Đồ án thết kế đề tài cảm biến phát hiện chuyển động pir thôngminh

Giới thiệu cảm biến PIR Định nghĩa: Cảm biến PIR là một mạch cảm biến điện tử cảm ứng ánh sáng hồng ngoại phát ra từ các vật thể trong trường nhìn của nó.. Về mặt kỹ thuật, PIR là một cả

111Equation Chapter 1 Section 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN - □& □

-ĐỒ ÁN THẾT KẾ

 Đề tài:  Cảm biến phát hiện chuyển động PIR thông

minh

Giảng viên hướng dẫn:

PGS.TS Nguyễn Quốc Cường Sinh viên thực hiện:

Lê Thành Long - 20181602

Hà Nội, năm 2022

MỤC LỤC

CHƯƠNG I TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1 Giới thiệu cảm biến PIR

2 Bài toán đặt ra:

3 Mục tiêu đề tài:

4 Cấu trúc hệ thống:

CHƯƠNG II NHIỆM VỤ ĐƯỢC GIAO

CHƯƠNG III CHI TIẾT CÔNG VIỆC

1 Làm mạch in

2 Thu thập dữ liệu

2.1 Yêu cầu của việc thu thập dữ liệu 10

2.2 Các công cụ 10

2.3 Triển khai 11

2.4 Phương án thu thập dữ liệu 13

CHƯƠNG I TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1. Giới thiệu cảm biến PIR 

Định nghĩa: Cảm biến PIR là một mạch cảm biến điện tử cảm ứng ánh sáng hồng ngoại phát ra từ các vật thể trong trường nhìn của nó

Về mặt kỹ thuật, PIR là một cảm biến nhiệt điện có thể phát hiện các mức bức xạ hồng ngoại kháy nhau PIR có thể phát hiện chuyển động của người, động vật trong phạm vi yêu cầu một cách thụ động,  bởi yêu cầu của thông số kỹ thuật cụ thể

 Nguyên lý cảm biến: Thấu kính Fresnel phía trước cảm biến PIR  giúp mở rộng phạm vi phát hiện trong trường nhìn mong muốn bằng cách tập trung năng lượng hồng ngoại vào các phần tử cảm biến nhỏ trong cảm biến Cảm biến PIR phát hiện tia hồng ngoại bằng cách sử dụng đặc tính mà sự phân cực của vật liệu nhiệt điện thay đổi theo nhiệt độ, chả hạn như từ chuyển động của con người

Khi nguồn phát chuyển động vào vùng phát hiện (vùng có cả 2 kính hội tụ) thì tín hiệu sin nhảy mức cho điện áp ra Sau đó, nguồn chuyển động khỏi vùng phát hiện, mạch trễ vẫn sẽ lưu giữ tín hiệu sau đó mới mất hẳn

Cấu tạo:

Ống kính fresnel đặt trên mặt kính của cảm biến: Có chức năng

mở rộng phạm vi phát hiện bằng cách thu nhiều bức xạ hồng ngoại hơn và tập trung nó vào các phần tử cảm biến Sử dụng thấu kính fresnel, năng lượng hồng ngoại cho vung quan sát được trải rộng trên tất cả các phần tử cảm biến Thấu kính fresnel chia khu vực phát hiện mong muốn thành các phân đoạn Do đó, càng nhiều phân khúc càng tốt và kích thước thấu kính fresnel càng lớn thì càng tốt Cảm  biến được kích hoạt nếu nhiệt được phát hiện trong bất cứ kỳ đoạn nào thay đổi Các phân đoạn có thể ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu suất của cảm biến Do đó, hình dạng và kích thước ống kính xác định góc  phát hiện và khu vực quan sát tổng thể Việc lựa chọn thấu kính fresnel được xác định bởi trường góc xem và phạm vi phát hiện mà ứng dụng yêu cầu

Cấu tạo bên trong của cảm biến:

Bộ lọc thông thấp được tạo ra bởi R1 và C1 trên chân cấp nguồn

là một thành phần quan trọng vì tỷ lệ loại bỏ nguồn điện (PSRR) của cảm biến PIR là kém (nhỏ hơn 10dB) Nguồn cung cấp gợn sóng/ nhiễu sẽ được coi là một tín hiệu bởi các giai đoạn khuếch đại, có thể dẫn đến kích hoạt sai ở đầu ra Do đó, một bộ lọc thông thấp nặng giúp hấp thụ mọi biến động của nguồn điện và tăng PSRR của cảm  biến PIR

Giai đoạn đầu ra của modul PIR điển hình là bộ theo nguồn JFET Dòng điện qua bóng bán dẫn đầu ra JFET của cảm biến PIR  được điều khiển bời một điện trở bên ngoài R2 Điện trở (R2) cũng chuyển đổi dòng điện JFET thành tín hiệu điện áp, tín hiệu này cũng cung cấp phân cực DC cho tầng khuếch đại đầu tiên Đầu ra của PIR 

là điện áp một chiều với tín hiệu xoay chiều nhỏ, tỷ lệ với chuyển

động của nguồn nhiệt Điện áp một chiều thay đổi khi nhiệt “nền” thay đổi, do ánh sáng, độ rung và các yếu tố khác Hầu hết các nhà sản xuất khuyến nghị giá trị dòng xả cho cảm biến PIR từ 10μA đến 100μA Thông thường, giai đoạn đầu ra của cảm biến PIR bị sai lệch  bởi đinẹ trở 47KΩ nối đất Một tụ điện được kết nối song song với điện trở bên ngoài (R2) tạo thành bộ lọc thông thấp để ngăn chặn nhiễu nhiều hơn từ tầng cảm biến đến tâng khuếch đại

