Xây dựng ứng dụng BMS trên nền Web server với Arduino và ESP8266 để điều khiển giám sát hệ thống chiếu sáng công viên.

hệ thống chiếu sáng đèn công viên

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ

====o0o====

BTL MÔN HỌC TỰ ĐỘNG HÓA

TÒA NHÀ

ĐỀ TÀI:

Xây dựng ứng dụng BMS trên nền Web server với Arduino và ESP8266 để

điều khiển giám sát hệ thống chiếu sáng công viên.

Đỗ Thanh Tuấn 2019501022

Lê Minh Tuấn 2019501218

Phạm Đình Tuấn 2019500918

Vũ Xuân Tuấn 2019501499

Hà nội, 2021

MỤC LỤC Trang

MỤC LỤC

Trang

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

I2C Inter-Integratel Circuit Đường bus giao tiếp giữa các IC

SMTP Simple Mail Transfer Protocol Giao thức truyền tải thư

tín đơn giảnLCD Liquid crystal display Màn hình tinh thể lỏngIoT Internet Of Things Mạng lưới vạn vật kết nối internetRFID Radio Frequency Identification Nhận dạng qua tần số vô tuyếnNFC Near-Field Communications Kết nối tường gần

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.2 Tổng quan về công viên

1.2.1 Giới thiệu mô hình công viên

Công viên là khu vực được bảo vệ các nguồn thiên nhiên tự có hay trồng, một nơi vui

chơi, giải trí đại chúng, các hoạt động văn hóa, hưởng thụ

Kiến trúc công viên gồm có: cây xanh, ghế ngồi nghỉ mát, các con đường nhỏ dùng cho người tản bộ, ốc đảo, vườn hoa, các ki ốt, ban quản lý công viên, nước, hệ thực vật và động vật

và các khu vực cỏ v.v

Công viên hoang dã, có nhiều công viên được bảo vệ bởi pháp luật Được bảo hộ, yêu cầu cho một số loài hoang dã để tồn tại Một số công viên bảo vệ tập trung chủ yếu vào sự sống còn của một vài loài đang bị đe dọa, như khỉ đột hay tinh tinh vv

Bảo đảm người ở các lứa tuổi có thể tìm được không gian trong đó cho mình, tính yên tĩnh, thư giãn của cá nhân Mọi người đều có quyền vào nghỉ ngơi, tham quan và hoạt động thể dục dưỡng sinh trong công viên bình thường, không phải trả bất kỳ một khoản thu nào nếu không tham gia các dịch vụ giải trí có thu tiền

Thường các công viên được làm theo các đặc thù, loại này thường nhỏ hơn trong tổ hợp công viên như: công viên nước, công viên cây xanh, công viên văn hóa, v.v

Mô hình công viên viên ngày càng được cải thiện bởi hệ thống điền chiếu sáng được thiết

kế nhiều kiểu và đa dạng hơn.Làm cho khuôn viên của công viên và phần nào tôn vẻ vẻ đẹp của công viên bằng những ánh sáng đẹp nhất.Không chỉ làm ánh sáng bình thường dùng để đi lại màcòn là điểm nhấn giúp công viên được để ý và thu hút mọi người hơn.vv Nên càng ngày nhiều

mô hình công viên với hệ thống chéu áng ra đời như hệ thống chiếu sáng chạy bằng năng lượng mặt trời,hệ thống chiếu sáng thông minh bằng điện thoại ,cảm biến,vv

1.2.2 Nguyên tắc hoạt động của công viên.

Theo nghiên cứu, để đảm bảo một công viên đẹp hoàn hảo thì ngoài việc mức độ chiếu sángphải theo đúng tiêu chuẩn thì chúng ta cũng cần quan tâm đến cách trang trí và thẩm mỹ củacông viên

• Chiếu sáng sân công viên tổ chức hoạt động ngoài trời: Đảm bảo mức độ chiếu sángtheo quy định

• Chiếu sáng tạo phông trang trí cho công viên: Tham khảo sử dụng đèn pha chiếu sáng

tán lá cây

• Chiếu sáng cho khu vực cổng ra vào: Đảm bảo mức độ chiếu sáng theo quy định

• Chiếu sáng lối đi công viên: Khi đó cần thiết kế, bố trí đèn phải hợp lý để tạo tính dẫn

hướng giúp người đi bộ cảm nhận rõ ràng về hình dạng hướng con đường

• Cột đèn sân vườn tùy vào từng công viên nơi được lắp đặt mà việc chiếu sẽ khác nhau

