Thiết kế ngôi nhà thông minh sử dụng plc s7 1200

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay trên thế giới với sự bùng nổ của các ngành công nghệ thông tin, điện
tử vv Đã làm cho đời sống của con người ngày càng hồn thiện. Các thiết bị tự động
hóa đã ngày càng xâm lấn vào trong sản xuất và thậm chí là vào cuộc sống sinh hoạt
hằng ngày của mỗi con người. Do đó một ngơi nhà thơng minh khơng cịn là mơ ước
của con người nữa mà nó đã trở thành hiện thực hóa.Qua báo chí, các phương tiện
truyền thơng, internet chúng ta có thế thấy những mơ hình ngơi nhà thông minh đã ra
đời..Là một sinh viên khoa Điện, với những kiến thức đã học cùng với mong muốn
thiết kế một ngơi nhà tự động hóa đáp ứng được nhu cầu sinh hoạt hằng ngày, em đã
chọn “Thiết kế ngôi nhà thông minh sử dụng plc s7 1200” làm đề tài cho thực tập tốt
nghiệp của mình. Trong quá trình thực hiện báo cáo của mình, em đã cố gắng hết sức
để hoàn thiện một cách tốt nhất. Nhưng với kiến thức và sự hiểu biết có hạn nên sẽ
khơng tránh khỏi những thiết sót mong các thầy cơ và các bạn đóng góp ý kiến cho đề
tài của em có thể hồn thiện hơn. Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy hướng dẫn
……………… đã nhiệt tình giúp đỡ em trong quá trình thực hiện thực tập thời gian
qua.
Nội dung đồ án gồm các chương:
-

Chương 1: Khái quát chung về công nghệ nhà thông minh

-

Chương 2: Thiết kế cấu trúc điều khiển

-

Chương 3: Lập trình thuật tốn điều khiển

-

Chương 4: Mô phỏng và giám sát trên phần mềm WinCC


MỤC LỤC

2


DANH MỤC HÌNH

3


CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ NHÀ
THÔNG MINH
1.1 Khái niệm về nhà thơng minh
Nhà thơng minh hay cịn gọi là smarthome là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị
điện, điện tử có tác dụng tự động hố hoàn toàn hoặc bán tự động, thay thế con người
trong thực hiện một hoặc một số thao tác quản lý, điều khiển. Hệ thống điện tử này
giao tiếp với chủ nhân nhà thông qua bảng điện tử đặt trong nhà, phần mềm điện thoại
di động, máy tính bảng hoặc một giao diện web.
Trong căn nhà thông minh, các đồ dùng & thiết bị điện trong nhà từ phòng ngủ,
phòng khách đến toilet đều có thể gắn các bộ điều khiển điện tử có thể kết nối
với Internet và điện thoại di động, cho phép chủ nhân điều khiển vật dụng từ xa hoặc
lập trình cho thiết bị ở nhà hoạt động theo lịch. Thêm vào đó, các đồ gia dụng có thể
hiểu được ngơn ngữ của nhau và có khả năng tương tác với nhau. Hiện nay công nghệ
nhà thông minh tại Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ, nhiều công nghệ mới được áp
dụng vào phát triển cho hệ thống nhà thông minh

1.2 Tổng quan về nhà thông minh

Một hệ thống nhà thông minh gồm những chức năng cơ bản như:
- Hệ thống ánh sáng thông minh
- Hệ thống điều khiển rèm mành, cửa cổng
- Hệ thống an ninh an tồn
- Hệ thống kiểm sốt mơi trường
- Hệ thống giải trí âm thanh đa vùng
1.2.1 Hệ thống ánh sáng thông minh
Thường ngày để điều khiển chiếu sáng trong nhà, bạn phải di chuyển và bật tắt
lắm công tắc cảm ứng, Cùng đó với nhà thơng minh vn thiết kế ngơi nhà thơng minh
thì các kịch bản chiếu sáng được thiết lập sẵn cho từng hoạt cảnh chi tiết, chỉ một
chạm là bạn được điều khiển khung chiếu sáng theo ý muốn. Ví dụ khi có khách đến
nhà, nhấn vào chế độ “tiếp khách” một loạt các bóng đèn sẽ cùng bật sáng lên, hoặc
khi ra ngoài, chỉ cần ấn nút “đi vắng” tất cả khung đèn trong nhà sẽ tắt đồng loạt.
Hệ thống ánh sáng trong và ngồi ngơi nhà được chia thành
nhiều khu vực, chỉ những khu vực nào có người đèn mới được bật
sáng và tự động tắt khi khơng có người. Khơng những thế, hệ thống

4


ánh sáng còn tự động điều chỉnh ở chế độ phù hợp theo sở thích của
gia chủ như: khi tiếp khách ánh sáng ở chế độ rực rỡ, tất cả các đèn
sáng lên, từ đèn trần, đèn hắt, đèn chùm, đèn tranh mức độ sáng
của các hệ đèn này còn được tự động thay đổi vào mỗi thời điểm
khác nhau. Chẳng hạn vào ban ngày, ánh sáng sẽ bật tự động ở mức
50% độ sáng nhưng vào buổi tối hệ thống ánh sáng sẽ bật ở mức
100% để phù hợp với nhu cầu và sinh hoạt của gia chủ, đem tới sự
tiện nghi và tiết kiệm năng lượng. Hệ thống có khả năng học thói
quen của gia chủ. Ví dụ theo kịch bản cài đặt sẵn, ban ngày hệ thống
đèn tự động tắt sau 15 phút khi khơng có người, ban đêm tự động tắt

sau 5 phút và thời gian được coi là chuyển sang ban đêm là 11 giờ.
Tuy nhiên mỗi gia đình có thói quen sinh hoạt khác nhau, do đó hệ
thống sẽ tự động học thói quen để điều chỉnh mốc thời gian ban đêm
này một cách thơng minh, phù hợp với gia chủ

