Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển và giám sát tự động cho ngôi nhà

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn thầy giáo ThS. Nguyễn Thanh
Tùng, thầy đã tần tình giúp đỡ, định hướng cho em trong suốt quá tình tìm hiểu
nghiên cứu và thiết kế mô hình cho báo cáo thực tập này.
Em cũng xin bày tỏ lòng cảm ơn tới ban giám hiệu và các thầy cô trong
khoa Công nghệ điện tử viễn thông – Trường Đại học Công nghệ thông tin và
Truyền thông. Thầy cô đã tận tình dạy dỗ và tạo điều kiện học tập và nghiên cứu
trong những năm tháng học tại nhà trường.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, những người bạn luôn ở bên
động viên và giúp tôi hoàn thiện tốt khóa luận này.
Xin chân thành cảm ơn !
Thái Nguyên, tháng 3/2016
Sinh viên

Bùi Quang Vũ


LỚI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan:
Những nội dung trong đồ án này là do tôi tổng hợp và thực hiện. Mọi
tham khảo trong đồ án này đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên công trình,
thời gian địa điểm và công bố.
Mọi sao chép không hợp lệ vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tôi xin
chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Sinh viên

Bùi Quang Vũ

2

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................................................... 1
LỚI CAM ĐOAN ............................................................................................................................... 2
MỤC LỤC .............................................................................................................................................. 2
LỜI NÓI ĐẦU...................................................................................................................................... 6
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .........................................................................................................11
1.1. Tổng quan tình hình trong nước và quốc tế ..............................................11
1.1.1. Tình hình trên thế giới .......................................................................11
1.1.2. Tình hình trong nước .........................................................................13
1.2. Tổng quan về đề tài..................................................................................13
1.2.1. Yêu cầu đề tài ....................................................................................13
1.2.2. Tính cấp thiết của đề tài .....................................................................13
1.2.3 Giải pháp thiết kế................................................................................14
1.3 Tổng quan về Arduino ..............................................................................14
1.4. Tổng quan về camera giám sát.................................................................17
1.4.1. Định nghĩa .........................................................................................17
1.4.2. Lịch sử phát triển của Camera quan sát ..............................................18
1.4.3. Phân loại camera giám sát..................................................................20
1.4.4. Chất lượng hình ảnh..........................................................................26
1.4.5. Điều kiện hoạt động. ..........................................................................27
1.4.6. Góc quan sát. .....................................................................................28
CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU VỀ CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG .................29
HỆ THỐNG GIÁM SÁT AN NINH NGÔI NHÀ ..............................................................29
2.1. Giới thiệu về Arduino Mega2560.............................................................29
2.1.1. Giới thiệu...........................................................................................29
2.1.2. Sơ đồ chân của Arduino mega2560....................................................31
2.1.3. Sơ đồ nguyên lý Arduino Mega2560..................................................36
2.2. Giới thiệu về modul camera RS232 PTC08..............................................37
2.2.1. Giới thiệu...........................................................................................37
2.2.2. Các chỉ số hoạt động. .........................................................................37

3


2.2.3. Cấu tạo của PTC08. ...........................................................................38
2.2.4. Sơ đồ nguyên lý camera RS232 PTC08. ............................................41
2.2.5. Giao thức truyền thông. .....................................................................41
2.2.6. Quá trình chụp. ..................................................................................42
2.2.7. Các lĩnh vực sử dụng. ........................................................................43
2.3. Giới thiệu module cảm biến chuyển động (PIR) HC-SR501 ....................44
2.3.1.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến PIR..............................44
2.3.2. Tìm hiểu module cảm biến PIR..........................................................46
2.3.3. Thiết bị hội tụ tia nhiệt cho module cam biến PIR..............................50
2.3.4. Nguyên lý hoạt động của cảm biến PIR .............................................51
2.4. Giới thiệu về module sim900A ................................................................54
2.4.1. Tổng quan..........................................................................................54
2.4.2. Sơ đồ chân Module Sim 900a. ...........................................................57
2.5. Module MicroSD.....................................................................................61
2.5.1. Giới thiệu...........................................................................................61
2.5.2. Đặc tính kỹ thuật................................................................................61
2.6. Module cảm biến khí Gas MQ7 ...............................................................61
2.6.1. Khái niệm ..........................................................................................61
2.6.2. Đặc điểm kỹ thuật..............................................................................62
2.6.3. Thông số kỹ thuật ..............................................................................62
2.7. Module cảm biến lửa ...............................................................................62
2.7.1. Các tính năng chính ...........................................................................62
2.7.2. Ứng dụng...........................................................................................63
2.7.3. Mô tả .................................................................................................63
CHƯƠNG 3. NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH VÀ CÁC PHẦN MỀM PHỤ TRỢ .......64
3.1 .Ngôn ngữ lập trình ....................................................................................................................64