Tuy nhiên về mặt cơ bản thì khi lắp đặt cần tập trung ánh sáng khu vực đường đi để mọi

người thấy được lối đi và làm đẹp quang cảnh hơn

• Tiêu chuẩn chiếu sáng được áp dụng cho các khu vực cấp P được quy định theo chuẩn

CIE 115-2010, đối với công viên thì cột đèn sân vườn được quy định ở mức P4 – P6

Cấp P1 Eave = 15 lux, Emin = 3 lux Ev,min = 5 lux, Esc,min = 3 luxCấp P2 Eave = 10 lux, Emin = 2 lux Ev,min = 3 lux, Esc,min = 2 lux

Cấp P3 Eave = 7.5 lux, Emin = 1.5

lux Ev,min = 2.5 lux, Esc,min = 1.5 luxCấp P4 Eave = 5 lux, Emin = 1 lux Ev,min = 1.5 lux, Esc,min = 1 luxCấp P5 Wave = 3 lux, Emin = 0.6 lux Ev,min = 1 lux, Esc,min = 0.6 luxCấp P6 Eave = 2 lux, Emin = 0.4 lux Ev,min = 0.6 lux, Esc,min = 0.4 lux

• Trong đó: rọi dọc tối thiểu (Ev, min), độ rọi bán trụ tối thiểu (Esc, min)

Công viên thông minh được hiểu là hệ thống các thiết bị điện tử gia dụng được kết hợp

với nhau thành mạng thiết bị và hoạt động theo kịch bản tùy biến nhằm tạo ra môi trường sống

tiện nghi, an toàn, tiết kiệm năng lượng Một hệ thống công viên thông minh cơ bản bao gồm

một máy tính điều khiển trung tâm, được gọi là máy chủ , có nhiệm vụ kết nối các thiết bị với

nhau và điều khiển toàn bộ hệ thống ánh sáng công viên

Các thiết bị như các thiết bị an ninh, hệ thống cửa, hệ thống đèn và thống đài phun Các

thiết bị này được kết nối với nhau trong hệ thống mạng thiết bị bằng công nghệ truyền dữ liệu,

qua đường điện (Power line communication – PLC) hoặc không dây (Zigbee)

Một thiết kế chiếu sáng tốt bao gồm một thiết kế điều khiển tốt Điều khiển chiếu sáng đóng một

vai trò quan trọng trong hệ thống chiếu sáng, cho phép người dùng thủ công hoặc tự động

• BẬT và TẮT đèn bằng công tắc; và / hoặc

• điều chỉnh công suất ánh sáng lên và xuống bằng bộ điều chỉnh độ sáng

Chức năng cơ bản này có thể được sử dụng để tạo ra những lợi ích sau cho chủ sở hữu hệ thốngchiếu sáng:

• linh hoạt để thỏa mãn nhu cầu thị giác của người dùng; và / hoặc

• tự động hóa để giảm chi phí năng lượng và cải thiện tính bền vững

Trong những năm gần đây, Điều khiển chiếu sáng đã phát triển thêm hai khả năng:

• điều chỉnh màu nguồn sáng, bao gồm bóng của ánh sáng trắng; và / hoặc

• tạo dữ liệu thông qua đo lường và / hoặc giám sát

Dựa trên bản cập nhật cho chương trình Education Express EE101: Giới thiệu về Điều khiểnchiếu sáng của LCA, bài viết này cung cấp tổng quan về chức năng cơ bản của các điều khiểnchiếu sáng ngày nay, lợi ích và những câu hỏi cơ bản cần đặt ra khi xác định chiến lược điềukhiển chiếu sáng thích hợp

1.2.3 Tiêu chuẩn về ánh sáng của công viên.

• Yêu cầu về nguồn sáng

Các loại đèn nấm sân vườn chiếu sáng trang trí công viên hiện nay rất đa dạng cùng với đó

sẽ cung cấp nhiều nguồn sáng khác nhau để thay thế cho đèn huỳnh quang và đèn sợi đốt Bởitính năng tiết kiệm điện năng vượt trội và nhiệt năng sinh ra trong quá trình chiếu sáng khôngđáng kể