Hình 1.1 Hệ thống điều khiển ánh sáng

1.2.2 Hệ thống điều khiển rèm mành cửa cổng
Điều khiển nhiều rèm cửa cùng 1 lúc: Ngoài việc điều khiển rèm tại chỗ như
thường nhật, bạn được điều khiển nhiều rèm cùng một lúc chỉ với 1 chạm.
Đặt lịch điều khiển Rèm tự động thông minh: 5h30 sáng, rèm tự động mở ra đánh
thức bạn bằng ánh sáng già, cảm giác ngày mới tràn đầy năng lượng. 12h00 rèm tự
động đóng lại cho bạn một giấc nghỉ trưa thoải mái. Bạn có thể tùy chỉnh thời gian đặt

5


lịch đóng, mở cho một hoặc nhiều rèm cùng lúc trên chính chiếc di động thơng minh
của mình.
Điều khiển ở bất cứ nơi đâu: Với chiếc di động sáng ý or tablet có kết nối
Internet, bạn có thể kiểm sốt khung rèm cửa nhà mình ở bất cứ lúc nào, trạng thái của
từng bộ rèm đang đóng hay mở hoặc đóng bao nhiêu % đều được hiển thị trên điện
thoại hay máy tính bảng của bạn.

Hình 1.2 Hệ thống điều khiển rèm cửa tự động

1.2.3 Hệ thống âm thanh đa vùng
Hệ thống âm thanh là tổ hợp bao gồm nhiều thiết bị âm thanh, trong đó, cơ bản
gồm có: Loa, Ampli và hệ thống điều khiển.Âm thanh đa vùng là hệ thống với nhiều
loa có thể phát nhiều bản nhạc khác nhau ở nhiều vị trí khác nhau.Với ngơi nhà thơng

minh thì hệ thống âm thanh đa vùng cịn làm được nhiều hơn thế. Khả năng đồng bộ
và điều khiển từng vùng phát kết hợp với thiết bị âm thanh chất lượng cao từ những
nhà sản xuất uy tín sẽ giúp bạn có những phút giây trải nghiệm âm nhạc tuyệt vời nhất.

6


Hình 1.3 Hệ thống âm thanh đa vùng

Hệ thống giúp ngơi nhà của mình tràn ngập trong tiếng nhạc du dương. Âm nhạc
giao hưởng trong phịng khách, nhạc hồ tấu trong phịng ngủ, và cùng lúc đó khu vực
sân vườn đang rộn ràng với những điệu nhạc dance sôi động. Nguồn nhạc vô tận từ
những chiếc smartphone, trực tuyến trên internet hay từ thư viện media. Hệ thống âm
thanh đa vùng đúng nghĩa phải đạt được tiêu chí thẩm mỹ và có thể mở rộng, kết nối
với các hệ thống khác trong Smart Home.
1.2.4 Hệ thống an ninh, an toàn
Hệ thống an ninh trong ngơi nhà nắm giữ vai trị quan trọng, bảo vệ ngơi nhà
24/7, kiểm sốt các nguy cơ cháy nổ (rị rỉ khí gas, chập điện), bị xâm nhập trái phép…
Hệ thống này gồm các thiết bị kiểm sốt vào ra ACS (chng cửa có hình kết hợp
kiểm soát vào ra bằng vân tay, mã số, thẻ từ), cảm biến phát hiện người, cảm biến phát
hiện kính vỡ, cảm biến khói, hệ thống IP camera ghi hình, hàng rào điện tử. Với hệ
thống nhà thơng minh tồn bộ ngơi nhà bạn được thể hiện trên màn hình cảm ứng điện
thoại hay tablet bằng sơ đồ mặt bằng.
Ví dụ trong trường hợp có người lạ xâm nhập bất hợp pháp qua hàng rào (chẳng
hạn khi vào lúc đêm khuya), hệ thống giám sát an ninh sẽ ngay lập tức nhấp nháy đỏ
cảnh báo trên màn hình tablet khu vực sân vườn trên sơ đồ mặt bằng. Khi bạn bấm vào
khu vực đó, hệ thống sẽ hiển thị hình ảnh camera trực tiếp tại khu vực đó. Khơng
những thế bạn có thể cài đặt cho hệ thống phát cảnh báo theo các cấp độ an ninh khác
nhau như: Bật đèn tại khu vực có đột nhập, báo động qua còi hú trong nhà, gửi tin
nhắn hoặc gọi điện đến các số điện thoại của các thành viên trong gia đình hoặc các số

điện thoại khẩn cấp khác mà bạn đã đăng ký. Hệ thống an ninh sẽ hỗ trợ bạn kích hoạt
tự động đi cùng với các kịch bản khác trong ngơi nhà, giúp bạn hồn tồn n tâm khi
ở nhà cũng như khi vắng nhà.

