CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu về IoT
Mạng lưới vạn vật kết nối Internet (IoT) là một hệ thống trong đó mỗi đồ vật và con người đều có một định danh riêng, cho phép truyền tải và trao đổi thông tin qua một mạng duy nhất mà không cần tương tác trực tiếp IoT phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, vi cơ điện tử và internet, tạo thành một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau và với thế giới bên ngoài để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể.
IoT, hay Internet of Things, đơn giản là mạng lưới kết nối giữa các thiết bị như điện thoại thông minh, máy tính bảng, điều hòa, bóng đèn và máy giặt thông qua các công nghệ như wifi, 3G, 4G, Bluetooth và ZigBee Theo dự báo của Cisco, đến năm 2020, sẽ có khoảng 50 tỷ thiết bị kết nối internet, con số này có thể còn tăng cao hơn nữa IoT không chỉ kết nối các thiết bị mà còn tạo ra mối quan hệ giữa con người với con người, con người với thiết bị, và thiết bị với thiết bị, hình thành một mạng lưới khổng lồ trong cuộc sống hàng ngày.
1.1.2 Cơ s ở k ỹ thu ậ t c ủ a IoT Điểm quan trọng của IoT đó là các đối tượng phải có thểđược nhận biết và định dạng (identifiable) Nếu mọi thứ được "đánh dấu" để phân biệt bản thân đối tượng đó với những thứ xung quanh thì chúng ta có thể hoàn toàn quản lí được nó thông qua máy tính Việc đánh dấu (tagging) có thể được thực hiện thông qua nhiều công nghệ, chẳng hạn như RFID, NFC, mã vạch, mã QR, watermark kĩ thuật số Việc kết nối thì có thể thực hiện qua wifi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại
Ngoài các kỹ thuật đã đề cập, trong thế giới web, chúng ta có thể sử dụng địa chỉ IP độc nhất để xác định từng thiết bị Mỗi thiết bị sở hữu một địa chỉ IP riêng biệt, không thể nhầm lẫn Sự ra đời của IPv6 với không gian địa chỉ rộng lớn sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc kết nối mọi thứ vào Internet và giữa các thiết bị với nhau.
1.1.3 Xu hướ ng phát tri ể n c ủ a th ế gi ớ i v ớ i IoT
Kỷ nguyên Internet of Things (IoT) đã tồn tại từ lâu nhưng chỉ thực sự bùng nổ trong những năm gần đây nhờ vào sự phát triển của smartphone, tablet và kết nối không dây Sự chú ý từ cộng đồng đã giúp IoT thể hiện tiềm năng vượt trội với những số liệu ấn tượng.
Cisco IBSG, một trong những nhà cung cấp giải pháp mạng hàng đầu, dự báo rằng đến năm 2020, sẽ có khoảng 50 tỷ thiết bị kết nối vào Internet, bao gồm nhiều loại thiết bị như điện thoại di động, tivi và máy giặt Sự phát triển nhanh chóng của lĩnh vực này được thể hiện rõ ràng qua số liệu từ năm 1984, khi Cisco mới thành lập với chỉ khoảng 1.000 thiết bị kết nối toàn cầu, và con số này đã tăng lên 10 tỷ vào năm 2010.
Intel, một tân binh trong ngành sản xuất chip cho thiết bị thông minh phục vụ IoT, đã ghi nhận doanh thu hơn 2 tỷ USD vào năm 2014, tăng trưởng 19% so với năm 2013 Những con số này chứng minh rằng IoT đang trở thành xu hướng tương lai Dự báo đến năm 2020, Internet of Things sẽ kết nối 4 tỷ người trên toàn cầu.
4 ngàn tỷ USD doanh thu, hơn 25 triệu ứng dụng,hơn 25 tỷ hệ thống nhúng thông minh và 50 ngàn tỷ Gigabytes dữ liệu
Tác động của IoT rất đa dạng, trên các lĩnh vực: quản lý hạ tầng, y tế, xây dựng và tự động hóa, giao thông…
Theo thống kê của PwC, trong lĩnh vực sản xuất - chế tạo, hiện có 35% nhà sản xuất đã áp dụng cảm biến thông minh, 10% dự kiến sẽ sử dụng trong tương lai gần và 8% có kế hoạch triển khai các thiết bị này trong ba năm tới.
Trong ngành dầu khí, dự kiến đến năm 2020 sẽ có 5,4 triệu thiết bị IoT được triển khai tại các cơ sở khai thác, chủ yếu là các bộ cảm biến kết nối Internet nhằm cung cấp thông tin về môi trường Dầu khí được xem là một trong những ngành công nghiệp chủ chốt ứng dụng IoT một cách rộng rãi trong giai đoạn này.
3 hơi kết nối đang là xu hướng nổi bật của thiết bị IoT hiện nay Dự tính tới năm 2020, sẽcó hơn 220 triệu xe kết nối lưu thông trên đường
Theo một nghiên cứu của SMA Research, 74% lãnh đạo trong ngành bảo hiểm tin rằng Internet vạn vật (IoT) sẽ làm thay đổi cơ bản chính sách bảo hiểm trong vòng 5 năm tới, và 74% trong số họ đã có kế hoạch đầu tư vào việc phát triển cũng như thực hiện các chiến lược liên quan đến IoT.
Chi tiêu cho thiết bị bay không người lái trong lĩnh vực quốc phòng dự kiến sẽ đạt 8,7 tỷ USD vào năm 2020 Theo dự báo của Frost & Sullivan, con số này sẽ tiếp tục tăng trưởng trong những năm tới.
126.000 robot quân sự sẽđược triển khai vào năm 2020.
