Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển và giám sát tự động cho ngôi nhà

Xã hội ngày càng rối ren, phức tạp và nhiều vấn nạn trộm cắp, nên việc lắp đặt một hê thống camera quan sát tại các ngôi nhà là rất cần thiết , hệ thống camera quan sát là sự chọn lựa hà

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn thầy giáo ThS Nguyễn Thanh Tùng, thầy đã tần tình giúp đỡ, định hướng cho em trong suốt quá tình tìm hiểu nghiên cứu và thiết kế mô hình cho báo cáo thực tập này

Em cũng xin bày tỏ lòng cảm ơn tới ban giám hiệu và các thầy cô trong khoa Công nghệ điện tử viễn thông – Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Thầy cô đã tận tình dạy dỗ và tạo điều kiện học tập và nghiên cứu trong những năm tháng học tại nhà trường

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, những người bạn luôn ở bên động viên và giúp tôi hoàn thiện tốt khóa luận này

Xin chân thành cảm ơn !

Thái Nguyên, tháng 3/2016

Sinh viên

Bùi Quang Vũ

LỚI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:

Những nội dung trong đồ án này là do tôi tổng hợp và thực hiện Mọi tham khảo trong đồ án này đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên công trình, thời gian địa điểm và công bố

Mọi sao chép không hợp lệ vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Bùi Quang Vũ

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỚI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 2

LỜI NÓI ĐẦU 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 11

1.1 Tổng quan tình hình trong nước và quốc tế 11

1.1.1 Tình hình trên thế giới 11

1.1.2 Tình hình trong nước 13

1.2 Tổng quan về đề tài 13

1.2.1 Yêu cầu đề tài 13

1.2.2 Tính cấp thiết của đề tài 13

1.2.3 Giải pháp thiết kế 14

1.3 Tổng quan về Arduino 14

1.4 Tổng quan về camera giám sát 17

1.4.1 Định nghĩa 17

1.4.2 Lịch sử phát triển của Camera quan sát 18

1.4.3 Phân loại camera giám sát 20

1.4.4 Chất lượng hình ảnh 26

1.4.5 Điều kiện hoạt động .27

1.4.6 Góc quan sát .28

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG 29

HỆ THỐNG GIÁM SÁT AN NINH NGÔI NHÀ 29

2.1 Giới thiệu về Arduino Mega2560 29

2.1.1 Giới thiệu 29

2.1.2 Sơ đồ chân của Arduino mega2560 31

2.1.3 Sơ đồ nguyên lý Arduino Mega2560 36

2.2 Giới thiệu về modul camera RS232 PTC08 37

2.2.1 Giới thiệu 37

2.2.2 Các chỉ số hoạt động .37

2.2.3 Cấu tạo của PTC08 .38

2.2.4 Sơ đồ nguyên lý camera RS232 PTC08 .41

2.2.5 Giao thức truyền thông .41

2.2.6 Quá trình chụp .42

2.2.7 Các lĩnh vực sử dụng .43

2.3 Giới thiệu module cảm biến chuyển động (PIR) HC-SR501 44

2.3.1.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến PIR 44

2.3.2 Tìm hiểu module cảm biến PIR 46

2.3.3 Thiết bị hội tụ tia nhiệt cho module cam biến PIR 50

2.3.4 Nguyên lý hoạt động của cảm biến PIR 51

2.4 Giới thiệu về module sim900A 54

2.4.1 Tổng quan 54

2.4.2 Sơ đồ chân Module Sim 900a .57

2.5 Module MicroSD 61

2.5.1 Giới thiệu 61

2.5.2 Đặc tính kỹ thuật 61

2.6 Module cảm biến khí Gas MQ7 61

2.6.1 Khái niệm 61

2.6.2 Đặc điểm kỹ thuật 62

2.6.3 Thông số kỹ thuật 62

2.7 Module cảm biến lửa 62

2.7.1 Các tính năng chính 62

2.7.2 Ứng dụng 63

2.7.3 Mô tả 63

CHƯƠNG 3 NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH VÀ CÁC PHẦN MỀM PHỤ TRỢ 64

3.1 Ngôn ngữ lập trình 64

3.2 Phần mềm phụ trợ 64

3.3 Phần mềm Arduino IDE 65

3.3.1 Cài đặt chương trình Arduino IDE 65

3.3.2 Cấu trúc lập trình trên Arduino 69

3.3.3 Chương trình điều khiển 3 led đơn theo tín hiệu đèn giao thông 70

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 75

4.1 Mô hình hệ thống 75

4.1.1 Sơ đồ khối hệ thống 75

4.1.2 Sơ đồ nguyên lý .78

4.2 Mô hình triển khai thực nghiệm 89

4.2.1 Hình ảnh sản phẩm thực tế 89

4.2.2 Đánh giá kết quả 90

4.2.3 Phương hướng phát triển 90

KẾT LUẬN 91

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Thiết bị Camera chụp ảnh nhanh nhất thế giới 11

