Kỹ thuật cảm biến: Tìm hiểu các loại cảm biến trong nhà thông minh và thiết kế cảm biến chống trộm

Tìm hiểu các loại cảm biến trong nhà
thơng minh và thiết kế cảm biến
chống trộm
Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Hoàng Sỹ Hồng
Nhóm 7


Bảng phân chia cơng việc
Thành viên

MSSV

Nhiệm vụ

Nguyễn Quang Trung
(Nhóm trưởng)

20181797

Tổng hợp và làm slide, tìm hiểu cảm
biến đo nhiệt độ, độ ẩm, thiết kế mạch
cảm biến chống trộm

Lê Văn Nam

20181664

Tìm hiểu cảm biến đo bụi, quang điện
trở LDR của mạch chống trộm

Vũ Minh Tuấn

20181818

Tìm hiểu cảm biến chuyển động, thiết
kế mạch cảm biến chống trộm, thuyết
trình

Vũ Đình Long

20181632

Tìm hiểu cảm biến báo khói, IC 555 của
mạch chống trộm

20181553

Tìm hiểu cảm biến cửa từ, thiết kế
mạch cảm biến chống trộm, thuyết
trình

Nguyễn Kiêm Khiêm

2


Mục lục

Giới thiệu về nhà thơng minh

Tìm hiểu các loại cảm biến trong nhà thông minh

Thiết kế cảm biến chống trộm

3


Giới thiệu về nhà thông minh
Nhà thông minh (smart home) là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện,
điện tử có thể được điều khiển hoặc tự động hố  hoặc bán tự động. Thay thế
con người trong thực hiện một hoặc một số thao tác kiểm tra, điều khiển và tự
động hóa.
Hệ thống nhà thơng minh bao gồm:
- Thiết bị đầu cuối.
- Thiết bị trung tâm.
- Giao thức mạng.

4


Các loại cảm biến thông dụng trong nhà thông minh
- Cảm biến giám sát môi trường
- Cảm biến mở cửa
- Cảm biến khói
- Cảm biến ánh sáng
- Cảm biến giọng nói
- Cảm biến ngập nước
- Cảm biến chuyển động
…
Các loại cảm biến này đều có chung đặc điểm:
- Tính tiện dụng cao: điều khiển thiết bị từ xa vô cùng tiện lợi và hữu dụng

- Bảo vệ an toàn gia đình bạn mọi lúc mọi nơi
- Dễ dàng sử dụng và lắp đặt
- Điều khiển được nhiều thiết bị điện thông minh cùng lúc
- Tiết kiệm điện cho người sử dụng
5


Cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm
Việt Nam là nước  trong vùng nội chí tuyến chịu ảnh hưởng của kiểu khí
hậu nhiệt đới ẩm gió mùa. Nên độ ẩm trong khơng khí nước ta dao động từ 80100%, nhiệt độ trung bình năm 21oC đến 27oC ( biên độ nhiệt từ 7oC cho đến
40oC).
Trong các smart home hiện nay cần có những cảm biến đo nhiệt độ, độ
ẩm để giúp người chủ có thể chủ động bảo vệ sức khỏe cho bản thân
và gia đình trước những thay đổi ngày càng khó lường của thời tiết.
Các cảm biến dùng trong smart home phải có khoảng đo phù hợp với
khí hậu và mơi trường Việt Nam, có độ chính xác cao, tích hợp cả 2
thành phần đo nhiệt độ và độ ẩm trong cùng 1 cảm biến, nhỏ gọn và có
giá thành phù hợp.
Một sản phẩm thương mại
hồn chỉnh được bán trên thị
trường

6


DHT11
DHT11 sử dụng nguyên lý đo nhiệt độ, độ ẩm:
- Hệ số nhiệt điện trở âm (Nhiệt điện trở NTC) 
- Điện dung 
 - Điện áp hoạt động: 3V - 5V DC

 - Dòng điện tiêu thụ: 2.5mA
 - Phạm vi cảm biến độ ẩm: 20% - 90% RH, sai số
±5%RH
 - Phạm vi cảm biến nhiệt độ: 0°C ~ 50°C, sai số ±2°C
 - Tần số lấy mẫu tối đa: 1Hz (1 giây 1 lần)
 - Kích thước: 23 * 12 * 5 mm

7


Đo nhiệt độ trong DHT11
Để đo nhiệt độ, DHT11 sử dụng cảm biến nhiệt điện trở NTC (hệ số
điện trở âm) được gắn trên bề mặt trong vỏ nhựa. Giá trị điện trở giảm khi
nhiệt độ tăng
Để có được giá trị điện trở lớn hơn ngay cả khi nhiệt độ thay đổi nhỏ
nhất, cảm biến này thường được làm bằng gốm bán dẫn hoặc polyme .