Lĩnh vực nông nghiệp đang ngày càng được chuyển đổi nhờ IoT, với dự báo sẽ có 75 triệu thiết bị IoT được triển khai vào năm 2020 và tăng trưởng hàng năm đạt 20% Các thiết bị chủ yếu bao gồm cảm biến đặt trong lòng đất, giúp theo dõi độ axit, nhiệt độ và các thông số khác, từ đó nâng cao hiệu quả canh tác vụ mùa.
Vì thế, Internet of Thing đang là chìa khóa của thành công trong tương laicents
Công nghệ không dây đa tiêu chuẩn đang làm giảm giá thành thiết bị kết nối không dây, trong khi các giao thức Internet mới cho phép hàng tỷ thiết bị kết nối vào mạng lưới Internet.
Thị trường hiện nay chứng kiến sự gia tăng nhanh chóng của các thiết bị di động giá rẻ Sự cải thiện về điều kiện kinh tế của khách hàng tại Châu Á đã thúc đẩy việc sử dụng thiết bị di động trong khu vực này.
IoT có nhiều ứng dụng đa dạng trong các lĩnh vực như tự động hóa nhà cửa, mua sắm thông minh, quản lý thiết bị cá nhân, và phản hồi khẩn cấp Nhiều công ty và tổ chức trên thế giới đang phát triển nền tảng giúp xây dựng ứng dụng IoT nhanh chóng Đại học British Columbia tại Canada đang nghiên cứu bộ toolkit cho phép phát triển phần mềm IoT chỉ bằng công nghệ Web và giao thức phổ biến Công ty ioBridge cung cấp giải pháp kết nối và điều khiển các thiết bị có khả năng kết nối Internet, từ đèn bàn đến quạt máy.
1.1.5 Thách th ứ c trong vi ệ c nghiên c ứ u và tri ể n khai IoT
T ổ ng quan v ề nhà thông minh
1.2.1 Gi ớ i thi ệ u mô hình nhà thông minh
Nhà thông minh, hay còn gọi là home automation, domotics, hoặc Intellihome, là loại hình nhà được trang bị các thiết bị điện và điện tử có khả năng điều khiển tự động hoặc bán tự động Những thiết bị này thay thế con người trong việc thực hiện các thao tác quản lý và điều khiển Hệ thống điện tử trong nhà thông minh giao tiếp với người dùng thông qua bảng điều khiển điện tử, ứng dụng di động, máy tính bảng hoặc giao diện web.
Trong một ngôi nhà thông minh, các thiết bị như đèn, máy lạnh và hệ thống an ninh được trang bị bộ điều khiển điện tử kết nối Internet và điện thoại di động, cho phép người dùng điều khiển từ xa hoặc lập trình hoạt động theo lịch trình Những thiết bị này không chỉ tự động xử lý các tình huống đã được lập trình mà còn có thể được giám sát và điều khiển từ xa, mang lại nhiều lợi ích cho cuộc sống hàng ngày của bạn.
- Lợi ích 1 Tăng thêm sự an toàn qua việc điều khiển chiếu sáng và thiết bị điện (Appliance and Lighting Control)
Hình 1 1 Điều khiển hệ thống đèn bằng smartphone
Một lợi ích quan trọng của hệ thống tự động hóa nhà ở là nâng cao an toàn cho gia đình và ngôi nhà Bạn có thể dễ dàng kiểm soát các thiết bị điện và hệ thống chiếu sáng chỉ bằng một cú chạm Hệ thống này không chỉ giúp tiết kiệm điện bằng cách tự động tắt khi không có người mà còn có khả năng điều chỉnh ánh sáng theo chu kỳ, tạo ảo giác rằng có người ở nhà, từ đó làm tăng thêm sự an ninh cho ngôi nhà của bạn.
- Lợi ích 2 Gia tăng quan sát thông qua camera an ninh
Hình 1 2 Quan sát ngôi nhà qua điện thoại
Chúng ta không thể hiện diện ở mọi nơi cùng lúc, điều này dẫn đến việc bỏ lỡ nhiều sự kiện quan trọng, ngay cả trong chính ngôi nhà hoặc sân vườn của mình.
Hệ thống tự động hóa nhà thông minh bao gồm các camera an ninh, giúp gia đình dễ dàng theo dõi tình hình xung quanh Những camera này tăng cường an toàn bằng cách ghi lại hình ảnh khi phát hiện chuyển động hoặc tự động ghi hình vào những thời điểm nhất định trong ngày.
- Lợi ích 3 Gia tăng tiện nghi thông qua việc hiệu chỉnh nhiệt độđiều hòa
Hệ thống nhà thông minh cho phép bạn điều chỉnh nhiệt độ điều hòa từ xa, giúp bạn tránh tình trạng về nhà với không gian quá nóng hoặc quá lạnh Thay vì quên chỉnh nhiệt độ khi rời nhà vào buổi sáng, bạn có thể dễ dàng thiết lập trước vài giờ để tiết kiệm năng lượng và chi phí.
- Lợi ích 4 Tiết kiệm thời gian
Dễ dàng tiết kiệm được các khoảng thời gian quý báu và dành hiệu năng tốt hơn cho công việc
- Lợi ích 5 Tiết kiệm tiền và gia tăng tiện nghi
Như vừa đề cập trên, hệ thống home automation giúp bạn tiết kiệm tiền
1.2.2 Nguyên t ắ c ho ạ t độ ng c ủ a nhà thông minh
Nhà thông minh là hệ thống tích hợp các thiết bị điện tử gia dụng, hoạt động theo kịch bản tùy biến để tạo ra môi trường sống tiện nghi, an toàn và tiết kiệm năng lượng Hệ thống này bao gồm một máy tính điều khiển trung tâm, hay còn gọi là máy chủ (Home Server), có nhiệm vụ kết nối và điều khiển toàn bộ các thiết bị trong nhà.