Hình 1.2 Chiếc lens Dark Energy Camera 12

Hình 1.3 Những thành viên khởi xướng Arduino .15

Hình 1.4 Hình ảnh một Arduino .16

Hình 1.5 Một số loại kit Arduino .17

Hình 1.6 Camera quan sát thực tế .18

Hình 1.7 Lịch sử phát triển của camera giám sát 19

Hình 1.8 Camera loại analog .20

Hình 1.9 Camera CMOS 21

Hình 1.10 Camera có dây .22

Hình 1.11 Camera có dây .23

Hình 1.12 Camera IP 23

Hình 1.13 Camera áp trần .24

Hình 1.14 Camera ẩn dạng bút 24

Hình 1.15 IR camera 25

Hình 2.1 Arduino Mega2560 .29

Hình 2.2 Sơ đồ linh kiện của Arduino Mega2560 .30

Hình 2.3 Sơ đồ chân Arduino Mega2560 31

Hình 2.4 Sơ đồ các cổng vào ra của Atmega2560 .33

Hình 2.5 Shield hỗ trợ điều khiển motor .34

Hình 2.6 Shield hỗ trợ kết nối wifi 35

Hình 2.7 Mẫu lá chắn cho Arduino Mega .35

Hình 2.8 Ma trận LED 8traanjhieenr thị ảnh .36

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý Arduino Mega2560 .36

Hình 2.11 Module camera RS232 PTC08 .37

Hình 2.12 Cổng kết nối với PTC08 39

Hình 2.13 Mặt trước của PTC08 39

Hình 2.14 Mặt sau của PTC08 .40

Hình 2.15 Kích thước ống lens .40

Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý PTC08 .41

Hình 2.17 Cảm biến PIR 44

Hình 2.18 Cấu tạo phân tử trong PIR .45

Hình 2.19 Nguyên tắc tạo cảm biến chuyển động .45

Hình 2.20 Nguyên lý vào ra của PIR 46

Hình 2.21 Hỉnh ảnh một loại PIR 46

Hình 2.22 Các thành phần chính của modul PIR 47

Hình 2.23 Các khổi trong cảm biến PIR 48

Hình 2.24 Sơ đồ chân IC BISS0001 48

Hình 2.25 Chức năng các chân IC BISS0001 49

Hình 2.26.Cấu tạo IC BISS0001 .49

Hình 2.27 Sơ đồ tương đương của PIR .50

Hình 2.28 Kính Fnesnel .50

Hình 2.29 Sự hội tụ chủa kính Fresnel .51

Hình 2.30 Khi vật thể chưa vào vùng ảnh hưởng .52

Hình 2.31 Khi vật thể vào vùng ảnh hưởng 1 53

Hình 2.32 Khi vật thể đi vào vùng ảnh hưởng 2 53

Hình 2.33 Khi vật thể ra khỏi vùng ảnh hưởng .54

Hình 2.34 Khi vật thể đã đi xa .54

Hình 2.35 Sơ đồ chân Sim 900 .57

Hình 2.36 Hình ảnh thực tế và thứ tự các chân Module Sim 900A 58

Hình 2.37 Sơ đồ khối nguồn của Sim 900 58

Hình 2.38 Sơ đồ khối Speaker .59

Hình 2.39 Sơ đồ khối microphone .59

Hình 2.40 Sơ đồ khối truyền và nhận dữ liệu .60

Hình 2.41 Mặt sau Module sim 900 .60

Hình 2.42 Sơ đồ khối Sim card .60

Hình 2.43 Module microSD 61

Hình 2.44 Cảm biến khí ga MQ7 62

Hình 2.45 Module cảm biến lửa 63

Hình 3.1 Phần mềm Proteus 65

Hình 3.2 Phần mềm Arduino IDE 65

Hình 3.2 Arduino IDE .66

Hình 3.3 File menu .67

Hình 3 4 Edit menu 67

Hình 3.5 Sketch menu .68

Hình 3.6 Tool menu 68

Hình 3.7 Chọn Board 69

Hình 3.8 Lưu đồ thuật toán một chương trình Arduino .70

Hình 3.9 Dịch và chạy chương trình điều khiển 3 led đơn 72

Hình 3.10 Mạch led giao thông sử dụng Arduino 74

Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống .75

Hình 4.2 Khối điều khiển 75

Hình 4.4 Còi báo .76

Hình 4.5 Module MicroSD 77

Hình 4.6 Mạch ổn áp 5V cung cấp nguồn cho board mạch Arduino 77

Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý 78

Hình 4.8 Lưu đồ thuật toán 88

Hình 4.9 Đi dây cho mạch thành phẩm 89

Hình 4.10 Sảm phẩm hoàn thiện 89

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay khoa học công nghệ ngày càng phát triển, vi điều khiển AVR và

vi điều khiển PIC ngày càng thông dụng và hoàn thiện hơn , nhưng có thể nói sự xuất hiện của Arduino vào năm 2005 bởi giáo sư Massimo Banzi tại trường Interraction Design Instistute Ivrea (IDII) tại Italia đã mở ra một hướng đi mới cho vi điều khiển Được vinh dự đặt theo tên của một vị vua là King Arduin Sự xuất hiện của Arduino đã hỗ trợ cho con người rất nhiều trong lập trình và thiết

kế, nhất là đối với những người bắt đầu tìm tòi về vi điều khiển mà không có quá nhiều kiến thức, hiểu biết sâu sắc về vật lý và điện tử

Xã hội ngày càng rối ren, phức tạp và nhiều vấn nạn trộm cắp, nên việc lắp đặt một hê thống camera quan sát tại các ngôi nhà là rất cần thiết , hệ thống camera quan sát là sự chọn lựa hàng đầu của mỗi cá nhân, gia đình cũng như các doanh nghiệp nhằm đảm bảo an ninh, gia tăng quản lý chất lượng công việc cũng như để tự bảo vệ mình tránh khỏi những rủi ro đáng tiếc

Hệ thống camera quan sát đang là giải pháp phổ biến và được xem như là một công cụ an ninh chủ đạo trong việc phòng chống tội phạm, giám sát dây truyền sản xuất, giám sát nhà xưởng… nơi làm việc Camera hiện nay không còn

là một thiết bị quá đắt đỏ với người dùng cá nhân hoặc doanh nghiệp và camera được xem một trong những phương pháp giám sát thuận lợi nhất Camera đáp ứng nhu cầu đa dạng về một hệ thống camera quan sát có kỹ thuật cao cho một thế giới có tốc độ phát triển nhanh chóng như ngày nay

