THIếT kế và xây DựNG hệ THốNG AN NINH CHO mô HìNH NHÀ THÔNG MINH (có code)

THIếT kế và xây DựNG hệ THốNG AN NINH CHO mô HìNH NHÀ THÔNG MINH (có code) THIếT kế và xây DựNG hệ THốNG AN NINH CHO mô HìNH NHÀ THÔNG MINH (có code) THIếT kế và xây DựNG hệ THốNG AN NINH CHO mô HìNH NHÀ THÔNG MINH (có code) THIếT kế và xây DựNG hệ THốNG AN NINH CHO mô HìNH NHÀ THÔNG MINH (có code)

THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG

AN NINH CHO MÔ HÌNH NHÀ THÔNG

MINH

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU X DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT XI

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH 1

1.1 GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH 1

1.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

1.3 MỤC ĐÍCH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1

1.3.1 Mục đích nghiên cứu 1

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu 1

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT 3

2.1 TCP/IP 3

2.2 UART 4

2.3 SPI 5

2.4 ONE WIRE 6

2.5 RFID 7

CHƯƠNG 3 PHẦN CỨNG 9

3.1 ESP8266 9

3.2 ARDUINO MEGA 2560 11

3.3 SIM800A 12

3.4 LM2596ADJ 14

3.5 SERVO 9G 15

3.6 MODULE CẢM BIẾN KHÍ GAS MQ2 16

3.7 DHT11 17

3.8 RC522 18

3.9 CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI 19

CHƯƠNG 4 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 20

5.1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 21

5.2 SƠ ĐỒ LAYOUT 22

5.3 HÌNH ẢNH SẢN PHẨM 23

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN 26

6.1 KẾT LUẬN 26

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 26

TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

PHỤ LỤC A 28

HÌNH 2-2: KHUNG TRUYỀN UART [11] 4

HÌNH 2-3: SƠ ĐỒ TRUYỀN SPI [11] 6

HÌNH 2-4: KHUNG TRUYỀN ONE WIRE [11] 7

HÌNH 2-5: MÔ HÌNH THỰC TẾ SỬ DỤNG RFID [14] 8

HÌNH 3-1: THÔNG SỐ KỸ THUẬT ESP8266 [5] 9

HÌNH 3-2: SƠ ĐỒ RA CHÂN ESP8266 [5] 10

HÌNH 3-3 SƠ ĐỒ RA CHÂN CỦA ARDUINO MEGA 2560 [4] 11

HÌNH 3-4: HÌNH ẢNH THỰC TẾ ARDUINO MEGA 2560 [4] 12

HÌNH 3-5: MODULE SIM800A [12] 13

HÌNH 3-6: SƠ ĐỒ RA CHÂN SIM800A [12] 14

HÌNH 3-7: MẠCH CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN ÁP SỬ DỤNG LM2596 [6] 15

HÌNH 3-8: SERVO 9G [14] 15

HÌNH 3-9: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU XUNG ĐIỀU KHIỂN R/C SERVO [15] 16

HÌNH 3-10: MODULE CẢM BIẾN KHÍ GAS MQ2 [13] 16

HÌNH 3-11: SƠ ĐỒ MẠCH MODULE MQ2 [13] 17

HÌNH 3-12: DHT11 [14] 17

HÌNH 3-13: KẾT NỐI DHT11 VỚI ARDUINO [14] 18

HÌNH 3-14: MODULE RFID DÙNG RC552 [14] 18

HÌNH 3-15: KẾT NỐI MEGA VỚI RC552 [14] 19

HÌNH 3-16: MODULE CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI [14] 19

HÌNH 5-1: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 21

HÌNH 5-2: SƠ ĐỒ LAYOUT 22

HÌNH 5-3: HÌNH ẢNH SẢN PHẨM 23

HÌNH 5-4: GIAO DIỆN ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN QUA INTERNET 24