7


Hình 1.4 Hệ thống an ninh chống trộm

1.2.5 Hệ thống kiểm sốt nhiệt độ và mơi trường
Tiết kiệm năng lượng: Điều hịa khơng khí là thiết bị hoạt động dài hạn và có
cơng suất tiêu thụ lớn nhất trong bạn. bạn khơng những điều khiển thuận lợi mà cịn
tiết kiệm chi phí hơn nhiều. Chỉ với 1 chạm trên điện thoại để bảo đảm rằng tất cả điều
hòa trong nhà đã được tắt khi bạn đi ra ngoài hoặc bật khi bạn gần về đến nhà.
Điều khiển nhiệt độ: Bạn được điều chỉnh nhiệt độ của một hay nhiều điều hịa ở
bất cứ khi nào có điện thoại hay máy tính bảng trên tay. kiểm tra nhiệt độ Hiện tại của
phòng lũ trẻ để điều chỉnh hợp lý hơn.
Hệ thống cịn có khả năng ổn định được nhiệt độ trong khoảng thời gian nhất
định. Nhà thông minh được trang bị hệ thống kiểm sốt mơi trường với các cảm biến
nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ oxy đặt ở khắp các vị trí thích hợp trong ngơi nhà. Các thơng
số được chuyển về hệ thống trung tâm để tính tốn, đưa ra lệnh điều khiển tới các thiết
bị điều hòa nhiệt độ, máy hút ẩm, quạt thơng gió giúp duy trì trạng thái môi trường
trong lành nhất cho ngôi nhà. Với mỗi gia đình chủ nhà có thể đặt tùy ý các thông số
về môi trường cho phù hợp với gia đình của mình, như phịng con cái nhiệt độ thường
để thấp hơn, phịng ơng bà thường để nhiệt độ cao hơn. Hệ thống nhà thông minh cũng
sẽ tự học một cách thông minh các thay đổi về môi trường. Chẳng hạn, với kịch bản Đi
ngủ, bình thường chế độ này được mặc định tự động đóng rèm, đèn trần, đèn hắt tắt,
chỉ sáng đèn ngủ, điều hòa giảm xuống 25 độ C. Tuy nhiên, vào thời gian gần về sáng,
người dùng thường có cảm giác bị lạnh và nếu họ thực hiện việc điều chỉnh điều hòa
tăng lên 27 - 28 độ C thì hệ thống sẽ tự động học lại thói quen đó sau 2-3 lần. Kịch bản

Đi ngủ sẽ tự động cập nhật thêm thao tác điều chỉnh tăng nhiệt độ vào thời gian gần về
sáng.
Điều khiển bình nóng lạnh thơng minh. Nước ấm ln sẵn sàng chờ bạn: thường
nhật để có nước nóng, bạn phải bật bình nóng lạnh trước 20 phút rồi chờ cho nước đủ

8


ấm. Với giải pháp của nhà thông minh, cho dù bạn đang ngồi xem phim trên sofa hay
ở cơ quan và đang chuẩn bị về nhà. chỉ sau 15 phút khi dùng 1 chạm của bạn, bình
nước nóng sẵn sàng cho bạn thoải mái sau một ngày làm việc.
Sang trọng và tiết kiệm hơn: Nếu bạn có thói quen tắm vào khung giờ nhất định
nào đó (buổi sáng khi ngủ dậy hoặc buổi chiều sau khi đi làm về thì được đặt chế độ
hẹn giờ tự bật và tự tắt trong vịng 15 phút trước khi tắm mà khơng cần lo lắng đã tắt
thiết bị hay chưa.

Hình 1.5 Hệ thống kiểm sốt nhiệt độ mơi trường

1.2.6 Hệ thống tưới sân vườn tự động (phù hợp với các biệt thự, nhà vườn…)
Hệ thống tưới tự động tưới nước cho sân vườn qua việc hẹn giờ điều khiển tự
động bật tắt sẽ giúp việc tưới tiêu được diễn ra thường xuyên và đều đặn nhất, dù có
vào ngày bận rộn nhất của bạn.
Hầu hết mọi hệ thống tưới (bao gồm tưới nhỏ giọt, tưới phun sương, tưới bề mặt)
đều có thể được tự động hóa với bộ hẹn giờ, cảm biến máy tính hoặc thiết bị cơ khí.
Sử dụng hệ thống tưới cây tự động có thể hẹn giờ, hẹn lần tưới trong ngày một cách dễ
dàng.
Người sử dụng có thể đi công tác, du lịch nghỉ dưỡng mà không cần lo lắng vì
khu vườn đã được cung cấp đầy đủ nước theo lịch trình đã cài đặt sẵn.
Ngồi việc tiết kiệm thời gian, hệ thống tưới còn giúp tiết kiệm nước tốt hơn so
với các phương pháp tưới thông thường. Với các hệ thống kiểm sốt thơng minh hẹn

giờ tắt/bật và cài đặt lưu lượng nước tùy chỉnh theo nhu cầu, hệ thống tưới cây tự động
không chỉ giúp tiết kiệm về thời gian, cơng sức mà cịn tiết kiệm lượng nước dùng để
tưới tiêu một cách hợp lý, hiệu quả.