Trên cơ sở kiến thức đã học trong môn học : Tin học đại cương , Lập trình chuyên dụng, Kỹ thuật lập trình trên thiết bị di động Và với những hiểu biết về các thiết bị điện tử và mong muốn được giúp đỡ phần nào tới việc bảo vệ cho những ngôi nhà của tôi cũng như mọi người Em đã quyết định thực hiện đề tài

thực tập tốt nghiệp với đề tài: “Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển và giám sát tự động cho ngôi nhà” Với đề tài này em muốn đưa công nghệ Arduino tới

gần với con người hơn và việc kết nối với modul cảm biến chuyển động (PIR) cũng như modul Camera sẽ là một giải pháp tối ưu cho việc giám sát ngôi nhà của bạn khi không có ai ở nhà và không có tín hiệu internet Chắc hẳn đây sẽ là

một công cụ hữu ích cho con người Ngoài ra cũng giúp bản thân em tìm hiểu thêm về các thiết bị điện tử và nâng cao hiểu biết cho bản thân

Do kiến thức còn hạn hẹp về kít Arduino, việc nghiên cứu về Camera cũng như PIR cũng là mới mẻ nên trong quá trình làm mạch và lập trình em còn nhiều vướng mắc Thêm vào đó đây là lần đầu thực hiện đề tài thực tập nên chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, hạn chế vì thế em rất mong có được sự góp ý và nhắc nhở từ các thầy, cô giáo và các bạn để có thể hoàn thiện đề tài của mình

Thái Nguyên, tháng 4 năm 2016

Sinh viên

Bùi Quang Vũ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tình hình trong nước và quốc tế

Hệ thống an ninh ngày nay càng trở nên phổ biến hơn trong thị trường hiện nay cũng như có một số lượng gia tăng đáng kể của tội phạm đang diễn ra trên toàn thế giới Với sự giúp đỡ của hệ thống an ninh, bạn có thể ghi lại được những đoạn video hay hình ảnh có thể được sử dụng để phát hiện tội phạm Các bằng chúng hình ảnh không thể phủ nhận giúp giảm tình hình phạm tội và phát hiện ra những tên hạm tội mới Đây là lý do tại sao mà hầu hết mọi người hiện nay đang lựa chợn lắp đặt camera quan sát tại ngôi nhà của họ

Hình 1.1 Thiết bị Camera chụp ảnh nhanh nhất thế giới

- Có tên Dark Energy Camera, đây là chiếc camera hiện đại nhất trên thế giới Được thiết kế tại Fermilab ở Illinois, nó là một phần của dự án nghiên cứu

về nguyên nhân tại sao vũ trụ đang mở rộng ngày càng nhanh hơn Với độ phân giải 570 megapixels, kích thước ảnh của nó lớn hơn hàng chục lần so với camera điện thoại, và có khả năng nhận được ánh sáng cách Trái đất 8 tỉ năm ánh sáng Chỉ riêng chiếc lens đã có giá 1,6 triệu dollar, trên thế giới hiện nay có 5 chiếc lens như vậy Trong 5 năm tới, chiếc camera này sẽ chụp ảnh khoảng hơn 300 triệu thiên hà khác nhau từ đài thiên văn Cerro Tololo Inter-American tại Chile, với hy vọng sẽ giải đáp được những bí ẩn từng làm đau đầu các nhà thiên văn trong nhiều thập kỉ qua

Hình 1.2 Chiếc lens Dark Energy Camera

[1] Massimo Banzi, Getting Started with Arduino, O’Reilly Media, Inc, 2009 [2] "Distance education in Asia and the Pacific: Proceedings Of The Regional Seminar On Distance Education, 26 November 1986", Asian Development Bank, Bangkok, Thailand, Volume 2, 1987

[3] Verman, Romesh Distance Education In Technological Age, Anmol Publications Pvt Ltd., 2005

[4] Michael Margollis and Nicholas Weldin, Arduino Cookbook, O’Reilly Media, Inc, 2011

1.1.2 Tình hình trong nước

Camera quan sát đã xuất hiện trên thị trường Việt Nam khoảng vài năm trở lại đây Giờ đây, nhu cầu lắp đặt camera quan sát không chỉ ở các công ty lớn, các nhà xưởng, tiệm vàng, cửa hàng… mà còn lan rộng và trở lên phổ biến ở những hộ kinh doanh nhỏ lẻ, gia đình Chỉ cần bỏ ra một khoản chi phí chưa đến mười triệu đồng là bạn có thể lắp đặt một hệ thống camera quan sát, đem lại cảm giác an toàn hơn cho ngôi nhà của mình

+ Nghiên cứu về nhà thông minh - SmartHome của BKAV

1.2.1 Yêu cầu đề tài

Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển và giám sát tự động cho ngôi nhà

Hệ thống camera an ninh giám sát ngôi nhà được lắp đặt ở vị trí khéo léo

để tránh tình trạng bị nắng mưa làm ảnh hưởng tới chất lượng hình ảnh và tuổi thọ của sản phẩm Có hai cảm biến chuyển động được đặt ở vị trí ra vào ngôi nhà, khi có người đi qua cảm biến sẽ thu được tín hiệu và truyền cho camera lệnh tới chụp lại người đó Hình ảnh sau đó sẽ được lưu vào thẻ nhớ qua một module riêng biệt Đồng thời còi báo động cũng sẽ được bật lên để báo cho chủ nhà biết Ngoài ra hệ thống còn được trang bị 2 module cảm biến khí gas và cảm biến lử giúp chủ nhà nhận được thông báo qua tin nhắn điện thoại khi ngôi nhà đang có

rò rỉ khí gas hay có hỏa hoạn

1.2.2 Tính cấp thiết của đề tài

Nếu bạn là người sáng tạo, thích làm những đồ handmade (Đồ tự tay làm) thì chắc hẳn bạn biết đến cộng đồng DIY? DIY là từ viết tắt của từ Do It

