh sáng Photoresistor
STT Module cảm biến ánh sáng Photoresistor Thông số kỹ thuật
Nguyên lý hoạt động của cảm biến ánh sáng quang trở:
- Khi có ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn, làm xuất hiện các điện tử tự do, làm
sự dẫn điện tăng lên, làm giảm điện trở của chất bán dẫn (nếu có nối vào mạch điện thì mạch sẽ nối tắt, ngắn mạch)
- Khi không có ánh sáng chiếu vào, nội trở của chất bán dẫn tăng dần đến vô cùng (nếu có nối vào mạch điện thì sẽ hở mạch)
Một số ứng dụng của cảm biến ánh sáng quang trở như: Điều khiển thiết bị bật tắt theo ánh sáng, điều khiển đèn chiếu sáng tự động, hệ thống cảnh báo chống trộm kết hợp với module lazer, đo nhịp tim, truyền tải dữ liệu bằng thu nhận xung lazer
2.3.11 Giới thiệu module đo điện AC giao tiếp UART PZEM - 004T
Module đo điện AC giao tiếp UART PZEM - 004T (Hình 2.18) được sử dụng
để đo và theo dõi các thông số về điện năng AC của mạch điện như điện áp hoạt động, dòng tiêu thụ, công suất và năng lượng tiêu thụ, tần số, hệ số công suất, mạch sử dụng giao tiếp UART dễ dàng kết nối truyền dữ liệu với vi điều khiển hoặc máy tính, thích hợp cho các ứng dụng theo dõi năng lượng, IoT…
Hình 2.18 Module đo điện AC giao tiếp UART PZEM - 004T
Module đo điện AC giao tiếp PZEM - 004T có hỗ trợ chuẩn giao tiếp TTL
Trang 34(UART) để các người dùng có thể sử dụng các vi điều khiển như Arduino, ARM, PIC…giao tiếp để lấy được thông số mà PZEM - 004T đo được
Các thông số kỹ thuật của Module đo điện AC giao tiếp UART PZEM - 004T được thể hiện như trong Bảng 2.11
Bảng 2.11 Bảng thông số kỹ thuật của module đo điện AC giao tiếp
UART PZEM - 004T
STT Module đo điện AC giao tiếp
1 Điện áp đo và hoạt động 80 VAC đến 260 VAC (± 1%)
Module đo điện AC giao tiếp UART PZEM - 004T phục vụ tất cả các yêu cầu
cơ bản của việc đo lường Khi muốn tăng giá trị dòng điện lên tối đa 100 Ampe thì phải thêm một cuộn dây biến dòng điện (CT) có đường kính 33 milimet Nếu không
có cuộn dây biến dòng như Hình 2.19 thì module chỉ có thể đo được dòng vài ampe
Hình 2.19 Ảnh biến dòng của module đo điện AC giao tiếp UART PZEM-004T Một số lưu ý khi sử dụng Module đo điện AC đa năng giao tiếp UART PZEM-004T: Chỉ phù hợp trong nhà, không phù hợp ngoài trời; tải áp dụng không được quá công suất định mức; Hệ thống dây điện không thể sai
2.3.12 Giao tiếp I 𝟐C
Giao tiếp I2C (Inter-Integrated Circuit) (Hình 2.20) là một giao thức giao tiếp được phát triển bởi Philips Semiconductors, dùng để truyền dữ liệu giữa một bộ xử
Trang 35lý trung tâm với nhiều IC trên cùng một board mạch chỉ sử dụng hai đường truyền tín hiệu Do tính đơn giản của nó, loại giao thức này được sử dụng rộng rãi cho giao tiếp giữa vi điều khiển và mảng cảm biến, các thiết bị hiển thị, thiết bị IoT, EEPROMs,…
Hình 2.20 Giao tiếp I2C Giao tiếp I2C sử dụng hai đường truyền dữ liệu:
- SCL - Serial Clock Line: Tạo xung nhịp đồng hồ do Master phát đi
- SDA - Serial Data Line: Đường truyền nhận dữ liệu
Một số đặc điểm quan trọng của giao thức I2C:
- Chỉ cần có hai đường bus (dây) chung để điều khiển bất kỳ thiết bị IC nào trên mạng I2C
- Không cần thỏa thuận trước về tốc độ truyền dữ liệu như trong giao tiếp UART Vì vậy, tốc độ truyền dữ liệu có thể được điều chỉnh bất cứ khi nào cần thiết
- Sử dụng hệ thống địa chỉ 7 bit để xác định một thiết bị/IC cụ thế trên bus I2C
- Các mạng I2C dễ dàng mở rộng Các thiết bị mới có thể được kết nối đơn giản với hai đường bus chung I2C
2.3.13 Module còi chip
Còi Buzzer (Hình 2.21) là sản phẩm còi báo động thường được sử dụng trong các ứng dụng chống trộm, chuông báo Sản phẩm nhỏ gọn, dễ sử dụng,có nhiều tiếng khác nhau và âm lượng lớn
Hình 2.21 Còi Buzzer Các thông số kỹ thuật của Còi Buzzer được thể hiện như trong Bảng 2.12
Bảng 2.12 Bảng thông số kỹ thuật của còi Buzzer
STT Module đo điện AC đa năng Thông số kỹ thuật
3 Tần số cộng hưởng 2.300 Hz (±500 Hz)
Trang 364 Biên độ âm thanh > 80 dB
Hình 2.22 Bàn phím ma trận 4×4
2.3.15 Giới thiệu động cơ servo
Động cơ servo (Hình 2.23) là một loại động cơ máy móc chuyên dùng để cung cấp cơ năng cho một số thiết bị, dây chuyền hay cơ cấu hoạt động trong quy trình sản xuất và chế tạo và được dùng nhiều trong lĩnh vực gia công cơ khí Động cơ Servo