8


Đo độ ẩm trong DHT11
Đối với đo độ ẩm, nó sử dụng cảm biến độ ẩm điện dung  , có  hai điện
cực và vật liệu nền (thường là muối hoặc polyme nhựa dẫn điện)  ở giữa.
Các ion được giải phóng bởi chất nền khi hơi nước bị nó hấp thụ, do đó
làm tăng độ dẫn điện giữa các điện cực. Sự thay đổi điện trở giữa hai điện
cực tỷ lệ với độ ẩm tương đối. Độ ẩm tương đối cao hơn làm giảm điện trở
giữa các điện cực, trong khi độ ẩm tương đối thấp hơn làm tăng điện trở
giữa các điện cực.

9

Sơ đồ giao tiếp giữa DH
T11 với vi điều khiển

      Dữ liệu truyền về của DHT11 gồm 40 bit dữ liệu theo thứ tự: 8 bit biểu

thị phần nguyên của độ ẩm + 8 bit biểu thị phần thập phân của độ ẩm + 8
bit biểu thị phần nguyên của nhiệt độ + 8 bit biểu thị phần thập phân của
nhiệt độ + 8 bit check sum.
      Ví dụ: ta nhận được 40 bit dữ liệu như sau:
0011 0101     0000 0000     0001 1000     0000 0000     0100 1101
Tính tốn: 
- 8 bit checksum: 0011 0101 + 0000 0000 + 0001 1000 +  0000 0000 =  0100
1101
- Độ ẩm: 0011 0101 = 35H = 53%
- Nhiệt độ: 0001 1000 = 18H = 24°C
10


Một số loại cảm biến khác
- Điện áp đầu vào 3.3-6V
- Dòng điện 1-1.5mA khi hoạt động
- Dòng điện 40-50 uA trong chế độ chờ
- Thang độ ẩm từ 0-100% RH
- Thang nhiệt độ từ -40 - 80 độ C
- Độ chính xác cảm biến độ ẩm +-2% RH
- Độ chính xác cảm biến nhiệt độ +-0.5 độ C
AHT20, là thế hệ cảm biến nhiệt độ và độ
ẩm mới

- Điện áp sử dụng: 2.0~5.5VDC
- Chuẩn giao tiếp: I2C
- Khoảng nhiệt độ đo được: -40 ~ 85 độ C,
sai số 0.3 độ C.
- Khoảng độ ẩm đo được: 0 ~100% RH, sai
số 2% RH.
- Kích thước: 10.4 x 15mm
11


Cảm biến khói trong nhà thơng minh
Khái niệm:
Cảm biến khói hay cảm biến báo khói là một thiết bị điện tử có khả
năng nhận biết và cảnh báo khói, hay các đám cháy

Hình ảnh cảm biến khói trong thực tế
12


Phân loại
Phân loại theo nguyên lý
Cảm biến khói phân ra thành các loại (theo nguyên lý):
- Ionization ( Ion hóa )
- Photoelectric ( quang-điện)

Đầu báo khói điểm

- Projected Beam ( tia phản xạ )
…
Trong mơ hình nhà thơng minh thường sử dụng 2 loại cảm biến chính là dạng

ion hóa và quang điện do ưu điểm về độ nhạy,độ tin cậy cao trong phạm vi diện
tích nhỏ và giá thành rẻ.

13


* Ionazation ( Ion hóa )
Nguyên lý: Bên trong buồng nhạy khói có một vât liệu (tạo nguồn bức xạ) có chức
năng tạo ra hay ion hố các phần tử khí giữa hai bản cực.Các phẩn tử khí bị i-on
hố này tạo thành một dòng điện nhỏ giữa hai bản cực.Khi có khói vào buồng, các
phần tử khói sẽ gắn kết vào các i-on khí, kết quả dịng điện giảm.
 => Trạng thái của dịng giữa hai bản cực chính là tín hiệu cảnh báo

SA303CN3
Ionization Smoke
14


* Photoelectric ( quang-điện)

Nguyên lý: Dựa trên sự phân tán hay phản xạ ánh sáng. Khi có khói, đầu thu
quang điện sẽ thu được ánh sáng.Trên cơ sở đó đưa ra tín hiệu cảnh báo trong
buồng tối có các lỗ thơng ra bên ngồi. Bên trong có một nguồn sáng và thu
nhằm mục đích tạo ra nguồn sáng cố định theo một hướng nhất định đồng
thời tạo ra sự chênh áp để hút khói vào bên trong buồng.