3.2. Phần mềm phụ trợ .....................................................................................................................64
3.3. Phần mềm Arduino IDE...........................................................................65
3.3.1. Cài đặt chương trình Arduino IDE .....................................................65
3.3.2. Cấu trúc lập trình trên Arduino ..........................................................69

4


3.3.3. Chương trình điều khiển 3 led đơn theo tín hiệu đèn giao thông.........70
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ..............................................................................75
4.1. Mô hình hệ thống.....................................................................................75
4.1.1. Sơ đồ khối hệ thống ...........................................................................75
4.1.2. Sơ đồ nguyên lý. ................................................................................78
4.2. Mô hình triển khai thực nghiệm ...............................................................89
4.2.1. Hình ảnh sản phẩm thực tế.................................................................89
4.2.2. Đánh giá kết quả ................................................................................90
4.2.3. Phương hướng phát triển....................................................................90
KẾT LUẬN ..........................................................................................................................................91

5


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Thiết bị Camera chụp ảnh nhanh nhất thế giới....................................11
Hình 1.2. Chiếc lens Dark Energy Camera ........................................................12
Hình 1.3. Những thành viên khởi xướng Arduino..............................................15
Hình 1.4. Hình ảnh một Arduino. ......................................................................16
Hình 1.5. Một số loại kit Arduino. .....................................................................17
Hình 1.6. Camera quan sát thực tế. ....................................................................18
Hình 1.7. Lịch sử phát triển của camera giám sát...............................................19

Hình 1.8. Camera loại analog. ...........................................................................20
Hình 1.9. Camera CMOS...................................................................................21
Hình 1.10. Camera có dây. ................................................................................22
Hình 1.11. Camera có dây. ................................................................................23
Hình 1.12. Camera IP ........................................................................................23
Hình 1.13 Camera áp trần. .................................................................................24
Hình 1.14. Camera ẩn dạng bút..........................................................................24
Hình 1.15 IR camera..........................................................................................25
Hình 2.1 Arduino Mega2560. ............................................................................29
Hình 2.2. Sơ đồ linh kiện của Arduino Mega2560. ............................................30
Hình 2.3 Sơ đồ chân Arduino Mega2560...........................................................31
Hình 2.4. Sơ đồ các cổng vào ra của Atmega2560. ............................................33
Hình 2.5. Shield hỗ trợ điều khiển motor. ..........................................................34
Hình 2.6. Shield hỗ trợ kết nối wifi....................................................................35
Hình 2.7. Mẫu lá chắn cho Arduino Mega. ........................................................35
Hình 2.8. Ma trận LED 8traanjhieenr thị ảnh. ....................................................36
Hình 2.10. Sơ đồ nguyên lý Arduino Mega2560................................................36
Hình 2.11. Module camera RS232 PTC08. ........................................................37
Hình 2.12 Cổng kết nối với PTC08....................................................................39
Hình 2.13. Mặt trước của PTC08.......................................................................39
Hình 2.14. Mặt sau của PTC08. .........................................................................40
Hình 2.15. Kích thước ống lens. ........................................................................40

6


Hình 2.16. Sơ đồ nguyên lý PTC08. ..................................................................41
Hình 2.17. Cảm biến PIR...................................................................................44
Hình 2.18 Cấu tạo phân tử trong PIR.................................................................45
Hình 2.19. Nguyên tắc tạo cảm biến chuyển động. ............................................45

Hình 2.20. Nguyên lý vào ra của PIR.................................................................46
Hình 2.21. Hỉnh ảnh một loại PIR......................................................................46
Hình 2.22. Các thành phần chính của modul PIR...............................................47
Hình 2.23. Các khổi trong cảm biến PIR............................................................48
Hình 2.24. Sơ đồ chân IC BISS0001..................................................................48
Hình 2.25. Chức năng các chân IC BISS0001....................................................49
Hình 2.26.Cấu tạo IC BISS0001. .......................................................................49
Hình 2.27. Sơ đồ tương đương của PIR. ............................................................50
Hình 2.28. Kính Fnesnel....................................................................................50
Hình 2.29. Sự hội tụ chủa kính Fresnel. .............................................................51
Hình 2.30. Khi vật thể chưa vào vùng ảnh hưởng. .............................................52
Hình 2.31. Khi vật thể vào vùng ảnh hưởng 1...................................................53
Hình 2.32. Khi vật thể đi vào vùng ảnh hưởng 2................................................53
Hình 2.33. Khi vật thể ra khỏi vùng ảnh hưởng. ................................................54
Hình 2.34. Khi vật thể đã đi xa. .........................................................................54
Hình 2.35. Sơ đồ chân Sim 900. ........................................................................57
Hình 2.36. Hình ảnh thực tế và thứ tự các chân Module Sim 900A....................58
Hình 2.37. Sơ đồ khối nguồn của Sim 900.........................................................58
Hình 2.38. Sơ đồ khối Speaker. .........................................................................59
Hình 2.39. Sơ đồ khối microphone. ..................................................................59
Hình 2.40. Sơ đồ khối truyền và nhận dữ liệu. ...................................................60
Hình 2.41. Mặt sau Module sim 900. .................................................................60
Hình 2.42. Sơ đồ khối Sim card. ........................................................................60
Hình 2.43. Module microSD..............................................................................61
Hình 2.44. Cảm biến khí ga MQ7 ......................................................................62
Hình 2.45. Module cảm biến lửa........................................................................63