9


Hình 1.6 Hệ thống tưới nước tự động

1.2.7 Kịch bản ngữ cảnh thông minh
Một hệ thống nhà thông minh thường có rất nhiều kịch bản sẵn có, điều này làm
cho bạn đơi khi rất khó tìm kiếm các kịch bản để sử dụng. Với nhà thông minh, hệ
thống chỉ hiển thị những kịch bản phù hợp với thời điểm sử dụng hoặc những kịch bản
bạn hay dùng trong thời điểm đó. Ví dụ buổi sáng, màn hình cảm ứng chỉ hiện 4 nút:
Buổi sáng, Thức dậy, Thể dục, Ra khỏi nhà người dùng chỉ cần 1 thao tác bấm vào nút
Thể dục thì máy tập thể dục bật, rèm kéo lên, quạt thơng gió hoạt động, nhạc nổi lên,
bình nóng lạnh bật trong 30 phút. Cũng như với tính năng khác, hệ thống nhà thơng
minh Bkav SmartHome có khả năng hiểu được thói quen, nhu cầu thường xuyên của
bạn để tự động hiển thị những kịch bản phù hợp về khơng gian, thời gian. Ví dụ kịch
bản Xem phim tại phịng khách chưa hiển thị trên màn hình cảm ứng vào buổi tối, bạn
chỉ cần sử dụng nó khoảng vài lần thì hệ thống tự động hiện lên vào kịch bản buổi tối.

Hình 1.7 Điều khiển theo kịch bản thời gian thực

10


1.3 Các hãng sản xuất nhà thông minh trên thị trường hiện nay
Hiện giờ, trên thị trường nhà thông minh tại Việt Nam đang có rất nhiều hãng
cung cấp. Ta có tóm tắt những hãng nổi bật như sau:

Nhóm 1: là các hãng nhà thơng minh nước ngồi bao gồm các hãng như
Legrand, Schneider, Leviton… Cơ bản đến từ các nước như: Mỹ, Ba Lan hay Đức.
- Ưu điểm:
+ Có thiết kế đẹp mắt sang trọng
+ Các thiết bị điện thông minh nhiều chủng loại phong phú
+ Công nghệ tiến bộ nhiều tính năng
- Nhược điểm:
+ Gian khổ trong việc lắp đặt Bởi vì phải đi dây lại hoặc đục kht tường, ảnh
hưởng tính thẩm mỹ của ngơi nhà.
+ Chi phí lắp đặt cao
+ Cấu hình khó khăn, rất khó lắp đặt.
Nhóm 2: là các hãng đến từ Việt Nam tiêu biểu có thể kể đến như LUMI, BKAV.
Cả hai hãng đều đang cung cấp các vật tư điện thông minh có các cơng dụng tương
đương nhau
- Ưu điểm:
+ Chi phí lắp đặt phù hợp với thu nhập của đại đa phần hộ gia đình Việt
+ Lắp đặt nhanh chóng, đơn giản, không phải đục khoét tường hay đi lại dây
+ Nhà phát triển tại Việt Nam nên quá trình bảo hành, sửa chữa tiện nghi, nhanh
chóng.
+ Thiết kế thích mắt, sang trọng, xứng tầm Châu Âu
+ Phù hợp với thói quen áp dụng vật tư điện của người chi phí Việt.
+ Chất lượng cao, an ninh tuyệt đối với người dùng.
- Nhược điểm: Nhiều giải pháp vẫn đang trong q trình tạo ra và hồn thiện
Nhóm 3: Các hãng đến từ Trung Quốc
Hiện tại, nhóm 3 này có số lượng hãng cung ứng nhiều nhất trong 3 nhóm.
- Ưu điểm: Giá thành rất rẻ nhưng vẫn có tính năng và các thiết bị điện tương
đương với cả 2 nhóm trên. Thích hợp cho những khách hàng có chi phí thấp
- Nhược điểm: Các thiết bị điện có tuổi thọ thấp, hay bị trục trặc bị đơ trong quá
trình sử dụng, thiết kế không được đẹp mắt với những chất liệu có độ bền kém chất
11

lượng không cao, thường xuyên phải bảo hành sửa chữa gây ra sự khó chịu cho khách
hàng.

1.4 Cấu tạo và ngun lí hoạt động của nhà thơng minh
1.4.1 Cấu tạo của nhà thông minh
Một hệ thống nhà thông minh cơ bản sẽ được thiết kế gồm:
Trung tâm điều khiển: là bộ não của ngơi nhà, có nhiệm vụ kết nối các thiết bị
với nhau và điều khiển toàn bộ hệ thống.
Các thiết bị đầu cuối: là những vật dụng điện tử trong nhà như cửa ra vào, cổng,
điều hòa, rèm mành, các hệ thống ánh sáng, quạt thơng gió, tivi, bếp, hệ thống camera
giám sát…
Để nhà thông minh hoạt động trơn tru, người dùng sẽ tiến hành cài đặt các thiết
bị và cho trung tâm điều khiển học lệnh của tất cả các thiết bị đó. Việc này thường
khơng mất nhiều thời gian và được hướng dẫn rất chi tiết trong tài liệu hướng dẫn để
những người không am hiểu lắm về cơng nghệ cũng có thể tự thực hiện được mà
không cần đến nhân viên kỹ thuật.
Sau khi cài đặt và kết nối tất cả, bạn sẽ bắt đầu tạo các không gian thông minh
riêng phù hợp với sở thích và hồn cảnh của gia đình. Chỉ như vậy thơi là hệ thống nhà
thơng minh đã hồn tất và bạn sẽ tận hưởng cuộc sống với những không gian do chính
bạn tạo ra cũng như điều khiển tất cả các thiết bị đã được kết nối.

