NGHIÊN cứu THIẾT kế hệ THỐNG GIÁM sát và điều KHIỂN NHÀ THÔNG MINH QUA MẠNG INTERNET sử DỤNG MODULE ARDUINO ETHERNET w5100

BỘ MÔN MÁY VÀ MA SÁT HỌC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ Đề tài NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH QUA MẠNG INTERNET SỬ DỤNG MODULE ARD

BỘ MÔN MÁY VÀ MA SÁT HỌC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

Đề tài

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH QUA MẠNG INTERNET SỬ DỤNG MODULE ARDUINO

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP

CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU

Giám sát và điều khiển nhà thông minh qua mạng internet

NỘI DUNG THUYẾT MINH

Phần 1: Tổng quan về hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh

Phần 2: Tổng quan các thiết bị sử dụng

Phần 3: Hệ thống điều khiển ngôi nhà thông minh

Phần 4: Thiết kế mô hình thực nghiệm và trang web điều khiển

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

- NỘI DUNG ĐỒ ÁN:

- HÌNH THỨC TRÌNH BÀY: Thuyết minh:

Bản vẽ:

- NHẬN XÉT KHÁC:

- Ý KIẾN ĐÁNH GIÁ:

Ngày tháng năm 201 Giáo viên hướng dẫn (ký tên)

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh 3

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ DUYỆT

- TIẾN TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN:

- NỘI DUNG ĐỒ ÁN:

- HÌNH THỨC TRÌNH BÀY: Thuyết minh:

Bản vẽ:

- NHẬN XÉT KHÁC:

- Ý KIẾN ĐÁNH GIÁ:

Ngày tháng năm 201 Giáo viên duyệt (ký tên)

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh 4

MỤC LỤC

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NHÀ

THÔNG MINH 10

1 Hệ thống điều khiển và giám sát qua mạng internet 10

1.1 Cảm biến 10

1.2 Giám sát và điều khiển qua mạng internet 11

1.3 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống giám sát và điều khiển qua mạng internet 12

1.4 Ứng dụng của hệ thống điều khiển và giám sát qua mạng internet 13

1.4.1 Ứng dụng trong gia đình 13

1.4.2 Ứng dụng trong công nghiệp 13

1.4.3 Ứng dụng trong nông nhiệp và chăn nuôi 14

1.4.4 Ứng dụng trong y tế 15

1.4.5 Ứng dụng trong giao thông 15

1.5 Xu hướng phát triển của điều khiển và giám sát qua mạng internet 16

2 Ngôi nhà thông minh 17

3 Xác định mục tiêu đề tài 18

PHẦN II: TỔNG QUAN THIẾT BỊ SỬ DỤNG 20

1 Giới thiệu chung về Arduino 20

2 Arduino Uno 24

3 Arduino Mega 2560 26

4 Arduino Ethernet W5100 30

5 Khối cảm biến 33

5.1 Cảm biến nhiệt độ LM35 33

5.1.1 Sơ đồ chân: 33

5.1.2 Các thông số chính 33

5.1.3 Cách xác định nhiệt độ từ cảm biến LM35 34

5.1.4 Ứng dụng cảm biến nhiệt trong hệ thống 35

5.2 Module cảm biến hồng ngoại 35

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh 5

5.2.1 Sơ đồ chân 35

5.2.2 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động 36

5.2.3 Ứng dụng của module cảm biến hồng ngoại 36

5.3 Module cảm biến khí gas MQ2 37

5.3.1 Giới thiệu module cảm biến khí gas MQ2 37

5.3.2 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lí hoạt động của module 38

5.3.3 Ứng dụng của module 39

5.4 Cảm biến chuyển động HC-SR510 39

5.5 Khối Relay 41

5.6 Loa cảnh báo 41

PHẦN III: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH 43

1 Hệ thống tự động 43

1.1 Hệ thống tự động báo cháy 43

1.2 Hệ thống báo rò rỉ khí gas 44

1.3 Hệ thống cảnh báo xâm nhập 45

1.4 Hệ thống tự động bật đèn bếp 45

2 Hệ thống giám sát và điều khiển qua mạng internet 46

2.1 Tổng quan về mạng internet, giao thức TCP/IP 46

2.1.1 Mạng internet(Ethernet) 46

2.1.2 Bộ giao thức TCP/IP 47

2.2 Module Arduino Ethernet W5100 trong điều khiển qua mạng internet 51

2.2.1 Giới thiệu chip Ethernet W5100 51

2.2.2 Module Arduino Etthernet W5100 54

2.3 Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển qua internet 57

2.3.1 HTML 58

2.3.2 CSS 59

2.3.3 Thư viện Ethernet cho arduino 60

2.3.4 Kĩ thuật NAT port 62

PHẦN IV: THIẾT KẾ MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM, TRANG WEB ĐIỀU KHIỂN 66