Yourself, có thể hiểu nôm na là “tự mình làm”, là một thuật ngữ được đưa vào sử dụng từ những năm 1950 ở rất nhiều nền văn hóa trên thế giới DIY thể hiện tuyên ngôn của những người luôn mong muốn sáng tạo mọi thứ cho riêng mình hơn là tốn tiền chi phí cho dịch vụ trợ giúp của các chuyên gia Và những người DIY đam mê về công nghệ, điện tử… thì chắc chắn sẽ biết đến Arduino Phần cứng Arduino bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi

xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit Đặc điểm nổi bật của Arduino làm môi trường phát triển ứng dụng cực kì dễ sử dụng, với ngôn ngữ lập trình có thể học nhanh chóng ngay cả những người ít am hiểu, giá thành hợp lý Trong sự nghiệp xây dựng đất nước công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước ngày nay, xã hội ta ngày một phát triển, cùng với đó là sự hiểu biết về trình độ thì khả năng chuyên môn, tay nghề thực tế là điều không thể thiếu của mỗi người Chính vì thế học tập lý thuyết trên lớp đi đôi với thực hành sẽ đem lại hiệu quả cao cho người học

Trong cuộc sống hiện đại ngày nay việc phải sống chung với người xấu và tội phạm đã trở lên quen thuộc với những quốc gia bất ổn Chính vì vậy tôi chọn

đề tài: “Thiết kế hệ thống an ninh giám sát cho ngôi nhà” làm đề tài thực tập tốt nghiệp Với mong muốn giúp những ngôi nhà thân yêu tránh khỏi sự tinh vi của những tên tội phạm nguy hiểm

1.2.3 Giải pháp thiết kế

Để phục vụ quá trình nghiên cứu và phát triển và yêu cầu đặt ra của đề tài, tôi xin đưa ra một giải pháp công nghệ: Thiết kế hệ thống an ninh giám sát ngôi nhà bằng các module cảm biến chuyển động, module camera RS232 PTC 08, module Micro SD, Còi báo động, module sim900a Phương pháp sẽ tiết kiệm khá nhiều kinh phí cho việc lắp đặt Cũng như để phục vụ học tập và nghiên cứu cho các bạn học sinh, sinh viên trong các đề tài lớn Đây cũng là một đề tài nhỏ để tôi

có thể phát triển thêm cho hệ thống hoàn chỉnh của đồ án tốt nghiệp sau này

1.3 Tổng quan về Arduino

Arduino thực sự đã gây sóng gió trên thị trường người dùng DIY (là những người tự chế ra sản phẩm của mình) trên toàn thế giới trong vài năm gần

đây, gần giống với những gì Apple đã làm được trên thị trường thiết bị di động

Số lượng người dùng cực lớn và đa dạng với trình độ trải rộng từ bậc phổ thông lên đến đại học đã làm cho ngay cả những người tạo ra chúng phải ngạc nhiên về mức độ phổ biến

Hình 1.3 Những thành viên khởi xướng Arduino

Arduino là gì mà có thể khiến ngay cả những sinh viên và nhà nghiên cứu tại các trường đại học danh tiếng như MIT, Stanford, Carnegie Mellon phải sử dụng; hoặc ngay cả Google cũng muốn hỗ trợ khi cho ra đời bộ kit Arduino Mega ADK dùng để phát triển các ứng dụng Android tương tác với cảm biến và các thiết bị khác?

Arduino thật ra là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với một ngôn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với người ít am hiểu về điện tử và lập trình Và điều làm nên hiện tượng Arduino chính là mức giá rất thấp và tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm Chỉ với khoảng $30, người dùng đã có thể sở hữu một board Arduino có 20 ngõ I/O

có thể tương tác và điều khiển chừng ấy thiết bị Sau đây là những thế mạnh của Arduino so với những nền tảng vi điều khiển khác:

Chạy trên đa nền tảng: Việc lập trình Arduino có thể lập trình trên các hệ điều hành khác nhau như window, thiết bị di động

- Ngôn ngữ lập trình đơn giản dễ hiểu

- Nền tảng mở: Arduino được phát triển trên nguồn mở nên phần mềm chạy trên Arduino được chia sẻ một cách dễ dàng

- 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 lập trình hay hệ điều hành đang sử dụng

Hình 1.4 Hình ảnh một Arduino

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 chips atmega và loại mở rộng thêm chức năng cho bo mạch chính Các bo mạch chính về cơ bản giống nhau về chức năng, tuy nhiên về mặt cấu hình như số lượng I/O, dung lượng bộ nhớ, hay kích thước có độ 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 cho tới phức tạp Trong đó có một vài ứng dụng thực sự chứng tỏ khả năng vượt trội của Arduino dù cho 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 tranh 3D, robot dò đường theo hướng có nguồn nhiệt, nhà thông minh hay thông báo cho một khách hàng biết chiếc bánh của họ đã được nướng xong Mặc

dù hầu như không được tiếp thị gì cả, tin tức về Arduino vẫn lan truyền với tốc

độ chóng mặt nhờ những lời truyền miệng tốt đẹp của những người dùng đầu tiên Hiện nay Arduino nổi tiếng tới nỗi có người tìm đến thị trấn Ivrea chỉ để tham quan nơi đã sản sinh ra Arduino

Hình 1.5 Một số loại kit Arduino

1.4 Tổng quan về camera giám sát

1.4.1 Định nghĩa

Camera quan sát hay camera giám sát (Closed-circuit television - CCTV),

là việc sử dụng các máy quay video để truyền tín hiệu đến một nơi cụ thể, trên một số màn hình giới hạn Nó khác với truyền hình phát sóng trong đó các tín hiệu được truyền không công khai, mặc dù nó có thể sử dụng công nghệ P2P hay P2many, hoặc lưới kết nối không dây Mặc dù gần như tất cả các máy quay video phù hợp với định nghĩa này, thuật ngữ này thường được áp dụng cho việc sử dụng để giám sát trong khu vực có thể cần theo dõi như ngân hàng, sòng bạc, sân bay, căn cứ quân sự, và các cửa hàng tiện lợi Videotelephony hiếm khi được gọi

là "CCTV" nhưng việc sử dụng video trong giáo dục từ xa, mà nó là một công cụ quan trọng, thường được gọi như vậy