Hình 1.8 Cấu tạo của nhà thông minh

12


1.4.2 Ngun lí hoạt động
Giống như việc truyền thơng tin giữa các máy tính với nhau thơng qua mạng

Internet thì hệ thống nhà thông minh cũng sử dụng một phương pháp kết nối tiêu
chuẩn gọi là Internet Protocol (IP). Nếu mọi thứ kết nối và sử dụng Wifi thông qua địa
chỉ IP của nó để truyền thơng tin đến bộ định tuyến kết nối Internet, và được điều
khiển thông qua trình duyệt web từ bất kỳ nơi đâu trên thế giới. Và đó là lí do tại sao
bạn có thể nhìn thấy hệ thống an ninh của ngơi nhà, điều khiển các thiết bị trong nhà
như bật/tắt thông qua ứng dụng trên smartphone.
Cảm biến là một phần không thể thiếu trong "Internet of Things". Thay vì phải
kết nối trực tiếp vào mạng, cảm biến có thể tự động cập nhật, đo lường thường xuyên
sự biến đổi và chuyển hóa thành tín hiệu điện gửi thơng tin đến trung tâm điều khiển
thơng qua sóng RF.
Khi trung tâm điều khiển thu thập một khối lượng lớn dữ liệu từ hàng trăm, hàng
nghìn, hàng triệu và thậm chí lên đến hàng tỉ thiết bị, nó cần phân tích và tìm ra một
mẫu chung để có thể làm việc một cách thơng minh hơn. Hệ thống này hoạt động hiệu
quả thông qua hệ thống điện tốn đám mây. Như vậy, thơng tin được truyền tải một
cách chính xác nhất và hệ thống nhà thơng minh sẽ hoạt động đúng chuẩn nhất.

1.5 Những tiện ích mà nhà thông minh mang lại
Tiết kiệm năng lượng: Với hệ thống chiếu sáng thông minh chỉ những khu vực
nào có người đến đèn mới được bật sáng và tự động tắt khi khơng có người.
Tiện nghi và thơng minh: Áp dụng công nghệ cảm ứng trong sản phẩm, hệ thống
đem lại sự tiện nghi vô cùng to lớn cho cuộc sống hiện đại của chúng ta. Bạn sẽ không
cần phải bật hay tắt các thiết bị chiếu sáng như trước đây mà thay vào đó hệ thống sẽ
hoạt động một cách tự động.
Đem lại sự hiện đại, sang trọng cho ngôi nhà của bạn: Với nhiều mẫu mã đa
dạng, thiết kế sang trọng, những thiết bị trong hệ thống chắc chắn sẽ trở thành những
vật dụng sang trí vơ cùng lý tưởng, tạo nên một nét hiện đại mà đầy tinh tế bên trong
ngôi nhà. Không những thế độ sáng và màu sắc còn được tự động điều chỉnh theo ánh
sáng mơi trường xung quanh hay theo sở thích của bạn.
Hiệu quả sử dụng cao, an toàn, dễ lắp đặt và sử dụng

1.6 Yêu cầu công nghệ đặt ra trong đề tài
1.6.1 Đặt vấn đề
Nhà thông minh đa phần hiện nay đều sử dụng bộ điều khiển trung tâm với nền
tảng chính là vi điều khiển. Về mặt kỹ thuật mà nói thì PLC cũng có thể thực hiện và
xử lí được những tác vụ thường thấy của nhà thơng minh và cịn tối ưu về giá thành
13


của sản phẩm so với bộ điều khiển trung tâm. Tùy chỉnh chương trình theo những kịch
bản được lập trình. Cho nên việc tự thiết kế sẽ dễ dàng hơn so với vi điều khiển. Do nó
sử dụng ngơn ngữ lập trình kiểu hình thang (LAD) trực quan dễ hiểu hơn so với ngôn
ngữ c, c++ của vi điều khiển. Hơn nữa nó cịn có khả năng chống nhiễu cực tốt tuổi
thọ cao, tốc độ xử lí nhanh làm cho hệ thống mượt mà hơn. Chương trình có thể được
in ra giấy để thuận tiện cho việc bảo trì sửa chữa.
Tuy nhiên tính linh hoạt khơng bằng vi điều khiển. Chưa được tích hợp các
phương thức điều khiển phong phú như điều khiển hồng ngoại, bluetooth…chưa thể
ghi nhớ và học tập được như bộ điều khiển trung tâm do không tích hợp Al. Chỉ mới
nằm ở mức của nhà tự động.
Kết luận: Từ những ưu điểm và nhược được điểm trên thì em xin chọn PLC làm
bộ điều khiển trung tâm để xây dựng nhà thông minh trong đề tài này.
1.6.2 Giới thiệu u cầu cơng nghệ của mơ hình nhà thông minh
Yêu cầu đầu tiên là ta điều khiển bật tắt các thiết bị chỉ với 1 nút nhấn
Ở chế độ bằng tay thì các cảm biến hay thời gian thực sẽ khơng hoạt động. Nó sẽ
giống với nhà bình thường nhưng khác biệt ở chỗ là cơng tắc điều khiển kiểu cảm ứng
nhấn nhả.
Khi chuyển sang chế độ tự động thì các thiết bị vẫn được bật tắt song song với
các chế độ riêng.
Ổ chế độ tự động các cảm biến sẽ hoạt động. Trong chế độ này gồm các chế độ
như về nhà, đi ngủ, tiếp khách, ra ngồi.
a. Nhóm hệ thống chiếu sáng

