Thiết kế, thi công hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị cho gia đình

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
LÂM PHƯỚC THỌ

TRƯỜNG
TRẦN
HỮU ĐẠI
LỘCHỌC BÁCH KHOA

LÂM PHƯỚC THỌ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

C
C

R
L
T.

THIẾT KẾ, THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT
VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TRONG GIA ĐÌNH

U
D

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NĂM 2019

Đà Nẵng – Năm 2019

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÂM PHƯỚC THỌ

C
C

R
L
T.

THIẾT KẾ, THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT
VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TRONG GIA ĐÌNH

U
D

Chuyên nghành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số: 8520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Người hướng dẫn khoa học:
TS. HUỲNH VIỆT THẮNG

Đà Nẵng – Năm 2019

1

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung luận văn: “Thiết kế, thi công hệ thống giám sát và
điều khiển thiết bị trong gia đình” không phải là bản sao chép của bất cứ luận
văn hoặc công trình đã có từ trước. Đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các
số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.

C
C

R
L
.
T
DU

Tác giả luận văn

Lâm Phƣớc Thọ


2

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1

MỤC LỤC ...................................................................................................................2
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................6
DANH MỤC HÌNH ....................................................................................................7
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................10
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .....................................................................................12
1.1.

Tổng quan về hệ thống nhà thông minh ....................................................12

1.2. Mô tả hệ thống ...........................................................................................12
1.2.1. Bộ điều khiển thiết bị, giám sát nhiệt độ, độ ẩm qua Internet ............12
1.2.2. Bộ điều khiển thiết bị từ remote ..........................................................13
1.2.3. Bộ cảm biến và cảnh báo qua điện thoại .............................................14
1.3.

C
C

R
L
.
T
DU

Tính năng kỹ thuật .....................................................................................14

1.4. Tính năng phần mềm .................................................................................14
1.4.1. Phần mềm nạp cho arduino .................................................................14
1.4.2. Phần mềm điều khiển trên máy tính ....................................................14
1.5.

Kết luận chƣơng .........................................................................................15

CHƢƠNG 2. LÝ THUYẾT LIÊN QUAN ...............................................................16
2.1.

Giới thiệu chƣơng ......................................................................................16

2.2. Giới thiệu chung về Arduino .....................................................................16
2.2.1. Arduino [7] ..........................................................................................16
2.2.2. Giới thiệu về board Arduino Uno [7] ..................................................17
2.2.3. Arduino Promini [6] ............................................................................21
2.3. Tổng quan về Ethernet ...............................................................................21
2.3.1. Họ giao thức TCP/IP ...........................................................................22
2.3.2. Cấu trúc địa chỉ IP ...............................................................................22
2.3.3. Mạng con và mặt nạ ............................................................................23
2.3.4. Quá trình đóng gói...............................................................................23
2.3.5. Module Shield Ethernet .......................................................................24
2.4. Các phƣơng pháp đo nhiệt độ [4] ..............................................................25
2.4.1. Cơ sở chung và phân loại các phƣơng pháp đo nhiệt độ.....................25
2.4.2. Các phƣơng pháp đo tiếp xúc ..............................................................25


3
2.5. Các phƣơng pháp đo độ ẩm không khí [4] ................................................26
2.5.1. Phƣơng pháp điểm ngƣng tụ ...............................................................26
2.5.2. Cảm biến độ ẩm có điện dung thay đổi ...............................................26
2.6. Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 .........................................................26
2.6.1. Thông số kỹ thuật ................................................................................27
2.6.2. Nguyên lý hoạt động ...........................................................................27

2.7. Cảm biến khí gas MQ2 ..............................................................................29
2.7.1. Giới thiệu về cảm biến MQ2 ...............................................................29
2.7.2. Thông số kỹ thuật ................................................................................30
2.7.3. Nguyên lý hoạt động ...........................................................................31
2.8. Cảm biến chuyển động ..............................................................................33
2.8.1. PIR là gì? .............................................................................................33
2.8.2. Nguyên lý hoạt động của module cảm biến PIR .................................35
2.9.

C
C

Module Sim900A .......................................................................................39

R
L
.
T
DU

2.10. Giới thiệu remote và mắt thu hồng ngoại [4].............................................40
2.10.1. Remote hồng ngoại ...............................................................................40
2.10.2. Led thu hồng ngoại ...............................................................................40
2.11. Module Relay .............................................................................................41
2.12. Kết luận chƣơng .........................................................................................42
CHƢƠNG 3.

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ...........................................................43

3.1.

Giới thiệu chƣơng ......................................................................................43

3.2.

Sơ đồ khối bộ điều khiển thiết bị, giám sát nhiệt độ, độ ẩm, qua Internet 43

3.3.