Đèn nấm sân vườn lắp đặt trong công viên nên sử dụng ánh sáng trắng và ánh sáng đượctán đều ra mọi hướng

• Yêu cầu về đèn chiếu sáng

Thông thường mỗi loại đèn nấm sân vườn sẽ phù hợp từng khu vực, điều kiện chiếu sángkhác nhau Với loại đèn nấm được lắp trong công viên thì bạn nên chọn đèn có chỉ số độ kín khítIP65 trở lên cùng cấp độ an toàn về điện Class I Ngoài ra, chất liệu để đèn nấm chiếu sáng côngviên có độ bền cao nên làm bằng nhôm, thép

Điều khiển chiếu sáng cung cấp các chức năng cơ bản sau Người dùng cuối khai thác các chứcnăng này để hỗ trợ quản lý năng lượng và / hoặc nhu cầu thị giác

Các Điều khiển chiếu sáng đang phát triển để cung cấp các chức năng nâng cao, có tính khảdụng khác nhau tùy thuộc vào loại hệ thống và nhu cầu ứng dụng.

Bằng cách điều chỉnh cường độ của một hoặc nhiều lớp ánh sáng trong một không gian, cácĐiều khiển chiếu sáng có thể:

• thay đổi diện mạo không gian;

• tạo điều kiện cho các chức năng khác nhau của không gian;

• thay đổi bầu không khí và tâm trạng;

• giảm độ chói; và / hoặc

• tăng sự hài lòng của người dùng bằng cách cung cấp cho người dùng khả năng kiểm soát ánh sáng của họ.

Lợi ích: Quản lý năng lượng

Bằng cách giảm thời gian BẬT chiếu sáng, cường độ hoặc phân vùng, Điều khiển chiếu sánggiảm cả nhu cầu và tiêu thụ năng lượng Theo một nghiên cứu của Phòng thí nghiệm Quốc giaLawrence Berkeley (LBNL), các chiến lược kiểm soát ánh sáng phổ biến tạo ra mức tiết kiệmnăng lượng chiếu sáng trung bình từ 24-38%, giúp giảm điện cho hệ thống ánh sáng côngviên.vv

1.2.4 Những xu hướng phát triển của ánh sáng nơi công viên

Sự thông minh

Với điều khiển thủ công, con người đưa ra quyết định có nên điều chỉnh ánh sáng hay không vàmức độ chiếu sáng Với điều khiển tự động, một bộ vi xử lý hoặc mạch logic thực hiện chứcnăng này Bộ vi xử lý hoặc mạch logic này được gọi là bộ Điều khiển chiếu sáng , cung cấp tríthông minh của hệ thống điều khiển Bộ điều khiển chiếu sáng đánh giá tín hiệu điều khiển đầuvào dựa trên thuật toán của nó và quyết định có nên điều chỉnh công suất chiếu sáng hay không,điều chỉnh khi nào và bao nhiêu

Bộ điều khiển có thể được cài đặt như một mạch logic trong một thiết bị điều khiển độc lập hoặcnhư một thành phần riêng biệt trong hệ thống điều khiển Nếu một thành phần riêng biệt, nó cóthể nằm ở vị trí trung tâm (trí tuệ tập trung) hoặc ở gần tải hoặc được nhúng trong đèn điện (tríthông minh phân tán) Trí thông minh của hệ thống càng được phân phối, thì ánh sáng càng trởnên linh hoạt và nhạy bén hơn

Phân vùng kiểm soát

Phân vùng điều khiển là một khía cạnh quan trọng của thiết kế hệ thống điều khiển chiếu sáng,

vì phân vùng là cơ chế mà các điều khiển chiếu sáng được chỉ định cho các tải chiếu sáng Vùngđiều khiển được định nghĩa là một hoặc nhiều nguồn sáng được điều khiển đồng thời bởi mộtđầu ra điều khiển duy nhất Các khu vực có thể được tổ chức theo mã năng lượng, mức tiết kiệmnăng lượng mong muốn và tính linh hoạt, thiết bị chiếu sáng thông thường (ví dụ: đèn huỳnhquang so với đèn LED), đặc điểm không gian , nhiệm vụ, mức độ sẵn có của ánh sáng ban ngày

và lịch chiếu sáng

Các vùng điều khiển nhỏ hơn (độ chi tiết của các vùng trong không gian hoặc tòa nhà cao hơn)mang lại tính linh hoạt cao hơn và tiết kiệm năng lượng thường cao hơn Vì lý do này, phần lớncác mã năng lượng quy định việc phân vùng kiểm soát bằng cách áp đặt các giới hạn về diệntích