- Tự động chiếu sáng: Đèn sẽ tự động bật lên khi phát hiện có người di chuyển và
tự động tắt sau một khoảng thời gian 15s cài đặt khi khơng phát hiện có người di
chuyển nhờ vào cảm biến tiệm cận.
- Hẹn giờ chiếu sáng theo thời gian thực
- Hoạt động theo kịch bản được cài đặt sẵn: ra ngoài, tiếp khách, về nhà, đi ngủ.
- Có thể điều khiển ở chế độ tự động hoặc bằng tay, chạm một chạm để tắt tồn
bộ đèn
b. Nhóm hệ thống điều khiển, cửa
- Điều khiển bằng tay hoặc tự động
- Hoạt động theo kịch bản có sẵn
c. Nhóm hệ thống điều khiển thiết bị gia dụng
- Nhóm này gồm có điều hịa nhiệt độ, loa âm thanh giải trí, bình nóng lạnh
14


- Có khả năng ổn định nhiệt độ
- Hẹn giờ bật tắt thiết bị
- Hoạt động theo kịch bản có sẵn, điều khiển đồng thời được cả chế độ song song
và tự động
d. Nhóm hệ thống an ninh, an tồn
- Nhóm này gồm các cảm biến khói, động cơ bơm nước chữa cháy khi các cảm
biến phát hiện được có cháy.
e. Các kịch bản có trong đề tài
- Ra ngồi: thì tất cả các đèn sẽ tắt, cửa sẽ tự động đóng lại và tắt tất cả các thiết
bị gia dụng trong nhà.
- Tiếp khách: tất cả các đèn sẽ được bật lên, cửa tự động mở, loa được mở, điều
hòa nhiệt độ được bật
- Đi ngủ: tắt tất cả các đèn, điều hoà nhiệt độ hoạt động
- Về nhà: bật tất cả các đèn, điều hòa được mở, loa mở nhạc để giải trí thư giãn.
Từ những đặc điểm và yêu cầu công nghệ của nhà thông minh chúng ta có thể dễ

dàng tự thiết kế được một ngơi nhà theo ý muốn của mình. Để bắt đầu thì ta sẽ đi thiết
kế cấu trúc điều khiển, sau đó lập trình và thiết kế hệ thống giám sát trên màn hình
HMI. để biết cụ thể về các bước và quy trình thiết kế cấu trúc điều khiển cho hệ thống
một cách chi tiết và rõ ràng hơn thì ta sẽ đi sâu vào chương hai

15


CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN
2.1 Tính tốn và lựa chọn thiết bị
Các thiết bị sử dụng trong hệ thống gồm có:
- PLC S7-1200
- Nút nhấn start/ stop: dung để bật và dừng hệ thống.
- Động cơ giảm tốc 1 chiều: dùng để đóng mở các cửa vào/ ra và rèm
- Cảm biến thu phát hồng ngoại: để nhận biết xe vào ra.
- Cơng tắc hành trình: dung để hạn chế q trình đóng mở cửa.
- Cảm biến
- Attomat, rơ le, contactor,
2.1.1 PLC S7 1200
a. Giới thiệu về PLC S7-1200
Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) S7-1200 mang lại tính linh hoạt và sức
mạnh để điều khiển nhiều thiết bị đa dạng hỗ trợ các yêu cầu về điều khiển tự động.
Sự kết hợp giữa thiết kế thu gọn, cấu hình linh hoạt và tập lệnh mạnh mẽ đã khiến cho
S7-1200 trở thành một giải pháp hoàn hảo dành cho việc điều khiển nhiều ứng dụng
đa dạng khác nhau.
Kết hợp một bộ vi xử lý, một bộ nguồn tích hợp, các mạch ngõ vào và mạch
ngõ ra trong một kết cấu thu gọn, CPU trong S7-1200 đã tạo ra một PLC mạnh mẽ.
Sau khi người dùng tải xuống một chương trình, CPU sẽ chứa mạch logic được yêu
cầu để giám sát và điều khiển các thiết bị nằm trong ứng dụng. CPU giám sát các ngõ
vào và làm thay đổi ngõ ra theo logic của chương trình người dùng, có thể bao gồm

các hoạt động như logic Boolean, việc đếm, định thì, các phép tốn phức hợp và việc
truyền thông với các thiết bị thông minh khác.
b. Các bảng tín hiệu
Một bảng tín hiệu (SB) cho phép người dùng thêm vào I/O cho CPU. Người
dùng có thể thêm một SB với cả I/O kiểu số hay kiểu tương tự. SB kết nối vào phía
trước của CPU.
SB với 4 I/O kiểu số (ngõ vào 2 x DC và ngõ ra 2 x DC)
SB với 1 ngõ ra kiểu tương tự.

16


Hình 2.1 Bảng tín hiệu của PLC

c. Các module tín hiệu

Hình 2.2 Module tín hiệu của PLC

Người dùng có thể sử dụng các module tín hiệu để thêm vào CPU các chức năng.
Các module tín hiệu kết nối vào phía bên phải của CPU.
1: Các LED trạng thái dành cho I/O của module tín hiệu
2: Bộ phận kết nối đường dẫn
3: Bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo ra
d. Các module truyền thơng
Họ S7-1200 cung cấp các module truyền thơng (CM) dành cho các tính năng bổ
sung vào hệ thống. Có 2 module truyền thơng: RS232 và RS485.
- CPU hỗ trợ tối đa 3 module truyền thơng
- Mỗi CM kết nối vào phía bên trái của CPU (hay về phía bên trái của một CM
khác)

17


Hình 2.3 Module truyền thơng của PLC

1: Các LED trạng thái dành cho module truyền thông
2: Bộ phận kết nối truyền thông
e. Cấu trúc cơ bản bên trong PLC S7-1200
Cũng giống như các PLC cùng họ khác, PLC S7-1200 gồm 4 bộ phận cơ bản: bộ
xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao tiếp xuất / nhập.