Hình 1.6 Camera quan sát thực tế

1.4.2 Lịch sử phát triển của Camera quan sát

Trong khoảng hơn 60 năm phát triển của Camera quan sát chúng ta có thể điểm qua các cột mốc đáng chú ý sau:

- Năm 1949 khái niệm về camera giám sát được giới thiệu bởi George Orwell

- Năm 1951 ra đời đoạn băng ghi hình đầu tiên

- Năm 1966 NASA dùng camera quan sát ghi hình lại bề mặt của mặt trăng

- Năm 1969 bằng sáng chế camera dân dụng được trao cho Marie Brown

- Năm 1972 hãng Texas Instrument cho ra đời camera ghi hình không cần sử dụng tới những cuộn phim

- Năm 1973 chip hình ảnh CCD được giới thiệu và phổ biến cho đến ngày nay

- Năm 1980 camera quan sát được áp dụng theo dõi trộm cắp và lừa đảo

- Năm 1986 hãng Kodak giới thiệu chiếc camera megapixel đầu tiên có

- Năm 2001 khi World trade Center bị tấn công, mọi người quan tâm nhiều hơn tới hệ thống camera dành cho gia đình và công việc

- Năm 2003 công nghệ nhận diện khuôn mặt được áp dụng tại trường Royal Palm Middele Shool để quản lý các bé

- Năm 2007 97% giao tiếp từ xa được thực hiện trên internet

Hình 1.7 Lịch sử phát triển của camera giám sát

Internet mở ra một kỉ nguyên mới mà chúng ta có thể thấy được sự hiện diện của camera quan sát ở bất cứ nơi đâu Quá trình phát triển của camera quan sát qua hơn 50 năm với xu thế chuyển dịch dần từ Analog sang Camera IP Dù

cho camera analog vẫn đang thích nghi từng ngày khi tích hợp thêm các công nghệ kết nối qua internet tuy nhiên tương lại vẫn là sự độc chiếm của camera ip

1.4.3 Phân loại camera giám sát

Có 3 cách phân loại Camera:

- Phân loại theo kĩ thuật hình ảnh

- Phân loại theo đường truyền

- Phân loại theo tính năng sử dụng

1.4.3.1.Phân loại theo kĩ thuật hình ảnh

Camera Analog

Ghi hình băng từ xử lý tín hiệu analog, xử lý tín hiệu màu vector màu, loại Camera này hiện nay ít dùng Camera CCD (Charge Couple Device) (100% số): Camera CCD sử dụng kĩ thuật CCD để nhận biết hình ảnh CCD là tập hợp những ô tích điện có thể cảm nhận ánh sáng sau đó chuyển tín hiệu ánh sáng sang tín hiệu số để đưa vào các bộ xử lý Nguyên tắc hoạt động của CCD có thể mô tả dưới đây:

CCD thu nhận những hình ảnh thông qua các hệ thống thấu kính của Camera CCD có hàng ngàn những điểm ảnh sẽ chuyển đổi ánh sáng thành những hạt điện tích và được số hoá Đây là một qúa trình chuyển đổi tương tự số

Các thông số kĩ thuật của Camera CCD là đường chéo màn hình cảm biến (tính bằng inch ) Kích thước màn hình cảm biến càng lớn thì chất lượng càng tốt (màn hình 1/3 inch Sony CCD sẽ có chất lượng tốt hơn 1/4 inch CCD, vì 1/3

> 1/4) Hiện nay chỉ có 2 hãng sản xuất màn hình cảm biến là Sony và Sharp Chất lượng của Sharp kém hơn chất lượng của Sony

Hình 1.8 Camera loại analog

Camera CMOS (complementary metal oxide semiconductor)

CMOS có nghĩa là chất bán dẫn có bổ sung oxit kim loại Các loại Camera

số sử dụng công nghệ CMOS Các Camera số thương mại sử dụng công nghệ CMOS thì chưa đủ khả năng cung cấp trong thời điểm này khi so sánh chất lượng hình ảnh và giá cả so với Camera CCD Các Camera thương mại dùng công nghệ CMOS có giá thành khoảng 500 USD đến 50.000 USD, hiện nay chủ yếu sử dụng cho máy chụp ảnh chuyên nghiệp Các Camera số sử dụng công nghệ CMOS và CCD có ưu điểm rất rõ rệt so với Camera analog về độ rõ nét và chất lượng hình ảnh

Hình 1.9 Camera CMOS

1.4.3.2 Phân loại theo kỹ thuật đường truyền

Theo phân loại này thì camera được chia thành 3 loại: Camera có dây, Camera không dây, IP Camera (Camera mạng)

Camera có dây

Camera có dây có ưu điểm đó là khả năng an toàn cao, tính bảo mật tốt, truyền tín hiệu trên dây cáp đồng trục C5 Đây là giải pháp được đánh giá là an toàn, chúng tôi cũng khuyến khích các bạn nên dùng loại Camera có dây, ngoại trừ những trường hợp đặc biệt khác Chú ý rằng khi truyền với khoảng cách xa trên 200m thì cần có bộ khuếch đại tín hiệu để đảm bảo chất lượng hình ảnh