Theo truyền thống, phân vùng kiểm soát và phân vùng trong tương lai bị giới hạn bởi hệ thốngdây điện chiếu sáng Những tiến bộ trong truyền thông cho phép phân vùng tương đối tiết kiệmđến mức chi tiết như các bộ đèn hoặc chấn lưu / trình điều khiển riêng lẻ, phân vùng và phânvùng bằng phần mềm thay vì dây cứng

Kiểm soát tường thuật

Một khía cạnh quan trọng khác của thiết kế hệ thống điều khiển chiếu sáng là xác địnhtrình tự hoạt động của hệ thống Trình tự hoạt động là mô tả các đầu ra của hệ thống đápứng với các đầu vào khác nhau cho mỗi điểm điều khiển Nó được thể hiện dưới dạngtường thuật điều khiển, một tài liệu bằng văn bản được tạo ra trong giai đoạn thiết kế ýtưởng của dự án Tài liệu này phục vụ như một lộ trình dự án cho hệ thống điều khiểnchiếu sáng dự kiến.

Cụ thể, nó có thể được sử dụng để:

• hỗ trợ chuẩn bị tài liệu hợp đồng và đặc điểm kỹ thuật;

• đưa ra định hướng rõ ràng trong quá trình đấu thầu cho các nhà thầu và nhà sản xuất;

• xác định các tiêu chí để thử nghiệm và chấp nhận hệ thống kiểm soát; và

• đóng vai trò là tài liệu tham khảo chung cho chủ sở hữu về cách thức hoạt động của hệ thống kiểm soát

Cảm biến có sự chiếm chỗ (occupancy)

Cảm biến chiếm chỗ (occupancy) là thiết bị tự động BẬT và TẮT đèn dựa trên khônggian có bị chiếm chỗ (occupancy) hay không Bằng cách đảm bảo đèn chỉ BẬT trong khikhông gian được sử dụng, các chiến lược dựa trên công suất sử dụng sẽ giúp tiết kiệmnăng lượng chiếu sáng trung bình 24%, theo LBNL

Cảm biến chiếm chỗ rất phù hợp với các không gian nhỏ hơn, kín bị chiếm chỗ(occupancy) không liên tục, chẳng hạn như văn phòng riêng, lớp học, phòng hội thảo,phòng sao chép và giải lao, phòng vệ sinh và các không gian khác Chúng có thể đượcnối mạng cho không gian lớn hơn

Nếu cảm biến cung cấp chức năng ngắt tự động nhưng yêu cầu BẬT bằng tay, nó thườngđược gọi là cảm biến trống Ngoài ra, cảm biến có thể tự động bật tải lên 50%, với thaotác thủ công thông qua một công tắc cần thiết để bật đèn BẬT đến đầy đủ Các cảm biếnnày thường được gọi là cảm biến chiếm chỗ BẬT một phần

Lập lịch thời gian

Lập lịch điều chỉnh đầu ra của hệ thống chiếu sáng dựa trên sự kiện thời gian được thựchiện bằng cách sử dụng đồng hồ thời gian, có thể được thực hiện bằng bộ vi xử lý đượctích hợp trong hệ thống điều khiển Vào những thời điểm nhất định, đèn được điều khiển

sẽ BẬT, TẮT hoặc mờ để tiết kiệm năng lượng hoặc hỗ trợ thay đổi chức năng khônggian Lập lịch trình rất phù hợp cho các không gian mở, lớn hơn thường xuyên có người

sử dụng cũng như các không gian bị chiếm chỗ (occupancy) không liên tục nhưng ở đóđèn phải BẬT cả ngày vì lý do an toàn hoặc an ninh Điều khiển tường ghi đè cục bộ(kéo dài thời gian) thường được sử dụng để cho phép sử dụng không gian không thườngxuyên Theo LBNL, các chiến lược dựa trên công suất sử dụng (kết hợp lập lịch thờigian với cảm biến công suất) có thể giúp tiết kiệm năng lượng chiếu sáng trung bình24%

