Nghiên cứu phát triển cảm biến trạng thái cửa ứng dụng trong hệ điều khiển của nhà thông minh (smarthome)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIÊP VIỆT NAM
KHOA CƠ ĐIỆN VÀ CƠNG TRÌNH
BỘ MƠN KỸ THUẬT ĐIỆN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

BÁO CÁO KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN TRẠNG THÁI CỬA ỨNG
DỤNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN CỦA NHÀ THÔNG MINH
(SMARTHOME)

NGÀNH

: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

MÃ SỐ

: 7510203

Giáo viên hướng dẫn

: TS. Hoàng Sơn

Sinh viên thực hiện

: Trần Quỳnh Trang

Mã sinh viên

: 1851080456

Lớp

: K63 – CNKTCĐT

Khóa học

: 2018 – 2022

Hà Nội, 2022


LỜI NÓI ĐẦU
Sau hơn 4 năm học tại trường đại học, Đồ án tốt nghiệp là môn học cuối cùng
đánh dấu sự kết thúc quá trình học tập và rèn luyện các kiến thức cơ bản, đồng thời
mở ra con đường thực tế đi vào cuộc sống trong tương lai. Quá trình làm luận văn đã
giúp em thu thập, tổng hợp lại các kiến thức đã học trong suốt những năm qua, qua
đó rèn luyện khả năng tính tốn và giải quyết các vấn đề thực tế.
Trong quá trình làm đồ án này em đã gặp khơng ít những khó khăn và trở ngại
do vốn kiến thức còn hạn chế. Dù bận rộn rất nhiều công việc nhưng các thầy cô vẫn
giành nhiều thời gian và tâm huyết trong việc hướng dẫn em. Các thầy cô luôn quan
tâm, chỉ bảo và sửa chữa những vấn đề quan trọng giúp em định hướng và làm việc
theo quan điểm đúng đắn, chính sự tận tâm và nhiệt huyết của thầy cô đã giúp cho
em có được tinh thần, một niềm tin và khối lượng kiến thức phong phú để đến ngày
hôm nay đồ án tốt nghiệp của em đã được hoàn thành.
Trước hết, với tất cả tấm lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn quý
thầy, cô khoa Cơ điện và Cơng trình. Đặc biệt là các thầy, cơ trong bộ mơn Kỹ thuật
điện và Tự động hóa đã tận tình chỉ dạy và trang bị cho em những kiến thức cần thiết
trong suốt thời gian ngồi trên ghế giảng đường, làm nền tảng cho em có thể hồn
thành được bài khóa luận này.
Em xin trân trọng cảm ơn thầy Hồng Sơn đã tận tình giúp đỡ, định hướng
cách tư duy và cách làm việc khoa học. Đó là những góp ý hết sức q báu khơng chỉ
trong q trình thực hiện khóa luận này mà cịn là hành trang tiếp bước cho em trong

quá trình học tập và lập nghiệp sau này.
Và cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân, bạn bè đã luôn
bên cạnh ủng hộ và động viện; cảm ơn tập thể lớp K63-CĐT đã gắn bó và cùng học
tập, giúp đỡ em trong suốt thời gian qua, cũng như trong q trình hồn thành đồ án
tốt nghiệp này.
Tuy nhiên điều kiện về năng lực bản thân còn hạn chế, chuyên đề khóa luận
tốt nghiệp chắc chắn khơng tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong nhận được sự
đóng góp ý kiến của các thầy cơ giáo, bạn bè để bài khóa luận của em được hoàn
thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày ...... tháng ...... năm 2022
Sinh viên thực hiện
(Chữ ký, họ tên)


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Họ và tên sinh viên:.......................................................................................................
Mã sinh viên: ................................................................................................................
Lớp: ...............................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Kết luận: Đồng ý/Không đồng ý cho sinh viên…………nộp báo cáo khóa luận tốt
nghiệp.
Hà Nội, ngày……tháng……năm……
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
(Chữ ký, Họ tên)


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Họ và tên sinh viên:.......................................................................................................
Mã sinh viên: .................................................................................................................
Lớp: ...............................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
(Chữ ký, Họ tên)


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH
PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ...................................1
1. Lí do chọn đề tài: ...................................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu: ............................................................................................1
3. Đối tượng nghiên cứu: ..........................................................................................1
4. Phạm vi nghiên cứu: .............................................................................................1

5. Phương pháp nghiên cứu: ....................................................................................1
6. Kết quả dự kiến đạt được: ....................................................................................1
PHẦN 2: NỘI DUNG KHĨA LUẬN ................................................................2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NHÀ THƠNG MINH VÀ CÁC THIẾT BỊ
ĐIỀU KHIỂN CỦA NHÀ THÔNG MINH ......................................................2
1.1. Tổng quan về các thiết bị điều khiển dùng cho nhà thông minh ...................2
1.2. Tổng quan về các cảm biến cửa của nhà thông minh .....................................3
1.2.1. Chức năng, công dụng của cảm biến cửa .........................................................5
1.2.2. Các loại cảm biến cửa ứng dụng cho nhà thơng minh .....................................5
CHƯƠNG 2. MƠ HÌNH HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ VÀ NGHIÊN CỨU
THIẾT KẾ MẠCH PHẦN CỨNG ....................................................................7
2.1. Mơ hình hoạt động của thiết bị .........................................................................7
2.1.1. Thiết bị trong mơ hình hoạt động ......................................................................7
2.1.2. Cloud server trong mơ hình hoạt động .............................................................8
2.2. Sơ đồ khối phần cứng ........................................................................................8
2.3. Thiết kế mạch .....................................................................................................9
2.3.1. Lựa chọn linh kiện cho mạch ............................................................................9
2.3.1.1. Lựa chọn linh kiện cho mạch Điều khiển trung tâm (Gateway) ....................9
2.3.1.2. Lựa chọn linh kiện cho mạch Cảm biến (Sensor) ........................................14
2.3.2. Thiết kế mạch nguyên lý và mạch in ...............................................................18
2.3.2.1. Thiết kế mạch nguyên lý và mạch in cho mạch Điều khiển trung tâm
(Gateway). .................................................................................................................18