Bộ điều khiển thiết bị từ remote ................................................................43

3.4.

Bộ cảm biến và cảnh báo qua điện thoại ...................................................44

3.5. Thiết kế và thi công phần cứng ..................................................................45
3.5.1. Bộ điều khiển thiết bị, giám sát nhiệt độ, độ ẩm qua Internet ............45
a.
Module Arduino Uno ......................................................................45
b.
Module Ethernet Shield W500 .......................................................45
c.
Module cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11..................................47
d.
Khối công suất ................................................................................48
e.
Khối nguồn......................................................................................49
3.5.2. Bộ điều khiển thiết bị từ remote ..........................................................51
3.5.3. Bộ cảm biến và cảnh báo qua điện thoại .............................................52
a.

Khối cảm biến .................................................................................52


4
b.
c.

Khối điều khiển ...............................................................................54
Khối sim900A của bộ điều khiển ...................................................55

3.6. Mạch thực tế ..............................................................................................56
3.6.1. Bộ điều khiển thiết bị, giám sát nhiệt độ, độ ẩm qua Internet ............56
3.6.2. Bộ điều khiển thiết bị từ remote ..........................................................56
3.6.3. Bộ cảm biến và cảnh báo qua điện thoại .............................................57
3.7. Thiết kế và thi công phần mềm nhúng .......................................................58
3.7.1. Phần mềm nhúng bộ điều khiển thiết bị, giám sát nhiệt độ, độ ẩm qua
Internet .............................................................................................................58
3.7.2. Phần mềm nhúng bộ điều khiển thiết bị từ remote .............................59
3.7.3. Phần mềm nhúng bộ cảm biến và cảnh báo qua điện thoại ................60
3.8.

Phần mềm web server ................................................................................61

3.9.

Phần mềm trên điện thoại android .............................................................61

C
C

3.10. Kết luận chƣơng .........................................................................................62
CHƢƠNG 4.

R
L
.
T
DU

CHẠY THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ...............63

4.1.

Giới thiệu chƣơng ......................................................................................63

4.2.

Kiểm tra hoạt động của hệ thống ...............................................................63

4.3.

Kiểm tra sai số nhiệt độ, độ ẩm .................................................................63

4.4.

Kiểm tra tính năng báo động phát hiện khí gas .........................................63

4.5.

Kiểm tra tính năng phát hiện chuyển động ................................................64

4.6.

Kiểm tra tính năng nhận tín hiệu điều khiển từ xa từ remote ....................65

4.7.

Hoạt động của hệ thống và đánh giá kết quả .............................................65

4.8.

Kết luận chƣơng .........................................................................................66

KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................67
PHỤ LỤC ..................................................................................................................69


5

THIẾT KẾ, THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN
THIẾT BỊ TRONG GIA ĐÌNH
Học viên:

Lâm Phƣớc Thọ

Mã số: 60.52.02.03
ĐHĐN

Chuyên ngành:

Kỹ thuật điện tử

Khóa: 36 Cần Thơ Trƣờng Đại học Bách khoa -

Tóm tắt –Ngày nay,với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới
của chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn. Các hệ thống
tự động giám sát và điều khiển thiết bị điện cho gia đình là một giải pháp điều khiển
tích hợp cho các căn hộ cao cấp, tích hợp các thiết bị điện tử, nghe nhìn, truyền
thông thành một hệ thống hoàn chỉnh và thống nhất, đã và đang ngày càng phổ biến.
Luận văn này sẽ trình bày việc phân tích, thiết kế và thi công mô hình hệ thống
giám sát và điều khiển các thiết bị điện trong gia đình thông minh dựa trên nền tảng
Webserver và Arduino. Qua thực tế chạy thử nghiệm cho thấy hệ thống đã hoạt
động ổn định và đáp ứng đƣợc các yêu cầu kỹ thuật đặt ra,đồng thời có thể phát
triển thêm để ứng dụng trong giám sát và điều khiển nhà thông minh.

C
C

R
L
.
T
DU

Từ khóa – nhà thông minh, Arduino, hệ thống giám sát và điều khiển

DESIGN AND IMPLEMENTATION OF AN AUTOMATIC
MONITORING AND CONTROL SYSTEM FOR HOUSEHOLD
ELECTRICAL DEVICES
Abstract–Today, with the advance of science and technology, our world has been

changing, civilized and more modern. The system of automatic monitoring and
control of household electrical appliances is an integrated control solution for highend apartments, integrating electronic, audiovisual and communication devices into
a complete system, has become increasingly popular. This thesis will present the
analysis, design and implementation of an automatic monitoring and control
systems of intelligent household electrical devices based on Webserver and Arduino
platforms. The practical tests showed that the system has been operating stably and
met the technical specifications, and can be further developed to apply in smart
home monitoring and control systems.
Key words–smart home, Arduino, monitoring and control systems


