HỆ THỐNG AN NINH GIA ĐÌNH

Hệ thống sẽ giúp phát hiện các nguy cơ gây cháy từ sự rò rỉ gas, các khí dễ cháy hoặc từ sự thay đổi nhiệt độ thông qua các cảm biến, từ đó sẽ có các hướng xử lý như phát chuông cảnh báo

đồ án hoặc công trình đã có từ trước Nếu vi phạm tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật của Khoa

Ngày 02 tháng 06 năm 2014

Sinh viên thực hiện

Vũ Tất Thành

- Nghiên cứu các đề tài liên quan.

- Đề xuất mô hình tổng quan của hệ

- Viết và tối ưu code

- Kiểm tra và sửa lỗi hệ thống

- Nghiên cứu về các đề tài liên quan

- Tìm hiểu về nội dung lý thuyết

- Thi công mạch

- Sửa code

- Kiểm tra và sửa lỗi hệ thống

2

CMOS: Complementary Metal-Oxide-Semiconductor.

MCU: Multipoint control unit

MPU: MIDI Processing Unit

RAM: Random Access Memory

RF: Radio frequency

ROM: Read-only memory

SMS: Short Messeage Service

CÁC TỪ VIẾT TẮT 3

Mục lục 4

DANH MỤC HÌNH ẢNH 5

LỜI MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG AN NINH GIA ĐÌNH 7

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU MỘT SỐ LINH KIỆN TRONG ĐỀ TÀI 12

CHƯƠNG 3: SƠ ĐỒ MẠCH VÀ TÍNH TOÁN 29

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 44

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

PHỤ LỤC 57

4

Hình 2.1: Sơ đồ chân và hình dạng của PIC16F877

Hình 2.2: Hình dáng của loại LCD thông dụng

Hình 2.3: Sơ đồ chân của LCD

Hình 2.4: Module phát RF 433 MHz

Hình 2.5 Module thu RF433MHz

Hình 2.6: Cảm biến gas MQ-6

Hình 2.7: Sơ đồ phân bố chân của MQ-6

Hình 2.8: Sơ đồ mạch đo các thông số của MQ-6

Hình 2.9: Cảm biến nhiệt LM35

Hình 2.10: Sơ đồ nối mạch LM35 (1)

Hình 2.11: Sơ đồ nối mạch LM35 (2)

Hình 2.12: Cảm biến chuyển động PIR

Hình 2.13: Module sim 900A

Hình 3.1: Sơ đồ mạch của khối khóa điện tử

Hình 3.2: Sơ đồ mạch của khối báo trộm

Hình 3.3: Sơ đồ mạch của khối báo cháy

Hình 3.4: Sơ đồ mạch của khối trung tâm

Hình 3.5: Sơ đồ mạch của khối bật/tắt relay

Hình 3.6: Mạch điều khiển chuông

Hình 3.7: Mạch điều khiển led và relay

Hình 3.8: Mạch kích dẫn opto

Hình 4.1: Lưu đồ thuật toán begin của khóa điện tử

Hình 4.2: Lưu đồ thuật toán hàm bat_canh_bao và doi_mat_khau khối khóa điện tử

Hình 4.3: Lưu đồ thuật toán của khối báo trộm

Hình 4.4: Lưu đồ thuật toán khối báo cháy

Hình 4.5: Lưu đồ thuật toán hàm chính khối xử lý trung tâm

Hình 4.6: Lưu đồ thuật toán hàm thiết lập khối xử lý trung tâm

Hình 4.7: Lưu đồ thuật toán hàm set_relay và doi_sdt của khôi xử lý trung tâmHình 4.8: Lưu đồ thuật toán hàm bao_dong của khối xử lý trung tâm

Hình 4.9: Lưu đồ thuật toán hàm chính khối bật/tắt relay

LỜI MỞ ĐẦU

Trong cuộc sống hiện đại, an ninh cho nhà ở trở thành mối quan tâm hàng đầu vì quanh ta luôn tồn tại những khu vực dễ cháy có thể gây ra hỏa hoạn, nhiều kẻ trộm lợi dụng lúc chúng ta sở hở để ra tay Cho nên việc lắp đặt hệ thống an ninh có vai trò rất quan trọng, giúp ngăn chặn và xử lý kịp thời các đám cháy cũng như cảnh báo, phát hiện trộm