7

Hình 3.1. Phần mềm Proteus..............................................................................65
Hình 3.2. Phần mềm Arduino IDE.....................................................................65
Hình 3.2. Arduino IDE. .....................................................................................66
Hình 3.3. File menu. ..........................................................................................67
Hình 3. 4. Edit menu..........................................................................................67
Hình 3.5. Sketch menu. .....................................................................................68
Hình 3.6. Tool menu..........................................................................................68
Hình 3.7. Chọn Board........................................................................................69
Hình 3.8. Lưu đồ thuật toán một chương trình Arduino. ....................................70
Hình 3.9. Dịch và chạy chương trình điều khiển 3 led đơn.................................72
Hình 3.10. Mạch led giao thông sử dụng Arduino..............................................74
Hình 4.1. Sơ đồ khối hệ thống. ..........................................................................75
Hình 4.2. Khối điều khiển..................................................................................75
Hình 4.4. Còi báo. .............................................................................................76
Hình 4.5. Module MicroSD ...............................................................................77
Hình 4.6. Mạch ổn áp 5V cung cấp nguồn cho board mạch Arduino..................77
Hình 4.7. Sơ đồ nguyên lý .................................................................................78
Hình 4.8. Lưu đồ thuật toán ...............................................................................88
Hình 4.9. Đi dây cho mạch thành phẩm .............................................................89
Hình 4.10. Sảm phẩm hoàn thiện .......................................................................89

8


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay khoa học công nghệ ngày càng phát triển, vi điều khiển AVR và
vi điều khiển PIC ngày càng thông dụng và hoàn thiện hơn , nhưng có thể nói sự
xuất hiện của Arduino vào năm 2005 bởi giáo sư Massimo Banzi tại trường
Interraction Design Instistute Ivrea (IDII) tại Italia đã mở ra một hướng đi mới
cho vi điều khiển. Được vinh dự đặt theo tên của một vị vua là King Arduin. Sự

xuất hiện của Arduino đã hỗ trợ cho con người rất nhiều trong lập trình và thiết
kế, nhất là đối với những người bắt đầu tìm tòi về vi điều khiển mà không có quá
nhiều kiến thức, hiểu biết sâu sắc về vật lý và điện tử.
Xã hội ngày càng rối ren, phức tạp và nhiều vấn nạn trộm cắp, nên việc
lắp đặt một hê thống camera quan sát tại các ngôi nhà là rất cần thiết , hệ thống
camera quan sát là sự chọn lựa hàng đầu của mỗi cá nhân, gia đình cũng như các
doanh nghiệp nhằm đảm bảo an ninh, gia tăng quản lý chất lượng công việc cũng
như để tự bảo vệ mình tránh khỏi những rủi ro đáng tiếc.
Hệ thống camera quan sát đang là giải pháp phổ biến và được xem như là
một công cụ an ninh chủ đạo trong việc phòng chống tội phạm, giám sát dây
truyền sản xuất, giám sát nhà xưởng… nơi làm việc. Camera hiện nay không còn
là một thiết bị quá đắt đỏ với người dùng cá nhân hoặc doanh nghiệp và camera
được xem một trong những phương pháp giám sát thuận lợi nhất. Camera đáp
ứng nhu cầu đa dạng về một hệ thống camera quan sát có kỹ thuật cao cho một
thế giới có tốc độ phát triển nhanh chóng như ngày nay.
Trên cơ sở kiến thức đã học trong môn học : Tin học đại cương , Lập trình
chuyên dụng, Kỹ thuật lập trình trên thiết bị di động... Và với những hiểu biết về
các thiết bị điện tử và mong muốn được giúp đỡ phần nào tới việc bảo vệ cho
những ngôi nhà của tôi cũng như mọi người . Em đã quyết định thực hiện đề tài
thực tập tốt nghiệp với đề tài: “Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển và giám
sát tự động cho ngôi nhà”. Với đề tài này em muốn đưa công nghệ Arduino tới
gần với con người hơn và việc kết nối với modul cảm biến chuyển động (PIR)
cũng như modul Camera sẽ là một giải pháp tối ưu cho việc giám sát ngôi nhà
của bạn khi không có ai ở nhà và không có tín hiệu internet. Chắc hẳn đây sẽ là

9


một công cụ hữu ích cho con người. Ngoài ra cũng giúp bản thân em tìm hiểu
thêm về các thiết bị điện tử và nâng cao hiểu biết cho bản thân.