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh 6

1 Ý tưởng ngôi nhà 66

2 Mô hình thực tế 66

3 Giao diện giám sát và điều khiển 68

4 Sơ đồ mạch điên của hệ thống 71

5 Kết quả đạt được 71

PHẦN V: KẾT LUẬN 73

1 Kết quả đạt được của đồ án 73

2 Hướng phát triển của đề tài 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh 7

MỤC LỤC HÌNH VẼ

Hình I-1: Cảm biến siêu âm 11

Hình I-2: Mô hình nhà thông minh 13

Hình I-3: Hệ thống trồng rau sạch tự động 14

Hình I-4: Hệ thống chăn nuôi tự động 15

Hình I-5: Internet of Things(IoT) 16

Hình I-6: Mô hình Smart home Eco-Future-World 18

Hình I-7: Nhà thông minh của BKAV 18

Hình II-1: Board mạch Arduino Uno 20

Hình II-2: Hệ thống xe 2 bánh tự cân bằng 22

Hình II-3: Hệ thống cánh tay robot và xe tự hành 23

Hình II-4: Máy in 3D 23

Hình II-5: Board mạch Arduino Uno 24

Hình II-6: Board mạch Arduino Mega 2560 26

Hình II-7: Sơ đồ chân board Arduino Mega 2560 28

Hình II-8: Board mạch Arduino ethernet W5100 30

Hình II-9: Sơ đồ mạch Arduino Ethernet W5100 31

Hình II-10: Kết nối Arduino Mega 2560 và Arduino Ethernet W5100 32

Hình II-11: Sơ đồ chân cảm biến LM35 33

Hình II-12: Module cảm biến hồng ngoại 35

Hình II-13: Cấu tạo cảm biến hồng ngoại 36

Hình II-14: Module cảm biến khí gas MQ2 37

Hình II-15: Cấu tạo module cảm biến khí gas MQ2 38

Hình II-16: Module cảm biến chuyển động HC-SR510 39

Hình II-17: Sơ đồ chân cảm biến chuyển động HC-SR510 40

Hình II-18: Khối relay 41

Hình II-19: Còi báo động 42

Hình III-1: Sơ đồ hê thống báo cháy 43

Hình III-2: Sơ đồ nối cảm biến khí gas MQ2 44

Hình III-3: Sơ đồ nối dây cảm biến hồng ngoại 45

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh 8

Hình III-4: Sơ đồ nối dây cảm biến chuyển động 46

Hình III-5: Các tầng trong giao thức TCP/IP 48

Hình III-6: Quá trình đóng gói và mở gói dữ liệu trong giao thức TCP/IP 50

Hình III-7: Chip Ethernet W5100.\ 52

Hình III-8: Sơ đồ khối chip W5100 53

Hình III-9: Sơ đồ mạch của board Arduino Ethernet W5100 54

Hình III-10: Sơ đồ chân module Arduino Ethernet W5100 55

Hình III-11: Kết nối chân điều khiển cho board mạch Arduino Ethernet W5100 56

Hình III-12: Sơ đồ khối hệ thống giám sát và điều khiển 57

Hình III-13: Giao diện sử dụng NAT 63

Hình III-14: Giao diện đăng nhập modem GPON 64

Hình III-15: Thiết lập thông số cho port 64

Hình III-16: Kiểm tra và lấy địa chỉ IP cho module 65

Hình III-17: Kết quả sau khi nhập địa chỉ IP 65

Hình IV-1: Động cơ Servo SG90 67

Hình IV-2: Sơ đồ cấp xung cho Servo SG90 67

Hình IV-3: Giao diện giám sát và điều khiển 68

Hình IV-4: Sơ đồ mạch điện của hệ thống 71

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh 9

LỜI NÓI ĐẦU

“Ngôi nhà thông minh” là một cụm từ không còn xa lạ đối với nền công nghệ phát triển hiện nay Lúc đầu, ý tưởng được thực hiện nhờ vào tia hồng ngoại để điều khiển từ xa, nhưng khoảng cách là hạn chế Về sau, nhiều nghiên cứu nhằm cải thiện khoảng cách điều khiển mang lại nhiều thành công và có ý nghĩa thực tiễn như điều khiển thông qua đường dây điện thoại Khi công nghệ wireless phát triển, người ta lại nghĩ đến điều khiển qua mạng không dây, điều khiển từ xa dùng máy tính ra đời Không dừng lại ở đó, khi mà các mạng điện thoại đang cạnh tranh gay gắt, chiếc điện thoại trở nên vật dùng không thể thiếu với mỗi cá nhân, người

ta lại nghĩ về một chiếc điện thoại tích hợp khả năng điều khiển từ xa Đặc biệt, với sự phát triển chóng mặt của SmartPhone và công nghệ 3G hiện nay, việc tích hợp các chức năng này vào SmartPhone đang trở thành một giải pháp tối ưu và mang lại nhiều ưu điểm Đi cùng xu hướng đó, bài viết này giới thiệu một giải phát điều khiển và giám sát ngôi nhà một cách thông minh thông qua internet và có thể

sử dụng điện thoại để giám sát các thiết bị, báo cháy, báo trộm Giải pháp này được đưa ra rất khả khi với cơ chế hoạt động chính xác và mang tính ổn định để tạo bước phát triển một thiết bị nhỏ gọn tham gia một mảng của nhà thông minh giá rẻ

Đề tài là một sản phẩm có tính thực tế cao, được nghiên cứu, chế tạo dựa trên những kiến thức đã học, kế thừa và phát triển những kết quả của các công trình nghiên cứu trước đây

Em xin chân thành cảm ơn:

Giảng viên hướng dẫn: TS Đặng Thái Việt

Giảng viên phản biện:

Cùng tập thể thầy cô trong bộ môn Máy và Ma sát học đã tận tình chỉ bảo

để em hoàn thành đề tài nghiên cứu này

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Sinh viên thực hiện

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh 10

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ

GIÁM SÁT NHÀ THÔNG MINH

1.1 Cảm biến

Cảm biến – sensor: xuất phát từ chữ “ sense” nghĩa là giác quan – do đó nó như các giác quan trong cơ thể con người Nhờ cảm biến mà ma ̣ch điê ̣n, hê ̣ thống điê ̣n có thể thu nhân thông tin từ bên ngoài Từ đó, hê ̣ thống máy móc, điê ̣n tử tự

đô ̣ng mới có thể tự đô ̣ng hiển thi ̣ thông tin về đối tượng hay điều khiển quá trình

đi ̣nh trước có khả năng thay đổi mô ̣t cách uyển chuyển theo môi trường hoa ̣t đô ̣ng

Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và xử

lý được

Các bộ cảm biến đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong lĩnh vực đo lường

và điều khiển Chúng cảm nhận và đáp ứng theo các kích thích thường là các đại lượng không điện, chuyển đổi các đại lượng này thành các đại lượng điện và truyền các thông tin về hệ thống đo lường điều khiển, giúp chúng ta nhận dạng đánh giá và điều khiển mọi biến trạng thái của đối tượng

Hiện nay, con người đã sản xuất được rất nhiều các loại cảm biến khác nhau như: cảm biến ánh sang, cảm biến độ ẩm, cảm biến nhiệt độ, cảm biến bức xạ, cảm biến quang, cảm biến cơ ……

Các cảm biến có ứng dụng rộng rãi, và phạm vi sử dụng lớn, ví dụ như: công nghiệp, khoa học kĩ thuật, giám sát thiết bị, viễn thông, dân dụng, giao thông, vũ trụ, quân sự…