2 Bài toán đặt ra:

Các mạch cảm biến PIR thông thường không tối ưu về mặt điện năng, nhận diện sai và chưa có sự linh hoạt với điều kiện môi trường

do sự tác động của nhiễu: các tín hiệu điện tử trong không khí có thể gây cảnh báo giả, ánh sáng, độ rung,… ứng dụng chủ yếu trong điều kiện trong phòng Cần có cải tiến về cấu hình mạch và thuật toán để giảm nguy cơ cảnh báo sai, cung cấp tín hiệu đáng tin cậy cho hệ thống giám sát Thiết kế hướng đến cấu hình mạch, kết hợp với việc thu thập, phân tích dữ liệu, sử dụng thuật toán phân lớp tín hiệu dựa trên Deep Learning để cải thiện hiệu quả hoạt động của cảm biến Từ

đó giảm thiểu các nhiễu tác động không cần thiết và cải thiện được

độ trể làm việc của mạch Dựa trên các cơ sở dữ liệu được đo đặc và tổng hợp, gán nhãn và triển khai thuật toán trên MCU

3 Mục tiêu đề tài:

 Ứng dụng điều khiển ánh sáng thông minh (kiểm soát ánh sáng đèn cầu thang, hành lang, nhà vệ sinh…)

 Thông minh hóa “Ngưỡng tín hiệu” hoặc “Khoảng thời gian t” điều chỉnh được theo môi trường

 Phân biệt được tín hiệu nhiễu và tín hiệu có ích

 Chương trình chạy trên được tài nguyên hạn chế

4 Cấu trúc hệ thống:

Khối Amplifier: có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu từ cảm biến

Khối Filter: có nhiệm vụ lọc nhiễu, tạo dải tần

Khối ML: có nhiệm vụ thực hiện thuật toán học máy



CHƯƠNG II NHIỆM VỤ ĐƯỢC GIAO

 Kết hợp cùng với 2 bạn K64 để tiến hành thiết kế, hoàn thiện mạch

đo cảm biến

 Xây dựng phương án thu thập dữ liệu

 Thu thập dữ liệu cảm biến thực tế

CHƯƠNG III CHI TIẾT CÔNG VIỆC

1 Làm mạch in

1.1.1 Tổng quan

- Khối Power Supply :

 Đầu vào: Điện áp 12VDC được cấp từ Adapter

 Đầu ra: Điện áp 5VDC khi đã đi qua khối mạch lọc nguồn, điện áp ra lúc này ổn định 5VDC, không bị sụt áp

- Khối PIR Sensor :

 Đầu vào: Tín hiệu hồng ngoại

 Đầu ra: Điện áp trong khoảng 0-5mV

- Khối Amplifier :

 Chức năng : Khuếch đại tín hiệu nhận được từ cảm biến PIR 

 Đầu vào : Tín hiệu điện áp ra từ cảm biến PIR 

 Đầu ra : Mức điện áp trong khoảng 0-4V

- Khối Pre-Filter :

 Chức năng : Lọc bỏ các tín hiệu nhiễu cao tần và thấp tần, tránh ảnh hưởng đến tín hiệu đầu ra

 Đầu vào : Tín hiệu ra từ cảm biến PIR 

 Đầu ra : Mức điện áp trong khoảng 0-4V

1.1.2 Nguyên lý

 Nguyên lý cảm biến vật cản hồng ngoại thụ động (PIR) hoạt động là

sử dụng một cặp cảm biến nhiệt điện để phát hiện năng lượng nhiệt từ sóng hồng ngoại trong môi trường xung quanh Hai cảm biến này được thiết kế nằm cạnh nhau và khi có sự chênh lệch về tín hiệu giữa cả hai cảm  biến này (ví dụ: nếu một người vào phòng), cảm biến hồng ngoại sẽ hoạt động Thiết bị sẽ kích hoạt báo động, thông báo cho cơ quan chức năng (có thể là loa báo, đèn báo…) hoặc có thể tự dộng bật tắt đèn, quạt Bức xạ hồng ngoại tập trung vào mỗi trong số hai cảm biến nhiệt điện bằng cách

sử dụng một loạt thấu kính được gọi là thấu kính Fresnel được cấu tạo như

vỏ của cảm biến Những thấu kính này giúp mở rộng vùng cảm nhận của cảm biến có thể thấy hầu hết ở vị mắt cảm biến hồng ngoại