2.3.2.2. Thiết kế mạch nguyên lý và mạch in cho mạch Cảm biến (Sensor).............21
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC TRUYỀN THƠNG VÀ TRAO
ĐỒI TÍN HIỆU .................................................................................................25
3.1. Cơng nghệ wifi và BLE ....................................................................................25
3.1.1. Wifi ..................................................................................................................25
3.1.2. Bluetooth Low Energy .....................................................................................25

3.1.3. Ứng dụng beacon của BLE .............................................................................27
3.2. Mơ hình truyền thơng dữ liệu .........................................................................28
3.2.1. Mơ hình Center-Peripheral trong BLE ...........................................................28
3.2.2. Mơ hình Client-Server trong mạng .................................................................29
3.3. Giao thức truyền thông MQTT ......................................................................31
3.4. Giới thiệu cloud server.....................................................................................32
3.4.1. Cloud server là gì ............................................................................................32
3.4.2. Cloud server Thingspeak.................................................................................33
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN VÀ PHẦN
MỀM ..................................................................................................................34
4.1. Lưu đồ giải thuật phần mềm ...........................................................................34
4.1.1. Lưu đồ phần mềm trên mạch cảm biến ...........................................................34
4.1.2. Lưu đồ phần mềm trên mạch điều khiển trung tâm ........................................34
4.2. Cài đặt các thơng số trên cloud server ...........................................................35
4.3. Lập trình phần mềm trên mạch điều khiển trung tâm và mạch cảm biến 37
4.3.1. Lâp trình mạch cảm biến.................................................................................37
4.3.2. Lâp trình mạch điều khiển trung tâm ..............................................................38
4.4. Tiến hành kiểm thử nghiệm (kết quả Demo, kết quả thử nghiệm thực) ....39
4.4.1. Sản phầm sau khi hoàn thiện ..........................................................................39
4.4.2. Kết quả dữ liệu trên cloud ...............................................................................40
4.5. Hướng phát triển ..............................................................................................40
KẾT LUẬN - TỒN TẠI - KIẾN NGHỊ .............................................................41
1. Kết luận ................................................................................................................41
2. Tồn tại...................................................................................................................41
3. Kiến nghị ..............................................................................................................41
PHỤ LỤC
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

IoT

VPN

Từ đầy đủ

Nội dung

Internet of
Things

Là một liên mạng, trong đó các thiết bị, phương tiện vận tải,
phòng ốc và các trang thiết bị khác được nhúng với các bộ
phận điện tử, phần mềm, cảm biến, cơ cấu chấp hành cùng
với khả năng kết nối mạng máy tính giúp cho các thiết bị này
có thể thu thập và truyền tải dữ liệu.

Virtual
Private
Network

Là mạng riêng ảo, cho phép người dùng thiết lập mạng riêng
ảo với một mạng khác trên Internet.

HTTP

HyperText
Transfer

Protocol

Giao thức truyền tải siêu văn bản, đây là một giao thức ứng
dụng được sử dụng thường xuyên nhất trong bộ các giao
thức TCP/IP (gồm một nhóm các giao thức nền tảng cho
internet).

MQTT

Message
Queuing
Telemetry
Transport

Là giao thức truyền thơng điệp (message) theo mơ hình
publish/subscribe (cung cấp/th bao), được sử dụng cho
các thiết bị IoT với băng thông thấp, độ tin cậy cao và khả
năng được sử dụng trong mạng lưới không ổn định.


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1 Hoạt động của mơ hình Center-Peripheral:..............................................29


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Tổng quan về nhà thơng minh ....................................................................2
Hình 1.2: Cảm biến cửa ..............................................................................................4
Hình 1.3: Cảm biến cửa với đèn và rèm cửa thơng minh ...........................................5
Hình 1.4: Cảm biến cửa với cảm biến chuyển động và camera thơng minh ..............6
Hình 1.5: Cảm biến cửa với cịi hú thơng minh ..........................................................6