Hình 1.10 Camera có dây

Camera không dây

Giống như tên gọi, các Camera này đều không có dây Nhưng rất tiếc là cũng không hoàn toàn như vậy Các Camera này vẫn cần thiết phải có dây nguồn Các loại Camera không dây có ưu điểm đó là dễ thi công lắp đặt do không cần đi dây, tuy nhiên Camera có hệ số an toàn không cao Có 1 số vấn đề cần quan tâm đối với thiết bị không dây Đó là tần số bạn sử dụng Camera không dây sử dụng sóng vô tuyến RF để truyền tín hiệu, thông thường tần số dao động từ 1,2 đến 2,4MHZ Camera không dây được sử dụng khi lắp đặt tại các khu vực địa hình phức tạp khó đi dây từ Camera đến các thiết bị quan sát, ví dụ như các ngôi nhà

có nhiều tường chắn

Đối với khoảng cách xa hàng ngàn mét chúng ta cần phải sử dụng những thiết bị đặc biệt, hoạt động ở tần số cao và giá thành khá đắt Việc sử dụng Camera không dây được đánh giá là không an toàn dễ bị bắt sóng hoặc bị ảnh hưởng nhiễu trước các nguồn sóng khác như điện thoại di động,

Hình 1.11 Camera có dây

IP Camera (Camera mạng)

Như đã đề cập ở trên, IP Camera được kết nối trực tiếp vào mạng, tín hiệu hình ảnh và điều khiển được truyền qua mạng.Với Camera IP người dùng có thể điều khiển và giám sát ở bất cứ đâu thông qua mạng internet

Hình 1.12 Camera IP 1.4.3.3 Phân loại theo tính năng sử dụng

Dome Camera (Camera áp trần)

Camera có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau Đây là loại Camera thường được đặt trong nhà, kiểu dáng rất trang nhã Camera này có tính năng bảo mật cao do được bọc trong hộp kín

Hình 1.13 Camera áp trần

Camera ẩn

Giống như tên gọi, Camera này không thể nhận biết được Nó có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau, có thể ngụy trang và tránh bị phát hiện, ví dụ: Ngụy trang trong đầu báo khói, thú nhồi bông, đồng hồ treo tường

Tuy nhiên khi sử dụng loại Camera này bạn cần phải đảm bảo tính hợp pháp khi sử dụng Ở một số nơi như New York việc sử dụng Camera ẩn được coi

là bất hợp pháp Các Camera này có thể hoạt động giống như một thiết bị phát hiện khói Một số các công ty hiện nay cũng đã bắt đầu xây dựng những hệ thống Camera trở thành các thiết bị phát hiện khói

Hình 1.14 Camera ẩn dạng bút

Box Camera (Camera thân dài hình hộp)

Đây là loại Camera truyền thống thường được dùng trong các văn phòng siêu thị Đây là loại Camera giá thành rẻ tuy nhiên thời điểm này ít dùng Camera được bảo vệ trong hộp để bảo vệ trước tác động phá hoại hay điều kiện môi trường

Camera PTZ : Camera quay quét

- Pan: Quét ngang

- Tilt: Quét dọc

- Z: Zoom - Phóng to, thu nhỏ

Pan/Tilt/Zoom hay những họ tương tự được biết đến với cái tên thương mại là PTZ Camera.Camera hỗ trợ khả năng quét dọc, quét ngang, phóng to thu nhỏ Camera này còn cho phép bạn kết nối với hệ thống cảm biến(sensor) và cảnh báo để phát hiện đối tượng di chuyển trong vùng hoạt động của nó Hơn nữa Camera có thể được lập trình để hoạt động, nên nó có thể làm tất cả các công việc cho bạn

IR Camera và Exview (Camera có khả năng quan sát đêm)

Khoảng cách quan sát ban đêm của Camera phụ thuộc vào tổng công suất của đèn hồng ngoại Khoảng cách quan sát của Camera dao động khoảng 10m đến 300m Camera IR có thể quan sát được trong điều kiện tối 100% Camera Exview: Màn hình tự động khuếch đại ánh sáng làm rõ hình ảnh khi ánh sáng kém, tuy nhiên tối 100% sẽ không quay được

Hình 1.15 IR camera

1.4.3.4 Các loại camera khác

Camera Indoor, Outdoor

- Indoor: Camera đặt trong nhà

- Outdoor: Camera đặt ngoài trời

Chú ý rằng, nếu Camera của bạn dự định đặt ngoài trời thì nên chọn Camera Outdoor để đảm bảo chịu đựng được các tác động bên ngoài như độ ẩm, thời tiết, nước, bụi, hay các tác nhân phá hoại khác

IR Camera: Camera hồng ngoại Tia hồng ngoại - Infrared rays

Với Camera hồng ngoại, người ta có thể ghi hình vào ban đêm, điều mà các Camera thông thường không thực hiện được Với những ứng dụng quan sát 24/24, ta cần chọn Camera có chức năng hồng ngoại Trong điều kiện đủ ánh sáng Camera này hoạt động bình thường, chỉ khi đêm tối, đèn hồng ngoại được

tự động bật lên và Camera bắt đầu hoạt động với tính năng hồng ngoại Có một

số khách hàng thắc mắc tại sao Camera khi quay đêm hình ảnh lại chuyển sang đen trắng Thực ra tất cả các Camera hồng ngoại dù có hiện đại đến đâu thì khi quay đêm hình ảnh cũng chỉ là đen trắng

Trong bảng thông số, chúng ta cần quan tâm đến những thông số sau:

- IR LED: Số lượng đèn LED hồng ngoại

- VISIBLE DISTANCE AT : Khoảng cách quan sát

Khi hoạt động ở chế độ hồng ngoại, các đèn LED sẽ tự động bật lên, và đòi hỏi công suất khá lớn, đó là lí do tại sao nguồn cấp cho các Camera hồng ngoại thường là lớn hơn nhiều với các Camera thông thường