1.1.3 Mạch nguyên lý

1.1.4 Mạch in 3D

1.1.5 Mạch in thực tế

2 Thu thập dữ liệu

2.1 Yêu cầu của việc thu thập dữ liệu

Thu thập dữ liệu là công đoạn rất quan trọng trong bài toàn Machine Learning Việc thu thập dữ liệu trong quá trình hoạt động thực tế từ đó gán nhãn và training để mô hình có thể tự phân loại được dữ liệu cụ thể ở đây

là phát hiện chuyển động hoặc không

Ở đây chúng em chọn tốc độ lấy mẫu dữ liệu là 100Hz, phù hợp với việc bắt được các trending dữ liệu trong thực tế

2.2 Các công cụ

2.2.1 Phần cứng

 Sử dụng vi điều khiển STM32F411 với ADC độ phân giải 12  bit, dải giá trị đầu ra 0-4095

 Vi điều khiển ESP8266 để truyền dữ liệu thông qua UART lên máy tính

 Module NRF24L01 để tiến hành truyền dữ liệu từ điểm đo (PIR-STM32) về vi điều khiển ESP8266 thông qua sóng RF 2.2.2 Phần mềm

 Serial Plot để có thể vẽ đồ thị realtime cũng như lưu trữ dữ liệu nhận được qua UART trên máy tính

2.3 Triển khai

Lý do chúng em quyết định truyền dữ liệu giữa 2 vi điều khiển thông qua sóng RF ở đây là vì thông thường cảm biến được gắn ở vị trí cao (Trần nhà, tường) nên việc kết nối có dây tới để truyền dữ liệu xuống máy tính là rất khó khăn Hơn nữa, việc sử dụng dây nối dài cũng có nguy cơ bị nhiễu với các đường truyền tin nối tiếp như UART Vì thế chúng em quyết định truyền không dây, vẫn đảm bảo yêu cầu về thông tin và tiện lợi trong quá trình thu thập dữ liệu

2.3.1 Mô hình

Dữ liệu từ cảm biến sẽ được đọc từ STM32F411 thông qua ADC với tần số 100Hz, từ đó thông qua Module NRF24L01(giao tiếp SPI) để truyền

dữ liệu tới khối thu

Ở khối thu, Module ESP8266 sẽ nhận dữ liệu từ module NRF24L01 sau đó truyền lên máy tính thông qua UART

2.3.2 Triển khai thực tế

2.4 Phương án thu thập dữ liệu

2.4.1 Danh sách các hành động thu dữ liệu Trong phòng khách(5mx5m)

Các hoạt động phổ biến Các tư thế phổ biếnxảy ra Số lượngngười Khoảng cáchso với cảm

 biến

Hoạt động

mạnh

Đi lại  Nội trợ  Thể dục

- Ra vào phòng, đi lại nghe điện thoại

- Dọn dẹp, lau chùi

- Các bài tập thể dục,

…

1 người hoặc nhiều người

Thay đổi theo  phạm vi hoạt động

Hoạt động

nhỏ, khó

 phân biệt

 Ngồi (đọc sách, ăn uống, xem

TV, nói chuyện, nghe điện thoại, làm việc)

Không đổi, các hoạt động của tay, đầu

Thay đổi thời gian thực hiện 1 số hành động

Cá nhân

 Nằm (đọc sách, xem TV, ngủ,

nghịch điện thoại, …)  Nằm im, thay đổi tưthế Cá nhân

Đứng đứng thời gian dài Nghe điện thoại, Cá nhân Chuỗi các

hoạt động

Đi vào phòng   Ngồi sofa

Xem TV Đi gần các khu

vực gần cảm biến   Nghe

điện thoại Quay lại ngồi động khá rõ rang dễ Nhìn chung hành

nhận biết Cá nhân

Tập thể dục Rời phòng

Quay lại phòng Ngồi ăn  Ngồi học Đi lại quanh  phòng Ngồi Nằm

Trong nhà vệ sinh

Trạng thái Loại hành động Hành động

Đi vào

Hành động lớn Đi nhóm đông người vàoChạy vào Hành động nhỏ

Đi nhún nhảy nhẹ Vừa đi vừa thực hiện hành động nhỏ (Chỉnh tóc,

cặp sách, …) Không có sự thay

đổi về tư thế Đi bình thường vào

Đang trong

 phòng

Hành động lớn Vệ sinh+nhảy nhót, ôm vai bá cổ nhau, trêu đùa+ Rửa tay Hành động nhỏ Vệ sinh + Đi lại nói chuyện + Rửa tay Hoạt động bình

thường Vệ sinh + Rửa tay Đứng yên (Hành

động nhỏ)

Vào để rửa tay Vào chỉnh tóc Vào đứng nói chuyện

Đi ra

Hành động lớn Đi nhóm đông người raChạy ra Hành động nhỏ Đi thực hiện hành động nhỏĐi nhún nhảy nhẹ Không có sự thay

đổi về tư thế Đi bình thường vào

2.4.2 Thiết lập môi trường thu thập

Trong phòng khách

Cảm biến đặt cách 2m và nghiêng góc 60 độ hướng xuống dưới

Trong nhà vệ sinh

Quay video quá trình thu thập để tiện cho việc gán nhãn dữ liệu