Phản hồi ánh sáng ban ngày

Điều khiển đáp ứng ánh sáng ban ngày (còn gọi là thu hoạch ánh sáng ban ngày) sử dụng cảmbiến ánh sáng (còn gọi là cảm biến quang hoặc tế bào quang điện) với bộ điều khiển công suất

để chuyển đổi hoặc Dimmer ánh sáng theo ánh sáng ban ngày có sẵn Khi mức độ ánh sáng tănglên trên ngưỡng mục tiêu do ánh sáng ban ngày đóng góp, cảm biến quang báo hiệu cho bộ điềukhiển để giảm lượng ánh sáng phát ra, do đó tiết kiệm năng lượng Theo LBNL, điều khiển đápứng ánh sáng ban ngày có thể tiết kiệm 28% năng lượng chiếu sáng trung bình

Điều chỉnh tác vụ

Còn được gọi là “điều chỉnh tổ chức” và “trang trí cao cấp”, điều chỉnh tác vụ liên quan đến việcgiảm ánh sáng trong một không gian dựa trên các yêu cầu về mức độ ánh sáng tác vụ được duytrì do IES đề xuất hoặc sở thích của người dùng đối với các không gian riêng lẻ hơn là mức ánhsáng duy trì được thiết kế ban đầu, có thể cao hơn mức cần thiết Theo LBNL, điều chỉnh tác vụgiúp tiết kiệm 36% năng lượng chiếu sáng trung bình

Điều chỉnh màu sắc

Bằng cách Dimmer riêng biệt các đèn LED màu đỏ, xanh lục, xanh lam và các màu có khả năngkhác, hầu như bất kỳ màu nào cũng có thể được tạo ra Đây được gọi là điều chỉnh màusắc Điều chỉnh màu sắc phù hợp cho giải trí, biển báo và các ứng dụng tương tự Bằng cáchDimmer riêng biệt các dãy đèn LED trắng CCT ấm và mát, CCT của bộ đèn có thể được điềuchỉnh trên một phạm vi, được gọi là ánh sáng trắng điều chỉnh được Dưới đây là một số ví dụ

về các cơ hội cho ánh sáng chung có thể điều chỉnh được màu trắng:

• Tự động chuyển sang CCT rất ấm trong quá trình Dimmer để bắt chước độ mờ sợi đốt

• Hiệu chỉnh động CCT trên các bộ đèn đã lắp đặt và duy trì CCT được chỉ định theo thời gian

• Điều chỉnh CCT sau khi cài đặt ban đầu để tinh chỉnh hình thức của không gian và đối tượng như tác phẩm nghệ thuật

• Điều chỉnh CCT để phù hợp với việc thay đổi sử dụng không gian, màn hình, hoàn thiện nội thất và sở thích của người dùng

• Tự động điều chỉnh CCT để tạo ra chu kỳ ánh sáng ban ngày lý tưởng hoặc kết hợp tối ưu với ánh sáng ban ngày thực tế

• Bắt chước sự xuất hiện màu sắc của các nguồn sáng truyền thống phổ biến và tùy chỉnh các nguồn sáng mới

• Đóng một vai trò tiềm năng trong việc chiếu sáng theo chu kỳ sinh học, vì ánh sáng giàu bước sóng màu xanh lam đóng vai trò như một yếu tố kích thích sinh học

1.2.5 Một số hãng sản xuất sản phẩm hệ thống ánh sáng công viên hiện nay

Hiện nay nhiều nước phát triển trên thế giới đã dần thay thế những nguồn năng lượng trênbằng năng lượng sạch từ gió và ánh sáng mặt trời Có rất nhiều những công viên hiện đại sửdụng năng lượng sạch như Walt Disney, Tokyo…còn ở Việt Nam thì chưa phổ biến

Mô hình “Công viên xanh sử dụng năng lượng sạch” trồng rất nhiều cây xanh để thu hútcác chú chim đến, xung quanh là những con đường nhỏ để mọi người đi bộ tập thể dục Ngoài

ra, còn có một sân để đá bóng, một bể bơi rộng Vận hành và đảm bảo hệ thống chiếu sáng cho

toàn bộ công viên là những bóng đèn trên cao bằng đèn LED và đèn màu sử dụng bằng nguồnđiện của pin mặt trời.