Xuất phát từ nhu cầu trên, nhóm chúng tôi đã chọn đề tài “Hệ thống an ninh gia đình” Hệ thống sẽ giúp phát hiện các nguy cơ gây cháy từ sự rò rỉ gas, các khí dễ cháy hoặc từ sự thay đổi nhiệt độ thông qua các cảm biến, từ đó sẽ có các hướng xử lý như phát chuông cảnh báo hoặc ngắt điện, kích hoạt hệ thống chữa cháy Bên cạnh đó, hệ thống này còn sử dụng cảm biến chuyển động giúp phát hiện sự đột nhập Và khi xảy

ra các nguy cơ trên thì hệ thống sẽ gởi tin nhắn SMS đến người dùng

Để thực hiện nội dung này, đồ án gồm có 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống an ninh gia đình

Chương 2: Giới thiệu sơ lược một số linh kiện sử dụng trong đề tài

Chương 3: Sơ đồ mạch và tính toán

Chương 4: Xây dựng lưu đồ thuật toán

Phương pháp nghiên cứu chúng tôi sử dụng xuyên suốt đề tài là xây dựng các lưu

đồ thuật toán, tính toán thiết kế mạch, viết code và thi công lắp ráp để kiểm chứng tính đúng đắn của phần thiết kế, code và các lưu đồ thuật toán vừa xây dựng

Với sự hướng dẫn tận tình của thầy Lê Xứng cùng những kiến thức đã học từ các thầy cô, học hỏi từ bạn bè và tự tìm tòi trên Internet, nhóm chúng tôi đã hoàn thành hệ thống an ninh cho nhà ở có vi xử lý giao tiếp RF với các module cảm biến cùng 3 chế

độ cảnh báo được nhập từ bán phím, tự động ngắt điện và kích hoạt hệ thống chữa cháy khi có cảnh báo nguy hiểm, đồng thời gửi tin nhắn SMS thông báo đến người dùng

6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG AN NINH GIA ĐÌNH

Trong những năm gần đây, tình hình cháy trên địa bàn toàn quốc có những diễn biến phức tạp Tuy số vụ cháy có chiều hướng giảm nhưng vẫn xảy ra những vụ cháy lớn gây hậu quả nghiêm trọng Đặc biệt vào mùa khô và các đợt lễ, tết Nguyên nhân chủ yếu là do bất cẩn trong sinh hoạt và việc sử dụng điện của người dân

Thêm vào đó, trộm cắp cũng đang là vấn đề nhức nhối gây mất trật tự an ninh xã hội, đe dọa đến tính mạng và tài sản của người dân Từ đầu năm đến nay, thành phố Đà Nẵng liên tiếp xảy ra nhiều vụ trộm đột nhập vào nhà dân lấy tài sản, số vụ án được phá chỉ gần 30%

Tóm lại, việc lắp đặt hệ thống an ninh gia đình có chức năng báo cháy và cảnh báo đột nhập là nhu cầu chính đáng và cần thiết, giúp người dùng an tâm hơn và phòng tránh được các rủi ro đáng tiếc

1.2 Nội dung đề tài:

Người dùng tương tác với khối này thông qua màn hình LCD và hệ thống nút bấm để cài đặt các chức năng cảnh báo và thay đổi mật khẩu.

1.3.2 Khối Báo trộm:

Bao gồm:

• Vi xử lý pic 16f877a

• Cảm biến hiện diện

• Cảm biến phát hiện đóng/mở cửa

• Bộ thu phát RF 433MHz

Hoạt động:

• Nhận tín hiệu hoạt động từ module Khóa điện tử thông qua bộ thu RF433Mhz

• Khi phát hiện trộm hoặc cửa bị cạy bằng các cảm biến hiện diện và cảm biến phát hiện đóng/mở cửa Khối này gửi tín hiệu cảnh báo đến module Xử lý trung tâm thông qua bộ phát RF433MHz

1.3.3 Khối Báo cháy:

• Người dùng tương tác với khối này thông qua màn hình LCD và hệ thống nút bấm để cài đặt các chức năng đóng ngắt của khối relay và thay đổi số điện thoại nhận SMS khi xảy ra sự cố.