Các thiết bị gia dụng đầu cuối, bao gồm các vật dụng điện tử như thiết bị an ninh, hệ thống cửa, điều hòa, rèm mành, hệ thống đèn, quạt thông gió, ti vi và bếp gas, được kết nối với nhau qua mạng thiết bị Chúng sử dụng công nghệ truyền dữ liệu qua đường điện (Power line communication – PLC) hoặc không dây (Zigbee) và kết nối trực tiếp đến Home Server.
Hệ thống phần mềm điều khiển ngôi nhà được cài đặt trên Home Server và các thiết bị điện tử gia dụng, cho phép chủ nhân của Hệ thống nhà thông minh kiểm soát và điều khiển ngôi nhà từ xa Người dùng có thể dễ dàng quản lý các thiết bị trong nhà thông qua điện thoại di động, tablet hoặc laptop, bất kỳ lúc nào và ở bất kỳ đâu.
1.2.3 Tiêu chu ẩ n c ủ a nhà thông minh
Với sự phát triển không ngừng của khoa học hiện đại, con người ngày càng nâng cao đời sống và mơ ước về một cuộc sống tiện nghi Từ những nhu cầu này, ý tưởng “ngôi nhà thông minh” ra đời, phản ánh những sáng tạo phục vụ cho cuộc sống Mặc dù các công nghệ cho ngôi nhà mơ ước đã tồn tại từ lâu, nhưng gần đây mới được công bố rộng rãi Nhiều công ty đã đưa ra giải pháp cho ngôi nhà thông minh, tất cả đều hướng đến các tiêu chuẩn nhất định.
Tự động hóa ngôi nhà thông qua các thiết bị cảm biến và giám sát giúp thu thập thông tin như nhiệt độ, độ ẩm và lượng mưa, sau đó phân tích tại bộ xử lý trung tâm để điều khiển các thiết bị một cách tối ưu Các tính năng như bật đèn và đóng mở rèm cũng có thể được cài đặt để hoạt động tự động theo ý muốn người sử dụng Hệ thống giám sát an ninh hiện đại như camera, dấu vân tay và nhận diện hình ảnh đã trở nên phổ biến, đảm bảo an toàn cho ngôi nhà Sự thoải mái của người sử dụng là tiêu chí quan trọng nhất, do đó mỗi ngôi nhà được thiết kế để mang lại trải nghiệm sống tốt nhất.
8 nhất cho người sử dụng Qua đó nâng cao chất lượng cuộc sống cho mỗi người sử dụng
Cung cấp dịch vụ giải trí chất lượng cao đang trở thành nhu cầu thiết yếu trong cuộc sống hiện đại Với sự gia tăng nhu cầu giải trí của người tiêu dùng, mỗi ngôi nhà hiện nay đều được trang bị hệ thống giải trí tối ưu nhất để đáp ứng mong muốn của họ.
Ngôi nhà thông minh cung cấp khả năng giám sát và điều khiển từ xa hiệu quả Mỗi ngôi nhà đều được trang bị hệ thống giám sát kết nối với thiết bị của người sử dụng, đảm bảo rằng ngôi nhà luôn được theo dõi chặt chẽ Tất cả các thiết bị được kết nối với bộ quản lý trung tâm, cho phép người dùng điều khiển bất kỳ thiết bị nào từ xa, mọi lúc mọi nơi, miễn là các thiết bị đã được kết nối qua internet.
Tăng cường hiệu suất hệ thống và giảm tiêu thụ điện năng là mục tiêu quan trọng Các hệ thống điều khiển đơn giản nhưng hiệu quả giúp tiết kiệm năng lượng một cách tối ưu.
1.2.4 Nh ữ ng xu hướ ng phát tri ể n c ủ a nhà thông minh ở Vi ệ t Nam
Trong những năm gần đây, khi thế giới bước vào kỷ nguyên Internet of Things (IoTs), nhà thông minh đã trở thành xu hướng công nghệ tất yếu và tiêu chuẩn của nhà ở hiện đại Tại Việt Nam, khái niệm nhà thông minh ngày càng phổ biến, đặc biệt tại các thành phố lớn như Hải Phòng, Hà Nội, Đà Nẵng và TP Hồ Chí Minh, nơi người dân dễ dàng tiếp cận các công nghệ và ý tưởng mới.
Kết luận chương
Chương 1 đã trình bày một cách tổng quan về IoT và nhà thông minh là một ứng dụng rất được quan tâm hiện nay dựa trên nền tảng IoT Qua đó, có thể thấy rằng việc thiết kế hệ thống nhà thông minh mặc dù cùng dựa trên nền tảng là IoT nhưng có thể có nhiều cách tiếp cận khác nhau tùy theo mục đích.
ADRUINO và các module bộ điều khiển nhà thông minh
Tổng quan về Arduino
Arduino là một board mạch vi xử lý mở, giúp xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau và với môi trường Phần cứng được thiết kế dựa trên vi xử lý AVR Atmel 8bit hoặc ARM Atmel 32-bit, hiện có các model với 1 cổng USB, 6 chân đầu vào analog và 14 chân I/O kỹ thuật số, tương thích với nhiều board mở rộng khác.
Arduino là một board mạch vi xử lý cho phép lập trình tương tác với các thiết bị như cảm biến, động cơ và đèn Điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển dễ sử dụng và ngôn ngữ lập trình đơn giản, phù hợp ngay cả với những người không có nhiều kiến thức về điện tử Sự phổ biến của Arduino đến từ mức giá thấp khoảng $30 cùng với tính chất nguồn mở của cả phần cứng và phần mềm Kể từ khi ra mắt vào năm 2005, Arduino đã cung cấp một giải pháp tiết kiệm cho những người đam mê, sinh viên và chuyên gia để tạo ra các thiết bị tương tác với môi trường thông qua cảm biến và cơ cấu chấp hành.