Hình 2.1: Mơ hình hoạt động của thiết bị ...................................................................7
Hình 2.2: Sơ đồ khối mạch Điều khiển trung tâm và mạch Cảm biến........................8
Hình 2.3: Module thu phát wifi bluetooth ESP32 .......................................................9
Hình 2.4: Sơ đồ chân của module thu phát wifi bluetooth ESP32............................12
Hình 2.5: IC ổn áp nguồn AMS1117 SMD chân dán................................................12
Hình 2.6: Cuộn cảm dán 2.2uH 0805 SMD ..............................................................13
Hình 2.7: Module Bluetooth E73 chip nRF52832 ....................................................14
Hình 2.8: Sơ đồ chân của module bluetooth E73 .....................................................16
Hình 2.9: Cơng tắc từ ................................................................................................16
Hình 2.10: Cơng tắc gạt 3 chân ................................................................................17
Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý mạch Điều khiển trung tâm (Gateway) ........................18
Hình 2.12: Mơ phỏng 2D mạch điều khiển trung tâm ..............................................19
Hình 2.13: Mơ phỏng 3D mạch điều khiển trung tâm (mặt trước) ...........................19
Hình 2.14: Mơ phỏng 3D mạch điều khiển trung tâm (mặt sau) ..............................20
Hình 2.15: Khối chuyển đổi nguồn của mạch Điều khiển trung tâm .......................20
Hình 2.16: Khối vi xử lý của mạch Điều khiển trung tâm ........................................21
Hình 2.17: Sơ đồ nguyên lý mạch Cảm biến (Sensor) ..............................................21
Hình 2.18: Mơ phỏng 2D mạch Cảm biến ................................................................22
Hình 2.19: Mơ phỏng 3D mạch Cảm biến (mặt trước).............................................22
Hình 2.20: Mơ phỏng 3D mạch Cảm biến (mặt sau) ................................................22
Hình 2.21: Khối nguồn của mạch Cảm biến (Sensor) ..............................................23
Hình 2.22: Khối cảm biến của mạch Cảm biến (Sensor)..........................................23
Hình 2.23: Khối xử lý của mạch Cảm biến (Sensor) ................................................24
Hình 3.1: Mơ hình Center-Peripheral ......................................................................28
Hình 3.2: Mơ hình Client-Server ..............................................................................29
Hình 3.3: Giao diện dashboard điều khiển và quản lý dữ liệu .................................33


Hình 4.1: Lưu đồ phần mềm trên mạch cảm biến .....................................................34
Hình 4.2: Lưu đồ hoạt động của điều khiển trung tâm .............................................35

Hình 4.3: Cài đặt thơng số đăng nhập cho thiết bị ...................................................36
Hình 4.4: Cài đặt thơng số để lưu dữ liệu.................................................................36
Hình 4.5: Khung truyền của beacon .........................................................................37
Hình 4.6: Xử lí đọc và update dữ liệu trạng thái cửa ...............................................37
Hình 4.7: Cấu hình kết nối cloud ..............................................................................38
Hình 4.8: Nhận và update dữ liệu lên cloud .............................................................38
Hình 4.9: Mạch Điều khiển trung tâm - Gateway (mặt trước) .................................39
Hình 4.10: Mạch Điều khiển trung tâm - Gateway (mặt sau) ..................................39
Hình 4.11: Mạch Cảm biến - Sensor (mặt trước) .....................................................39
Hình 4.12: Mạch Cảm biến - Sensor (mặt sau) ........................................................40
Hình 4.13: Kết quả dữ liệu trên cloud ......................................................................40


PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1. Lí do chọn đề tài:
Nhà thông minh là một xu hướng phát triển hiện nay của xã hội, việc ứng dụng
các thiết bị điều khiển thông minh trong một ngôi nhà đem lại sự tiện ích cho người
sử dụng. Ngồi ra, hệ thống điều khiển nhà thơng minh cịn đem lại giải pháp an ninh
tốt cho ngôi nhà như: báo trộm, báo cháy, báo khí ga …vv. Do vậy, việc chọn đề tài
“Nghiên cứu phát triển cảm biến trạng thái cửa ứng dụng trong hệ điều khiển nhà
thông minh” sẽ đưa tới giải pháp giám sát trạng thái cửa, từ đó báo lên hệ thống và
thông báo tới gia chủ qua điện thoại, từ đó gia chủ có thể biết được trạng thái các cửa
có trong gia đình, đề phịng kẻ gian cũng như báo động tới gia chủ khi có kẻ gian đột
nhập vào nhà. Vấn đề nghiên cứu này là rất hữu ích, có tính cấp thiết cao, đem đến
sự hồn thiện cho hệ thống điều khiển nhà thơng minh.
2. Mục tiêu nghiên cứu:
Nghiên cứu thiết bị cảm biến phát hiển trạng thái cửa, thiết bị có chức năng
truyền tín hiệu thơng qua Bluetooth đến một thiết bị khác có kết nối mạng internet để
báo hiệu trạng thái cũng như cảnh báo sự đột nhập tới gia chủ thông qua điện thoại,
máy tính hoặc thiết bị kết nối internet khác.

3. Đối tượng nghiên cứu:
Cửa và cảm biến cửa sử dụng trong nhà thông minh.
4. Phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu cảm biến được sử dụng trong nhà ở dân sự, không nghiên cứu cảm
biến sử dụng trong các công xưởng, nhà kho, nhà máy, đơn vị công an, quân đội.
5. Phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp lý thuyết: Nghiên cứu qua sách báo, mạng và các phương tiện
thông tin khác.
Phương pháp kế thừa: Kế thừa các nghiên cứu trước của đồng nghiệp.
6. Kết quả dự kiến đạt được:
Bộ cảm biến trạng thái cửa.