Hình 5-5: Mạch đọc dữ liệu RFID 25

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

SPI Serial Peripheral Interface

RFID Radio frequency identification

TCP/IP Transmission control protocol – internet protocolRAM Random Access Memory

ADC Analog to Digital Converter

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH

1.1 Giới thiệu về mô hình nhà thông minh

Hệ thống nhà thông minh tích hợp cảm biến nhiệt độ dùng để phát hiện hỏa hoạn.Cảm biến khí để phát hiện rò rỉ khí gas, cảm biến hồng ngoại chống trộm

Mạch đọc RFID để đóng mở cửa, điều khiển, giám sát nhà từ xa thông qua tin nhắnsms hoặc internet

Với ưu điểm ổn định, nhỏ ngọn và giá thành rẻ được đưa lên làm tiêu chí hàng đầu

1.3 Mục đích và phương pháp nghiên cứu

1.3.1 Mục đích nghiên cứu

Trên thị trường hiện này đang có rất nhiều các hãng làm thiết bị phục vụ cho nhàthông minh nhưng chưa tiếp cận được số đông người tiêu dùng do giá thành caođiển hình như BroadLink

Đề tài hướng tới một sản phẩm thiết bị nhà thông minh với độ ổn định cao, giáthành hợp lý và dễ sử dụng cho người tiêu dùng

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu

Tiếp cận các dòng vi điều khiển, chip wifi, gsm và các loại cảm biến phổ thông trênthị trường và thử nghiệm một số loại được dùng nhiều nhất để chọn ra những linh

 Có watch dog timer để reset tự động sau một thời gian sử dụng.

Viết firmware, thiết kế mạch ứng dụng cho các linh kiện đã chọn, làm vài phiên bảnthử nghiệm chạy thực tế để kiểm tra độ ổn định và cải tiến thiết kế dựa trên kết quảthu thập được

Sử dụng các phần mềm mô phỏng và các thiết bị đo tần số để kiểm tra chính xácnhất có thể

Do thời gian lẫn tài chính có hạn nên sẽ tiếp cận và kiểm tra những dòng chip đượccộng đồng điện tử trong và ngoài nước sử dụng nhiều nhất để hạn chế rủi ro và tiếtkiệm thời gian đưa dự án đến thành công

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT

2.1 TCP/IP

Là một bao giao thức truyền nhận giữa các thiết bị có kết nối internet được sử dụngrộng rãi trên toàn thế giới

TCP/IP có 4 lớp bao gồm link, internet, transport và application

Link là lớp thấp nhất và nó là một nhóm cách thức vào giao thức kết nối giữa cáchosts và nodes và chỉ hoạt động tại đường link vật lý mà host kết nối vào

Internet là lớp kết nối các mạng nội bộ với nhau

Transport là lớp truyền tải điều khiển giao tiếp tới máy chủ

Application là lớp ứng dụng tập hợp các giao thức giao tiếp dữ liệu giữa các quá lớpquá trình

đóng vai trò truyền nhận dữ liệu với server thông qua giao thức TCP/IP

Giao thức TCP có ưu điểm là dữ liệu đến đúng thứ tự, hạn chế việc sửa chữa dữliệu, loại bỏ dữ liệu trùng lập, các gói tin thất lạc được đảm bảo gửi lại và kiểm soáttắt nghẽn đường dữ liệu

Hình 2-: Sơ đồ cắt lớp TCP/IP [11]

2.2 UART

UART là chuẩn truyền nhận dữ liệu bất đồng bộ với tốc độ thấp ở vi điều khiểnthường hoạt động ở mức 3V hoặc 5V và cùng một thời điểm giao tiếp giữa 2 thiết bịthì mỗi thiết bị chỉ có thể hoạt động ở chế độ nhận hoặc phát thì mới có thể trao đổiđược dữ liệu (1 Master 1 Slave)