Do kiến thức còn hạn hẹp về kít Arduino, việc nghiên cứu về Camera
cũng như PIR cũng là mới mẻ nên trong quá trình làm mạch và lập trình em còn
nhiều vướng mắc. Thêm vào đó đây là lần đầu thực hiện đề tài thực tập nên chắc
chắn không tránh khỏi những thiếu sót, hạn chế vì thế em rất mong có được sự
góp ý và nhắc nhở từ các thầy, cô giáo và các bạn để có thể hoàn thiện đề tài của
mình.
Thái Nguyên, tháng 4 năm 2016
Sinh viên

Bùi Quang Vũ

10


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan tình hình trong nước và quốc tế
Hệ thống an ninh ngày nay càng trở nên phổ biến hơn trong thị trường
hiện nay cũng như có một số lượng gia tăng đáng kể của tội phạm đang diễn ra
trên toàn thế giới. Với sự giúp đỡ của hệ thống an ninh, bạn có thể ghi lại được
những đoạn video hay hình ảnh có thể được sử dụng để phát hiện tội phạm. Các
bằng chúng hình ảnh không thể phủ nhận giúp giảm tình hình phạm tội và phát
hiện ra những tên hạm tội mới. Đây là lý do tại sao mà hầu hết mọi người hiện
nay đang lựa chợn lắp đặt camera quan sát tại ngôi nhà của họ.
1.1.1. Tình hình trên thế giới
Trên thế giới đã và đang nghiển cứu và hoàn thành những hệ thống
camera hiện đại như :
- Chiếc máy ảnh sử dụng Camera nhanh nhất thế giới mới đây đã được
Đại học Tokyo và Đại học Keio phối hợp phát triển. Nó có khả năng chụp được
4,4 nghìn tỉ khung hình mỗi giây nhờ sử dụng một công nghệ gọi là "nhiếp ảnh
ánh xạ quang học theo chuỗi thời gian" (Sequentially Times All-optical Mapping

Photography - STAMP). Chiếc camera này nhanh hơn khoảng 1000 lần so với
các hệ thống quang học tốc độ cao hiện có trên thị trường.

Hình 1.1. Thiết bị Camera chụp ảnh nhanh nhất thế giới.

11


- Có tên Dark Energy Camera, đây là chiếc camera hiện đại nhất trên thế
giới. Được thiết kế tại Fermilab ở Illinois, nó là một phần của dự án nghiên cứu
về nguyên nhân tại sao vũ trụ đang mở rộng ngày càng nhanh hơn. Với độ phân
giải 570 megapixels, kích thước ảnh của nó lớn hơn hàng chục lần so với camera
điện thoại, và có khả năng nhận được ánh sáng cách Trái đất 8 tỉ năm ánh sáng.
Chỉ riêng chiếc lens đã có giá 1,6 triệu dollar, trên thế giới hiện nay có 5 chiếc
lens như vậy. Trong 5 năm tới, chiếc camera này sẽ chụp ảnh khoảng hơn 300
triệu thiên hà khác nhau từ đài thiên văn Cerro Tololo Inter-American tại Chile,
với hy vọng sẽ giải đáp được những bí ẩn từng làm đau đầu các nhà thiên văn
trong nhiều thập kỉ qua.

Hình 1.2. Chiếc lens Dark Energy Camera
[1] Massimo Banzi, Getting Started with Arduino, O’Reilly Media, Inc, 2009.
[2] "Distance education in Asia and the Pacific: Proceedings Of The
Regional Seminar On Distance Education, 26 November 1986", Asian
Development Bank, Bangkok, Thailand, Volume 2, 1987
[3] Verman, Romesh. Distance Education In Technological Age, Anmol
Publications Pvt. Ltd., 2005.

12

[4] Michael Margollis and Nicholas Weldin, Arduino Cookbook, O’Reilly
Media, Inc, 2011.
1.1.2. Tình hình trong nước
Camera quan sát đã xuất hiện trên thị trường Việt Nam khoảng vài năm
trở lại đây. Giờ đây, nhu cầu lắp đặt camera quan sát không chỉ ở các công ty lớn,
các nhà xưởng, tiệm vàng, cửa hàng… mà còn lan rộng và trở lên phổ biến ở
những hộ kinh doanh nhỏ lẻ, gia đình. Chỉ cần bỏ ra một khoản chi phí chưa đến
mười triệu đồng là bạn có thể lắp đặt một hệ thống camera quan sát, đem lại cảm
giác an toàn hơn cho ngôi nhà của mình.
+ Nghiên cứu về nhà thông minh - SmartHome của BKAV
[1] />[2] />[3] Lê Cảnh Trung - Phạm Quang Huy, Lập trình điều khiển với Arduino,
2014.
[4] Ks. Dương Trung Hiếu, Giáo trình Camera Raw 9.1.1, 2015
1.2. Tổng quan về đề tài
1.2.1. Yêu cầu đề tài
Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển và giám sát tự động cho ngôi nhà.
Hệ thống camera an ninh giám sát ngôi nhà được lắp đặt ở vị trí khéo léo
để tránh tình trạng bị nắng mưa làm ảnh hưởng tới chất lượng hình ảnh và tuổi
thọ của sản phẩm. Có hai cảm biến chuyển động được đặt ở vị trí ra vào ngôi
nhà, khi có người đi qua cảm biến sẽ thu được tín hiệu và truyền cho camera lệnh
tới chụp lại người đó. Hình ảnh sau đó sẽ được lưu vào thẻ nhớ qua một module
riêng biệt. Đồng thời còi báo động cũng sẽ được bật lên để báo cho chủ nhà biết.
Ngoài ra hệ thống còn được trang bị 2 module cảm biến khí gas và cảm biến lử
giúp chủ nhà nhận được thông báo qua tin nhắn điện thoại khi ngôi nhà đang có
rò rỉ khí gas hay có hỏa hoạn.
1.2.2. Tính cấp thiết của đề tài
Nếu bạn là người sáng tạo, thích làm những đồ handmade (Đồ tự tay làm)
thì chắc hẳn bạn biết đến cộng đồng DIY? DIY là từ viết tắt của từ Do It