1.4.4 Chất lượng hình ảnh

Chất lượng hình ảnh của một Camera phụ thuộc vào nhiều thông số

Image Sensor: Cảm biến hình

Hiện tại, chỉ có 2 hãng sản xuất cảm biến hình trên thế giới là Sony và Sharp Tuy nhiên cũng có sự khác nhau về chất lượng dẫn đến khác nhau về giá

cả Ngoài thị trường, bạn có thể thấy 2 chiếc Camera giống hệt nhau về kiểu dáng, nhưng giá cả khá chênh lệch nhau Xin đừng ngạc nhiên, vì thực chất 2 chiếc Camera đó chỉ khác nhau 1 điểm duy nhất là cảm biến hình của hãng nào Nếu muốn chất lượng hình ảnh tốt, có 1 lời khuyên là nên dùng cảm biến hình của hãng Sony Kích thước màn hình cảm biến càng lớn thì chất lượng càng tốt (màn hình cảm biến 1/3 inch Sony CCD sẽ có chất lượng hình ảnh tốt hơn 1/4 inch CCD)

Resolution: Độ phân giải

Độ phân giải càng lớn thì chất lượng hình ảnh càng nét Thường thì trong các ứng dụng không cần thiết phải quan sát thật rõ nét thì độ phân giải 400 TV Lines là hoàn toàn có thể chấp nhận được

CCD Total Pixels: Số điểm ảnh

Thông số này nói lên chất lượng hình ảnh, số điểm ảnh càng lớn thì chất lượng hình ảnh càng tốt, tuy nhiên, chất lượng hình ảnh càng tốt thì cũng đồng nghĩa với dung lượng ảnh càng lớn và sẽ tốn bộ nhớ lưu trữ cũng như ảnh hưởng

đến tốc độ đường truyền Thông thường với NTSC: 811 (H) x 508(V), với PAL:

795 (H)x596(V)

1.4.5 Điều kiện hoạt động

Minimum Illumination: Cường độ ánh sáng nhỏ nhất

Thường được tính bằng Lux Thông số này nói lên rằng, Camera chỉ có thể hoạt động ở cường độ ánh sáng lớn hơn cường độ ánh sáng nhỏ nhất Trong điều kiện quá tối, nếu không phải là Camera có chức năng hồng ngoại thì sẽ không hoạt động được như camera buổi sáng

- Ánh nắng mặt trời:4000 lux

- Mây:1000lux

- Ánh sáng đèn tuýp 500 lux,

- Bầu trời có mây: 300lux

- Ánh sáng đèn tuýp đỏ 500 lux, trắng (300 lux) trắng sáng 1lux

- Đêm không trăng 0.0001 Lux

Xin chú ý đến loại Camera có chức năng Auto Iris (Tự động hiệu chỉnh ánh sáng) Đặc điểm của Camera loại này là chỉ với 1 nguồn sáng nhỏ, nó có thể

tự động khuếch đại nguồn sáng đó lên để có thể quan sát được

Power Supply: Nguồn cung cấp

Hiện nay đa số các Camera đều dùng loại nguồn 12VDC, chỉ một số ít các Camera dùng nguồn khác Tuy nhiên, bạn không phải lo lắng đến vấn đề nguồn 12VDC, vì phần lớn các Camera đều đi kèm với bộ chuyển đổi nguồn, do đó bạn

có thể sử dụng trực tiếp nguồn 220VAC

Operatinon Temperature: Dải nhiệt độ hoạt động

Phần lớn các Camera đều cho phép hoạt động trong dải nhiệt độ -100C – 500C, nếu Camera của bạn được sử dụng trong những điều kiện khắc nghiệt như trong công nghiệp, khu vực có nhiệt độ cao thì nên sử dụng các loại Camera chuyên dụng

Operational Humidity: Độ ẩm cho phép

Thông thường, độ ẩm cho phép là 85% RH (độ ẩm tương đối)

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG

HỆ THỐNG GIÁM SÁT AN NINH NGÔI NHÀ 2.1 Giới thiệu về Arduino Mega2560

2.1.1 Giới thiệu

Hình 2.1 Arduino Mega2560

Arduino Mega2560 là một vi điều khiển bằng cách sử dụng ATmega2560 Bao gồm:

- 54 chân digital (15 có thể được sử dụng như các chân PWM)

- 16 đầu vào analog

- 4 UARTs (cổng nối tiếp phần cứng)

ra, Arduino Mega2560 cơ bản vẫn giống Arduino Uno R3, chỉ khác số lượng chân và nhiều tính năng mạnh mẽ hơn, nên các bạn vẫn có thể lập trình cho con

vi điều khiển này bằng chương trình lập trình cho Arduino Uno R3

Bảng 2.1 Bảng thông số của Arduino Mega2560

Điện áp đầu vào(giới hạn) 6-20V

Số chân Digital I/O 54 (có 15 chân điều chế độ rộng xung PWM)

Số chân Analog (Input ) 16

DC Current per I/O Pin 40 mA

DC Current for 3.3V Pin 50 mA

Flash Memory 128KB (Atmega2560) với 8KB sử dụng

2.1.2 Sơ đồ chân của Arduino mega2560

Hình 2.3 Sơ đồ chân Arduino Mega2560

Tổng quát về hệ thống chân của Arduino Mega2560 bao gồm:

Các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn ra cho các thiết bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào Việc cấp nguồn sai vị trí

có thể làm hỏng board Điều này không được nhà sản xuất khuyến khích

Cấp nguồn ngoài không qua cổng USB cho Arduino Mega2560 với điện

Cường độ dòng điện qua một chân Digital hoặc Analog bất kì của Arduino

0 vượt quá 40mA sẽ làm hỏng vi điều khiển Do đó nếu không dùng để truyền nhận dữ liệu, bạn phải mắc một điện trở hạn dòng

- Serial : chân 0 (Rx ), chân 1 ( Tx)

- Serial 1: chân 19 (Rx), chân 18 (TX)

- Serial 2: chân 17 (Rx), chân 16 (TX)

- Serial 3: chân 15 (Rx), chân 14 (TX)

Hai chân này dùng để truyền (Tx) và nhận (Rx) dữ liêu nối tiếp TTL Chúng ta có thể sử dụng nó để giao tiếp với cổng COM của một số thiết bị hoặc các linh kiện có chuẩn giao tiếp nối tiếp