1


PHẦN 2: NỘI DUNG KHÓA LUẬN
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NHÀ THÔNG MINH VÀ CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU
KHIỂN CỦA NHÀ THÔNG MINH
1.1. Tổng quan về các thiết bị điều khiển dùng cho nhà thông minh
Nhà thông minh (Smart Home) là căn nhà được tích hợp các thiết bị, điện tử
được điều khiển, giám sát, truy cập từ xa. Smart Home được xây dựng trên nền tảng
khái niệm Internet vạn vật (IoT). Tại đây, các thiết bị trong nhà có thể trao đổi thông
tin với nhau, điều chỉnh các chức năng theo thói quen sinh hoạt hàng ngày của người
dùng. Hệ thống điện tử này giao tiếp với người dùng thông qua bảng điện tử đặt trong
nhà, ứng dụng trên điện thoại di động, máy tính bảng hoặc một giao diện web.
Nhờ ứng dụng các công nghệ như hồng ngoại, điện thoại thơng minh, IoT,
cơng nghệ đám mây… Nhà thơng minh tích hợp các hệ thống cơ bản như hệ thống
điều khiển ánh sáng, hệ thống an ninh, hệ thống điều khiển rèm, hệ thống kiểm sốt
mơi trường, thiết bị cảm ứng… Việc điều khiển các hệ thống này thông qua một phần
mềm cài đặt trên điện thoại hoặc máy tính có kết nối internet, có thể điều khiển nó từ

bất kỳ đâu hoặc điều khiển bằng giọng nói.

Hình 1.1: Tổng quan về nhà thông minh

Trong một căn nhà thông minh hay Smarthome, mọi nơi sẽ được kiểm soát
bằng các thiết bị điện tử. Chúng sẽ sử dụng các cách giao tiếp riêng đề hiểu nhau như:
Bluetooth, Zigbee, Z-Wave, Wifi, Matter, KNX, … Và con người sẽ điều khiển qua
chính chiếc điện thoại hay giọng nói của mình.
Sử dụng cơng nghệ trong nhà, con người có thể kiểm sốt và xem những gì
đang diễn ra trong nhà của mình. Ngay cả khi khơng có ai ở đó, sử dụng điện thoại
2


thơng minh, máy tính bảng hoặc đơi khi là máy tính. Chẳng hạn, nếu có con nhỏ ở
nhà thì cũng có thể biết được mọi hoạt động của chúng.
Nhà thơng minh giúp tiết kiệm năng lượng vì bây giờ khơng cần phải đốt tiền
bằng cách quên tắt máy lạnh khi đi làm. Bằng cách theo dõi hệ thống sưởi, nước và
điện, sẽ có rất ít khả năng chi trả q mức hóa đơn điện.
Sử dụng các Camera thơng minh và thiết bị an ninh để bảo vệ căn nhà. Những
camera chất lượng cao thường kết nối trực tiếp với điện thoại.
Hệ thống điều khiển rèm cửa, cửa sổ, cửa ra vào cũng ln được tích hợp trong
một ngơi nhà thơng minh. Với hệ thống điều khiển này thì chỉ cần ngồi tại chỗ mà
vẫn có thể dễ dàng điều khiển hệ thống rèm rửa, cửa cuốn… thông qua một cái chạm
tay. Đồng thời cũng có thể thiết lập kịch bản cho rèm cửa như hạ xuống vào lúc 21h
và mở lên vào lúc 6h sáng hôm sau. Hoặc điều khiển mở rèm bằng giọng nói với loa
thơng minh.
Nhà thơng minh cịn có chức năng vơ cùng đặc biệt đó là điều khiển bằng
giọng nói. Đây là một chức năng rất đặc biệt được nhiều người yêu thích bởi chúng
cho phép chủ nhà điều khiển, kiểm soát tất cả các thiết bị trong gia đình bằng giọng
nói của chính mình.

Chỉ với một thiết bị có trợ lý ảo là có thể điều khiển mọi thứ trong nhà của
mình. Cho dù ở bất cứ nơi đâu, dù đi công tác, du lịch nghỉ dưỡng, … Phổ biến nhất
hiện nay đó là trợ lý ảo Siri, Google Assistant, Amazon Alexa.
Hệ thống điều hòa đều có thể thơng minh hơn mà khơng cần phải lắp đặt phức
tạp hay tu sửa. Chỉ với một thiết bị hồng ngoại khơng dây, cũng có thể điều khiển
máy lạnh từ điện thoại.
Cảm biến thông minh cũng là một yếu tố quan trọng và không thể thiếu trong
internet vạn vật (IoT), mơi trường ngày càng phổ biến trong đó hầu hết mọi thứ có
thể tưởng tượng đều có thể được trang bị một mã nhận dạng duy nhất và khả năng
truyền dữ liệu qua internet hoặc một mạng tương tự. Một cách triển khai của cảm
biến thông minh là các thành phần của mạng cảm biến và thiết bị truyền động khơng
dây (WSAN) có các nút có thể lên tới hàng nghìn, mỗi nút được kết nối với một hoặc
nhiều cảm biến và trung tâm cảm biến khác, cũng như các thiết bị truyền động riêng
lẻ.
1.2. Tổng quan về các cảm biến cửa của nhà thông minh
Cảm biến cửa (Door Sensor hay Door Contact) là sản phẩm có chức năng phát
hiện trạng thái đóng/mở cửa. Thiết bị có thể lắp đặt để đảm bảo an ninh cho mọi hệ
thống cửa như: cửa sổ, cửa ra vào, cổng nhà để xe… Thiết bị rất quan trọng trong hệ
3


thống an ninh của smarthome. Nó có chức năng báo động cho bạn biết khi có người
đột nhập vào nhà. Lúc này, cảm biến sẽ gửi tín hiệu nhận được về bộ điều khiển trung
tâm (HC). HC xử lý tín hiệu và truyền dữ liệu về điện thoại, máy tính, ipad, … để
thơng báo, kích hoạt các hệ thống thiết bị “chống trộm” của chủ nhà hoạt động để
cảnh báo.