Hình 2.4 Cấu trúc bên trong PLC S7-1200

Bộ xử lý còn được gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), chứa bộ vi xử lý, biên dịch
các tín hiệu nhập và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được lưu
trong bộ nhớ của PLC. Truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các
thiết bị xuất.
Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC (24V) cần thiết
cho bộ xử lý và các mạch điện trong các module giao tiếp nhập và xuất hoạt động.
Bộ nhớ là nơi lưu trữ chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiển
dưới sự kiểm soát của bộ vi xử lý.
Các thành phần nhập và xuất (input / output) là nơi bộ nhớ nhận thông tin từ các
thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị điều khiển. Tín hiệu nhập có thể từ
18


các công tắc, các bộ cảm biến… Các thiết bị xuất có thể là các cuộn dây của bộ khởi
động động cơ, các van solenoid…
Chương trình điều khiển được nạp vào bộ nhớ nhờ sự trợ giúp của bộ lập trình
hay bằng máy vi tính.

f. Lựa chọn CPU
Vì trong nhà thơng minh có nhiều thiết bị (bao gồm các cảm biến, nút nhấn…) để
phù hợp với đề tài thì ta chọn CPU 1214C DC/DC/DC và gắn thêm modul mở rộng 16
DI/DO

Hình 2.5 CPU 1214 C DC/DC/DC

Thơng số kĩ thuật:
- Bộ nhớ chương trình/ dữ liệu 100 KB
- 6 bộ đếm xung tốc độ cao với tối đa
- Tích hợp I/O: 14 DI, 10 DQ và 2 AI
- 14 DI 24 V DC; 10 DO 24 V DC; 2 AI 0-10 V DC
- Nguồn cung cấp: DC 20.4-28.8V DC

19


Hình 2.6 Sơ đồ đấu dây CPU 1214C DC/DC/DC

2.1.2 Cảm biến khói
Cấu tạo nguyên lý hoạt động của cảm biến khói:
Cảm biến khói là thiết bị điện tử có khả năng cảm nhận được sự xuất hiện khói
trong mơi trường và chuyển đổi thành tín hiệu điện tử. Tuỳ vào từng model mà cảm
biến khói có độ nhạy với khói khác nhau. Sau khi phát hiện khói, cảm biến sẽ tiến
hành gửi tín hiệu về trung tâm để kích hoạt báo động.
Hiện nay, trên thị trường có hai loại cơng nghệ cảm biến khói thơng dụng là: cảm
biến khói ứng dụng ion hố và cảm biến khói ứng dụng quang điện. Hai loại này có độ
nhạy khói, và nguyên lý hoạt động khác nhau.
Đầu cảm biến khói ion hố: cảm biến khói ứng dụng ngun lý ion hố được tích
hợp thành một đầu cảm biến nhỏ gọn. Đầu cảm biến khói loại này bao gồm một buồng

ion hố điện li, sử dụng đồng vị phóng xạ là nguồn phát hạt Alpha để có thể tạo ra ion
hố trong khơng khí. Khi có một số phần tử khói chui vào buồng thì sẽ tạo nên sự thay
đổi điện áp ở các cực điện li. Cảm biến sẽ phát tín hiệu báo động ngay sau đó.

20


Hình 2.7 Cấu tạo cảm biến khói dạng ion hóa

Cảm biến khói ứng dụng i-on hố có độ nhạy cao. Đầu cảm biến khói ion hố có
giá thành thấp hơn đầu báo khói quang, tuy nhiên độ nhạy cao nên dễ dẫn đến tình
trạng báo động giả.
Đầu cảm biến khói quang: cảm biến khói ứng dụng quang điện được tích hợp
nhỏ gọn thành một đầu cảm biến nhỏ gọn. Đầu cảm biến khói loại này bao gồm một
buồng quang điện, sử dụng một nguồn sáng nhỏ, thấu kính hội tụ ánh sáng và cảm
biến quang điện. Khi có khói chui vào buồng thì sẽ tạo nên sự thay đổi quang học dẫn
đến thay đổi điện áp trên cảm biến quang điện. Cảm biến sẽ phát tín hiệu báo động
ngay sau đó.

Hình 2.8 Cấu tạo cảm biến khói quang

Cảm biến khói ứng dụng quang điện có độ chính xác cao hơn cảm biến khói i-on
hố. Đầu cảm biến khói quang có thể phát hiện được nhiều loại khói với độ chính xác
cao, tuổi thọ cũng cao hơn so với cảm biến khói ion hố. Vì vậy nên đầu báo khói

21


quang được sử dụng phổ biến hơn. Ngoài ra tuỳ theo hình thức kết nối sẽ có thêm các
phân loại: cảm biến khói dùng dây và cảm biến khói khơng dây.