Hình 2.4 Sơ đồ các cổng vào ra của Atmega2560

PWM (pulse width modulation): các chân 2-13 và 44 đến 46.trên bo mạch

có dấu “~” là các chân PWM 8bit để điều khiển tốc độ động cơ, độ sáng của đèn…

SPI : 53 (SS), 51 (MOSI), 50 (MISO), 52 (SCK), các chân này hỗ trợ giao tiếp theo chuẩn SPI

TWI: Arduino hỗ trợ giao tiếp theo chuẩn TWI Các chân 20 (SDA) và 21 (SCL) cho phép chúng tao giao tiếp giửa Arduino với các linh kiện có chuẩn giao tiếp là TWI

Reset : Dùng để reset Arduino

Ngoài ra trên board mạch còn có:

Thạch anh 16k : Tạo ra tần số giao động ổn định cho chíp Atmega2560

IC 7805 giúp hạ nguồn vào về chuẩn nguồn 5V cho bo mạch

Shield của Arduino Mega2560

Hiện tại có rất nhiều shield tuyệt vời cho Arduino Mega Thông thường, shield có hỗ trợ điều khiển motor, giúp cho Arduino Mega có thể điều khiển nhiều motor cùng một lúc, được bán nhiều nhất

Hình 2.5 Shield hỗ trợ điều khiển motor

Tuy nhiên, theo mình thấy shield xịn nhất cho Arduino Mega đó là shield có hỗ trợ kết nối wifi giúp bạn có thể chế tạo ra các con robot điều khiển

từ xa

Hình 2.6 Shield hỗ trợ kết nối wifi

Và cuối cùng là các mẫu lá chắn Arduino Mega bình thường giúp kết nối vi xử lý vào mạch điện của bạn, làm cho nó dễ dàng để tạo thử nghiệm dự án của bạn

Hình 2.7 Mẫu lá chắn cho Arduino Mega

Một số dự án sử dụng Arduino Mega

Một số dự án các bạn có thể làm bằng Arduino Mega như: ma trận LED 8x8x8 dùng để hiển thị hình ảnh, máy gắp thú bông, các robot điều khiển từ xa, máy in 3D, cánh tay robot, ….rất nhiều ứng dụng mới

Hình 2.8 Ma trận LED 8traanjhieenr thị ảnh

Tiếp theo là một nền bóng đèn RGB cho TV của bạn (có nghĩa là màu sắc trên truyền hình sẽ được thể hiện bởi RGB lên bức tường phía sau TV của bạn,

nó thực sự mang lại một cảm giác mới lạ)

2.1.3 Sơ đồ nguyên lý Arduino Mega2560

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý Arduino Mega2560

2.2 Giới thiệu về modul camera RS232 PTC08

2.2.1 Giới thiệu

PTC08 là thiết kế của Công ty TNHH thiết kế Công nghệ Quảng Châu truyền thông nghiên cứu và sản xuất Đây là một mô-đun máy ảnh có thể thực hiện chụp ảnh, điều khiển chụp, nén dữ liệu, truyền tải nối tiếp được sử dụng để chụp hình ảnh công nghiệp Nó có một số chip xử lý tín hiệu hiệu suất cao được xây dựng trong đó có thể thực hiện một tỷ lệ cao của nén ảnh gốc đầu ra hình ảnh UCT phẩm sử dụng định dạng JPEG tiêu chuẩn, và có thể dễ dàng tương thích với các phần mềm quản lý xử lý hình ảnh khác nhau Tiêu chuẩn ba dây RS-232 giao diện truyền thông và một giao thức truyền tải hình ảnh đơn giản cho phép máy ảnh có thể dễ dàng thực hiện

Tùy chọn, máy ảnh có thể được trang bị đèn hồng ngoại và các bộ lọc để

nó có thể được sử dụng trong bất kỳ điều kiện ánh sáng Tốc độ mặc định của sản phẩm này là 38400, và tốc độ Baud tùy chọn khác 9600, 19200, 57600,115200

2.2.3 Cấu tạo của PTC08

PTC08 mô-đun máy ảnh nối tiếp được chia thành hai bộ phận của cơ thể module và cáp nối tiếp Giữa hai có thể được sử dụng ở bất kỳ của các cổng 4pin 2.0mm với kết nối tiêu chuẩn, như hình dưới đây:

Hình 2.12 Cổng kết nối với PTC08

Mặt trước của camera

Hình 2.13 Mặt trước của PTC08

Mặt sau của camera

Hình 2.14 Mặt sau của PTC08

Hình 2.15 Kích thước ống lens

Camera PTC08 được trang bị MAX3232 IC, từ DB9 cổng nối tiếp chân số 2,3 là ngõ ra của TX, RX là tín hiệu mức RS232 có thể được trực tiếp xuất ra PC qua chế độ cổng nối tiếp chuẩn

Nói chung, chúng tôi đề nghị rằng bộ điều khiển bên ngoài cũng có thể thêm MAX232IC, vì vậy các kết nối giữa bộ điều khiển và máy ảnh có thể đủ dài, và sẽ không ảnh hưởng đến việc truyền tải dữ liệu Bởi vì, như với mức TTL, nén hình ảnh với máy ảnh từ CPU trong không nhiều hơn một mét

Lưu ý:

(1) Máy ảnh hoạt động 80-100MA hiện, ánh sáng hồng ngoại làm việc một 200-300MA tổng, tiêu thụ điện năng lớn hơn, và bởi vì các máy ảnh làm việc nối tiếp là thụ động, nó được khuyến khích để sử dụng cung cấp năng lượng chuyển đổi điều khiển cho điều khiển máy ảnh nối tiếp

(2) Power-up máy ảnh cho lần đầu tiên thời gian 2.5s bắt đầu gửi và nhận hướng dẫn