Công viên với nhiều cây xanh lại có thêm hệ thống đèn năng lượng mặt trời thân thiện sẽ

là điều kiện lý tưởng led sân vườn chắc chắn nên được biết tới Ban ngày, bạn trông thấy khuônviên vườn tuyệt đẹp hòa trộn cùng thiên nhiên Thế nhưng đêm tới, bóng đêm có thể che lấp mọi

vẻ đẹp vốn có của sảnh vườn Chưa kể tới là sẽ có những event có thể diễn ra tại đây Vì thế, đây

là lúc bạn cần thiết kế riêng cho khuôn viên vườn của mình một hệ thống đèn led chiếu sáng sânvườn

Với sự lựa chọn đèn năng lượng mặt trời công viên bạn sẽ cảm thấy hài lòng ngay từ khinhắc tới tên gọi của chúng Công nghệ phát sáng LED hiện đại đã tạo ra các mẫu mã chiếu sáng

đa dạng từ mẫu mã tới màu sắc ánh sáng Hơn thế, khả năng chiếu sáng ngoài trời tốt cùng mứctiêu thụ điện năng vô cùng tiết kiệm là điều khiến bạn thích chú

Ví dụ như NC Lighting mang đến giải pháp chiếu sáng và trang trí công viên hoàn hảonhất Bằng những trang thiết bị chiếu sáng đẹp và hiện đại Cung cấp các thiết bị chiếu sáng chấtlượng cao, tính thẩm mỹ tuyệt đối hài lòng cho khách hàng Chất lượng sản phẩm bảo hành đến

30 tháng, cam kết hàng chính hãng cao cấp

1.3 Kết luận chương

Chương 1 đã trình bày một cách tổng quan về IoT và hệ thống ánh sáng một ứng dụng rấtđược quan tâm hiện nay dựa trên nền tảng IoT Qua đó, có thể thấy rằng việc thiết kế hệ thốngánh sáng và công vien thông minh mặc dù cùng dựa trên nền tảng là IoT nhưng có thể có nhiềucách tiếp cận khác nhau tùy theo mục đích

CHƯƠNG 2 ADRUINO VÀ CÁC MODULE BỘ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG

CÔNG VIÊN

Trong chương 2 của đồ án sẽ trình bày về các thành phần phần cứng của hệ thống côngviên, từ đó phân tích và lựa chọn giải pháp thiết kế mô hình nhà thông minh phục vụ các nhucầu cơ bản với giá thành thấp

2.1 Tổng quan về Arduino

Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhauhoặc với môi trường được thuận lợi hơn Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở, đượcthiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit Những Model hiện tạiđược trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tươngthích với nhiều board mở rộng khác

Hình 2 1 Board mạch Arduino

Arduino thật ra là một board 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 mộtcách nhanh chóng ngay cả với người ít am hiểu về điện tử và lập trình Và điều làm nên hiệntượng Arduino chính là mức giá rất thấp và tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm Chỉvới 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

Được giới thiệu vào năm 2005, những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang đến mộtphương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyênnghiệp để tạo ra những nhiết bị có khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến vàcác cơ cấu chấp hành Những ví dụ phổ biến cho những người yêu thích mới bắt đầu bao gồmcác 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 phépngười dùng viết các chương trình cho Arduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++.

Hình 2 2 Một số loại board Arduino: (a) Arduino Uno và (b) Arduino Mega

Arduino được khởi động vào năm 2005 như là một dự án dành cho sinh viên trạiInteraction Design Institute Ivrea (Viện thiết kế tương tác Ivrea) tại Ivrea, Italy Vào thời điểm

đó các sinh viên sử dụng một “BASIC Stamp” (con tem Cơ Bản) có giá khoảng $100, xem nhưgiá dành cho sinh viên Massimo Banzi, một trong những người sáng lập, giảng dạy tại Ivrea.Cái tên “Arduino” đến từ một quán bar tại Ivrea, nơi một vài nhà sáng lập của dự án này thườngxuyên gặp mặt

Lý thuyết phần cứng được đóng góp bởi một sinh viên người Colombia tên là HernandoBarragan Sau khi nền tảng Wiring hoàn thành, các nhà nghiên cứu đã làm việc với nhau để giúp

nó nhẹ hơn, rẻ hơn, và khả dụng đối với cộng đồng mã nguồn mở[1]

2.2 Module Arduino Mega

Hình 2 3 Shile của Arduino Mega

2.2.1 Các thành phần chức năng của Arduino Mega

Hình 2 4 Các thành phần chức năng của board Arduino

- USB Connector: Arduino sử dụng cáp USB để giao tiếp với máy tính Thông qua cáp USBchúng ta có thể Upload chương trình cho Arduino hoạt động, ngoài ra USB còn là nguồn choArduino