6

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

IoT

Internet of Things

Mạng lƣới vạn vật kết nối
Internet

GSM

Global System for Mobile

Communications

Hệ thống thông tin di động
toàn cầu

SRAM

Static Random Access Memory

Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên

EEPROM

Electrically Eraseble Programmable
Read Only Memory

Bộ nhớ chỉ đọc (ROM) cho
phép xóa và lập trình bằng
xung điện

TX

Transmitter

RX

Receiver

TCP

Transmission Control Protocol

Giao thức điều khiển truyền
dẫn

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

OSI

Open Systems Interconnection
Reference Model

Mô hình tham chiếu kết nối
hệ thống mở

PIR sensor

Passive InfraRed sensor

Cảm biến thụ độngvới nguồn
kích thích là tia hồng ngoại

ADC

Analog-to-digital converter

Mạch chuyển đổi tƣơng tự ra
số

R
L
.

C
C

T
DU

Thiết bị truyền tín hiệu
Thiết bị nhận tín hiệu


7

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Bộ điều khiển thiết bị, giám sát nhiệt độ, độ ẩm qua Internet ..............13
Hình 1.2. Bộ điều khiển thiết bị từ remote ...........................................................13
Hình 1.3. Bộ điều khiển thiết bị và giám sát nhiệt độ và độ ẩm ...........................14
Hình 2.1. Những thành viên khởi xƣớng Arduino................................................16
Hình 2.2. Arduino UNO ......................................................................................17
Hình 2.3. Mạch tự chế với Arduino ......................................................................19
Hình 2.4. Các giao thức cơ bản trong TCP/IP ......................................................22
Hình 2.5. Ethernet trong tập chuẩn IEEE 802 .....................................................23
Hình 2.6. Cấu trúc địa chỉ IP ...............................................................................23
Hình 2.7. Quá trình đóng/tháo gói dữ liệu ...........................................................24

C
C

Hình 2.8. Board điều khiển Arduino ...................................................................25
Hình 2.9. Cảm biến DHT11 .................................................................................27

R
L
.
T
DU

Hình 2.10. Sơ đồ kết nối Arduino UNO với DHT11 ...........................................27
Hình 2.11 Tín hiệu Start .......................................................................................28
Hình 2.12. Giá trị bit 0 ..........................................................................................29
Hình 2.13. Giá trị bit 1 .........................................................................................29
Hình 2.14. Cảm biến khí MQ2 ............................................................................30
Hình 2.15. Sơ đồ cảm biến MQ2 .........................................................................31
Hình 2.16. Mạch thử nghiệm cơ bản của cảm biến .............................................32
Hình 2.17. Đồ thị biểu diễn độ nhạy của MQ2 với 1 số chất ...............................33
Hình 2.18. Cấu tạo PIR ........................................................................................34
Hình 2.19. Đầu dò PIR..........................................................................................34
Hình 2.20. Bộ cảm biến dò các vật thể nóng chuyển động ngang.......................35
Hình 2.21. Khi chƣa có vật di chuyển vào vùng phát hiện tín hiệu ....................36
Hình 2.22. Xuất hiện tín hiệu, pha dƣơng ............................................................36
Hình 2.23. Vào vùng ảnh hƣởng 2, xuất hiện tín hiệu, pha âm ...........................37
Hình 2.24. Ra khỏi vùng ảnh hƣởng, không xuất hiện tín hiệu, đèn vẫn sáng .....37
Hình 2.25. Vật thể ra khỏi, không xuất hiện tín hiệu, đèn tắt ...............................38
Hình 2.26. Module SIM900A mini......................................................................39

Hình 2.27. Chuổi xung của một phím nhấn .........................................................40
Hình 2.28. Sơ đồ chân của LED hồng ngoại .......................................................41


8
Hình 2.29. Mạch Relay thực tế ............................................................................42
Hình 3.1. Sơ đồ khối bộ điều khiển thiết bị, giám sát nhiệt độ, độ ẩm qua
Internet ..................................................................................................................43
Hình 3.2. Bộ điều khiển thiết bị từ remote ...........................................................44
Hình 3.3. Bộ cảm biến chuyển động và khí gas qua điện thoại...........................44
Hình 3.4. Sơ lƣợc phần cứng board Arduino UNO ............................................45
Hình 3.5. Sơ đồ chân Ethernet Shield W5100 ....................................................46
Hình 3.6. Sơ đồ kết nối Arduino UNO với Ethernet Shield W5100 ...................47
Hình 3.7. Sơ đồ mạch DHT11 .............................................................................47
Hình 3.8. Sơ đồ kết nối Arduino UNO với DHT11 ............................................48
Hình 3.9. Sơ đồ kết nối nguyên lý mạch kích Relay ............................................49
Hình 3.10. Sơ đồ mạch nguồn ..............................................................................49