Khung truyền sử dụng trong đồ án này dùng 1 start bit báo hiệu truyền nhận+ 8 bit

dữ liệu + 1 parity bit kiểm tra dữ liệu + 1 stop bit kết thúc một gói dữ liệu

UART sử dụng 2 chân data, 1 chân nguồn nuôi và 1 chân đất

Ưu điểm so với truyền song song thông thường là sử dụng ít đường truyền, tiết kiệmchân cho vi điều khiển giúp việc lựa chọn vi điều khiển giá rẻ trở nên dễ dàng hơn.Tuy nhiên UART có nhược điểm là truyền tốc độ thấp và chính xác không cao sovới song song

Truyền bất đồng bộ không cần đường clock để báo trước quá trình truyền nhưtruyền dữ liệu đồng bộ do giao tiếp đã được chuẩn hóa giữa các thiết bị

Cần phải cài đặt trước baudrate hay còn gọi là tốc độ truyền thường được tính bằngbaud tương đương với số bit truyền trong một giây

Khung truyền UART có chuẩn bắt đầu và kết thúc bằng 1 start bit và 1 hoặc 2 stopbit, trong đó có thêm 1 parity bit để kiểm tra chẳn lẽ tránh sai lệch dữ liệu trong quátrình hoạt động

Hình 2-: Khung truyền UART [11]

Giao tiếp SPI rất được phổ biến do nó sử dụng một bộ shift register với giá thành và

cơ cấu đơn giản hơn nhiều so với bộ full-up ở UART

SPI sử dụng 4 chân dùng cho việc đồng bộ dữ liệu và truyền nhận

Chân SCK dùng để giữ nhịp cho giao tiếp, mỗi nhịp trên chân này báo 1 bit dữ liệuđến hoặc đi

Chân SCK giúp cho dữ liệu truyền ít bị lỗi nên tốc độ truyền có thể lên rất cao vàđặc biệt xung nhịp này chỉ được tạo ra bởi thiết bị cấu hình làm master

Chân MISO đóng vai trò là input nếu thiết bị là master và ngược lại nếu là slave.Chân MOSI thì ngược lại hoàn toàn với chân MISO

Chân SS dùng để cấu hình thiết bị slave, master có thể có nhiều SS nhưng slave thìchỉ có 1 chân SS

Mỗi chip master hay slave có một thanh ghi dữ liệu 8 bit cứ mỗi xung do master tạo

ra trên SCK thì một bit trong thanh ghi đó được truyền qua trên MOSI và chânMISO sẽ có 1 bit từ slave truyền qua Do quá trình truyền nhận này xảy ra đồng thờinên đây là quá trình truyền song công

ATmega2560 có cấu trúc SPI tương đương như trên với các thanh ghi phục vụ chochuyện này như SPCR để kiểm soát truyền SPI

SPSR là thanh ghi trạng thái SPI

SPDR là thanh ghi dữ liệu của SPI

Hình 2-: Sơ đồ truyền SPI [11]

2.4 One Wire

Chuẩn giao tiếp được thiết kế bởi Dallas Corp sử dụng chỉ chân data để trao đổi dữliệu và nguồn nuôi kèm với một chân GND, có tốc độ thấp và thường thấy trong cáccảm biến digital như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm

Các thiết bị one wire cần một tụ điện với giá trị thường là 800pF để lưu trữ điện chođường data trong quá trình hoạt động

Quá trình truyền diễn ra bằng cách truyền 1 xung nhịp reset từ master kéo xuống 0Vtrong ít nhất 480us Điều này reset toàn bộ thiết bị phụ thuộc trên đường dây

Sau đó, bất kì thiết bị phụ thuộc, nếu có, cho biết rằng nó tồn tại với một xung giữ bus thấp trong ít nhất 60 µs sau khi thiết bị chủ giải phóng bus

Để gửi "1", thiết bị chủ bus gửi một xung thấp rất ngắn (1–15 µs)

Để gửi "0", thiết bị chủ gửi một xung thấp 60 µs

Cạnh xuống của xung được sử dụng để bắt đầu một monostable multivibrator trên slave

Multivibrator trong đồng hồ của slave dùng để đọc dữ liệu trong khoảng 30 µs sau khi cạnh xung đi xuống

Trong mạch sử dụng chip RFID RC522 của philips.