13

Yourself, có thể hiểu nôm na là “tự mình làm”, là một thuật ngữ được đưa vào sử
dụng từ những năm 1950 ở rất nhiều nền văn hóa trên thế giới. DIY thể hiện
tuyên ngôn của những người luôn mong muốn sáng tạo mọi thứ cho riêng mình
hơn là tốn tiền chi phí cho dịch vụ trợ giúp của các chuyên gia. Và những người
DIY đam mê về công nghệ, điện tử… thì chắc chắn sẽ biết đến Arduino. Phần
cứng Arduino bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi
xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit. Đặc điểm nổi bật của Arduino
làm môi trường phát triển ứng dụng cực kì dễ sử dụng, với ngôn ngữ lập trình có
thể học nhanh chóng ngay cả những người ít am hiểu, giá thành hợp lý. Trong sự
nghiệp xây dựng đất nước công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước ngày nay, xã
hội ta ngày một phát triển, cùng với đó là sự hiểu biết về trình độ thì khả năng
chuyên môn, tay nghề thực tế là điều không thể thiếu của mỗi người. Chính vì
thế học tập lý thuyết trên lớp đi đôi với thực hành sẽ đem lại hiệu quả cao cho
người học.
Trong cuộc sống hiện đại ngày nay việc phải sống chung với người xấu và
tội phạm đã trở lên quen thuộc với những quốc gia bất ổn. Chính vì vậy tôi chọn
đề tài: “Thiết kế hệ thống an ninh giám sát cho ngôi nhà” làm đề tài thực tập tốt
nghiệp. Với mong muốn giúp những ngôi nhà thân yêu tránh khỏi sự tinh vi của
những tên tội phạm nguy hiểm.
1.2.3 Giải pháp thiết kế
Để phục vụ quá trình nghiên cứu và phát triển và yêu cầu đặt ra của đề tài,
tôi xin đưa ra một giải pháp công nghệ: Thiết kế hệ thống an ninh giám sát ngôi
nhà bằng các module cảm biến chuyển động, module camera RS232 PTC 08,
module Micro SD, Còi báo động, module sim900a. Phương pháp sẽ tiết kiệm khá
nhiều kinh phí cho việc lắp đặt. Cũng như để phục vụ học tập và nghiên cứu cho
các bạn học sinh, sinh viên trong các đề tài lớn. Đây cũng là một đề tài nhỏ để tôi
có thể phát triển thêm cho hệ thống hoàn chỉnh của đồ án tốt nghiệp sau này.
1.3 Tổng quan về Arduino

Arduino thực sự đã gây sóng gió trên thị trường người dùng DIY (là
những người tự chế ra sản phẩm của mình) trên toàn thế giới trong vài năm gần

14


đây, gần giống với những gì Apple đã làm được trên thị trường thiết bị di động.
Số lượng người dùng cực lớn và đa dạng với trình độ trải rộng từ bậc phổ thông
lên đến đại học đã làm cho ngay cả những người tạo ra chúng phải ngạc nhiên về
mức độ phổ biến.

Hình 1.3. Những thành viên khởi xướng Arduino.
Arduino là gì mà có thể khiến ngay cả những sinh viên và nhà nghiên cứu
tại các trường đại học danh tiếng như MIT, Stanford, Carnegie Mellon phải sử
dụng; hoặc ngay cả Google cũng muốn hỗ trợ khi cho ra đời bộ kit Arduino
Mega ADK dùng để phát triển các ứng dụng Android tương tác với cảm biến và
các thiết bị khác?.
Arduino thật ra là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác
với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác.
Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử
dụng, với một ngôn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với
người ít am hiểu về điện tử và lập trình. Và điều làm nên hiện tượng Arduino
chính là mức giá rất thấp và tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm. Chỉ
với khoảng $30, người dùng đã có thể sở hữu một board Arduino có 20 ngõ I/O
có thể tương tác và điều khiển chừng ấy thiết bị. Sau đây là những thế mạnh của
Arduino so với những nền tảng vi điều khiển khác:
Chạy trên đa nền tảng: Việc lập trình Arduino có thể lập trình trên các hệ
điều hành khác nhau như window, thiết bị di động...
- Ngôn ngữ lập trình đơn giản dễ hiểu.