C
C

Hình 3.11. Adapter 12V-1A .................................................................................50

R
L
.
T
DU

Hình 3.12. Nguồn ra 5V từ Arduino UNO ..........................................................50

Hình 3.13. Nguồn ra 3.3V từ Arduino UNO .......................................................51
Hình 3.14. Sơ đồ chân module Arduino Promini .................................................51
Hình 3.15. Sơ đồ kết nối Arduno UNO với Arduino Promini.............................52
Hình 3.16. Sơ đồ nối dây Arduino promini với led thu hồng ngoại .....................52
Hình 3.17. Module cảm biến khí gas MQ2 ..........................................................53
Hình 3.18. Sơ đồ nối dây giữa arduino promini và cảm biến khí gas (MQ2) ......53
Hình 3.19. Đầu dò PIR.........................................................................................53
Hình 3.20. Sơ đồ chân của cảm biến PIR .............................................................54
Hình 3.21. Sơ đồ nối dây giữa arduino promini với cảm biến PIR .....................54
Hình 3.22. Sơ đồ chân Arduino Promini .............................................................55
Hình 3.23. Sơ đồ chân Sim900A ..........................................................................55
Hình 3.24. Sơ đồ nối dây Arduino pro mini với module sim900A .....................56
Hình 3.25. Bộ điều khiển thiết bị, giám sát nhiệt độ, độ ẩm qua Internet ............56
Hình 3.26. Bộ điều khiển thiết bị từ remote .......................................................57
Hình 3.27. Bộ cảm biến và cảnh báo qua điện thoại ...........................................57
Hình 3.28. Lƣu đồ thuật toán bộ điều khiển thiết bị, giám sát nhiệt độ và độ ẩm
qua Internet ...........................................................................................................58
Hình 3.29. Lƣu đồ thuật toán bộ điều khiển thiết bị từ remote ............................59
Hinh 3.30. Lƣu đồ thuật toán bộ cảm biến và cảnh báo qua điện thoại ...............60


9
Hình 3.31. Phần mêm điều khiển thiết bị và nhiêt độ, độ ẩm qua Internet ..........61
Hình 3.32. Điều khiển thiết bị trên điện thoại android .........................................61
Hình 4.1. Bộ kiểm tra và cảnh báo khí gas ...........................................................64
Hình 4.2. Kiểm tra phát hiện chuyển động ...........................................................65
Hình 4.3. Mạch nhận tín hiệu điều khiển từ xa bằng remote................................65

R
L

.
T
DU

C
C


10

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới của
chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn. Hệ thống tự động
giám sát và điều khiển thiết bị điện cho gia đình là một giải pháp điều khiển tích
hợp cho các căn hộ cao cấp, tích hợp các thiết bị điện tử, nghe nhìn, truyền thông
thành một hệ thống hoàn chỉnh và thống nhất.
Nhận thức đƣợc ý nghĩa thực tiễn và khả năng ứng dụng, là cơ sở để tôi thực
hiện luận văn tốt nghiệp “THIẾT KẾ, THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ
ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ CHO GIA ĐÌNH”.

2. Mục tiêu nghiên cứu

C
C

Thiết kế và thi công hệ thống có chức năng giám sát nhiệt độ qua Internet, và
điều khiển các thiết bị (ví dụ nhƣ: bóng đèn, quạt…..), đồng thời cảnh báo kịp thời
cho ngƣời sử dụng

R
L
.
T
DU

3. Đối tƣợng nghiên cứu

- Nghiên cứu về các loại cảm biến môi trƣờng thông dụng và giao thức truyền nhận
giữa các thiết bị ngoại vi và cảm biến.

- Nghiên cứu xây dựng phần mềm nhúng trên mạch Arduino.
- Nghiên cứu kỹ thuật lấy mã tín hiệu remote hồng ngoại (IR).
- Nghiên cứu về phƣơng thức thu nhập dữ liệu và điều khiển thiết bị qua mạng
Internet.