Ưu điểm của RFID là tiêu thụ rất ít năng lượng, không cần có bất kì tiếp xúc vật lýnào giữa thiết bị thu phát do nó sử dụng sóng RF

Có thể đọc xuyên qua bê tông, cốt thép, băng đá

Tuy nhiên cũng có một số nhược điểm do tầm thu phát ngắn và người dùng cần phảicách ly thẻ của mình khỏi sóng điện từ bằng các thiết bị cách ly điện từ để phòngchống kẻ gian đọc trộm dữ liệu của thẻ

Hình 2-: Khung Truyền One Wire [11]

Hình 2-: Mô hình thực tế sử dụng RFID [14]

CHƯƠNG 3 PHẦN CỨNG

3.1 ESP8266

SoC tích hợp gồm chip wifi và vi điều khiển 32 bit của expressif được sử dụng phổbiến trên các thiết bị điều khiển thông qua internet với tốc độ lên đến 72MHz Hỗtrợ TCP và các chuẩn giao tiếp phổ thông như UART và SPI

ESP8266 giao tiếp với vi điều khiển AVR trên Arduino Mega2560 thông qua giaotiếp uart và giao tiếp với database của blynk thông qua TCP/IP

Ngoài những thông số về kết nối và điều kiện hoạt động trên thì ESP8266 còn tíchhợp FLASH, RAM và ADC

Chúng ta có thể dùng ESP8266 hoạt động như một thiết bị đa chức năng để điềukhiển và truyền nhận dữ liệu với các cảm biến, server mà không cần dùng tới vi

Hình 3-: Thông số kỹ thuật esp8266 [5]

Tuy nhiên với chân đièu khiển ít và nó vốn được thiết kế để truyền nhận data thôngqua wifi nên dùng như một thiết bị đa chức năng sẽ dễ gây lỗi và độ ổn định khôngcao do nhiệt lượng tỏa ra nhiều ESP8266 cũng có một nhược điểm là tiêu thụ điệnnăng khá lớn so với các chip wifi khác trên thị trường do tích hợp thêm vi điềukhiển lên trên nó.

Nhưng do giá thành rẻ và hoạt động ổn định ở chế độ wifi thu phát trao đổi dữ liệunên nó là lựa chọn hàng đầu của cộng đồng điện tử hiện nay

Và với yêu cầu không quá khắt khe về tầm nhiệt dộ hoạt động và tầm thu phát xanên tôi chọn ESP8266 là thiết bị thu phát truyền nhận dữ liệu với server để truyền

dữ liệu điều khiển qua ATmega2560

Hình 3-: Sơ đồ ra chân ESP8266 [5]

3.2 Arduino Mega 2560

Kit vi điều khiển cung cấp bởi hãng Arduino sử dụng vi điều khiển Atmega2560của hãng Atmel, hỗ trợ nhiều chuẩn giao tiếp phổ biến với nguồn cấp từ 5V tới20V

Hình 3- Sơ đồ ra chân của Arduino mega 2560 [4]

Atmega2560 chứa gần như mọi chuẩn giao tiếp phổ thông trên thị trường hiện nay

và có số lượng chân digital out lên đến 54 đáp ứng được nhu cầu của đồ án

Thay vì sử dụng chip FTDI chuyển tính hiệu USB vào chân UART như các dòngArduino khác thì phiên bản này sử dụng một chip Atmega16U được nạp firmware

để hoạt động như một bộ chuyển đổi tín hiệu USB

Dòng ra tối đa của chip nguồn trên Mega là 800mA có thể dùng để cấp cho một sốthiết bị khác như cảm biến

Tuy nhiên không nên dùng để cấp cho motor vì dễ gây nhiễu vi điều khiển và côngsuất tiêu thụ của motor cũng lớn làm nóng chip nguồn sau thời gian hoạt động sẽkhông được ổn định.