15


So sánh cảm biến ion hóa và cảm biến quang điện

Cảm biến khói Ion hóa

Cảm biến khói quang

Độ nhạy cao

Độ nhạy, độ bền cao

Phát hiện cháy tốt nhất ở giai đoạn
rực lửa

Phát hiện cháy tốt nhất ở giai đoạn
âm ỉ trước khi thành ngọn lửa lớn

Hoạt động kém hiệu quả ở mơi
trường nhiều gió
Sử dụng chất phóng xạ nên kém thân
thiện với mơi trường

Sử dụng điện thân thiện với mơi
trường

Khó vệ sinh, bảo trì

Dễ vệ sinh, bảo trì

Giá thành rẻ

Giá thành đắt hơn
16

Sản phẩm trong thực tế:

17


Cảm biến chuyển động
Cảm biến chuyển động là thiết bị điện thơng minh, có khả năng phát hiện
ra các chuyển động vật lý trên một thiết bị nào đó hoặc trong mơi trường
thật. Thiết bị này cũng có khả năng phát hiện và nắm bắt các chuyển động vật
lý hoặc động học trong thời gian thực nhất. 

18


Các loại cảm biến chuyển động hay được sử dụng
• Loại hồng ngoại: 
 Chủ động (IR sensor)
 Bị động (PIR sensor)
• Loại vi sóng.
• Loại siêu âm.
• Loại cơng nghệ kép.

19


Nguyên lý hoạt động của cảm biến PIR
Cảm biến hồng ngoại thụ động (PIR) chỉ phát hiện bức xạ hồng ngoại và
khơng phát ra nó.

         Cảm biến hồng ngoại thụ động bao gồm:
• Hai dải vật liệu nhiệt điện 
• Một bộ lọc hồng ngoại
• Thấu kính Fresnel
• Một đơn vị vỏ

Cảm biến PIR được sử dụng phổ biến nhất trong phát hiện dựa trên
chuyển động, chẳng hạn như hệ thống an ninh trong nhà,… 
20


Lợi ích khi sử dụng cảm biến chuyển động

Phát hiện sự xâm nhập trái phép

Giúp tiết kiệm điện năng cho hệ
thống ánh sáng trong nhà

Bảo vệ an toàn cho gia đình
21


Cảm biến chuyển động GD-RT12
Cảm biến chuyển động PIR của hãng Geagood (mã GD-RT12)

Tham khảo: Motion-Detector-Geagood
22


Cảm biến đo bụi

Cảm biến đo bụi là thiết bị giúp người sử dụng có thể giám sát, theo dõi
được chất lượng khơng khí thơng qua nồng độ bụi trong mơi trường sinh sống,
giúp họ có những biện pháp can
thiệp để cải thiện chất lượng
khơng khí tránh gây ra các bệnh
liên quan tới đường hô hấp và tai
mũi họng.

23


Các hạt bụi được phân loại thành 2 loại:
- PM10: các hạt mịn có đường kính nhỏ hơn hoặc bằng 10µm, nguồn phát có
thể là bụi đường, khói từ các nhà máy cơng nghiệp.
- PM2.5: các hạt mịn có đường kính nhỏ hơn hoặc bằng 2.5µm, được tìm thấy
trong khói và sương mù, từ các vụ cháy rừng, khí thải động cơ ô tô.

24


Chỉ số chất lượng khơng khí (AQI)
AQI: tập trung vào các vấn đề sức khoẻ mà chúng ta có thể gặp phải trong
vài giờ hoặc vài ngày sau khi hít phải khí ơ nhiễm.
Phương pháp tính tốn AQI chia thành 3 nhóm cơ bản:
• Sử dụng các bảng thơng số đối chiếu (Anh, Pháp, Canada)
• Sử dụng các thơng số tính tốn đơn giản (Australia, Thành phố Hồ Chí Minh)
• Sử dụng các cơng thức tính tốn phức tap (Mỹ, Braxin, Hồng Kơng, Hàn
Quốc…)
Phương pháp tính tốn AQI tại Việt Nam
Phát triển dựa theo phương pháp sử dụng công thức đơn giản và đồng

thời việc tính tốn AQI phải đảm bảo các u cầu sau:
• AQI được tính tốn riêng cho số liệu từng trạm quan trắc.
• AQI tính tốn cho từng thơng số quan trắc.
• Thang đo giá trị AQI được chia thành các khoảng nhất định.
25