- SOURCE: Khi không sử dụng USB làm nguồn thì chúng ta có thể sử dụng nguồn ngoài thôngqua jack cắm 2.1mm (cực dương ở giữa) Bo mạch hoạt động với nguồn ngoài ở điện áp từ 5– 12 volt Có thể cấp một áp lớn hơn tuy nhiên chân 5V sẽ có mức điện áp lớn hơn 5 volt.Nếu sử dụng nguồn lớn hơn 12 volt thì sẽ có hiện tượng nóng và làm hỏng board mạch Nêndùng nguồn ổn định từ 5 đến dưới 12 volt

- Analog Inputs: Arduino Mega có 16 đầu vào Analog

- Power pins: Chân 5V và chân 3.3V (Output voltage): các chân này dùng để lấy nguồn ra từnguồn mà chúng ta đã cung cấp cho Arduino Lưu ý: không được cấp nguồn vào các chân này

- Digital Inputs/Outputs: Arduino Mega có 54 chân digital với chức năng input và output

sử dụng các hàm pinMode(), digitalWrite() và digitalRead() để điều khiển các chân 12chân PWM (pulse width modulation): các chân 2 đến 13 trên bo mạch Các chân PWMgiúp chúng ta có thể sử dụng nó để điều khiển tốc độ động cơ, độ sáng của đèn…

- Reset button : dùng để reset Arduino

2.2.2 Thông số kỹ thuật

Các thông số kỹ thuật của Arduino Mega được cho trong bảng sau

Bảng 2 1 Các thông số kỹ thuật của Arduino Mega

Cường độ dòng điện trên mỗi 3.3V pin 50 mA

Cường độ dòng điện trên mỗi I/O pin 20 mA

"sketch"

Chương trình Arduino được viết bằng C hoặc C++ Arduino IDE đi kèm với một thư việnphần mềm được gọi là "Wiring" từ dự án lắp ráp ban đầu, cho hoạt động đầu vào/đầu ra phổbiến trở nên dễ dàng hơn nhiều Người sử dụng chỉ cần định nghĩa hai hàm để thực hiện một

chương trình điều hành theo chu kỳ.

Khi các chúng ta bật điện bảng mạch Arduino, reset hay nạp chương trình mới, hàm

setup() sẽ được gọi đến đầu tiên Sau khi xử lý xong hàm setup(), Arduino sẽ nhảy đến hàm loop() và lặp vô hạn hàm này cho đến khi tắt điện board mạch Arduino

Dưới đây là giao diện của phần mềm

Hình 2.5 Giao diện Phần mềm Arduino IDE 2.4 Module wifi ESP826 V1

2.4.1 Giới thiệu ESP8266

Hình 2 6 Sơ đồ nguyên lý của ESP8266 V1

Hình 2.7 Module wifi ESP8266 V1

ESP8266 là dòng chip tích hợp Wi-Fi 2.4Ghz có thể lập trình được, rẻ tiền được sản xuấtbởi một công ty bán dẫn Trung Quốc: Espressif Systems

ESP8266 có một cộng đồng các nhà phát triển trên thế giới rất lớn, cung cấp nhiều Modulelập trình mã mở giúp nhiều người có thể tiếp cận và xây dựng ứng dụng rất nhanh Hiện nay tất

cả các dòng chip ESP8266 trên thị trường đều mang nhãn ESP8266EX, là phiên bản nâng cấpcủa ESP8266.

2.4.2 Thông số kỹ thuật của ESP8266

- Hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n

- Wi-Fi 2.4 GHz, hỗ trợ WPA/WPA2

- Chuẩn điện áp hoạt động: 3.3V

- Chuẩn giao tiếp nối tiếp UART với tốc độ Baud lên đến 115200

- Có 3 chế độ hoạt động: Client, Access Point, Both Client and Access Point

- Hỗ trợ các chuẩn bảo mật như: OPEN, WEP, WPA_PSK, WPA2_PSK,WPA_WPA2_PSK

- Hỗ trợ cả 2 giao tiếp TCP và UDP

- Làm việc như các máy chủ có thể kết nối với 5 máy con

2.4.3 Các chân của ESP8266

- VCC: 3.3V lên đến 300mA

- GND: Mass

- Tx: Chân Tx của giao thức UART, kết nối đến chân Rx của vi điều khiển

- Rx: Chân Rx của giao thức UART, kết nối đến chân Tx của vi điều khiển

- RST: chân reset, kéo xuống mass để reset

- CH_PD: Kích hoạt chip, sử dụng cho Flash Boot và updating lại module

- GPIO0: kéo xuống thấp cho chế độ update

- GPIO2: không sử dụng[5]