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh 11

Hình I-1: Cảm biến siêu âm

1.2 Giám sát và điều khiển qua mạng internet

Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ kỹ thuật điện tử mà trong đó là kỹ thuật tự động điều khiển đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lí, công nghiệp, cung cấp thông tin Do đó, chúng ta phải biết nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điện tử nói riêng Bên cạnh đó còn là sự thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế nước nhà Như chúng ta cũng đã biết, gần như các thiết

bị trong đời sống của các gia đình ngày nay đều hoạt động độc lập với nhau, mỗi thiết bị có một quy trình sử dụng khác nhau tuỳ thuộc vào sự thiết lập, cài đặt của người sử dụng Chúng chưa có một sự liên kết nào với nhau về mặt dữ liệu Nhưng đối với hệ thống điều khiển thiết bị từ xa thông qua mạng Ethernet thì lại khác Ở đây, các thiết bị điều khiển tự động được kết nối với nhau thành một hệ thống hoàn chỉnh qua một một thiết bị trung tâm và có thể giao tiếp với nhau về mặt dữ liệu Điển hình của một hệ thống điều khiển thiết bị trong nhà từ xa thông qua mạng Ethernet gồm có các thiết bị đơn giản như bóng đèn, quạt máy, lò sưởi đến các thiết bị tinh vi, phức tạp như tivi, máy giặt, hệ thống báo động … Nó hoạt động như một ngôi nhà thông minh Nghĩa là tất cả các thiết bị này có thể giao tiếp với nhau về mặt dữ liệu thông qua một đầu não trung tâm Đầu não trung tâm ở đây có thể là một máy vi tính hoàn chỉnh hoặc có thể là một bộ xử lí đã được lập trình sẵn tất cả các chương trình điều khiển Bình thường, các thiết bị trong ngồi nhà này có thể được điều khiển từ xa thông qua mạng Ethernet của chủ nhà Chẳng hạn như

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh 12

việc tắt quạt, đèn điện … khi người chủ nhà quên chưa tắt trước khi ra khỏi nhà Hay chỉ với một thao tác kích, người chủ nhà có thể bật máy điều hòa để làm mát phòng trước khi về nhà trong một khoảng thời gian nhất định Bên cạnh đó nó cũng gửi thông báo cho người điều khiển biết nhiệt độ trong phòng hiện tại là bao nhiêu, đồng thời phát tín hiệu cảnh báo khi nhiệt độ phòng vượt quá Từ những yêu cầu thực tế, những đòi hỏi ngày càng cao của cuộc sống, cộng với sự hợp tác, phát triển mạnh mẽ của mạng di động nên chúng tôi đã chọn đề tài “Điều khiển và giám sát thiết bị điện thông qua mạng internet" để đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của con người và góp phần vào sự tiến bộ, văn minh, hiện đại của nước nhà.Ứng dụng của giám sát và điều khiển qua mạng internet

Trong những năm gần đây việc ứng dụng internet vào giám sát và điều khiển đang là một xu thế phát triển tại các nước có khoa học kĩ thuật hiện đại Việc giám sát và điều khiển qua internet giúp nâng cao năng suất công việc, giảm thiểu chi phí phát sinh, tăng độ chính xác cho công việc…

1.3 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống giám sát và điều khiển qua mạng internet

Do ngày nay hệ thống internet đang rất phát triển, giúp việc tiếp cận internet ngày càng dễ dàng hơn bao giờ hết Việc phát triển hệ thống giám sát và điều khiển quan internet cho thấy nhiều lợi thế:

- Chỉ cần có kết nối mạng internet là bạn đã có thể truy cập vào hệ thống giám sát và điều khiển nơi mình muốn

- Thông tin giám sát và điều khiển được hiển thị trên màn hình thuận lợi cho việc giám sát va điều khiển hệ thống

- Không mất thời gian di chuyển để thực hiện việc giám sát hay điều khiển hệ thống

- Việc kết nối lên hệ thống internet tạo điều kiện cho việc chia sẻ thông tin mà

hệ thống thu thập được với hệ thống khác

- Khả năng làm việc liên tục, độ chính xác cao, và làm việc thay thế cho con người tại những nơi có điều kiện không phù hợp

- Mang đến sự thoải mái và tiện nghi cho người sử dụng

Bên cạnh những ưu điểm trên thì hệ thống này có một số nhược điểm như:

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh 13

1.4 Ứng dụng của hệ thống điều khiển và giám sát qua mạng internet

1.4.1 Ứng dụng trong gia đình

Ngôi nhà thông minh là ứng dụng nổi bật trong mảng này, căn nhà được trang

bị hệ thống các cảm biến như: cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến khí gas, cảm biến báo cháy, biến vật cản… đồng thời các thiết bị như: bóng đèn, điều hòa, ti vi, tủ lạnh,… cũng đều được kết nối tới mạng internet Người sử dụng chỉ cần có một thiết bị kết nối internet là có thể theo dõi dữ liệu từ các cảm biến và điều khiển các thiết bị trong nhà theo ý muốn của bản thân Nhà thông minh giúp chúng ta giám sát được mức tiêu thụ điện, nước… Hệ thống giám sát an ninh, báo cháy, báo rò rỉ khí gas sẽ tự động báo trạng thái của ngôi nhà qua mạng internet Một ngôi nhà thông minh giúp con người chúng ta đơn giảm hóa quá trình giám sát và điều khiển ngôi nhà

Hình I-2: Mô hình nhà thông minh

1.4.2 Ứng dụng trong công nghiệp

Việc giám sát và điều khiển qua internet có ý nghĩa rất lớn trong công nghiệp

Hệ thống giám sát này giúp chúng ta có thể quan sát được tình trạng làm việc, tình trạng thiết bị sử dụng, điều kiện môi trường làm việc, cảnh báo các điều kiện bất lợi, theo dõi sản xuất sau đó dữ liệu truyền qua mạng LAN tới màn hình theo dõi

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh 14

và điều khiển

1.4.3 Ứng dụng trong nông nhiệp và chăn nuôi

Trong nông nghiệp, hệ thống giám sát và điều khiển trồng rau trong nhà giúp con người dễ dàng quản lí các thông số nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ phát triển, an toàn

vệ sinh…hệ thống có thể tự động điều chỉnh độ ẩm, nhiệt độ theo các tiêu chí đặt

ra, người vận hành có thể thay đổi các thông số đặt vào sao cho phù hợp với từng loại rau khác nhau Việc sử dụng điều khiển và giám sát giúp giảm chi phí nhân công cho quá trình chăm sóc cây trồng