15


- Nền tảng mở: Arduino được phát triển trên nguồn mở nên phần mềm
chạy trên Arduino được chia sẻ một cách dễ dàng.
- Mở rộng phần cứng: Arduino được thiết kế và sử dụng theo dạng
module nên việc mở rộng phần cứng cũng dễ dàng hơn.
- Đơn giản và nhanh: Rất dễ dàng lắp ráp, lập trình và sử dụng thiết bị.
- Dễ dàng chia sẻ: Mọi người dễ dàng chia sẻ mã nguồn với nhau mà
không lo lắng về ngôn ngữ lập trình hay hệ điều hành đang sử dụng.

Hình 1.4. Hình ảnh một Arduino.
Arduino có rất nhiều module, mỗi module được phát triển cho một ứng
dụng. Về mặt chức năng, các bo mạch Arduino được chia thành hai loại: loại bo
mạch chính có chips atmega và loại mở rộng thêm chức năng cho bo mạch chính.
Các bo mạch chính về cơ bản giống nhau về chức năng, tuy nhiên về mặt cấu
hình như số lượng I/O, dung lượng bộ nhớ, hay kích thước có độ khác nhau. Một
số bo có trang bị thêm các tính năng kết nối như Ethernet và Bluetooth. Các bo
mở rộng chủ yếu mở rộng thêm một số tính năng cho bo mạch chính. Ví dụ như
tính năng kết nối Ethernet, Wireless, điều khiển động cơ...
Arduino được chọn làm bộ não xử lý của rất nhiều thiết bị từ đơn giản cho
tới phức tạp. Trong đó có một vài ứng dụng thực sự chứng tỏ khả năng vượt trội
của Arduino dù cho chúng có khả năng thực hiện nhiều nhiệm vụ rất phức tạp.
Sau đây là danh sách một số ứng dụng nổi bật của Arduino như trong công nghệ
in tranh 3D, robot dò đường theo hướng có nguồn nhiệt, nhà thông minh hay
thông báo cho một khách hàng biết chiếc bánh của họ đã được nướng xong. Mặc
dù hầu như không được tiếp thị gì cả, tin tức về Arduino vẫn lan truyền với tốc

16

độ chóng mặt nhờ những lời truyền miệng tốt đẹp của những người dùng đầu
tiên. Hiện nay Arduino nổi tiếng tới nỗi có người tìm đến thị trấn Ivrea chỉ để
tham quan nơi đã sản sinh ra Arduino.

Hình 1.5. Một số loại kit Arduino.
1.4. Tổng quan về camera giám sát
1.4.1. Định nghĩa
Camera quan sát hay camera giám sát (Closed-circuit television - CCTV),
là việc sử dụng các máy quay video để truyền tín hiệu đến một nơi cụ thể, trên
một số màn hình giới hạn. Nó khác với truyền hình phát sóng trong đó các tín
hiệu được truyền không công khai, mặc dù nó có thể sử dụng công nghệ P2P hay
P2many, hoặc lưới kết nối không dây. Mặc dù gần như tất cả các máy quay video
phù hợp với định nghĩa này, thuật ngữ này thường được áp dụng cho việc sử
dụng để giám sát trong khu vực có thể cần theo dõi như ngân hàng, sòng bạc, sân
bay, căn cứ quân sự, và các cửa hàng tiện lợi. Videotelephony hiếm khi được gọi
là "CCTV" nhưng việc sử dụng video trong giáo dục từ xa, mà nó là một công cụ
quan trọng, thường được gọi như vậy.

17


Hình 1.6. Camera quan sát thực tế.
1.4.2. Lịch sử phát triển của Camera quan sát
Trong khoảng hơn 60 năm phát triển của Camera quan sát chúng ta có thể
điểm qua các cột mốc đáng chú ý sau:
- Năm 1949 khái niệm về camera giám sát được giới thiệu bởi George
Orwell.
- Năm 1951 ra đời đoạn băng ghi hình đầu tiên.
- Năm 1966 NASA dùng camera quan sát ghi hình lại bề mặt của mặt trăng.

- Năm 1969 bằng sáng chế camera dân dụng được trao cho Marie Brown.
- Năm 1972 hãng Texas Instrument cho ra đời camera ghi hình không
cần sử dụng tới những cuộn phim.
- Năm 1973 chip hình ảnh CCD được giới thiệu và phổ biến cho đến
ngày nay.
- Năm 1980 camera quan sát được áp dụng theo dõi trộm cắp và lừa đảo.
- Năm 1986 hãng Kodak giới thiệu chiếc camera megapixel đầu tiên có
độ phân giải 1.4M.
- Năm 1992 camera quan sát trẻ em và người già được phát triển ngày
càng mạnh mẽ trên toàn thế giới.
- Năm 1996 chiếc camera ip đầu tiên trên thế giới được hãng Axis sản
xuất có tên là Neteye 200.