2.4.4 Ứng dụng của ESP8266

Với các tính năng kết nối wifi vượt trội ESP8266 được sử dụng rất nhiều trong cuộc sống.Thông qua kết nối wifi chúng ta có thể điều khiển các thiết bị từ xa như bật tắt bóng đèn, bật tắtquạt… Đặc biệt hiện nay được sử dụng rất nhiều trong các mô hình nhà thông minh Qua đóchúng ta có thể dễ dàng quản lý và điều khiển tất cả các thiết bị trong nhà

2.5 Màn hình LCD và giao tiếp I2C

Hình 2.8 Màn hình LCD và giao tiếp I2C Bảng 2 2 Các chân kết nối của LCD

RS=1 (mức cao) chọn thanh ghi dữ liệu

5 R/W Chọn thanh ghi đọc/viết dữ

liệu

R/W=0 thanh ghi viết

R/W=1 thanh ghi đọc

Thông thường, để sử dụng màn hình LCD thì phải mất rất nhiều chân trên Arduino để điềukhiển Do vậy, để đơn giản hóa công việc, người ta đã tạo ra một loại mạch điều khiển màn hìnhLCD sử dụng giao tiếp I2C Nói một cách đơn giản, ta chỉ tốn 2 dây để điều khiển màn hình,thay vì 8 dây như cách thông thường 2 chân SDA và SCL là 2 chân tín hiệu dùng cho giao tiếpI2C Điện áp hoạt động: 2,5 - 6V.

2.6 Các cảm biến thông dụng

2.6.1 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11

DHT11 là cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm đầu ra số có hiệu chỉnh đảm bảo kết quả đo có độchính xác cao Kết quả đo được lưu trữ trong bộ nhớ Khi giao tiếp với DHT11 thì kết quả đo sẽđược đọc ra từ bộ nhớ, module có kích thước nhỏ gọn và được đóng gói với 3 chân kết nối rấtthuận tiện và phù hợp với nhiều ứng dụng thực tiễn

Hình 2 9 Cảm biến DHT11

Thông số kỹ thuật của cảm biến:

- Điện áp hoạt động 3.3V-5V DC

- Phạm vi đo nhiệt độ 0-50ºC với sai số 2 ºC

- Phạm vi đo độ ẩm 20%- 90% với sai số 5%

- Kích thước 3.2x 1.4 cm

Hình 2 10 Sơ đồ kết nối DHT11 với vi điều khiển

Các thông số cần chú ý khi làm việc với DHT11

- Điện áp nguồn phải từ 3.3- 5V

- Giao tiếp giữa vi điều khiển và DHT11 là giao tiếp 1 giây, thời gian trễ cho mỗi lầntruyền dữ liệu là 5ms

- Dữ liệu truyền trên chân DATA bao gồm dữ liệu độ ẩm 16bits và dữ liệu nhiệt độ 16bits

- Khi MCU gửi tín hiệu start signal thì DHT11 thay đổi từ chế độ công suất thấp sang chế

độ hoạt động Khi MCU giao tiếp với DHT11 thì cảm biến sẽ gửi tín hiệu đáp ứng của40bits data chứa giá trị nhiệt độ và độ ẩm tới MCU Khi kết thúc cảm biến lại trở vềchế độ công suất thấp[4]

2.6.2 Cảm biến ánh sáng

a, quang trở

Hình 2 11 Quang trởQuang trở hay điện trở quang, photoresistor, LDR (Light-dependent resistor, tiếng Anhcòn dùng cả từ photocell), là một linh kiện điện tử có điện trở thay đổi giảm theo ánh sáng chiếuvào Đó là điện trở phi tuyến, phi ohmic Quang trở được dùng làm cảm biến nhạy sáng trongcác mạch dò, như trong mạch đóng cắt đèn chiếu bằng kích hoạt của sáng tối Quang trở làm