Hình 1.2: Cảm biến cửa

Cảm biến cửa kết nối với Wi-Fi và hoạt động thông qua một bộ điều khiển

trung tâm (gồm cả khơng dây và có dây). Mặc dù có một số loại và kiểu cảm biến báo
động cửa khác nhau, nhưng hầu hết đều sử dụng công tắc từ và nam châm để xác định
thời điểm cửa mở hoặc đóng. Khi cơng tắc đóng thì hai bộ phận của nam châm đặt
gần nhau (song song nhau) và sẽ xuất hiện dịng điện chạy qua. Khi cơng tắc bị mở
thì hai thành phần nam châm tách ra, làm cho dòng điện ngừng và mạch hở. Khi đó,
sẽ có một thơng báo được gửi tới bộ điều khiển trung tâm để kích hoạt cảnh báo trên
điện thoại của bạn, và làm hoạt động các hệ thống báo động trong nhà.
Cảm biến thông minh là một thiết bị lấy đầu vào từ mơi trường vật lý và sử
dụng tài ngun máy tính tích hợp để thực hiện các chức năng được xác định trước
khi phát hiện đầu vào cụ thể và sau đó xử lý dữ liệu trước khi chuyển nó.
Tài nguyên máy tính thường được cung cấp bởi bộ vi xử lý di động công suất
thấp. Ở mức tối thiểu, một cảm biến thông minh được làm bằng một bộ cảm biến,
một bộ vi xử lý và một số loại công nghệ truyền thơng. Tài ngun máy tính phải là
một phần không thể thiếu của thiết kế vật lý – một cảm biến chỉ gửi dữ liệu của nó để
xử lý từ xa không được coi là một cảm biến thông minh.

4


1.2.1. Chức năng, công dụng của cảm biến cửa
Cảm biến cửa là thiết bị giúp nhanh chóng nhận biết được khi nào cửa bị mở
ra hoặc bị trộm bẻ khóa để đột nhập. Vì vậy, nó thực sự hữu ích và an ninh cho ngôi
nhà của bạn.
Khi sử dụng cảm biến cửa cho mục đích phát hiện xâm nhập, cảm biến cửa có
hai chức năng quan trọng sau:
- Bảo vệ khơng gian trong nhà hay văn phịng, ngăn người ngồi xâm nhập
vào. Cảm biến cửa cho sẽ biết nếu ai đó vào nhà, cũng có thể đặt nó để phát ra báo
động ngăn cản ai đó xâm nhập vào.
- Sử dụng cảm biến cửa để theo dõi bất kỳ ai đang ở trong nhà. Điều đó đảm
bảo rằng những đứa trẻ nhỏ (≤ 3 tuổi) không đi lung tung khi khơng có người lớn

giám sát.
Khơng chỉ bảo vệ ngơi nhà khỏi sự xâm nhập của người lạ từ bên ngoài mà
cịn có thể đảm bảo trẻ nhỏ vẫn an tồn khi ở trong nhà. Khi kết nối với cảm biến với
điện thoại, thì sẽ ln theo dõi được tình trạng ngơi nhà. Mỗi khi có sự cố khơng may,
kẻ đột nhập thì có thể nhận biết kịp thời và hồn tồn n tâm trong những chuyến đi
chơi hay cơng tác xa nhà.
1.2.2. Các loại cảm biến cửa ứng dụng cho nhà thơng minh
Đối với nhà thơng minh, hồn tồn có thể kết hợp nhiều thiết bị với nhau để
chúng có thể tự động hoạt động theo những kịch bản có sẵn. Cảm biến cửa cũng
khơng phải ngoại lệ vì nó dễ dàng kết nối với các thiết bị thông minh khác. Tuy nhiên,
việc kết hợp cảm biến cửa với những thiết bị dưới đây sẽ là tốt nhất.

Hình 1.3: Cảm biến cửa với đèn và rèm cửa thông minh

Cảm biến cửa với đèn và rèm cửa thông minh: kết hợp hệ thống chiếu sáng
trong nhà và cảm biến cửa là kịch bản được rất nhiều gia chủ sử dụng. Có thể thiết
5


lập ngữ cảnh trở về nhà vào buổi tối lúc 18h, khi cửa mở là cảm biến sẽ truyền tín
hiệu để đèn sẽ tự động sáng và rèm cửa cũng tự động kéo ra.

Hình 1.4: Cảm biến cửa với cảm biến chuyển động và camera thông minh

Cảm biến cửa với cảm biến chuyển động và camera thông minh: đây là sự kết
hợp hoàn hảo để đảm bảo an ninh trong nhà. Với 3 thiết bị này, thì hồn tồn n tâm
khi trời tối hoặc khi đi xa. Vì ngay khi phát hiện có hành động phá cửa bất thường
theo ngữ cảnh đã cài đặt thì tín hiệu từ thiết bị sẽ giúp hệ thống đèn tự động chiếu
sáng, còi hú to, rèm cửa trong nhà mở, ... đồng thời gửi cảnh báo đến trực tiếp
smartphone cho gia chủ.