2.1.3 Cảm biến nhiệt độ
a. Cấu tạo nguyên lý hoạt động cảm biến nhiệt
Cảm biến nhiệt được hiểu là thiết bị được dùng để đo sự biến đổi về nhiệt độ của
các đại lượng cần đo. Theo đó, khi nhiệt độ có sự thay đổi thì các cảm biến sẽ đưa ra
một tín hiệu và từ tín hiệu này các bộ đọc sẽ đọc và quy ra thành nhiệt độ bằng một
con số cụ thể. Cảm biến nhiệt được biết đến với khả năng thực hiện các phép đo nhiệt
độ với độ chính xác cao hơn nhiều so với khi thực hiện bằng các loại cặp nhiệt điện
hoặc nhiệt kế. Cảm biến nhiệt cịn có tên gọi khác là nhiệt kế điện trở metaI
Cấu tạo cảm biến nhiệt:
Bộ phận cảm biến: đây được xem là bộ phận quan trọng nhất quyết định đến độ
chính xác của tồn bộ thiết bị cảm biến. Nó được đặt bên trong vỏ bảo vệ.
Dây kết nối: các bộ phận cảm biến có thể được kết nổi bằng 2,3 hoặc 4 dây kết
nổi. Trong đó, vật liệu dây sẽ phụ thuộc hoàn toàn vào điều kiện sử dụng đầu đo.
Chất cách điện gốm: bộ phận này với nhiệm vụ chủ yếu là làm chất cách điện
ngừa đoản mạch và thực hiện cách điện giữa các dây kế nối với vỏ bảo vệ.
Phụ chất làm đầy: gồm bột alumina mịn, được sấy khô và rung. Phụ chất này với
chức năng chính là lắp đầy tất cả khoảng trống để bảo vệ cảm biến khỏi các rung động.
Vỏ bảo vệ: giống như tên gọi, bộ phận này được dùng đẻ bảo vệ bộ phận cảm
biến và dây kết nối. Bộ phận này phải được làm bằng vật liệu phù hợp với kích thước
phù hợp và khi cần thiết có thể bọc thêm vỏ bọc bằng vỏ bổ sung.
Đầu kết nối: Bộ phận này được làm bằng vật liệu cách điện (gốm), chứa các bảng
mạch, cho phép kết nối của điện trở. Trong đó, bộ chuyển đổi 4-20mA khi cần thiết có
thể được cài đặt thay cho bảng đầu cuối.

Hình 2.6 Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ

22


* Nguyên lí hoạt động:

Cảm biến nhiệt hoạt động dưa trên cơ sở là sự thay đổi điện trở của kim loại so
với sự thay đổi nhiệt độ vượt trội.
Cụ thể, khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ có một sức
điện động V được phát sinh tại đầu lạnh. Nhiệt độ ở đầu lạnh phải ổn định và đo được
và nó phụ thuộc vào chất liệu. Chính vì vậy mà mới có sự xuất hiện của các loại cặp
nhiệt độ và mỗi loại cho ra một sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T.
Nguyên lí làm việc của cảm biến nhiệt chủ yếu dựa trên mối quan hệ giữa vật
liệu kim loại và nhiệt độ. Cụ thể, khi nhiệt độ là 0 thì điện trở ở mức 100Ω và điện trở
của kim loại tăng lên khi nhiệt độ tăng và ngược lại.
Việc tích hợp bộ chuyển đổi tín hiệu giúp nâng cao hiệu suất làm việc của cảm
biến nhiệt và giúp cho việc vận hành, lắp đặt được dễ dàng hơn.
b. Chọn cảm biến nhiệt
Với yêu cầu của đề tài thì ta chọn cảm biến nhiệt độ PT 100

Hình 2.9 Cảm biến nhiệt độ PT 100

Thông số kỹ thuật:
- Loại cảm biến: Pt100 3 dây – dạng củ hành
- Vật liệu: Inox 304
- Đường kính đầu dị: 8mm
- Đơ dài đầu dò: 250mm
- Đo nhiệt độ từ: -80 … +600oC
- Ren kết nối: G1/2 ~ 21mm loại ren thẳng

23


2.1.4 Cảm biến quang

Hình 2.10 Cấu tạo cảm biến quang

Cảm biến quang (Photoelectric Sensor) là được cấu tạo bởi linh kiện bán dẫn
quang điện. Khi có anh sáng chiếu vào bề mặt bán dẫn sẽ thay đổi tính chất của light
sensor. Tín hiệu quang này được chuyển đổi sang tín hiệu điện quy chuẩn. Thông qua
một bảng mạch điện tử, nhờ hiện tượng phát xạ điện tử ở cực catot.
Thưởng thì cảm biến quang có một đầu thu và phát tín hiệu quang. Và được chia
làm nhiều loại theo nguyên lý làm việc.
- Loại cảm biến quang thu phát gồm một bộ phát ánh sáng như hồng
ngoại, laze vv. Và bộ thu là sensor quang rất nhạy, để chuyển đổi tính hiệu quang sang
tín hiệu điện
- Cảm biến quang phản xạ gương tức là nó thu phát và nhận tín hiệu qua chiếc
gương được đặt đối diện. Nguyên lý là nếu khơng có vật chạy qua thì tín hiệu từ đầu
phát sẽ phản xạ lại vào đầu thu. Tín hiệu thường xuất ra NPN or PNP.

Hình 2.11 Cảm biến quang phản xạ gương

24


Ưu điểm của loại cảm biến quang phản xạ gương này là: Phát hiện vật rất xa cho
với cảm biến quang thu phát thông thường. Hay cảm biến quang độc lập. Tiết kiện chi
phí lắp đặt, kinh phí đầu tư vv…

Hình 2.12 Sơ đồ nối dây tín hiệu cảm biến

Trên hình là sơ đồ kết nối Optical sensor reflects the mirror gồm 3 đầu ra, dây
xanh kết nối nguồn âm, dây nâu kết nối nguồn dương, dây đen là ngõ ra output dạng
tín hiệu.
Với u cầu của đề tài thì nên chọn cảm biến quang loại 3 dây PNP

Hình 2.13 Cảm biến thu phát quang

2.1.5 Động cơ một chiều giảm tốc

Hình 2.14 Động cơ giảm tốc một chiều

25