18


- Năm 2001 khi World trade Center bị tấn công, mọi người quan tâm
nhiều hơn tới hệ thống camera dành cho gia đình và công việc.
- Năm 2003 công nghệ nhận diện khuôn mặt được áp dụng tại trường
Royal Palm Middele Shool để quản lý các bé.
- Năm 2007 97% giao tiếp từ xa được thực hiện trên internet.

Hình 1.7. Lịch sử phát triển của camera giám sát.
Internet mở ra một kỉ nguyên mới mà chúng ta có thể thấy được sự hiện
diện của camera quan sát ở bất cứ nơi đâu. Quá trình phát triển của camera quan
sát qua hơn 50 năm với xu thế chuyển dịch dần từ Analog sang Camera IP. Dù

19

cho camera analog vẫn đang thích nghi từng ngày khi tích hợp thêm các công
nghệ kết nối qua internet tuy nhiên tương lại vẫn là sự độc chiếm của camera ip.
1.4.3. Phân loại camera giám sát
Có 3 cách phân loại Camera:
- Phân loại theo kĩ thuật hình ảnh.
- Phân loại theo đường truyền.
- Phân loại theo tính năng sử dụng.
1.4.3.1.Phân loại theo kĩ thuật hình ảnh
Camera Analog.
Ghi hình băng từ xử lý tín hiệu analog, xử lý tín hiệu màu vector màu, loại
Camera này hiện nay ít dùng. Camera CCD (Charge Couple Device) (100% số):
Camera CCD sử dụng kĩ thuật CCD để nhận biết hình ảnh. CCD là tập hợp
những ô tích điện có thể cảm nhận ánh sáng sau đó chuyển tín hiệu ánh sáng sang
tín hiệu số để đưa vào các bộ xử lý. Nguyên tắc hoạt động của CCD có thể mô tả
dưới đây:
CCD thu nhận những hình ảnh thông qua các hệ thống thấu kính của
Camera. CCD có hàng ngàn những điểm ảnh sẽ chuyển đổi ánh sáng thành
những hạt điện tích và được số hoá. Đây là một qúa trình chuyển đổi tương tự số.
Các thông số kĩ thuật của Camera CCD là đường chéo màn hình cảm biến
(tính bằng inch ). Kích thước màn hình cảm biến càng lớn thì chất lượng càng
tốt. (màn hình 1/3 inch Sony CCD sẽ có chất lượng tốt hơn 1/4 inch CCD, vì 1/3
> 1/4). Hiện nay chỉ có 2 hãng sản xuất màn hình cảm biến là Sony và Sharp.
Chất lượng của Sharp kém hơn chất lượng của Sony.

Hình 1.8. Camera loại analog.

20


Camera CMOS (complementary metal oxide semiconductor).

CMOS có nghĩa là chất bán dẫn có bổ sung oxit kim loại. Các loại Camera
số sử dụng công nghệ CMOS. Các Camera số thương mại sử dụng công nghệ
CMOS thì chưa đủ khả năng cung cấp trong thời điểm này khi so sánh chất lượng
hình ảnh và giá cả so với Camera CCD. Các Camera thương mại dùng công nghệ
CMOS có giá thành khoảng 500 USD đến 50.000 USD, hiện nay chủ yếu sử
dụng cho máy chụp ảnh chuyên nghiệp. Các Camera số sử dụng công nghệ
CMOS và CCD có ưu điểm rất rõ rệt so với Camera analog về độ rõ nét và chất
lượng hình ảnh.

Hình 1.9. Camera CMOS.
1.4.3.2. Phân loại theo kỹ thuật đường truyền
Theo phân loại này thì camera được chia thành 3 loại: Camera có dây,
Camera không dây, IP Camera (Camera mạng).
Camera có dây.
Camera có dây có ưu điểm đó là khả năng an toàn cao, tính bảo mật tốt,
truyền tín hiệu trên dây cáp đồng trục C5. Đây là giải pháp được đánh giá là an
toàn, chúng tôi cũng khuyến khích các bạn nên dùng loại Camera có dây, ngoại
trừ những trường hợp đặc biệt khác. Chú ý rằng khi truyền với khoảng cách xa
trên 200m thì cần có bộ khuếch đại tín hiệu để đảm bảo chất lượng hình ảnh.