Hình 1.5: Cảm biến cửa với cịi hú thơng minh

Cảm biến cửa với cịi hú thơng minh: đây cũng là một sự kết hợp đáng tham
khảo, trong trường hợp có ai mở cửa vào nhà thì cịi sẽ hú lên để cảnh báo. Giúp con
người khi đang không cầm điện thoại để nhận thơng báo của cảm biến cửa gửi tới vẫn
biết có người ra vào nhà mình.
6


CHƯƠNG 2. MƠ HÌNH HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ VÀ NGHIÊN CỨU
THIẾT KẾ MẠCH PHẦN CỨNG
2.1. Mơ hình hoạt động của thiết bị
Hệ thống thiết kế bao gồm: mạch Cảm biến (Sensor) và mạch Điều khiển
trung tâm (Gateway).

Hình 2.1: Mơ hình hoạt động của thiết bị

Mơ hình hoạt động của thiết bị sẽ được chia làm 2 phần chính: phần thiết bị và
phần cloud server.
2.1.1. Thiết bị trong mơ hình hoạt động
Phần thiết bị sẽ bao gồm 1 thiết bị có khả năng phát hiện được trạng thái đóng
mở của cửa gọi mà thiết bị cảm biến. Thiết bị cảm biến sử dụng công nghệ Bluetooth
low energy (BLE) để truyền dữ liệu đi.
Một thiết bị trung gian nằm ở giữa gọi là thiết bị điều khiển trung tâm. Thiết
bị điều khiển trung tâm sử dụng công nghệ BLE để tiếp nhận dữ liệu từ 1 hoặc nhiều
cảm biến, mỗi cảm biến sẽ được phân biệt bằng chỉ số ID. Trong phạm vi khóa luận
sẽ sử dụng 1 cảm biến duy nhất. Trên thiết bị điều khiển trung tâm còn được trang bị
thêm cơng nghệ wifi để có khả năng kết nối ra ngoài phạm vi nội bộ, kết nối nối với
internet để gửi được dữ liệu ra bên ngoài. Cụ thể ở đây là thiết bị điều khiển trung

tâm sẽ gửi dữ liệu lên cloud Thingspeak.

7


2.1.2. Cloud server trong mơ hình hoạt động
Phần cloud server: trong mơ hình sử dụng 1 cloud server của bên thứ 3 đó là
Thingspeak. Thingspeak là một nền tảng mà có thể hiển thi dữ liệu trên Cloud. Chúng
ta có thể truy cập để hiển thị hoặc lấy dữ liệu từ Cloud về thiết bị IOT thông qua giao
thức HTTP và MQTT. Thingspeak hồn tồn miễn phí và giao diện cũng khá đẹp nên
có rất nhiều người trên thế giới sử dụng.
Thông qua Thingspeak dữ liệu mà thiết bị điều khiển trung tâm gửi lên thông
qua giao thức MQTT sẽ được lưu trữ và có thể hiển thị thơng qua các giao diện như
bảng biểu 1 cách trực quan.
Ngoài ra các thiết bị khác có thể truy cập đến Thingspeak để lấy dữ liệu hoặc
điều khiển ngược lại thiết bị.
2.2. Sơ đồ khối phần cứng
Hệ thống thiết kế bao gồm: mạch Điều khiển trung tâm (Gateway) và mạch
Cảm biến (Sensor).

Hình 2.2: Sơ đồ khối mạch Điều khiển trung tâm và mạch Cảm biến

- Sơ đồ khối mạch Điều khiển trung tâm (Gateway) bao gồm: cổng USB micro
để có thể cấp nguồn 5V (từ adapter, cổng USB laptop máy tính, ...); Khối chuyển đổi
nguồn 5V sang 3,3V, cấp nguồn hoạt động cho module ESP32; Module ESP32 đã
tích hợp sẵn antenna chạy Wifi và Bluetooth năng lượng thấp (BLE).
- Sơ đồ khối mạch Cảm biến (Sensor) bao gồm: khối nguồn (2 viên PIN AAA
1.5V mắc nối tiếp) cấp nguồn hoạt động cho Công tắc từ và Module E73 chạy
Bluetooth năng lượng thấp. Cơng tắc từ sẽ phát hiện sự kiện đóng mở cửa, tín hiệu
được đọc bởi Module E73.

8


2.3. Thiết kế mạch
2.3.1. Lựa chọn linh kiện cho mạch
2.3.1.1. Lựa chọn linh kiện cho mạch Điều khiển trung tâm (Gateway)
a. Module ESP

Hình 2.3: Module thu phát wifi bluetooth ESP32

Module thu phát wifi bluetooth ESP32 được phát triển trên nền module trung
tâm là ESP32 với công nghệ Wifi, BLE và nhân ARM SoC tích hợp mới nhất hiện
nay, kit có thiết kế phần cứng, firmware và cách sử dụng tương tự Kit NodeMCU
ESP8266, với ưu điểm là cách sử dụng dễ dàng, ra chân đầy đủ, tích hợp mạch nạp
và giao tiếp UART CP2102, Kit Wifi BLE ESP32 NodeMCU LuaNode32 là sự lựa
chọn hàng đầu trong các nghiên cứu, ứng dụng về Wifi, BLE và IoT.
* Thông số kỹ thuật:
- IC chính: Wifi BLE SoC ESP32 ESP-WROOM-32;
- Điện áp sử dụng: 2.2V~3.6VDC;
- Dòng điện sử dụng: ~90mA;
- Nhân xử lý trung tâm: ESP32-D0WDQ6 Dual-core low power Xtensa® 32bit LX6 microprocessors;
- ROM: 448KBytes;
- SRAM: 520 Kbytes;
- 8 KBytes SRAM in RTC SLOW;
- 8 KBytes SRAM in RTC FAST;
9