12 người yêu thích mới bắt đầu có thể khám phá các robot đơn giản, hệ thống điều khiển nhiệt độ và cảm biến phát hiện chuyển động Họ sẽ sử dụng một môi trường phát triển tích hợp (IDE) trên máy tính cá nhân để viết 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 thành lập vào năm 2005 tại Viện thiết kế tương tác Ivrea, Italy, như một dự án dành cho sinh viên Trước đó, sinh viên sử dụng “BASIC Stamp” với giá khoảng $100, một mức giá cao đối với họ Massimo Banzi, một trong những người sáng lập, đã giảng dạy tại Ivrea Tên gọi “Arduino” được lấy từ một quán bar ở Ivrea, nơi các nhà sáng lập thường xuyên tụ họp.
Lý thuyết phần cứng được phát triển bởi sinh viên Colombia Hernando Barragan, người đã hoàn thiện nền tảng Wiring Sau đó, các nhà nghiên cứu hợp tác để tối ưu hóa nền tảng này, nhằm giảm trọng lượng, chi phí và tăng tính khả dụng cho cộng đồng mã nguồn mở.
Tổng quan về Arduino Mega
Hình 2 3 Shile của Arduino Mega
2.2.1 Các thành ph ầ n ch ứ c năng c ủ a Arduino Mega
Hình 2 4 Các thành phần chức năng của board Arduino
Cáp USB là phương tiện giao tiếp giữa Arduino và máy tính, cho phép người dùng tải lên chương trình để điều khiển Arduino Đồng thời, cáp USB cũng cung cấp nguồn điện cho thiết bị này.
Khi không sử dụng USB làm nguồn, bạn có thể cấp nguồn cho bo mạch thông qua jack cắm 2.1mm, với cực dương nằm ở giữa Bo mạch này hoạt động hiệu quả với nguồn điện áp từ 5 đến 12 volt Mặc dù có thể sử dụng nguồn điện áp cao hơn, nhưng cần lưu ý đến chân kết nối.
Điện áp 5V sẽ lớn hơn 5 volt, và việc sử dụng nguồn lớn hơn 12 volt có thể gây nóng và hỏng board mạch Do đó, nên sử dụng nguồn ổn định từ 5 volt đến dưới 12 volt để đảm bảo an toàn cho thiết bị.
- Analog Inputs: Arduino Mega có 16 đầu vào Analog
Chân 5V và chân 3.3V trên Arduino là các chân cung cấp nguồn ra từ nguồn điện đã kết nối Cần lưu ý rằng không được cấp nguồn vào các chân này, vì điều đó có thể gây hỏng hóc cho Arduino.
Arduino Mega2560 nổi bật so với các vi xử lý trước đây vì không sử dụng chip FTDI để chuyển tín hiệu từ USB, mà thay vào đó, nó sử dụng ATmega16U2 như một công cụ chuyển đổi tín hiệu Mặc dù có sự khác biệt về số lượng chân và tính năng mạnh mẽ hơn, Arduino Mega2560 vẫn giữ được cấu trúc cơ bản giống như Arduino Uno R3, cho phép lập trình viên dễ dàng sử dụng chương trình lập trình của Arduino Uno R3 để lập trình cho vi điều khiển này.
Arduino Mega sở hữu 54 chân digital cho phép sử dụng chức năng input và output thông qua các hàm pinMode(), digitalWrite() và digitalRead() Trong số đó, có 12 chân PWM (modulation độ rộng xung) từ chân 2 đến 13, giúp điều khiển tốc độ động cơ và độ sáng của đèn hiệu quả.
- Reset button : dùng để reset Arduino
Các thông số kỹ thuật của Arduino Mega được cho trong bảng sau
Bảng 2 1 Các thông số kỹ thuật của Arduino Mega
Chip xử lý ATmega2560 Điện áp hoạt động 5V Điện áp vào (đề nghị) 7V-15V Điện áp vào (giới hạn) 6V-20V
Cường độ dòng điện trên mỗi 3.3V pin 50 mA
Cường độ dòng điện trên mỗi I/O pin 20 mA
Phần mềm Arduino IDE
Môi trường phát triển tích hợp Arduino IDE là ứng dụng đa nền tảng được phát triển bằng Java, dựa trên IDE cho ngôn ngữ lập trình xử lý và các dự án lắp ráp Nó có trình soạn thảo mã với các tính năng nổi bật như làm nổi bật cú pháp, khớp dấu ngoặc, thụt đầu dòng tự động và khả năng biên dịch cùng tải lên chương trình vào board mạch chỉ với một cú nhấp chuột Mỗi chương trình viết cho Arduino được gọi là "sketch".
Chương trình Arduino được phát triển bằng ngôn ngữ C hoặc C++, sử dụng Arduino IDE với thư viện phần mềm "Wiring" để đơn giản hóa các thao tác đầu vào/đầu ra Người dùng chỉ cần định nghĩa hai hàm để thực hiện chương trình điều hành theo chu kỳ.
Khi khởi động bảng mạch Arduino, hàm setup() sẽ được gọi đầu tiên để thiết lập các cấu hình cần thiết Sau khi hoàn thành, Arduino sẽ chuyển sang hàm loop(), nơi thực hiện các tác vụ liên tục cho đến khi nguồn điện được tắt.
Dưới đây là giao diện của phần mềm
Module wifi ESP826 V1
Hình 2 6 Sơ đồ nguyên lý của ESP8266 V1
ESP8266 là dòng chip tích hợp Wi-Fi 2.4Ghz có thể lập trình được, rẻ tiền được sản xuất bởi một công ty bán dẫn Trung Quốc: Espressif Systems
ESP8266 sở hữu một cộng đồng phát triển rộng lớn trên toàn cầu, cung cấp nhiều mô-đun lập trình mã mở, giúp người dùng dễ dàng tiếp cận và xây dựng ứng dụng nhanh chóng Tất cả các dòng chip ESP8266 hiện có trên thị trường đều được gán nhãn ESP8266EX, phiên bản nâng cấp của dòng chip này.