Hình I-3: Hệ thống trồng rau sạch tự động

Trong chăn nuôi công nghiệp, mô hình trang trại thông minh đang mang lại nhiều lợi ích kinh tế rõ rệt, chỉ cần một người quản lí trang trại từ máy tính còn lại các công đoạn khác hoàn toàn tự động Hệ thống kiểm soát tốt nhiệt độ, ánh sáng,

vệ sinh, độ ẩm, duy trì và cân bằng sức khỏe cho đàn gà; thông báo tự động các sự

cố mất điện, thiếu nước hoặc thức ăn

khích lối sống lành mạnh

1.4.5 Ứng dụng trong giao thông

Kiểm soát và xử lý thông tin qua nhiều hệ thống giao thông vận tải Ứng dụng của IOT mở rộng đến tất cả các khía cạnh của hệ thống giao thông, tức là xe, cơ

sở hạ tầng, và người lái xe hoặc sử dụng Năng động, tương tác giữa các thành phần của một hệ thống giao thôngvận tảicho phép truyền thông giữa nội và xe cộ, điều khiển giao thông thông minh, bãi đậu xe thông minh, hệ thống thu phí điện

tử, quản lý đội xe, điều khiển xe,an toànvà hỗ trợ đường bộ Các đối tượng tham gia giao thông được kết nối với mạng internet sẽ chia sẻ những thông tin giao thông với nhau từ đó đưa ra được lộ trình phù hợp cho người tham gia giao thông

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh 16

1.5 Xu hướng phát triển của điều khiển và giám sát qua mạng internet

Hình I-5: Internet of Things(IoT)

Trong những năm gần đây, với sự phát triển không ngừng của internet con người mong muốn mọi thứ đều có thể kết nối với internet và chúng ta có thể giám sát và điều khiển những thứ đó thông qua internet Một thuật ngữ mới được ra đời

là IOT(Internet of Things) IoT là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính IoT đã phát triển

từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó Cụm từ IoT được đưa ra bởi Kevin Ashton vào năm 1999 Ông là một nhà khoa học đã sáng lập ra Trung tâm Auto-ID ở đại học MIT, nơi thiết lập các quy chuẩn toàn cầu cho RFID (một phương thức giao tiếp không dây dùng sóng radio) cũng như một số loại cảm biến khác IoT sau đó cũng được dùng nhiều trong các ấn phẩm đến từ các hãng và nhà phân tích

Nếu nhìn từ thế giới web, chúng ta có thể sử dụng các địa chỉ độc nhất để xác

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh 17

định từng vật, chẳng hạn như địa chỉ IP Mỗi thiết bị sẽ có một IP riêng biệt không nhầm lẫn Sự xuất hiện của IPv6 với không gian địa chỉ cực kì rộng lớn sẽ giúp mọi thứ có thể dễ dàng kết nối vào Internet cũng như kết nối với nhau

Ngày nay, khi đời sống ngày càng được nâng cao, những nhu cầu của con người đòi hỏi những sự tiện nghi và hỗ trợ tốt nhất Cùng với đó là sự mở rộng không ngừng của mạng lưới internet trên khắp các vùng quốc gia và lãnh thổ làm cho việc giám sát và điều khiển hệ thống qua mạng internet trở thành tất yếu Từ những yêu cầu và điều kiện thực tế đó hình thành ý tưởng về ngôi nhà thông minh nơi mà ngoài sự ấm áp của tình yêu và hạnh phúc, mọi hoạt động của con người đều phải được hỗ trợ và giúp đỡ một cách linh hoạt, ngoài ra ngôi nhà còn có thể

tự động quản lí một cách thông minh nhất

Nhà thông minh (tiếng Anh: smart home hoặc Intellihome) là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có tác dụng tự động hoá hoàn toàn hoặc bán tự động, thay thế con người trong thực hiện một hoặc một số thao tác quản lý, điều khiển

Trên phạm vi toàn cầu, nhà thông minh được xem là một lĩnh vực có dư địa phát triển rất lớn Các đại gia công nghệ như Microsoft, Apple, Google, Samsung… tỏ ra sốt sắng với xu hướng này bằng một loạt vụ thâu tóm Google mua lại Nest (hãng sản xuất bộ điều khiển nhiệt độ thông minh và thiết bị báo khói), Samsung ra mắt hệ thống nhà thông minh khép kín trong các thiết bị của hãng, Apple giới thiệu nền tảng phát triển ứng dụng nhà thông minh HomeKit

Tại Việt Nam, cùng với xu hướng tăng trưởng mạnh của thị trường, nhà thông

minh đang dần trở thành một lĩnh vực hấp dẫn mà không “đại gia" công nghệ nào muốn bỏ qua, trong đó có các doanh nghiệp công nghệ Việt Một số công ty lớn như: công ty Cổ phần Lumi Việt Nam, Smart Home của BKAV, nhà thông minh UDIC, nhà thông minh Arkos……

Các chức năng chính trong ngôi nhà thông minh:

- Điều khiển chiếu sáng (on/off, dimmer, scence, timer, logic, )

- Điều khiển mành, rèm, cửa cổng

- HT An ninh, báo động, báo cháy

- ĐK Điều hòa, máy lạnh

- HT Âm thanh đa vùng

- Camera, chuông hình

- Hệ thống bảo vệ nguồn điện

- Hệ thống quản lí sử dụng điện, nước

- Hệ thống bù công suất trong giờ cao điểm

- Kết hợp sử dụng năng lượng mặt trời với sử dụng năng lượng điện hóa thạch

- Điều khiển và giám sát thiết bị từ xa

- Các tiện ích và ứng dụng khác

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh 18

Một số mô hình nhà thông minh trên thế giới và ở Việt Nam:

Hình I-6: Mô hình Smart home Eco-Future-World

Hình I-7: Nhà thông minh của BKAV

Vì nhà thông mình là một đề tài rộng và có nhiều vấn đề đặt ra Tùy theo mục đích sử dụng của chủ nhân để thiết kế ngôi nhà Một phần quan trọng trong hệ thống nhà thông minh là hệ thống điều khiển và giám sát Hiện nay, hệ thống điều khiển, giám sát qua internet và nhà thông minh ở nước ta mới đang bước vào giai