21


Hình 1.10. Camera có dây.
Camera không dây.
Giống như tên gọi, các Camera này đều không có dây. Nhưng rất tiếc là
cũng không hoàn toàn như vậy. Các Camera này vẫn cần thiết phải có dây nguồn.
Các loại Camera không dây có ưu điểm đó là dễ thi công lắp đặt do không cần đi
dây, tuy nhiên Camera có hệ số an toàn không cao. Có 1 số vấn đề cần quan tâm
đối với thiết bị không dây. Đó là tần số bạn sử dụng. Camera không dây sử dụng

sóng vô tuyến RF để truyền tín hiệu, thông thường tần số dao động từ 1,2 đến
2,4MHZ. Camera không dây được sử dụng khi lắp đặt tại các khu vực địa hình
phức tạp khó đi dây từ Camera đến các thiết bị quan sát, ví dụ như các ngôi nhà
có nhiều tường chắn.
Đối với khoảng cách xa hàng ngàn mét chúng ta cần phải sử dụng những
thiết bị đặc biệt, hoạt động ở tần số cao và giá thành khá đắt. Việc sử dụng
Camera không dây được đánh giá là không an toàn dễ bị bắt sóng hoặc bị ảnh
hưởng nhiễu trước các nguồn sóng khác như điện thoại di động,...

22


Hình 1.11. Camera có dây.
IP Camera (Camera mạng).
Như đã đề cập ở trên, IP Camera được kết nối trực tiếp vào mạng, tín hiệu
hình ảnh và điều khiển được truyền qua mạng.Với Camera IP người dùng có thể
điều khiển và giám sát ở bất cứ đâu thông qua mạng internet.

Hình 1.12. Camera IP
1.4.3.3. Phân loại theo tính năng sử dụng.
Dome Camera (Camera áp trần).
Camera có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau. Đây là loại Camera
thường được đặt trong nhà, kiểu dáng rất trang nhã. Camera này có tính năng bảo
mật cao do được bọc trong hộp kín.

23


Hình 1.13 Camera áp trần.
Camera ẩn.

Giống như tên gọi, Camera này không thể nhận biết được. Nó có nhiều
hình dạng và kích thước khác nhau, có thể ngụy trang và tránh bị phát hiện, ví
dụ: Ngụy trang trong đầu báo khói, thú nhồi bông, đồng hồ treo tường...
Tuy nhiên khi sử dụng loại Camera này bạn cần phải đảm bảo tính hợp
pháp khi sử dụng. Ở một số nơi như New York việc sử dụng Camera ẩn được coi
là bất hợp pháp. Các Camera này có thể hoạt động giống như một thiết bị phát
hiện khói. Một số các công ty hiện nay cũng đã bắt đầu xây dựng những hệ thống
Camera trở thành các thiết bị phát hiện khói.

Hình 1.14. Camera ẩn dạng bút.
Box Camera (Camera thân dài hình hộp).
Đây là loại Camera truyền thống thường được dùng trong các văn phòng
siêu thị. Đây là loại Camera giá thành rẻ tuy nhiên thời điểm này ít dùng. Camera
được bảo vệ trong hộp để bảo vệ trước tác động phá hoại hay điều kiện môi
trường.
Camera PTZ : Camera quay quét
- Pan: Quét ngang
- Tilt: Quét dọc

24


- Z: Zoom - Phóng to, thu nhỏ
Pan/Tilt/Zoom hay những họ tương tự được biết đến với cái tên thương
mại là PTZ Camera.Camera hỗ trợ khả năng quét dọc, quét ngang, phóng to thu
nhỏ. Camera này còn cho phép bạn kết nối với hệ thống cảm biến(sensor) và
cảnh báo để phát hiện đối tượng di chuyển trong vùng hoạt động của nó. Hơn
nữa Camera có thể được lập trình để hoạt động, nên nó có thể làm tất cả các công
việc cho bạn.
IR Camera và Exview (Camera có khả năng quan sát đêm)

Khoảng cách quan sát ban đêm của Camera phụ thuộc vào tổng công suất
của đèn hồng ngoại. Khoảng cách quan sát của Camera dao động khoảng 10m
đến 300m. Camera IR có thể quan sát được trong điều kiện tối 100%. Camera
Exview: Màn hình tự động khuếch đại ánh sáng làm rõ hình ảnh khi ánh sáng
kém, tuy nhiên tối 100% sẽ không quay được.

Hình 1.15 IR camera.
1.4.3.4. Các loại camera khác.
Camera Indoor, Outdoor.
- Indoor: Camera đặt trong nhà.
- Outdoor: Camera đặt ngoài trời.
Chú ý rằng, nếu Camera của bạn dự định đặt ngoài trời thì nên chọn
Camera Outdoor để đảm bảo chịu đựng được các tác động bên ngoài như độ ẩm,
thời tiết, nước, bụi, hay các tác nhân phá hoại khác.
IR Camera: Camera hồng ngoại. Tia hồng ngoại - Infrared rays.
Với Camera hồng ngoại, người ta có thể ghi hình vào ban đêm, điều mà
các Camera thông thường không thực hiện được. Với những ứng dụng quan sát
24/24, ta cần chọn Camera có chức năng hồng ngoại. Trong điều kiện đủ ánh
sáng Camera này hoạt động bình thường, chỉ khi đêm tối, đèn hồng ngoại được
25