- 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
- 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.
ESP8266 với tính năng kết nối wifi vượt trội, ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống Nhờ vào khả năng kết nối này, người dùng có thể điều khiển các thiết bị từ xa như bóng đèn và quạt Đặc biệt, ESP8266 đang trở thành một phần quan trọng trong các mô hình nhà thông minh, giúp dễ dàng quản lý và điều khiển tất cả thiết bị trong nhà.
Màn hình LCD và giao ti ế p I2C
Hình 2.8 Màn hình LCD và giao tiếp I2C
Bảng 2 2 Các chân kết nối của LCD
Chân Ký hiệu Mô tả Giá trị
4 RS Lựa chọn thanh ghi
RS=0 (mức thấp) chọn thanh ghi lệnh
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
Chân truyền dữ liệu 8 bit: DB0DB7
15 A Cực dương led nền 0V đến 5V
Để sử dụng màn hình LCD với Arduino, thường cần nhiều chân kết nối, nhưng với mạch điều khiển I2C, chỉ cần 2 dây là đủ Giao tiếp I2C sử dụng 2 chân tín hiệu SDA và SCL, giúp đơn giản hóa quá trình điều khiển màn hình Điện áp hoạt động của mạch này dao động từ 2,5 đến 6V.
Các c ả m bi ế n thông d ụ ng
2.6.1 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11
Cảm biến DHT11 là thiết bị đo nhiệt độ và độ ẩm với đầu ra số, đảm bảo độ chính xác cao nhờ vào việc hiệu chỉnh kết quả đo Kết quả được lưu trữ trong bộ nhớ và có thể dễ dàng đọc ra khi giao tiếp với cảm biến Với kích thước nhỏ gọn và thiết kế 3 chân kết nối, DHT11 rất thuận tiện và phù hợp cho nhiều ứng dụng thực tiễn.
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%
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 lần truyền 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 khởi động, cảm biến DHT11 sẽ chuyển từ chế độ công suất thấp sang chế độ hoạt động Trong quá trình giao tiếp với MCU, DHT11 sẽ gửi dữ liệu về nhiệt độ và độ ẩm.
Dữ liệu 40bits chứa 21 tín hiệu phản hồi về giá trị nhiệt độ và độ ẩm được gửi đến MCU Sau khi hoàn tất, cảm biến sẽ trở về chế độ công suất thấp.
2.6.2 C ả m bi ế n ánh sáng a, quang trở
Quang trở, hay còn gọi là điện trở quang, photoresistor, LDR (Light-dependent resistor), là một linh kiện điện tử có điện trở giảm khi có ánh sáng chiếu vào Đây là loại điện trở phi tuyến và phi ohmic, thường được sử dụng làm cảm biến nhạy sáng trong các mạch dò, chẳng hạn như trong mạch tự động đóng mở đèn theo điều kiện ánh sáng Quang trở được chế tạo từ chất bán dẫn có điện trở cao và không có tiếp giáp, với điện trở có thể lên đến vài MΩ trong bóng tối và giảm xuống còn vài trăm Ω khi có ánh sáng.
- Sunfua cadmi (CdS) và selenua cadmi (CdSe), nhưng tại châu Âu đang cấm dùng cadmi
- Sunfua chì (PbS) và indi antimonit (InSb) được sử dụng cho vùng phổ hồng ngoại
- Gecu là cảm biến dò hồng ngoại xa tốt nhất, được sử dụng trong thiên văn hồng ngoại và quang phổ hồng ngoại b, Nguyên lý hoạt động
Cảm biến ánh sáng hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện, khi photon có năng lượng đủ lớn tác động vào vật chất, làm bật electron và chuyển đổi chất bán dẫn thành dẫn điện Mức độ dẫn điện phụ thuộc vào số lượng photon được hấp thụ, và quang trở phản ứng khác nhau tùy thuộc vào loại chất bán dẫn và bước sóng của photon So với điốt quang, quang trở có thời gian phản ứng chậm hơn, khoảng 10 ms, giúp nó tránh được những thay đổi nhanh chóng từ nguồn sáng.
Cảm biến có khả năng nhận biết vật cản trong môi trường thông qua cặp LED hồng ngoại, cho phép truyền và nhận dữ liệu Khi tia hồng ngoại phát ra gặp vật cản, nó sẽ phản xạ trở lại đèn thu hồng ngoại, kích hoạt đèn màu xanh sáng lên và tạo ra tín hiệu số đầu ra Cảm biến có thể phát hiện vật cản trong khoảng cách từ 2 đến 30cm, với khả năng điều chỉnh khoảng cách này thông qua chiết áp, phù hợp cho các ứng dụng như xe dò line và xe tránh vật cản.
- Khoảng cách phát hiện: 2 ~ 30 cm
- LED báo nguồn và LED báo tín hiệu ngõ ra
- Mức thấp - 0V: khi có vật cản
- Mức cao - 5V: khi không có vật cản
Hình 2 5 Sơ đồ nguyên lý module hồng ngoại
- VCC: điện áp chuyển đổi từ 3.3V đến 5V (có thể được kết nối trực tiếp đến vi điều khiển 5V và 3.3V)
- OUT: đầu ra kỹ thuật số (0 và 1)
Bộ sản phẩm bao gồm một cảm biến độ ẩm đất và một module chuyển đổi với ngõ ra Analog - Digital Cảm biến này hoạt động với hai chế độ ngõ ra là Analog và Digital Khi đất thiếu nước, cảm biến sẽ cho ra tín hiệu mức cao (5V), còn khi đất đủ độ ẩm, đầu ra sẽ ở mức thấp (0V).