4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Thu thập, phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài.
- Thi công, lắp đặt hệ thống phần cứng.
- Sử dụng các phần mềm và các thƣ viện đƣợc cung cấp để viết chƣơng trình thực
thi và nạp chƣơng trình trên hệ thống nhúng.
- Nghiên cứu Web Server và viết chƣơng trình thu thập dữ liệu môi trƣờng đo đạc
đƣợc trên nền tảng Web Server .
- Nghiên cứu và viết chƣơng trình cảnh báo từ xa qua điện thoại

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài


11
Nghiên cứu về kỹ thuật thu thập dữ liệu và điều khiển từ xa có vai trò quan

trọng trong các hệ thống IoT và trong thời đại cách mạng công nghiệp 4.0

6. Bố cục của đề tài
Trong luận văn này, tôi tập trung vào việc nghiên cứu, xây dựng hệ thống
giám sát và điều khiển các thiết bị điện trong nhà nhƣ đèn, cảm biến nhiệt độ và độ
ẩm... Nội dung của luận văn gồm 4 chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan.
Chƣơng 2: Cở sở lý thuyết liên quan.
Chƣơng 3: Thiết kế hệ thống.
Chƣơng 4: Thử nghiệm và đánh giá kết quả.

R
L
.
T
DU

C
C


12

CHƢƠNG 1.

TỔNG QUAN

1.1. Tổng quan về hệ thống nhà thông minh
Nhà thông minh hiểu đơn giản là ngôi nhà mà các thiết bị gia dụng trong nó
nhƣ: hệ thống chiếu sáng, sƣởi ấm, máy lạnh, TV, máy tính, âm thanh, camera an

ninh,… có khả năng tự động hóa và giao tiếp với nhau theo một lịch trình định sẵn.
Chúng có thể đƣợc điều khiển ở bất cứ đâu, từ trong chính ngôi nhà thông minh đó
đến bất kỳ nơi nào trên thế giới thông qua điện thoại hoặc internet.
Sự manh nha phát triển của các thiết bị điện gia dụng bắt đầu từ năm 1915,
để rồi ý tƣởng tự động hóa các thiết bị trong nhà xuất hiện vào những năm 1930 và
đến tận năm 1984, thuật ngữ "Smarthome" mới xuất hiện!
Dƣới đây là 5 cách mà một ngôi nhà thông minh giúp có một cuộc sống tiện
nghi và thoải mái hơn:

C
C

- Các cánh cửa đều tự động đóng và mở khi chúng nhận diện đƣợc bạn là ông chủ
của ngôi nhà.

R
L
.
T
DU

- Tự điều chỉnh độ sáng các bóng đèn điện khi bạn đọc sách, xem ti-vi hay đi ngủ.
- Các thiết bị điện tử từ gia dụng đến giải trí trong ngôi nhà đƣợc điều khiển dễ
dàng thông qua giọng nói hay điện thoại của bạn.
- Đƣa ra các cảnh báo các vật dụng có thể gây nguy hiểm cho trẻ em khi chúng có
ý định sử dụng các vật dụng đó.
- Tính năng an ninh nhƣ tự báo động khi có một ngƣời cố tình xâm nhập trái phép,
tự động khóa trái cửa, báo cảnh sát,… luôn trong trạng thái sẵn sàng.
Nhà thông minh đang và sẽ là một xu hƣớng công nghệ tất yếu trên thế giới,
trở thành tiêu chuẩn của nhà ở hiện đại trong kỷ nguyên Internet of Things – kết nối

vạn vật qua internet. Bên cạnh đó, sự tiện nghi và tiết kiệm năng lƣợng cũng dần trở
thành một tiêu chuẩn cần thiết nhằm nâng cao chất lƣợng sống của chúng ta.
Luận văn này sẽ phân tích và thiết kế, thi công mô hình của hệ thống giám
sát và điều khiển thiết bị điện trong nhà, là thành phần cơ bản của những ngôi nhà
thông minh.

1.2. Mô tả hệ thống
1.2.1. Bộ điều khiển thiết bị, giám sát nhiệt độ, độ ẩm qua Internet
Hệ thống có chức năng giám sát thông số môi trƣờng gồm nhiệt độ và độ ẩm.
Hệ thống bao gồm phần mềm Web Server chạy trên máy tính có kết nối Internet, nó
có chức năng hiển thị nhiệt độ và độ ẩm từ bộ điều khiển trung tâm thông qua


13
đƣờng truyền internet. Các dữ liệu này sẽ đƣợc phân tích và hiển thị trên màn hình.
Đồng thời điều khiển khối công suất

C
C

R
L
.
T
DU

Hình 1.1. Bộ điều khiển thiết bị, giám sát nhiệt độ, độ ẩm qua Internet

1.2.2. Bộ điều khiển thiết bị từ remote

Bộ điều khiển có chức năng nhận tín hiệu điều khiển hồng ngoại từ remote
đƣa ra các chân tƣơng ứng để điều khiển các thiết bị

Hình 1.2. Bộ điều khiển thiết bị từ remote


14

1.2.3. Bộ cảm biến và cảnh báo qua điện thoại

C
C

Hình 1.3. Bộ điều khiển thiết bị và giám sát nhiệt độ và độ ẩm

R
L
.
T
DU

Hệ thống có chức năng: phát hiện rò rỉ khí gas và khi chủ nhà đi vắng ra lệnh
bật chức năng cảnh báo chuyển động và phát hiện có ngƣời xâm nhập vào ngôi nhà
của mình, bộ cảm biến xử lý và gọi điện vào số điện thoại đƣợc cài đặt trƣớc.