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh 19

đoạn phát triển.Nhưng hết các giải pháp nhà thông minh hiện tại đều được cung cấp bởi các nhà phát triển nước ngoài nhưu Siemens của Đức, Schneider (Pháp),… Mục tiêu của để tài thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển ngôi nhà thông minh:

- Thiết kế mô hình cơ khí ngôi nhà

- Xây dựng hệ thống tự động báo cháy, rỏ rỉ khí gas, báo xâm nhập trái phép vào ngôi nhà

- Hệ thống giám sát ngôi nhà qua mạng internet

- Điều khiển thiết bị qua mạng internet

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh 20

PHẦN II: TỔNG QUAN THIẾT BỊ SỬ DỤNG

Hình II-1: Board mạch Arduino Uno

Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 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

Được giới thiệu vào năm 2005, Những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo ra những nhiết bị có khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành Những ví dụ phổ biến cho những người yêu thích mới bắt đầu bao gồm các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động Đi cùng với nó là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho Aduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++

Arduino cơ bản là một nền tảng tạo mẫu mở về điện tử (open-source electronics

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh 21

prototyping platform) được tạo thành từ phần cứng lẫn phần mềm Về mặt kĩ thuật

có thể coi Arduino là 1 bộ điều khiển logic có thể lập trình được Đơn giản hơn, Arduino là một thiết bị có thể tương tác với ngoại cảnh thông qua các cảm biến và hành vi được lập trình sẵn Với thiết bị này, việc lắp ráp và điều khiển các thiết bị điện tử sẽ dễ dàng hơn bao giờ hết Một điều không hề dễ dàng cho những ai đam

mê công nghệ và điều khiển học nhưng là người ngoại đạo và không có nhiều thời gian để tìm hiểu sâu hơn về về kĩ thuật lập trình và cơ điện tử

Hiện tại có rất nhiều loại vi điều khiển và đa số được lập trình bằng ngôn ngữ C/C++ hoặc Assembly nên rất khó khăn cho những người có ít kiến thức sâu về điện tử và lập trình Nó là trở ngại cho mọi người muốn tạo riêng cho mình một món đồ mang tính công nghệ Do vậy đó là lí do Arduino được phát triển nhằm đơn giản hóa việc thiết kế, lắp ráp linh kiện điện tử cũng như lập trình trên vi xử lí

và mọi người có thể tiếp cận dễ dàng hơn với thiết bị điện tử mà không cần nhiều

về kiến thức điện tử và thời gian Sau đây là nhưng thế mạnh của Arduino so với các nền tảng vi điều khiển khác:

- Chạy trên đa nền tảng: Việc lập trình Arduino có thể thể thực hiện trên các hệ điều hành khác nhau như Windows, Mac Os, Linux trên Desktop, Android trên

di động

- Ngôn ngữ lập trình đơn giản dễ hiểu

- Nền tảng mở: Arduino được phát triển dựa trên nguồn mở nên phần mềm chạy trên Arduino được chia sẻ dễ dàng và tích hợp vào các nền tảng khác nhau

- Mở rộng phần cứng: Arduino được thiết kế và sử dụng theo dạng module nên việc mở rộng phần cứng cũng dễ dàng hơn

- Đơn giản và nhanh: Rất dễ dàng lắp ráp, lập trình và sử dụng thiết bị

- Dễ dàng chia sẻ: Mọi người dễ dàng chia sẻ mã nguồn với nhau mà không lo lắng về ngôn ngữ hay hệ điều hành mình đang sử dụng

Arduino có rất nhiều module, mỗi module được phát triển cho một ứng dụng

Về mặt chức năng, các bo mạch Arduino được chia thành hai loại: loại bo mạch chính có chip Atmega và loại mở rộng thêm chức năng cho bo mạch chính Các

bo mạch chính về cơ bản là giống nhau về chức năng, tuy nhiên về mặt cấu hình như số lượng I/O, dung lượng bộ nhớ, hay kích thước có sự khác nhau Một số bo

có trang bị thêm các tính năng kết nối như Ethernet và Bluetooth Các bo mở rộng chủ yếu mở rộng thêm một số tính năng cho bo mạch chính Ví dụ như tính năng kết nối Ethernet, Wireless, điều khiển động cơ

Arduino được chọn làm bộ não xử lý của rất nhiều thiết bị từ đơn giản đến phức tạp Trong số đó có một vài ứng dụng thực sự chứng tỏ khả năng vượt trội của Arduino do chúng có khả năng thực hiện nhiều nhiệm vụ rất phức tạp Sau đây

là danh sách một số ứng dụng nổi bật của Arduino như trong công nghệ in 3D, robot dò đường theo hướng có nguồn nhiệt, tạo một thiết bị nhấp nháy theo âm thanh và đèn laser hay là một thiết bị báo cho khách hàng biết khi nào bánh mì ra

lò

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh 22

Arduino đã và đang được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới, và ngày càng chứng

tỏ được sức mạnh của chúng thông qua vô số ứng dụng độc đáo của người dùng trong cộng đồng nguồn mở (open-source) Tuy nhiên tại Việt Nam Arduino vẫn còn chưa được biết đến nhiều

Một số ứng dụng của arduino trong thực tế:

Hình II-2: Hệ thống xe 2 bánh tự cân bằng

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh 23

Hình II-3: Hệ thống cánh tay robot và xe tự hành

Hình II-4: Máy in 3D

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh 24

Hình II-5: Board mạch Arduino Uno

Arduino Uno là một bo mạch vi điều khiển dựa trên chip Atmega328 Nó có

14 chân vào ra bằng tín hiệu số, trong đó có 6 chân có thể sử dụng để điều chế đô rộng xung Có 6 chân đầu vào tín hiệu tương tự cho phép chúng ta kết nối với các

bộ cảm biến bên ngoài để thu thập số liệu, sứ dụng một dao động thạch anh tần số dao động 16MHz, có một cổng kết nối bằng chuẩn USB để chúng ta nạp chương trình vào bo mạch và một chân cấp nguồn cho mạch, một ICSP header, một nút reset Nó chứa tất cả mọi thứ cần thiết để hỗ trợ các vi điều khiển, nguồn cung cấp cho Arduino có thể là từ máy tính thông qua cổng USB hoặc là từ bộ nguồn chuyên dụng được biến đổi từ xoay chiều sang một chiều hoặc là nguồn lấy từ pin