có hai loại là động cơ servo AC, động cơ servo DC [11]
Hình 2.23 Động cơ servo SG90 Các thông số kỹ thuật của Động cơ servo SG90 được thể hiện như trong Bảng 2.13
Bảng 2.13 Bảng thông số kỹ thuật của động cơ servo
Trang 372.3.16.1 Dây bus UL2468 26AWG
Dây bus (Hình 2.24) được sử dụng rất phổ biến trong lĩnh vực điện tử để truyền tín hiệu, được làm thành một bẹ dây dính với nhau thành mảng nên giúp việc đi dây thẫm mĩ và dễ dàng hơn rất nhiều
Hình 2.24 Dây Bus
2.3.16.2 Dây cắm USB
Dây cắm USB (Hình 2.25) là cổng kết nối cáp tiêu chuẩn cho máy tính cá nhân
và những thiết bị điện tử tiêu dùng Cổng USB cho phép các thiết bị có trang bị cổng USB được kết nối với nhau và truyền dữ liệu kỹ thuật số qua cáp USB, thậm chí có thể truyền năng lượng điện cho những thiết bị cần điện để hoạt động
Hình 2.25 Dây cáp USB
2.3.16.4 Nút nhấn 𝟒 chân
Nút nhấn (Hình 2.26) là một loại khí cụ dùng để chuyển đổi, đóng cắt các thiết
bị điện có công suất nhỏ Nút nhấn gồm hệ thống lò xo, hệ thống các tiếp điểm thường
Trang 38hở, thường đóng và vỏ bảo vệ Khi tác động vào nút nhấn, các tiếp điểm chuyển trạng thái, khi không còn tác động, các tiếp điểm trở về trạng thái ban đầu Nút nhấn được
sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử mạch điều khiển, thiết bị điện tử
Hình 2.26 Nút nhấn 4 chân
2.3.16.5 Đèn
Đèn LED (Hình 2.27) có ánh sáng đa dạng, thân thiện với môi trường, ít bị suy giảm quang thông, hiệu suất phát quang lớn, tuổi thọ cao, an toàn với người sử dụng và đặc biệt là có nhiều mẫu mã khác nhau
Trang 39Các thông số kỹ thuật của quạt tản nhiệt 5 VDC được thể hiện như trong Bảng 2.14 Bảng 2.14 Bảng thông số kỹ thuật của quạt tản nhiệt 5 VDC
2.4.1 Giới thiệu phần mềm Visual Studio Code
Visual Studio Code (Hình 2.29) là một trình soạn thảo, biên tập code hoàn toàn miễn phí dành được Microsoft phát triển cho các lập trình viên và có mặt trên hầu hết các hệ điều hành phổ biến như: Windows, Linux và macOS Có thể nói rằng, Visual Studio Code là một sự kết hợp độc đáo – đỉnh cao giữa IDE và Code Editor [6]
Hình 2.29 thể hiện logo của phần mềm Visual Stuidio Code
Hình 2.29 Phần mềm Visual Stuidio Code Một số tính năng của Visual Studio Code:
- Hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình: Visual Studio Code hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình như C/C++, C#, F#, Visual Basic, HTML, CSS, JavaScript,…
- Hỗ trợ đa nền tảng: Visual Studio Code có thể hoạt động tốt trên cả ba nền tảng là Windows, Linux, Mac Systems
- Cung cấp kho tiện ích mở rộng: Trong trường hợp lập trình viên muốn sử dụng một ngôn ngữ lập trình không nằm trong số các ngôn ngữ Visual Studio hỗ trợ thì có thể tải xuống tiện ích mở rộng Điều này vẫn sẽ không làm giảm hiệu năng của phần mềm, bởi vì phần mở rộng hoạt động như một chương trình độc lập
- Kho lưu trữ an toàn: Với Visual Studio Code, người dùng có thể hoàn toàn yên tâm vì nó dễ dàng kết nối với Git hoặc bất kỳ kho lưu trữ hiện có nào
Trang 40- Hỗ trợ web: Visual Studio Code hỗ trợ nhiều ứng dụng web Ngoài ra, Visual Studio Code cũng có một trình soạn thảo và thiết kế website
- Lưu trữ dữ liệu dạng phân cấp: Phần lớn tệp lưu trữ đoạn mã đều được đặt trong các thư mục tương tự nhau Ngoài ra, Visual Studio Code còn cung cấp các thư mục cho một số tệp đặc biệt quan trọng
- Hỗ trợ viết code: Một số đoạn code có thể thay đổi chút ít để thuận tiện cho người dùng Visual Studio Code sẽ đề xuất cho lập trình viên các tùy chọn thay thế nếu có
- Hỗ trợ thiết bị đầu cuối: Visual Studio Code có tích hợp thiết bị đầu cuối, giúp người dùng khỏi phải chuyển đổi giữa hai màn hình hoặc trở về thư mục gốc khi thực hiện các thao tác
- Màn hình đa nhiệm: Người dùng Visual Studio Code có thể mở cùng lúc nhiều tệp tin và thư mục – mặc dù chúng không hề liên quan với nhau
- Intellisense: Visual Studio Code có thể phát hiện nếu bất kỳ đoạn mã nào không đầy đủ Thậm chí, khi lập trình viên quên không khai báo biến, Intellisense sẽ
tự động giúp bổ sung các cú pháp còn thiếu
- Hỗ trợ Git: Visual Studio Code hỗ trợ kéo hoặc sao chép mã trực tiếp từ GitHub Mã này sau đó có thể được thay đổi và lưu lại trên phần mềm
Hình 2.30 thể hiện giao diện màn hình của phần mềm VS Code khi mới khởi động