Hình 2 7 Cảm biến độẩm đất
Cảm biến độ ẩm đất được cắm vào đất để phát hiện độ ẩm, kết nối với module chuyển đổi qua dây nối Thông tin về độ ẩm sẽ được thu thập và gửi đến module chuyển đổi để xử lý.
Module chuyển đổi sử dụng biến trở như một ngưỡng so sánh với tín hiệu độ ẩm đất từ cảm biến Ngưỡng so sánh và tín hiệu cảm biến là hai yếu tố quan trọng trong quá trình đo lường độ ẩm đất.
24 đầu vào của IC so sánh LM393 Khi độ ẩm thấp hơn ngưỡng định trước, ngõ ra của
IC là mức cao (1), ngược lại là mức thấp (0)
+: cấp hiệu điện thế kích tối ưu vào chân này
S: chân tín hiệu, tùy vào loại module relay mà nó sẽ làm nhiệm vụ kích relay Nếu bạn đang dùng module relay kích ở mức cao và chân S bạn cấp điện thế dương vào thì module relay của bạn sẽđược kích, ngược lại thì không Tương tự với module relay kích ở mức thấp
3 chân còn lại nối với đồ dùng điện công suất cao:
Khi kết nối thiết bị điện, bạn nên gắn chân nối với chân lửa (nóng) nếu sử dụng điện xoay chiều, hoặc với cực dương nếu là điện một chiều.
ON hoặc NO: chân này bạn sẽ nối với chân lửa (nóng) nếu dùng điện xoay chiều và cực dương của nguồn nếu dòng điện một chiều
OFF hoặc NC: chân này bạn sẽ nối chân lạnh (trung hòa) nếu dùng điện xoay chiều và cực âm của nguồn nếu dùng điện một chiều[9].
K ế t lu ận chương
Chương này đã nêu rõ các thành phần cấu thành hệ thống nhà thông minh, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc lựa chọn linh kiện cho bộ điều khiển sao cho đáp ứng tiêu chí kỹ thuật và kinh tế Ở chương tiếp theo, chúng tôi sẽ tổng hợp các thành phần này để thiết kế bộ điều khiển hoạt động một cách tối ưu.
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH
Yêu cầu thiết kế
Chúng ta đang sống trong một thời đại công nghệ hiện đại, giúp cuộc sống trở nên dễ dàng hơn Gần đây, sự phát triển lớn về công nghệ đã biến ngôi nhà của chúng ta thành không gian ngập tràn thiết bị cao cấp Các giải pháp công nghệ cho phép điều khiển căn nhà qua điện thoại thông minh hoặc máy tính bảng, từ hệ thống chiếu sáng đến các thiết bị an ninh.
Giới thiệu về bộđiều khiển: Cấu trúc đơn giản, dễđiều khiển
Mô hình nhà thông minh được thiết kế với các chức năng như sau:
- Điều khiển các thiết bị từ xa và biết được trạng thái của các thiết bị
- Đo nhiệt độ, độẩm trong nhà hiển thị lên LCD và điện thoại
- Hệ thống tưới cây dựa vào độ ẩm đất
- Tựđộng bật tắt bóng đèn khi có chuyển động
- Tựđộng bật đèn khi trời tối
Với các chức năng thiết kế nêu trên, sơ đồ khối của hệ thống được thiết kế như hình
Khối cảm biến nhiệt độ Khối hiển thị
Khối công tắc Khối truy cập mạng
Khối cảm biến hồng ngoại
Khối cảm biến chuyển động
Khối cảm biến ánh sáng
Khối cảm biến độ ẩm đất
Hình 3 1 Sơ đồ khối hệ thống
Chức năng và nhiệm vụ các khối trong sơ đồhình 3.1 như sau:
Khối nguồn đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện cho bộ điều khiển hệ thống và các mạch khác Yêu cầu chính đối với khối nguồn là tính ổn định và điện áp cung cấp phải phù hợp với các khối chức năng khác Trong trường hợp này, nguồn sử dụng là 5V-2A.
Bộ điều khiển Arduino Mega 2560 là trung tâm của hệ thống, có nhiệm vụ tiếp nhận và xử lý thông tin từ các cảm biến như nhiệt độ, độ ẩm và cường độ ánh sáng Nó giao tiếp với module wifi ESP8266 để truyền dữ liệu đến người sử dụng và nhận lệnh điều khiển Ngoài ra, bộ điều khiển còn thực hiện các phép toán logic để tạo tín hiệu điều khiển tới Relay, từ đó điều khiển các thiết bị ngoại vi.
Khối cảm biến ánh sáng sử dụng cảm biến ánh sáng để đo cường độ ánh sáng và truyền kết quả trực tiếp đến relay, nhằm điều khiển thiết bị hiệu quả.
Khối cảm biến nhiệt độ và độ ẩm sử dụng cảm biến DHT11, một module tích hợp cho phép đo nhiệt độ và độ ẩm Kết quả đo được sẽ được gửi về bộ xử lý trung tâm để xử lý.