- 1 Kbit of EFUSE, 256 bits MAC;

- WiFi: 802.11 b/g/n/d/e/i/k/r (802.11n up to 150 Mbps);
- Bluetooth v4.2 BR/EDR and BLE specification;
- Wi-Fi mode Station/softAP/SoftAP+station/P2P;
- Security WPA/WPA2/WPA2-Enterprise/WPS;
- Encryption AES/RSA/ECC/SHA;
- IPv4, IPv6, SSL, TCP/UDP/HTTP/FTP/MQTT;
- Interfaces: SD-card, UART, SPI, SDIO, I2C, LED PWM, Motor PWM, I2S,
IR, GPIO, capacitive touch sensor, ADC, DAC, Hall sensor, temperature sensor.
- Kích thước: 18 x 25.5 x 3.1mm.
* Tính năng:
- Bộ xử lý:
+) CPU: Bộ vi xử lý Xtensa lõi kép (hoặc lõi đơn) 32-bit LX6, hoạt động ở tần
số 240 MHz (160 MHz cho ESP32-S0WD và ESP32-U4WDH) và hoạt động ở tối đa
600 MIPS (200 MIPS với ESP32-S0WD/ESP32-U4WDH).
+) Bộ đồng xử lý (co-processor) công suất cực thấp (Ultra low power, viết tắt:
ULP).
- Hệ thống xung nhịp: CPU Clock, RTC Clock và Audio PLL Clock.
+) Bộ nhớ nội: 448 KB bộ nhớ ROM cho việc booting và các tính năng lõi.
+) 520 KB bộ nhớ SRAM trên chip cho dữ liệu và tập lệnh.
- Kết nối không dây:
+) Wi-Fi: 802.11 b/g/n.
+) Bluetooth: v4.2 BR/EDR và BLE (chia sẻ sóng vơ tuyến với Wifi).
- 34 GPIO pad vật lý với các ngoại vi:
+) ADC SAR 12 bit, 18 kênh.
+) DAC 2 × 8-bit.
+) 10 cảm biến cảm ứng (touch sensor) (GPIO cảm ứng điện dung).
+) 3 SPI (SPI, HSPI và VSPI) hoạt động ở cả 2 chế độ master/slave. Module
ESP32 hỗ trợ 4 ngoại vi SPI với SPI0 và SPI1 kết nối đến bộ nhớ flash của ESP32
còn SPI2 và SPI3 tương ứng với HSPI và VSPI.[9]
+) 2 I²S

10


+) 2 I²C, hoạt động được ở cả chế độ master và slave, với chế độ Standard
mode (100 Kbit/s) và Fast mode (400 Kbit/s). Hỗ trợ 2 chế độ định địa chỉ là 7-bit và
10-bit. Các GPIO đều có thể được dùng để triển khai I²C.
+) 3 UART (UART0, UART1, UART2) với tốc độ lên đến 5 Mbps.
+) SD/SDIO/CE-ATA/MMC/eMMC host controller.
+) SDIO/SPI slave controller.
+) Ethernet MAC interface cho DMA và IEEE 1588 Precision Time Protocol
(tạm dịch: Giao thức thời gian chính xác IEEE 1588).
+) CAN bus 2.0.
+) Bộ điều khiển hồng ngoại từ xa (TX/RX, lên đến 8 kênh).
+) PWM cho điều khiển động cơ.
+) LED PWM (lên đến 16 kênh).
+) Cảm biến hiệu ứng Hall.
+) Bộ tiền khuếch đại analog công suất cực thấp (Ultra low power analog preamplifier).
- Bảo mật:
+) Hỗ trợ tất cả các tính năng bảo mật chuẩn IEEE 802.11, bao gồm WFA,
WPA/WPA2 và WAPI.
+) Secure boot (tạm dịch: khởi động an tồn).
+) Mã hóa flash.
+) 1024-bit OTP, lên đến 768-bit cho khách hàng.
+) Tăng tốc mã hóa phần cứng: AES, SHA-2, RSA, elliptic curve
cryptography (ECC, tạm dịch: mật mã đường cong ellip), trình tạo số ngẫu nhiên
(random number generator, viết tắt: RNG).
- Quản lý năng lượng:
+) Bộ ổn áp nội với điện áp rơi thấp (internal low-dropout regulator).
+) Miền nguồn riêng (individual power domain) cho RTC.

+) Dòng 5 μA cho chế độ deep sleep.
+) Trở lại hoạt động từ ngắt GPIO, timer, đo ADC, ngắt với cảm ứng điện
dung.