Arduino có thể được hỗ trợ thông qua kết nối USB hoặc với một nguồn cung cấp điện bên ngoài Các nguồn năng lượng được lựa chọn tự động Hệ thống vi điều khiển có thể hoạt động bằng một nguồn cung cấp bên ngoài từ 6V đến 20V Tuy nhiên, nếu cung cấp với ít hơn 7V, chân 5V có thể cung cấp ít hơn 5V và hệ thống vi điều khiển có thể không ổn định Nếu cấp nhiều hơn 12V, bộ điều chỉnh điện áp có thể quá nóng và gây nguy hiểm cho bo mạch Phạm vi khuyến nghị là 7V đến 12V

- Chân Vin: Điện áp đầu vào Arduino khi chúng ta dùng nguồn điện bên ngoài (khác với nguồn 5V lấy từ USB hoặc nguồn thông qua jack cắm nguồn riêng) Chúng ta có thể cung cấp nguồn thông qua chân này

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh 25

- Chân 5V: Cung cấp nguồn vi điều khiển và các bộ phận khác trên bo mạch và cung cấp nguồn cho các thiết bị ngoại vi khi kết nối tới bo mạch

- Chân 3,3V: Cung cấp nguồn cho các thiết bị cảm biến

- Chân GND: Chân nối đất

- Chân Aref: Tham chiếu điện áp đầu vào analog

- Chân IOREF: Cung cấp điện áp cho các vi điều khiển hoạt động Một shield được cấu hình đúng có thể đọc điện áp chân IOREF và lựa chọn nguồn thích hợp hoặc kích hoạt bộ chuyển đổi điện áp để là việc ở mức 5V hoặc 3,3V

Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:

- 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh bạn lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ Flash của vi điều khiển Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng cho bootloader

- 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến bạn khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây Bạn khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều

bộ nhớ RAM

- 1KB EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi bạn có thể đọc và ghi dữ liệu của mình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM

Arduino Uno có 14 chân digital (chân 0 – 13) và 6 chân analog (chân A0 – A5)

Các chân digital chúng ta có thể cấu hình để làm chân nhần dữ liệu vào từ các thiết bị ngoại vihoặc làm chân để truyền tín hiêu ra các thiết bị ngoại vi Bằng cách

sử dụng các hàm pinMode(), digitalWrite() và digitalRead() Mỗi chân có thể cung cấp hoặc nhận một dòng điện tối đa 40mA và có một điện trở kéo nội (mặc định không nối) 20 - 50 kOhms Ngoài ra có một số chân có chức năng đặc biệt:

- Chân 0 (Rx): Chân được dùng để nhận dữ liệu nối tiếp

- Chân 1 (Tx): Chân được dùng để truyền dữ liệu nối tiếp

- Chân 2 và 3: Chân ngắt ngoài

- Chân 3, 5, 6, 9, 10 và 11: Chân vào/ra số hoặc để điều chế độ rộng xung (chân

13 được nối với một LED đơn, sáng tắt tương ứng với mức logic của chân này)

- Chân 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK): Chuẩn giao tiếp SPI

- Các chân analog có độ phân giải 10 bit (tương ứng với 1024 mức giá trị khác nhau) ứng với mức từ 0 – 5V Ngoài ra một số chân có các chức năng đặc biệt:

- Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh 26

Hình II-6: Board mạch Arduino Mega 2560

Arduino Mega 2560 là một bo mạch vi điều khiển được xây dựng dựa trên chip Atmega2560 Nó co 54 chân vào/ra số (trong đó có 15 chân có thể sử dụng để điều chế độ rộng xung),có 16 chân đầu vào tín hiệu tương tự, sử dụng một dao động thạch anh tần số dao động 16MHz, có một cổng kết nối USB, chân nguồn, một ICSP header, một nút reset Nó chứa tất cả mọi thứ cần thiết để hỗ trợ các vi điều khiển, nguồn cung cấp cho Arduino có thể là từ máy tính thông qua cổng USB hoặc là từ bộ nguồn chuyên dụng được biến đổi từ xoay chiều sang một chiều hoặc

là nguồn lấy từ pin Arduino Mega tương thích với hầu hết các shield thiết kế cho Arduino Duemilanove hay Diecimila

Arduino Mega 2560 là bản cập nhật từ Arduino Mega

Arduino Mega 2560 khác so với các bo mạch trước đó ở ở chỗ nó không sử dụng hip điều khiển FTDI USB-to-serial Thay vào đó, các tính năng của Atmega16U2 (ATmega8U2 trong phiên bản 1 và phiên bản 2 bảng) được lập trình như một bộ chuyển đổi USB-to-serial)

Phiên bản 2 của bo mạch Mega2560 có 1 điện trở kéo đường 8U2 HWB xuống đất, làm cho nó dễ đặt chế độ DFU hơn

Phiên bản 3 của bo mạch có các đặc tính mới sau:

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh 27

Thêm chân SDA và SCL gần chân AREF và 2 chân mới được đặt gần chân RESET, IOREF cho phép các shield tương thích với điện áp được cung cấp từ bo mạch Trong tương lai, các shield sẽ tương thích với cả hai bo mạch sử dụng AVR

mà hoạt động với nguồn 5V và Arduino Due hoạt động ở mức 3,3V Chân thứ 2 không kết nối dành cho các mục đích sau này

Đặc tình của board Atmega2560

Vi điều khiển ATmega2560

DC hiện tại mỗi I / O Pin 40 mA

DC hiện tại cho 3.3V

- Nguồn ngoài (không phải USB) có thế lấy từ bộ chuyển đổi AC sang DC hoặc

từ pin Bo mạch có thể hoạt động với nguồn ngoài từ 6 – 20V Tuy nhiên, nếu nguồn cấp nhỏ hơn 7V thì chân 5V có thể cấp không đủ 5V và bo mạch có thể chạy không ổn định Nếu cấp lớn hơn 12V, bộ biến áp có thể bị nóng và ảnh hưởng tới mạch Điện áp khuyến nghị là 7 – 12V