1.3. Tính năng kỹ thuật

- Đo và hiển thị giá trị nhiệt độ và độ ẩm trên Web server.
+ Sai số nhiệt độ: ± 3 oC
+ Sai số độ ẩm: ± 3 %RH

- Điều khiển các chức năng hoạt động của bóng đèn,… và các thiết bị điện khác
- Thực hiện đƣợc các chức năng báo động qua điện thoại

1.4. Tính năng phần mềm
1.4.1. Phần mềm nạp cho arduino
- Giám sát liên tục thông số nhiệt độ, độ ẩm
- Có chức năng điều khiển thiết bị từ remote
- Có chức năng cảnh báo qua điện thoại di động qua đƣờng GSM

1.4.2. Phần mềm điều khiển trên máy tính
- Phần mềm chạy trên Web server có các chức năng là:
+ Hiển thị giá trị nhiệt độ và độ ẩm


15
+ Ra lệnh điều khiển khối công suất

1.5. Kết luận chƣơng
Chƣơng 1 đã giới thiệu tổng quan nhà thông minh, các chức năng và yêu cầu
chung của nhà thông minh, từ đó đã trình bày sơ đồ khối của hệ thống giám sát và
điều khiển thiết bị cũng nhƣ đƣa ra các yêu cầu về tính năng phần cứng và tính năng
phần mềm của hệ thống. Trong chƣơng tiếp theo, luận văn sẽ trình bày các cơ sở lý
thuyết liên quan.

R
L
.
T
DU

C
C


16

CHƢƠNG 2.

LÝ THUYẾT LIÊN QUAN

2.1. Giới thiệu chƣơng
Chƣơng này sẽ trình bày các cơ sở lý thuyết liên quan đến đề tài, bao gồm:
giới thiệu tổng quan về vi điều khiển Arduino, tiêu chuẩn truyền thông Ethernet, các
loại cảm biến và thiết bị điều khiển đƣợc sử dụng trong thiết kế nhà thông minh.

2.2. Giới thiệu chung về Arduino
2.2.1. Arduino [7]
Arduino thực sự đã gây sóng gió trên thị trƣờng ngƣời dùng DIY (là những
ngƣời tự chế ra sản phẩm của mình) trên toàn thế giới trong vài năm gần đây, gần
giống với những gì Apple đã làm đƣợc trên thị trƣờng thiết bị di động. Số lƣợng
ngƣời 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 ngƣời tạo ra chúng phải ngạc nhiên về mức độ phổ
biến.

C
C

R
L
.

T
DU

Hình 2.1. Những thành viên khởi xướng Arduino.
Arduino là gì mà có thể khiến ngay cả những sinh viên và nhà nghiên cứu tại
các trƣờng đại học danh tiến nhƣ MIT, Stanford, Carnegie Mellon phải dử 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 tƣơng tác với cảm biến và các thiết bị
khác?
Arduino thật ra là bo mạch vi xử lý dùng để lập trình tƣơng tác với các thiết
bị phần cứng nhƣ cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác. Đặc điểm nổi bật
của Arduino là môi trƣờng 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 ngƣời ít am hiểu về điện


17
tử và lập trình. Và điều làm nên hiện tƣợng Arduino chính là mức giá rất thấp và
tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm. Chỉ khoảng $30, ngƣời dùng đã có
thể sở hữu một board Arduino có 20 ngõ I/O có thể tƣơng tác và điều khiển chừng
ấy thiết bị.
Arduino ra đời tại thị trấn Ivrea thuộc nƣớc Ý và đƣợc đặt theo tên một vị
vua vào thế kỷ thứ 9 là King Arduin. Arduino chính thức đƣợc đƣa ra giới thiệu
vào năm 2005 nhƣ là một công cụ khiêm tốn dành cho các sinh viên của giáo sƣ
Massimo Banzi, là một trong những ngƣời phát triển Arduino, tại trƣờng Interaction
Design Instistute Ivrea (IDII). Mặc dù hầu nhƣ không đƣợc tiếp thị gì cả, tin tức về
Arduino vẫn lan truyền với tốc độ chóng mặt nhờ những lời truyền miệng tốt đẹp
của những ngƣời dùng đầu tiên. Hiện nay Arduino nổi tiếng tới nỗi có ngƣời tìm
đến thị trấn Ivrea chỉ để tham quan nơi đã sản sinh ra Arduino.