11


* Sơ đồ chân của module ESP32:

Hình 2.4: Sơ đồ chân của module thu phát wifi bluetooth ESP32

b. IC ổn áp nguồn AMS1117 SMD chân dán

Hình 2.5: IC ổn áp nguồn AMS1117 SMD chân dán

Dòng bộ điều chỉnh cố định và điều chỉnh tích cực WR1117A được thiết kế
để cung cấp 1A với hiệu suất cao. Tất cả các mạch bên trong được thiết kế để hoạt
động với mức chênh lệch đầu vào-đầu ra 1,4V. Cắt trên chip điều chỉnh điện áp tham
chiếu thành 2%. Mạch giới hạn dòng điện bên trong cho phép giảm thiểu ứng suất
trên cả bộ điều chỉnh và mạch nguồn trong điều kiện quá tải.
12


* Thông số kỹ thuật:
- Điện áp đầu vào: 12V;
- Điện áp đầu ra:1.2, 1.5, 1.8, 2.5, 3.3, 5V, ADJ;
- Dòng điện đầu ra: 1A;
- Nhiệt độ hoạt động: -40 đến 150 độ C;
- Kiểu chân: SMD.
* Tính năng:

- Đầu ra có thể điều chỉnh hoặc cố định;
- Dịng điện đầu ra 1A;
- Đốt cháy giới hạn nhiệt 100%;
- Bảo vệ giới hạn hiện tại;
- Phản hồi nhanh chóng;
- Nhiệt độ hoạt động: -40 ° C ~ 125 ° C.
* Ứng dụng:
- Ứng dụng vào các mạch điện tử;
- Thay thế IC bị hỏng;
- Ứng dụng trong các mạch ổn áp;
- Sử dụng trong các mạch nguồn ổn định;
c. Cuộn cảm dán 2.2uH 0805 SMD

Hình 2.6: Cuộn cảm dán 2.2uH 0805 SMD

13


* Tính năng:
- Dịng phân cực DC cao hơn và điện trở DC thấp hơn do công nghệ rãnh;
- Cấu hình thấp và độ dày mỏng;
- Cấu trúc nguyên khối cho độ tin cậy cao;
- Khả năng hàn tuyệt vời và khả năng chịu nhiệt cao;
- Khơng có khớp nối chéo do lá chắn từ tính.
2.3.1.2. Lựa chọn linh kiện cho mạch Cảm biến (Sensor)
a. Module E73

Hình 2.7: Module Bluetooth E73 chip nRF52832

E73-2G4M04S1B là mô-đun không dây bluetooth SMD dựa trên chip RF

nRF52832 của NORDIC. NRF52832 có lõi ARM CORTEX-M4 hiệu suất cao và
ngăn xếp giao thức và thu phát Bluetooth 4.2 và Bluetooth 5 RF, đồng thời có các tài
nguyên ngoại vi phong phú như UART, I2C, SPI, ADC, DMA, PWM, v.v... Mô-đun
mang lại hầu hết các cổng I/O, thuận tiện cho người dùng tiến hành phát triển nhiều
mặt. Mơ-đun có ăng-ten PCB tích hợp và có thể kết nối các ăng-ten khác thông qua
IPEX. E73-2G4M04S1B đã đạt được FCC, CE, RoHS và các báo cáo chứng nhận có
thẩm quyền quốc tế khác, người dùng không cần lo lắng về hiệu suất của nó. Chúng
tơi sử dụng tinh thể hoạt động trơi ở nhiệt độ thấp có độ chính xác cao 32MHz để
đảm bảo tính ổn định và đặc tính cơng nghiệp của nó. Mơ-đun này là một mơ-đun
SoC phần cứng thuần túy nên cần phải lập trình nó trước khi có thể sử dụng.

14


* Thông số kỹ thuật:
- IC nRF52832;
- RAM 64 KB;
- Giao diện Truyền thông I/O;
- Tần số làm việc 2379 đến 2496 MHz;
- Công suất truyền 4 dBm;
- Khoảng cách kiểm tra 100 m;
- Tốc độ dữ liệu khơng khí 1 Mbps, 2 Mbps;
- Nguồn điện 1,8V đến 3,6V;
- Mức giao tiếp 3,3V;
- Truyền dòng điện 18 mA;
- Loại giao diện UART, I2C, SPI;
- Nhiệt độ hoạt động -40 đến +85 ℃;
- Kích thước 17,5 x 28,7 mm.
* Tính năng:
- Khoảng cách giao tiếp được kiểm tra lên đến 100m;

- Cơng suất truyền tối đa 2,5mW, phần mềm có thể điều chỉnh nhiều cấp độ;
- Hỗ trợ bluetooth 4.2 và bluetooth 5.0;
- Tích hợp bộ dao động tinh thể xung nhịp 32,768 kHz;
- Hỗ trợ băng tần 2.4GHz ISM miễn phí giấy phép tồn cầu;
- Tài ngun phong phú, 512KB FLASH, 64KB RAM;
- Hỗ trợ nguồn điện 2.0V ~ 3.6V, nguồn điện hơn 3.3V có thể đảm bảo hiệu
suất tốt nhất;
- Thiết kế tiêu chuẩn cấp công nghiệp, hỗ trợ -40 ~ 85°C trong thời gian dài;
- Hỗ trợ ăng-ten PCB trên bo mạch và giao diện IPEX, người dùng có thể lựa
chọn theo nhu cầu của mình.
* Ứng dụng:
- Cảm biến nhà thông minh và công nghiệp;
- Hệ thống an ninh và hệ thống định vị;
- Điều khiển từ xa khơng dây, UAV;
- Bộ điều khiển từ xa trị chơi khơng dây;
- Sản phẩm chăm sóc sức khỏe;
15