- Các chân cấp nguồn:

- VIN: Điện áp vào mạch Arduino khi nó sử dụng nguồn ngoài (khác với nguồn 5V từ kết nối USB hoặc nguồn khác) Ta có thể cấp nguồn qua chân này hoặc cấp thông qua jack cắm nguồn

- 5V: Chân cấp điện áp ra 5V từ bộ điều chỉnh điện áp của bo mạch

- 3V3: Chân cấp điện áp ra 3,3V từ bộ điều chỉnh điện áp

- GND: Chân nối đất

- IOREF: Chân này cấp điện áp tham chiếu cho vi điều khiển hoạt động Một shield được cấu hình đúng có thể đọc điện áp chân IOREF và chọn nguồn điện phù hợp hoặc cho phép biến đổi điện áp để làm việc vơi 5,5V hoặc 3,3V

- PWM: 2 - 13 và 44 - 46 Cung cấp 8-bit PWM đầu ra với hàm analogWrite()

- SPI: 50 (MISO), 51 (MOSI), 52 (SCK), 53 (SS) Những chân này hỗ trợ truyền thông SPI

- LED: 13 Có một LED được nối với chân 13 Khi chân này ở mức cao thì đèn sáng, khi ở mức thấp thì đèn tắt

- TWI: 20 (SDA) và 21 (SCL) Hỗ trợ truyền thông TWI Lưu ý rằng những chân này không cùng số chân TW trênDuemilanove hay Diecimila

- Mega2560 có 16 chân đầu vào analog, mỗi chân có độ phân giải 10 bit (1024 mức khác nhau)

- Có một cặp chân khác trên bo:

- AREF: Tham chiếu điện áp cho đầu vào analog Sử dụng hàm analogReference()

- RESET: Nối đường dây xuống LOW để reset vi xử lý

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh 30

Hình II-8: Board mạch Arduino ethernet W5100

Arduino Ethernet Shield sử dụng chip W5100 cho tốc độ và khả năng kết nối

ổn định nhất, bộ thư viện đi kèm và phần cứng với cách kết nối dễ dàng khiến cho việc kết vối Arduino với Ethernet đơn giản hơn bao giờ hết, thích hợp để làm các ứng dụng điều khiển thiết bị qua Ethernet, Ethernet Controller

Phiên bản shield này có tích hợp khe cắm thẻ micro SD, có thể được sử dụng

để lưu trữ các tập tin phục vụ qua mạng Arduino Ethernet Shield tương thích với Arduino Uno và Mega (sử dụng Ethernet Thư viện) Bạn có thể truy cập vào khe cắm thẻ trên board và sử dụng thư viện SD được bao gồm tích hợp trong bộ thư viện có sẵn trong trình biên dịch arduino

IC điều khiển W5100 trên Arduino Ethernet Shield có thể thực hiện truyền dữ liệu thông qua 2 giao thức là TCP và UDP Số đường truyền dữ liệu song song tối

đa là 4 Đây chính là điểm mạnh của W5100 so với Microchip ENC28J60 Khả năng truyền song song cùng lúc 4 luồng dữ liệu giúp board có khả năng nhận dữ liệu từ internet với tỉ lệ lỗi thấp hơn (nguyên nhân thường là do mất dữ liệu trên đường truyền hoặc do thời gian truyền vượt quá giới hạn - time out)

Thông số kĩ thuật:

- Hoạt động tại điện áp 5V (được cấp từ mạch Arduino)

- Chip Ethernet: W5100 với buffer nội 16KB

- Tốc độ kết nối: 10/100Mb

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh 31

- Kết nối với mạch Arduino qua cổng SPI

- Thư viện và code mẫu có sẵn trong chương trình Arduino

Arduino giao tiếp với cả hai module W5100 và thẻ SD bằng cách sử dụng chuẩn SPI, trên các chân 11, 12, và 13 của bo Arduino Uno R3 và chân 50, 51 và

52 của bo Arduino Mega 2560, chân số 10 được sử dụng để chọn W5100 và chân

số 4 cho SD card Lưu ý rằng bởi vì W5100 và SD card sử dụng chung chuẩn truyền SPI, vì vậy một thiết bị duy nhất có thể được hoạt động tại một thời điểm Nếu bạn đang sử dụng cả hai thiết bị ngoại vi trong chương trình của bạn, điều này cần được xử lý bởi các thư viện tương ứng

Hình II-9: Sơ đồ mạch Arduino Ethernet W5100

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh 32

Cách kết nối Arduino Mega 2560 và Arduino Ethernet W5100

Hình II-10: Kết nối Arduino Mega 2560 và Arduino Ethernet W5100

Arduino Mega

2560

Arduino ethernet W5100

Arduino Mega 2560

Arduino ethernet W5100

Hình II-11: Sơ đồ chân cảm biến LM35

LM35 là một cảm biến nhiệt độ analog

Nhiệt độ được xác định bằng cách đo hiệu điện thế ngõ ra của LM35

Cấu tạo gồm có 3 chân:

- Chân 1: Chân nguồn Vcc

- Chân 2: Đầu ra Vout

- Chân 3: GND

5.1.2 Các thông số chính

Cảm biến LM35là bộ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác cao mà điện áp đầu ra của nó tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius Chúng cũng không yêu cầu cân chỉnh ngoài vì vốn chúng đã được cân chỉnh

Đặc điểm chính của cảm biến LM35

- Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V

- Độ phân giải điện áp đầu ra là 10mV/oC

- Độ chính xác cao ở 25 C là 0.5 C

- Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh 34

- Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ -55 C - 150 C với các mức điện áp ra khác nhau

- Nhiệt độ -55 C điện áp đầu ra -550mV

- Nhiệt độ 25 C điện áp đầu ra 250mV

- Nhiệt độ 150 C điện áp đầu ra 1500mV

- Tùy theo cách mắc của LM35 để ta đo các giải nhiệt độ phù hợp Đối với hệ thống này thì đo từ 0 đến 150

- U là điện áp đầu ra

- t là nhiệt độ môi trường đo độ C

- k là hệ số theo nhiệt độ của LM35 10 /o

mV C Giả sử điện áp Vcc cấp cho LM35 là 5V ADC 10bit

Vậy bước thay đổi của LM35 sẽ là 5 5

Giả sử giá trị đọc ra trên bộ ADC của arduino là A

Sử dụng bộ ADC trên arduino mega với độ phân giải 10bit ta có công thức tính nhiệt độ:

5* *100 1024

A

Trích code đọc giá trị nhiệt độ:

int sensorPin = A0;// chân analog kết nối tới cảm biến LM35

void setup() {

Serial.begin(9600); //Khởi động Serial ở mức baudrate 9600

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh 35

}

void loop() {

//đọc giá trị từ cảm biến LM35

int reading = analogRead(sensorPin);

float voltage = reading * 5.0 / 1024.0;

float temp = voltage * 100.0;

Serial.println(temp);

delay(1000);//đợi 1 giây cho lần đọc tiếp theo

}

5.1.4 Ứng dụng cảm biến nhiệt trong hệ thống

Tín hiệu nhiệt độ thu về từ cảm biến này sẽ được ứng dụng trong việc theo dõi nhiệt độ, tự động bất điều hòa khi giá trị nhiệt độ đo được lớn hơn giá trị đã đặt trước Ngoài ra, tín hiệu từ cảm biến này sẽ được sử dụng để bật còi báo động khi nhiệt độ vượt quá một mức cho phép nào đó Nhiệt độ thu được sẽ liên tục được gửi tới trang webserver để người dùng tiện theo dõi

5.2 Module cảm biến hồng ngoại

5.2.1 Sơ đồ chân

Hình II-12: Module cảm biến hồng ngoại

5.2.2 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động

Hình II-13: Cấu tạo cảm biến hồng ngoại

Tia hồng ngoại là những bức xạ không nhìn thấy được, có bước sóng lớn hơn bước sóng của ánh sáng đỏ (λ > 0,75μm), có bản chất là sóng điện từ

Mắt phát hồng ngoại sẽ phát ra sóng ánh sáng có bước sóng hồng ngoại , ở mắt thu bình thường thì có nội trở rất lớn (khoảng vài trăm kilo ôm ) , khi mắt thu bị tia hồng ngoại chiếu vào thì nội trở của nó giảm xuống ( khoảng vài chục ôm) Lợi dụng nguyên lý này người ta chế tạo ra các cảm biến IR

Chúng ta dùng 1 con oppam như lm358p chẳng hạn để tạo các mức logic 0 và

1 bằng cách so sánh 2 giá trị điện áp của cầu chia điện trở (ở đây ta dùng biến trở)

và điện áp trên anot của mắt nhận hồng ngoại Nếu khi có tia hồng ngoại chiếu vào mắt nhận thì nội trở mắt nhận giảm nên điện áp trên cực anot của mắt nhận sẽ tăng lên , khi điện áp này lớn hơn điện áp của cầu phân áp bằng điện trở thì mức điện

áp ra sẽ là VCC ( mức logic 1) ngược lại là mức logic 0

5.2.3 Ứng dụng của module cảm biến hồng ngoại

Có thể ứng dụng LED phát hồng ngoại trong nhiều mạch khác nhau như: mạch

mô phỏng remote, mạch chống trộm bằng hồng ngoại, mạch đếm, mạch dò đường

Ứng dụng của module này dùng để phát hiện xâm nhập trái phép vào khu nhà tại vị trí lắp đặt Tín hiệu thu được từ cảm biến sẽ bật một còi báo động, đồng thời

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh 37

gửi thông báo xâm nhập trái phép ở khu vực nào lên trên server, giúp cho người dùng có thể biết được vị trí xâm phạm

5.3 Module cảm biến khí gas MQ2

5.3.1 Giới thiệu module cảm biến khí gas MQ2

Hình II-14: Module cảm biến khí gas MQ2

Module cảm biến phát hiện khí gas

Khi môi trường sạch điện áp đầu ra của cảm biến thấp, giá trị điện áp đầu ra càng tăng khi nồng độ khí gây cháy xung quang MQ2 càng cao MQ2 hoạt động rất tốt trong môi trường khí hóa lỏng LPG, H2, và các chất khí gây cháy khác Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng do mạch đơn giản và chi phí thấp

MQ2 hoạt động rất tốt trong môi trường khí hóa lỏng LPG, H2, và các chất khí gây cháy khác Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng do mạch

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh 38

đơn giản và chi phí thấp

5.3.2 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lí hoạt động của module

Hình II-15: Cấu tạo module cảm biến khí gas MQ2

Trong mạch có 2 chân đầu ra là Aout và Dout Trong đó:

- Aout: điện áp ra tương tự Nó chạy từ 0.3 đến 4.5V, phụ thuộc vào nồng độ khí xung quang MQ2

- Dout: điện áp ra số, giá trị 0,1 phụ thuộc vào điện áp tham chiếu và nồng độ khí mà MQ2 đo được

Việc có chân ra số Dout rất tiện cho ta mắc các ứng dụng đơn giản, không cần đến vi điều khiển Khi đó ta chỉ cần chỉnh giá trị biến trở tới giá trị nồng độ ta muốn cảnh báo Khi nồng độ MQ2 đo được thấp hơn mức cho phép thì Dout = 1, đèn led tắt Khi nồng độ khí đo được lớn hơn nồng khí cho phép, Dout =0, đèn led sáng

Ta có thể ghép nối vào mạch Realy để điều khiển bật tắt đèn, còi, hoặc thiết bị cảnh báo khác

Một điều khó khăn khi làm việc với MQ2 là chúng ta khó có thể quy từ điện

áp Aout về giá trị nồng độ ppm Rồi từ đó hiển thị và cảnh báo theo ppm Do giá trị điện áp trả về từng loại khí khác nhau, lại bị ảnh hưởng nhiệt độ, độ ẩm nữa Trong thiết bị của mình, có thể xác định điểm cảnh báo một cách thủ công:

- Đầu tiên đo trạng thái không khí sạch, giá trị thu được Vout1

Cảm biến khí gas có ứng dụng rất lớn trong đời sống:

- Phát hiện rò rỉ khí gas trong nước

- Trong công nghiệp dùng đề phát hiện chất dễ cháy

- Máy phát hiện khí dễ cháy

5.4 Cảm biến chuyển động HC-SR510

Hình II-16: Module cảm biến chuyển động HC-SR510