2.2.2. Giới thiệu về board Arduino Uno [7]

C
C

Mạch Arduino UNO là dòng mạch Arduino phổ biến, khi mới bắt đầu làm
quen, lập trình với Arduino thì mạch Arduino thƣờng nói tới chính là dòng Arduino
UNO. Hiện dòng mạch này đã phát triển tới thế hệ thứ 3 (mạch Arduino UNO R3).

R
L
.
T
DU

Arduino UNO R3 là dòng cơ bản, linh hoạt, thƣờng đƣợc sử dụng cho ngƣời
mới bắt đầu. Bạn có thể sử dụng các dòng Arduino khác nhƣ: Arduino Mega,
Arduino Nano, Arduino Micro....Nhƣng với những ứng dụng cơ bản thì mạch
Arduino UNO là lựa chọn phù hợp.

Hình 2.2. Arduino UNO
Một vài thông số của Arduino UNO.
Vi điều khiển
Điện áp hoạt động

ATmega328 (họ 8bit)
5V - DC (chỉ đƣợc cấp qua cổng
USB)


18

Tần số hoạt động

16MHz

Dòng tiêu thụ

30mA

Điện áp vào khuyên dùng

7 - 12V - DC

Điện áp vào giới hạn

6-20V - DC

Số chân Digital I/O

14 (6 chân PWM)

Số chân Analog

6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O

30mA

Dòng ra tối đa (5V)

500mA

Bộ nhớ flash
SRAM
EEPROM

+ Vi điều khiển.

32 KB (ATmega328) với 0.5KB
dùng bởi bootloader

C
C

R
L
.
T
DU

2KB (ATmega328)
1 KB (ATmega328)

Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8,
ATmega168, ATmega328. Bộ não này có thể xử lý những tác vụ đơn giản nhƣ điều
khiển đèn LED nhấp nháy, xử lý tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo
nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD......
Ngoài việc dùng cho board Arduino UNO, có thể sử dụng những IC điều
khiển này cho các mạch tự chế. Vì sao? Vì chỉ cần board Arduino UNO để lập trình
cho vi điều khiển. Trên thực tế, không cần phải dùng Arduino UNO trên các sản

phẩm của mình, thay vào đó là các mạch tự chế để giảm chi phí nhƣ hình dƣới.


19

Hình 2.3. Mạch tự chế với Arduino
+ Năng lƣợng
Arduino UNO có thể đƣợc cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp
nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V. Thƣờng
thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lý nhất nếu không có sẵn nguồn từ cổng
USB. Nếu cấp nguồn vƣợt quá ngƣỡng giới hạn trên sẽ làm hỏng Arduino UNO.

C
C

R
L
.
T
DU

+ Các chân năng lƣợng

GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO. khi dùng các
thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải đƣợc nối với
nhau.
5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.
3.3V: Cấp điện áp 3.3V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.
Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO có thể đƣợc đo ở
chân này. Và dĩ nhiên nó luôn là 5V. Mặc dù vậy không đƣợc lấy nguồn 5V từ chân

này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn.
RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tƣơng đƣơng
với việc chân RESET đƣợc nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
+ Bộ nhớ
Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho ngƣời dùng:
32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh bạn lập trình sẽ đƣợc lƣu trữ trong bộ
nhớ Flash của vi điều khiển. Thƣờng thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ đƣợc
dùng cho bootloader.
2KB cho SRAM: giá trị các biến bạn khai báo khi lập trình sẽ lƣu ở đây. Bạn
khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM. Tuy vậy, thực sự thì


20
cũng hiếm khi nào bộ nhớ RAM lại trở thành thứ mà bạn phải bận tâm. Khi mất
điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mât.
1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only
Memory):
đây giống nhƣ một chiếc ổ cứng mini - nơi có thể đọc và nghi dữ liệu của
mình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống nhƣ dữ liệu trên SRAM.
+ Các cổng vào/ra
Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng chỉ
có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA. Ở mỗi
chân đều có các điện trở pull-up từ đƣợc cài đặt ngay trong vi điều khiển
ATmega328 (mặc định thì các điện trở này không đƣợc kết nối).
+ Một số chân digital có chức năng đặc biệt nhƣ:

C
C

2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng đẻ gởi (transmit - TX) và nhận

(receive - RX) dữ liệu TTL Serial. Arduino UNO có thể giao tiếp với thiết bị khác
thông qua 2 chân này. Kết nối bluetooth thƣờng thấy nói nôm na chính là kết nối
Serial không dây. Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng 2 chân
này nếu không cần thiết.