- Khối hiển thị sử dụng màn hình LCD 16x2 để hiển thị các giá trị nhiệt độ, độ ẩm từ cảm biến gửi về bộ xử lý
- Khối truy cập mạng sử dụng module ESP8266 Nó là thiết bị trung gian truyền nhận dữ liệu giữa người sử dụng và bộ điều khiển trung tâm
- Khối Relay là mạch điều khiển đóng ngắt thiết bị nhận lệnh từ bộ xửlý đểđiều khiển các cơ cấu chấp hành
- Khối cảm biến hồng ngoại dùng phát hiện có người hay không có người để điều khiển thiết bị
- Khối cảm biến chuyển động dựa trên sự chuyển động để đưa ra các lệnh điều khiển thích hợp
- Khối cảm biến độ ẩm đất đo phân tích độ ẩm của đất rồi gửi tín hiệu điều khiển
- Khối chấp hành là các thiết bị cần điều khiển, trong nhà kính đó là các thiết bị như: quạt thông gió, đèn chiếu sáng …
Hệ thống ngôi nhà thông minh được thiết kế để thực hiện nhiều chức năng tiện ích, bao gồm điều khiển thiết bị từ xa qua mạng wifi và công tắc, đo lường nhiệt độ và độ ẩm trong nhà, từ đó đưa ra giải pháp điều chỉnh thích hợp Hệ thống cũng hiển thị thông tin nhiệt độ và độ ẩm lên màn hình LCD và điện thoại, gửi tin nhắn cảnh báo khi nhiệt độ vượt ngưỡng an toàn Thêm vào đó, ngôi nhà tự động bật tắt đèn khi có chuyển động hoặc khi trời tối, và phòng đọc sách sẽ tự động bật đèn khi có người và trời tối Cuối cùng, hệ thống còn tự động tưới cây dựa trên độ ẩm của đất.
3.1.1 Xây d ự ng sơ đồ thu ậ t toán Đầu tiên sẽ tiến hành kiểm tra sự sẵn sàng của thiết bị xong rồi xét lệnh điều khiển từxa Trong trường hợp có lệnh điều khiển từ xa thì hệ thống điều khiển sẽ tiến hành điều khiển và sau đó sẽ kết thúc lệnh đó
Hình 3 2 Lưu đồ thuật toán hệ thống
Nếu không có điều khiển từ xa, hãy phân tích lệnh điều khiển qua công tắc Nếu phát hiện có tín hiệu từ công tắc, thiết bị sẽ được điều khiển Ngược lại, nếu không đúng, cần kiểm tra cảm biến chuyển động.
Hệ thống sẽ tự động điều khiển thiết bị dựa trên chuyển động phát hiện được Nếu không có chuyển động, cảm biến hồng ngoại sẽ tiếp tục kiểm tra Khi có người trong phạm vi hồng ngoại, thiết bị sẽ được kích hoạt Nếu không có người, hệ thống sẽ kiểm tra độ ẩm của đất; nếu đất khô, thiết bị sẽ bật, còn nếu đất ẩm, thiết bị sẽ tắt và chuyển sang kiểm tra ánh sáng Khi trời tối, đèn sẽ được bật, và khi trời sáng, đèn sẽ tắt Quá trình này diễn ra liên tục mà không ngừng nghỉ.
Để đáp ứng yêu cầu của bài toán, tôi đã thiết kế các chế độ làm việc cho bộ điều khiển, bao gồm chế độ điều khiển thiết bị từ xa thông qua ứng dụng Blynk trên smartphone.
Bắt đầu Điều khiển qua Blynk
Bật thiết bị Tắt thiết bị
Kiểm tra sự sẵn sàng của thiết bị
Hình 3 3 Lưu đồ thuật toán chếđộđiều khiển thiết bị từ xa
Dựa trên các yếu tố đã nêu, tôi đã xây dựng lưu đồ thuật toán như hình 3.3 Trong chế độ này, người dùng có thể điều khiển thiết bị thông qua ứng dụng Blynk trên điện thoại thông minh Ứng dụng Blynk cho phép lựa chọn và điều khiển bất kỳ chân GPIO nào trên Arduino Lệnh từ Blynk được gửi đến Arduino qua module ESP8266, sau đó Arduino sẽ phân tích lệnh và so sánh với giá trị 1 Nếu lệnh nhận được là 1, thiết bị sẽ được bật; nếu khác 1, thiết bị sẽ tắt Chế độ này có thể được sử dụng để điều khiển quạt, bóng đèn bếp, đèn phòng khách và mở hoặc đóng cổng.
Việc điều khiển thiết bị từ xa qua smartphone mang lại nhiều lợi ích, đặc biệt trong việc quản lý thiết bị khi ở xa Tại nhà, công tắc truyền thống vẫn cần thiết nhờ tính tiện lợi, cho phép bật-tắt bóng đèn dễ dàng Tuy nhiên, các công tắc hiện đại không chỉ an toàn mà còn có thiết kế đẹp, giúp ngôi nhà trở nên hiện đại hơn Do đó, việc lựa chọn công tắc phù hợp là rất quan trọng.
Chế độ điều khiển này cho phép người dùng bật tắt thiết bị và nhận phản hồi qua điện thoại về trạng thái thiết bị Người dùng có thể điều khiển thiết bị bằng cả điện thoại và công tắc Để thực hiện điều này, tôi sử dụng một nút nhấn: khi nút nhấn được nhấn, hệ thống sẽ kiểm tra trạng thái thiết bị Nếu thiết bị đang bật (trạng thái 0), nó sẽ chuyển sang tắt; ngược lại, nếu thiết bị đang tắt (trạng thái 1), nó sẽ được bật lên Tất cả các trạng thái của thiết bị sẽ được phản hồi lại ứng dụng Blynk.
Thiết bị có trạng thái b b = 1 ?
Bật thiết bị gửi phản hồi lại điện thoại
Tắt thiết bị gửi phản hồi lại điện thoại Kết thúc
Kiểm tra sự sẵn sàng của thiết bị
Hình 3 4 Điều khiển thiết bị bằng công tắc c Chế độ điều khiển theo cảm biến ánh sáng
Chế độ này sử dụng cảm biến ánh sáng, cho phép xác định độ sáng tối của môi trường một cách chủ động Cảm biến quang trở có khả năng thay đổi điện trở theo cường độ ánh sáng, với tín hiệu xuất ra là digital HIGH (5V) và LOW (0), tượng trưng cho trạng thái bật và tắt thiết bị điện tự động mà không cần thao tác thủ công Dựa trên các yếu tố này, tôi đã xây dựng lưu đồ thuật toán.