Hình 3-: Hình ảnh thực tế Arduino mega 2560 [4]

Arduino hiện này là một trong nhưng kit vi điều khiển được sủ dụng nhiều nhất bởicộng đồng điện tử cũng như cộng đồng maker với nguồn tài liệu và thư viện khổnglồ

Chưa bao giờ có một hãng thiết kế vi điều khiển được hỗ trợ mạnh mẽ và sử dụngrộng rãi bởi người chuyên lẫn không chuyên nhiều Arduino

Vì thế Arduino mega xứng đáng được sử dụng trong việc làm đồ án điều khiển, anninh cho nhà thông minh này

3.3 SIM800A

Là bản cải tiến của module sim900a được sử dụng rộng rãi ở thập kỉ vừa qua củaSimCom nay hãng đã cập nhật lên phiên bản mới với giá thành rẻ hơn, ổn định vàgọn gang hơn phiên bản trước rất nhiều

Module sim800a sử dụng trong mạch sử dụngnguồn 5V, dòng tiêu thụ có thể lên tới 1A ở công suất thu phát tối đa.

Sim800a hỗ trợ GSM và GPRS, hỗ trợ băng tần hoạt động ở Việt Nam và phần lớncác quốc gia trên toàn thế giới

Sim800a có giá thành rẻ và độ hoạt động ổn định cao được mình chứng và áp dụngrộng rãi trên rất nhiều các thiết bị sử dụng GSM hay GPRS

Sim800a hỗ trợ giao tiếp UART để giao tiếp với vi điều khiển, ngoài ra trongfirmware của hãng cung cấp ta còn có thể dùng lệnh AT để điều khiển module simmột cách đơn giản

Hình 3-: Module Sim800a [12]

Hình 3-: Sơ đồ ra chân sim800a [12]

Đối với đồ án này ta dùng chân TX và RX để trao đổi dữ liệu giữa vi điều khiển vàmodule sim 800a thông qua giao thức UART

Ta dùng vi điều khiển để truyền lệnh AT qua giao thức UART với 8 bit cho từng kýtự

Module Sim800A sẽ trả về dữ liệu và phản hồi kết quả sau khi thực hiện lệnh

3.4 LM2596ADJ

Chip ổn áp lâu đời của hãng Texas Instrument hỗ trợ điền áp đầu ra dải rộng được

sử dụng rộng rãi trên các thiết bị điện tử dân dụng thường thấy

Dòng tải đầu ra tối đa là 3A và điện áp đầu ra tối đa là 40V

Với yêu cầu của các linh kiện trong mạch về công suất không lớn nên dùngLM2596 hợp lý cho đồ án và dễ thiết kế.

Hãng có cung cấp một design tiêu chuẩn cho LM2596 như hình trên

3.5 SERVO 9G

Loại động cơ servo nhỏ gọn chuyên dụng để làm các mô hình nhỏ hoặc các cơ cấukéo không cần lực nặng Nguồn cấp 5V, dòng tiêu thụ khoảng 80mA Lực kéo1.6KG.cm

Ta điều khiển góc quay của servo thông qua điều chế độ rộng xung trên vi điềukhiển

Tùy loại servo mà ta điều xung với chu kì và độ rộng, tần số khác nhau, thường thìxung nằm khoảng 30 tới 200Hz và áp ra từ 2.5V tới 10V cho R/C servo như 9G

Hình 3-: Mạch chuyển đổi điện áp sử dụng LM2596 [6]

Hình 3-: Servo 9G [14]

Hình 3-: Phương pháp điều xung điều khiển r/c servo [15]

3.6 Module cảm biến khí gas MQ2

Mạch cảm biến khí gas hỗ trợ xuất analog lẫn digital, nguồn cấp ổn định 5V sửdụng cảm biến MQ2 hỗ trợ nhận diện khí LPG/CO/CH4

MQ2 càng cao khi môi trường có khi gây cháy càng cao

Dựa vào đặc tính kỹ thuật này ta đưa chân đầu ra của cảm biến và bộ ADC của viđiều khiển để nhận biến khi có khi gas hay các khí dễ gây cháy khác có mặt trongnhà

Hình 3-: Module cảm biến khí gas MQ2 [13]

Cảm biến MQ2 được sử dụng rộng rãi trong dân dụng cũng như công nghiệp do giáthành rẻ và độ tin cậy cao.