• Khối này nhận tín hiện cảnh báo từ các module cảnh báo cháy, báo trộm thông qua module thu RF 433MHz và thực hiện trình tự theo cài đặt ban đầu

Khi phát hiện có nguy cơ cháy: Trong 30 giây đầu, khối báo cháy bật chuông cảnh báo Nếu sau 30s các nguy cơ xảy ra cháy không biến mất, khối này sẽ gửi tín hiệu cảnh báo đến khối xử lý trung tâm Tại khối xử lý trung tâm, hệ thống gửi tin nhắn SMS đến người sử dụng đồng thời cắt nguồn điện và bật bơm chữa cháy theo trình tự cài đặt ban đầu của người sử dụng.

• Tắt chức năng cảnh báo:

Chỉ có chức năng báo cháy được kích hoạt Khi phát hiện có nguy cơ cháy: tương

tự chế độ 1 nhưng không thực hiện chức năng gởi tin nhắn SMS cho người sử dụng

1.5 Kết luận chương:

Nội dung chính của chương này là giới thiệu mô hình của hệ thống dưới dạng sơ

đồ khối, chỉ ra các linh kiện và chức năng của từng khối và của cả hệ thống, từ đó ta có thể xác định được các loại linh kiện cần được sử dụng trong đề tài để có thể thực hiện mạch mô phỏng cho kết quả gần sát với thực tế

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU MỘT SỐ LINH KIỆN TRONG ĐỀ TÀI

2.1 Giới thiệu chương:

Nội dung của chương 2 là giới thiệu loại vi xử lý, các loại module cảm biến về khí gas, nhiệt độ, chuyển động, module thu/phát RF, loại LCD được sử dụng trong đề tài

2.2 PIC16F877:

PIC16F877A là dòng PIC phổ biến nhất hiện nay (đủ mạnh về tính năng, có 40 chân, bộ nhớ đủ cho hầu hết các ứng dụng thông thường)

12

Hình 2.1: Sơ đồ chân và hình dạng của PIC16F877

Cấu trúc tổng quát của PIC 16F877A như sau:

• 8 KB Flash ROM

• 368 Bytes RAM

• 256 Bytes EEPROM

• 5 ports (A, B, C, D, E) vào ra với tín hiệu điều khiển độc lập

• 2 bộ định thời 8 bits (Timer 0 và Timer 2)

• Một bộ định thời 16 bits (Timer 1) có thể hoạt động trong chế độ tiết kiệm năng lượng (SLEEP MODE) với nguồn xung Clock ngoài

• 2 bộ CCP (Capture / Compare/ PWM)

• 1 bộ biến đổi AD 10 bits, 8 ngõ vào

• 2 bộ so sánh tương tự (Compartor)

• Watch Dog Timer

• Một cổng song song 8 bits với các tín hiệu điều khiển

• Một cổng nối tiếp

• 15 nguồn ngắt

• Có chế độ tiết kiệm năng lượng

• Nạp chương trình bằng cổng nối tiếp ICSP

• Được chế tạo bằng công nghệ CMOS

Có rất nhiều loại LCD với nhiều hình dáng và kích thước khác nhau, trên hình 2.7

là loại LCD thông dụng

14

Hình 2.2: Hình dáng của loại LCD thông dụng

Khi sản xuất LCD, nhà sản xuất đã tích hợp bên trong lớp vỏ và chỉ đưa các chân giao tiếp cần thiết Các chân này được đánh số thứ tự và đặt tên như hình 2.8

Hình 2.3: Sơ đồ chân của LCD

Chức năng các chân:

16

17

- Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với VCC = 5V của mạch điều khiển

3 VEE - Điều chỉnh độ tương phản của LCD

“đọc” – read)

- Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi

dữ liệu DR bên trong LCD

- Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write) Nối chân R/W với logic “0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD ở chế độ đọc

- Chân cho phép (Enable) Các tín hiệu được đặt lên bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân E

- Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào (chấp nhận) thanh ghi bên trong nó khi phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệu chân E

- Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp

7 – 14 DB0 – DB7

- Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này :

- Chế độ 8 bit: Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7

- Chế độ 4 bit: Dữ liệu được truyền trên 4 đường

Ghi chú: Ở chế độ “đọc”, MPU sẽ đọc thông tin từ LCD thông qua các chân DBx Còn khi ở chế độ “ghi”, MPU sẽ xuất thông tin điều khiển cho LCD thông qua các chân DBx

18

• Công suất đầu ra: 16dBm (40mW)

• Tốc độ truyền: <10Kbps

• Điều chế: Ook (AM)

• Nhiệt độ làm việc: -10 ℃ ~ 70 ℃

• Kích thước: 19x19x8mm (LWH)

trong đó 4 chân được dùng để nhận tín hiệu, 2 chân còn lại được dùng để tạo dòng cấp nhiệt.