Cảm biến ánh sáng Độ sáng < ngưỡng
Bật thiết bị Tắt thiết bị
Hình 3 5 Lưu đồ thuật toán chếđộđiều khiển theo cảm biến ánh sáng
Cảm biến ánh sáng có khả năng điều chỉnh độ nhạy linh hoạt, phù hợp với nhu cầu sử dụng Hệ thống đèn sử dụng cảm biến này thường được lắp đặt tại những vị trí cần chiếu sáng liên tục như cột đèn giao thông hoặc đèn ngủ Ngoài ra, chế độ điều khiển của hệ thống còn kết hợp với cảm biến hồng ngoại để nâng cao hiệu quả chiếu sáng.
Đo đạ c và kh ả o sát
Quá trình kết nối và kiểm tra các cảm biến của bộ điều khiển được thực hiện Kết quả làm việc của bộ điều khiển như sau:
3.2.1 Ch ứ c năng điề u khi ể n thi ế t b ị t ừ xa b ằ ng điệ n tho ạ i
Để tắt tất cả các thiết bị, trước tiên bạn cần mở ứng dụng Blynk trên điện thoại thông minh Giao diện điều khiển thiết bị qua Blynk sẽ hiển thị trạng thái hiện tại của các đèn, và lúc này tất cả đều đang ở trạng thái tắt.
Tiến hành bật điện phòng ngủ và kết quả như hình sau:
Hình 3 15 Bật đèn phòng ngủ 1
Hình 3 16 Bật đèn phòng ngủ 1
Sau đó tiến hành bật tất cả bóng đèn phòng khách
Hình 3 17 Bật đèn phòng khách
Hình 3 20 Bật tất cả các bóng đèn
Sau nhiều lần kiểm tra và khảo sát thực tế, hệ thống hoạt động ổn định và bình thường Người dùng có thể điều khiển thiết bị từ xa qua mạng wifi hoặc mạng 3G, 4G.
3.2.2 Ch ứ c năng hi ể n th ị nhiêt độ độ ẩ m lên màn hình LCD và màn hình smartphone
Hình 3 18 Hiển thị nhiệt độ, độẩm lên màn hình
Hình 3.22 cho thấy nhiệt độ và độ ẩm được hiển thị trên màn hình LCD và giao diện Blynk Qua khảo sát, sai số đo nhiệt độ và độ ẩm là 2°C, cho thấy hệ thống hoạt động ổn định.
Ngoài ra hệ thống còn có các chức năng khác như :
Hệ thống tưới cây dựa vào độẩm đất
Điều chỉnh tốc độ quạt dựa vào nhệt độ phòng vv
Nhưng do khảnăng hiểu biết và thời gian làm đề tài có hạn nên các chức năng đó chưa thể thực hiện thành công.
Kết luận chương
Chương này trình bày chi tiết quy trình xây dựng mô hình nhà thông minh, từ việc tạo sơ đồ khối và sơ đồ thuật toán đến thực hiện chế tạo Bài viết cũng giới thiệu tổng quan về ứng dụng Blynk để điều khiển các thiết bị Quá trình chế tạo và khảo sát cho thấy bộ điều khiển hoạt động chính xác và ổn định, mặc dù vẫn còn một số hạn chế như thời gian trễ điều khiển lên đến 2 giây và sai số nhiệt độ là 2°C.
Nhà là nơi trở về, nghỉ ngơi và gắn kết gia đình Một ngôi nhà thông minh không chỉ mang lại sự an toàn và tiện nghi mà còn tạo cảm giác thoải mái cho người sử dụng Đồ án đề xuất các giải pháp thiết kế ngôi nhà thông minh với khả năng quản lý linh hoạt các thiết bị gia dụng thông qua thiết bị di động Chủ nhà có thể điều khiển thiết bị từ xa, cập nhật trạng thái qua nút nhấn, hiển thị nhiệt độ và độ ẩm trên màn hình LCD và điện thoại, điều chỉnh quạt theo nhiệt độ môi trường, và nhận cảnh báo qua email khi nhiệt độ vượt ngưỡng cho phép Ngoài ra, hệ thống còn sử dụng cảm biến hồng ngoại, cảm biến chuyển động và cảm biến ánh sáng để điều khiển thiết bị một cách tự động.
Mô hình nhà thông minh thiết kếđược hoạt động chính xác, ổn định, đáp ứng được các yêu cầu đề ra
Mặc dù thời gian thực hiện đồ án có hạn, mô hình thiết kế vẫn cần được hoàn thiện để nâng cao tính thông minh của ngôi nhà Một số hướng đề xuất nhằm cải thiện mô hình bao gồm việc tích hợp thêm các công nghệ tiên tiến và tối ưu hóa các chức năng hiện có.
Cần xây dựng các kịch bản cho ngôi nhà thông minh, trong đó mỗi kịch bản sẽ tổng hợp tất cả các thao tác bật-tắt của từng thiết bị Ví dụ, kịch bản "về nhà" sẽ tự động điều chỉnh ánh sáng và nhiệt độ, trong khi kịch bản "đi ngủ" sẽ tắt đèn và thiết lập chế độ yên tĩnh.
- Gắn thêm hệ thống camera giám sát ngôi nhà
Hy vọng rằng những dự đoán và ý tưởng đã được nêu sẽ được hiện thực hóa, nhằm xây dựng một mô hình nhà thông minh hoàn chỉnh và tiết kiệm chi phí.