Tuy nhiên cần phải thiết kế mạch hợp lý để cảm biến không bị nhiễu trong quá trìnhhoạt động

Module Mq2 sử dụng trong đồ án có nguồn cấp từ 3V tới 5V và cần làm nóngkhoảng 30s tới 1 phút để ổn định mỗi lần reset mạch

Ta kết nối với một chân digital của vi điều khiển để đọc thông số cảm biến DHT11

Ta kết nối RC552 với Arduino thông qua những chân giao tiếp SPI thông thường vàthực hiện đọc, nhận dữ liệu với khung truyền SPI tiêu chuẩn.

Hình 3-: Kết nối Mega với RC552 [14]

Đưa chân nối với đầu phát hồng ngoại lên mức cao để phát

Khi có người hay vật đi trong phạm vi cảm biến sẽ kéo chân đầu ra xuống mức thấp

Hình 3-: Module cảm biến hồng ngoại [14]

CHƯƠNG 4 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

4.1 Giao tiếp trong mạch

Arduino mega2560 giao tiếp với esp8266, Sim800a thông qua UART

Arduino mega2560 giao tiếp với DHT11 thông qua one wire

Arduino mega2560 giao tiếp với RC552 thông qua SPI

Arduino mega2560 điều khiển relay, đọc hồng ngoại thông qua cổng digital tiêuchuẩn

Arduino mega2560 đọc dữ liệu cảm biến gas thông qua cổn analog

Arduino mega2560 điều khiển servo bằng điều chế độ rộng xung

Chủ nhà có thể thiết lập mật khẩu nhà thông qua ứng dụng Blynk điều khiển quainternet hoặc tin nhắn

Chủ nhà có thể dùng thẻ RFID đưa vào đầu đọc RFID RC522 để đọc dữ liệu trênthẻ truyền về Arduino mega2560 thông qua SPI để so sánh mật khẩu Nếu trùngkhớp Arduino sẽ điều khiển servo để mở cửa

Chủ nhà cũng có thể dùng úng dụng BLynk để đóng mở cửa thông qua internet Gửi

dữ liệu đến server Blynk và server Blynk sẽ giao tiếp với esp8266 thông quaTCP/IP rồi truyền dữ liệu xuống Arduino Mega2560 thông qua UART

CHƯƠNG 5 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ & LAYOUT

5.1 Sơ đồ nguyên lý

Hình 5-: Sơ đồ nguyên lý

5.2 Sơ đồ layout

Hình 5-: Sơ đồ Layout

5.3 Hình ảnh sản phẩm

Hình 5-: Hình ảnh sản phẩm

Hình 5-: Giao diện ứng dụng điều khiển qua internet

Hình 5-: Mạch đọc dữ liệu RFID

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN

6.1 Kết luận

Với những kết quả và thành phẩm trên việc chế tạo và sản xuất các thiết bị phục vụ

hệ thống nhà thông minh với an ninh thông qua RFID, Wifi và GSM với giá thành

rẻ là khả thi và đơn giản

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[4] Arduino, “Arduino Mega 2560 Programming Manual”

[5] Expressxif system (2016-2017), “ESP8266 ESP-IDF programming manual”.[6] Texas Instrument , “LM2596ADJ Datasheet”

[7] Philips Electronics, “RC522 Datasheet”

[8] Dallas Temperature, “DHT 11 Datasheet”

[9] Mikroe, “UART Serial Communication”

[10] Kurose Ross (2017) – “Computer Networking- A Top-Down approach”, pp 1– 100

[11] Wikipedia – “Microcontroller basic interfaces”

[12] SimCom(20160 – “Sim800 Datasheet”

const char* ssid = "Esp-by-DNZ";

const char* passphrase = "000000000";

String blynk = "a4c47feas2e542f7ad7d5b2d5a4300a5";

String st = "- Good look to you!";

String content;

int statusCode;