Giá trị trở kháng của MQ-6 khác so với các loại còn lại Khi dùng linh kiện này, việc điều chỉnh độ nhạy là rất cần thiết Để được kết quả tốt nhất, hiệu chỉnh việc phát hiện khí gây cháy về 1000ppm trong không khí và sử dụng giá trị trở kháng tải vào khoảng 20KΩ (trong khoảng 10KΩ đến 47KΩ) Khi đo đạc một cách chính xác, mức gây báo động thích hợp đối với việc phát hiện khí gas nên được xác định sau khi đã xem xét các ảnh hưởng về nhiệt độ và độ ẩm

22

2.6 Cảm biến nhiệt LM35:

Hình 2.9: Cảm biến nhiệt LM35

Là vi mạch cảm biến nhiệt, điện áp đầu ra tỷ lệ với nhiệt độ

• Để đo dải nhiệt từ 0°C đến 150°C ta nối mạch như sau:

Hình 2.10: Sơ đồ nối mạch LM35 (1)

VOUT = 0mV + 10mV/°C

Tại 0°C áp đầu ra VOUT = 0mV

Tại 25°C, áp đầu ra VOUT = 250mV

• Để đo miền nhiệt từ -55°C đến 150°C, nối mạch như sau:

2.7 Module cảm biến chuyển động PIR:

Hình 2.12 : Cảm biến chuyển động PIR

Là một một module cảm biến chuyển động pyroelectricity (pyroelectric sensor

module), được phát triển để phát hiện cơ thể người, bao gồm cảm biến PIR kết hợp với ống kính Fresnel được gắn trên một bo mạch kích thước nhỏ gọn cùng với một IC Analog và các linh kiện khác để tạo thành một Module hoàn chỉnh Đầu ra khi phát hiện vật thể chuyển động ở mức logic cao và độ rộng xung có thể thay đổi được

Các tính năng và thông số kỹ thuật

• Kích thước nhỏ gọn: 28 x 28 mm

• Đầu ra header 3-pin, 2.54mm bao gồm VCC, Output, GND)

• Nguồn cung cấp: 5V-20V DC (Có thể thiết kế từ 3V-24V)

• Điện áp đầu ra: mức tín hiệu High/Low 3.3V

2.8 Module sim 900:

Hình 2.13: Module sim 900A

26

 Điện áp hoạt động:

• Nguồn xung sử dụng IC LM2596 cho dòng tải 3A, tần số đáp ứng 150Khz

• Điện áp ngõ vào: 7-12V DC

• Điện áp ngõ ra : 4.5V, 4V, 3.3V

• Điện áp ngõ ra được lựa chọn thông qua một “jumper select “ trên mạch

 Giao tiếp máy tính:

• Cổng USB 2.0 kiểu B cho phép SIM908 giao tiếp máy tính

• Nút nhấn chọn cổng GSM hoặc GPS giao tiếp với máy tính

• Sử dụng IC FT232RL chuyển đổi USB TO UART

• Tích hợp kết nối anten ngoài cho GSM, GPS

• Tích hợp đế SIM Card trên mạch

• Tích hợp Transistor kích nguồn và led Netlight

• Nút nhấn ON/OFF: dùng để bật/tắt nguồn cung cấp cho SIM908

• Led PWR: led hiển thị nguồn

• Led NET: led hiển thị sóng của SIM908

• Led TX, RX: hiển thị dữ liệu truyền nhận khi giao tiếp qua cổng USB

• Cổng kết nối ngoài 16 chân: ON/OFF, SPK1N, SPK1P, MIC1N, MIC1P, VCHG, TEMP-BAT, SDA, SCL, PWM3, PWM2, PWM1, ADC, VRTC, STATUS, LED

• Cổng kết nối ngoài 8 chân giao tiếp RS232 cổng GSM: DTR, DCD, RI, CTS, RTS, TX, RX, GND

• Cổng kết nối ngoài 3 chân giao tiếp UART cổng GPS: RX-GPS, TX-GPS, GND

• Kích thước : 80x50 mm

2.9 Kết luận chương:

Nội dung của chương này là giới thiệu sơ lược các đặc điểm về hình dáng và các thông số hoạt động của các linh kiện sử dụng trong đề tài Từ những thông số và đặc điểm trên, ta sẽ thực hiện tính toán để kết hợp các linh kiện với nhau nhằm tạo ra mạch hoàn chỉnh có thể thực hiện chức năng theo yêu cầu của đề tài

28

CHƯƠNG 3: SƠ ĐỒ MẠCH VÀ TÍNH TOÁN

3.1 Giới thiệu chương:

Chương này gồm có các sơ đồ mạch của từng khối và phần tính toán cụ thể về thông số của các linh kiện được sử dụng

3.2 Sơ đồ mạch:

3.2.1 Khối khóa điện tử:

• Sử dụng Vi điều khiển Pic16f877a

Hình 3.1: Sơ đồ mạch của khối khóa điện tử

3.2.2 Khối báo trộm:

30

• Sử dụng Vi điều khiển Pic16f877a.

• Sử dụng chân A4 để lấy tín hiệu từ module PIR

• Sử dụng chân D2 để điều khiển bật/tắt chuông báo động

• Sử dụng lần lượt chân D0 và chân D1 của VDK để nhận và gửi tín hiệu từ module thu/phát RF

Hình 3.2: Sơ đồ mạch của khối báo trộm

32

3.2.3 Khối báo cháy:

• Sử dụng Vi điều khiển Pic16f877a

• LCD làm việc ở chế độ 4 bit, được kết nối với VDK như hình vẽ

• Ngõ ra cảm biến gas được kết nối với chân có chức năng ADC-A1

• Ngõ ra cảm biến nhiệt được kết nối với chân A0

• Sử dụng chân D2 của VDK điều khiển đóng mở BJT tắt/dẫn bão hòa để bật/tắt chuông cảnh báo

• Sử dụng lần lượt chân D0 và chân D1 của VDK để nhận và gửi tín hiệu từ module thu/phát RF

Hình 3.3: Sơ đồ mạch của khối báo cháy

34

3.2.4 Khối xử lý trung tâm:

• Sử dụng Vi điều khiển Pic16f877a

• LCD làm việc ở chế độ 4 bit, được kết nối với VDK như hình vẽ

• Sử dụng 5 port: A0, A1, A2, A3, A4 làm nút điều khiển, khi chưa nhấn các chân này được trở kéo lên điện án ở mức ‘1’ Khi được nhấn, điện áp ở mức ‘0’

• Sử dụng chân C3 của VDK điều khiển BJT đóng/dẫn bão hòa để bật tắt chuông

• Sử dụng lần lượt chân D0 và chân D1 của VDK để nhận và gửi tín hiệu từ module thu/phát RF

Hình 3.4: Sơ đồ mạch của khối trung tâm

36

3.2.5 Khối Relay:

• Sử dụng Vi điều khiển Pic16f877a

• Ngõ ra module PIR được đưa vào chân 1 của opto P817 Khi áp ra của PIR ở mức cao (3,3V) kích dẫn opto dẫn, đưa điện áp vào chân A4 của VDK lên mức cao

• Sử dụng các chân B2, B3, B4 của VDK để điều khiển bật/tắt RELAY

• Sử dụng chân D1 của VDK để nhận tín hiệu từ module thu RF

Hình 3.5: Sơ đồ mạch của khối bật/tắt relay

38

3.3 Tính toán:

3.3.1 Mạch điều khiển chuông

Hình 3.6: Mạch điều khiển chuông

Theo datasheet của nhà sản xuất chuông sử dụng dòng 25mA

Chọn Ics = -25mA

Công suất tiêu tán: Ptt = Ics * Vces = -25mA * -0.2V = 5mW

Chọn BJT Q1 thỏa yêu cầu: Vceo < -2Vcc = -10V

Hình 3.7: Mạch điều khiển led và relay

Theo Datasheet nhà sản xuất, trở kháng cuộn dây của Relay = 100 Ω

Ta có: Irelay = (Vcc – Vecbh)/Rrelay

= (Vcc + Vcebh)/Rrelay

= (5V – 0,2V)/100Ω

= 48mA

Chọn dòng qua LED là 10mA

Ta có: R= (Vcc-Vecbh-Vled)/Iled

= (5V-0,2V-2V)/10mA

= 280 Ω

Chọn R là trở 470 Ω

Dòng bão hòa qua BJT:

Ics =Iled + Irelay