R
L
.
T
DU

Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép xuất ra xung PWM với độ
phân giải 8bit (giá trị từ 0 →5V) bằng hàm analogWrite(). Nói một cách đơn giản,
có thể điều chỉnh đƣợc điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định
ở mức 0V và 5V nhƣ những chân khác.
Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Ngoài các
chức năng thông thƣờng, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao
thức SPI với các thiết bị khác.
LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L). khi bấm
nút Resetse thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu. Nếu đƣợc nối với chân số 13. Khi
chân này đƣợc dùng sử dụng, LED sáng.
Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu
10bit (0 →210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V. Với chân AREF
trên board có thể để đƣa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog. Tức
nếu cung cấp điện áp 2.5V vào chân này thì có thể dùng các chân analog để đo điện
áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit.
Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp
I2C/TWI với các thiết bị khác

21

2.2.3. Arduino Promini [6]
Arduino Promini là board Arduino rất nhỏ, sử dụng chíp ATmega329 SMD,
đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng thực tế đòi hỏi nhỏ gọn.
Board Arduino Promini 5V 16MHz mặc định sử dụng nguồn 5V và IC
ATmega328 chạy ở xung nhịp 16MHZ. Tuy nhiên board có sẵn ngõ vào RAW để
cấp nguồn thông qua mạch điều áp. Nguồn vào cho ngõ RAW có thể từ 3.3V - 12V
(max 12V)
RAW: cấp nguồn thông qua mạch điều áp
Vcc: cấp nguồn 5V hoặc 3.3V (nguồn >5.5V sẽ gây hỏng IC)
Vì sử dụng chung dòng chíp ATmega328 nên việc lập trình và thiết kế ứng
dụng hoàn toàn tƣơng tự board Arduino UNO R3. Ngoài ra có 1 sự khác biệt nhỏ là
board Arduino Promini có tới 8 cổng analog (thay gì 6 nhƣ trên Arduino UNO R3).
Trong đó 2 ngõ ra analog A6, A7 không thể xuất tín hiệu digital

C
C

R
L
.
T
DU

Arduino Promini không có sẵn giao tiếp USB, điều này có nghĩa là không thể
cắm trực tiếp board Arduino Promini vào máy tính nhƣ Arduino Mega 2560,
Arduino Uno R3, Arduino Nano.

2.3. Tổng quan về Ethernet

Ethernet là kiểu mạng cục bộ (LAN) đƣợc sử dụng rộng rãi nhất hiện nay.
Thực chất, Ethernet chỉ là mạng cấp dƣới (lớp vật lý và một phần lớp liên kết dữ
liệu), vì vậy có thể sử dụng các giao thức khác nhau ở phía trên, trong đó TCP/IP là
tập giao thức đƣợc sử dụng phổ biến nhất. Tuy vậy, mỗi nhà cung cấp sản phẩm có
thể thực hiện giao thức riêng hoặc theo một chuẩn quốc tế cho giải pháp của mình
trên cơ sở Ethernet. High Speed Ethernet (HSE) của Fieldbus Foundation chính là
một trong tám hệ bus trƣờng đƣợc chuẩn hóa quốc tế theo IEC 61158.


22

2.3.1. Họ giao thức TCP/IP

C
C

R
L
.
T
DU

Hình 2.4. Các giao thức cơ bản trong TCP/IP
TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) là kết quả nghiên
cứu và triển giao thức trong mạng chuyển mạch gói thử nghiệm mang tên Arpanet
do ARPA (Advanced Reseach Projecs Agency). Khái niệm TCP/IP dùng để chỉ cả
một lớp tập giao thức và dịch vụ truyền thông đƣợc công nhận thành chuẩn cho
Internet. Cho tới nay TCP/IP đã xâm nhập tới rất nhiều phạm vi ứng dụng khác
nhau, trong đó có các máy tính cục bộ và mạng truyền thông công nghiệp.

2.3.2. Cấu trúc địa chỉ IP
Mạng Internet dùng hệ thống địa chỉ IP (32 bit) để "định vị" các máy tính liên
kết với nó. Có hai cách đánh địa chỉ phụ thuộc vào cách liên kết của từng máy tính
cụ thể.
Hệ thống địa chỉ này đƣợc thiết kế mềm dẻo qua một sự phân lớp, có 5 lớp
địa chỉ IP là: A, B, C, D, E. Sự khác nhau cơ bản giữa các lớp địa chỉ này là ở khả
năng tổ chức các cấu trúc con của nó.


23

Hình 2.5. Ethernet trong tập chuẩn IEEE 802

2.3.3. Mạng con và mặt nạ
Cần thiết để cho TCP/IP hoạt động, sử dụng giao thức TCP/IP để xác định
xem máy chủ trên mạng phụ cục bộ hoặc trên mạng từ xa.

C
C

R
L
.
T
DU

Hình 2.6. Cấu trúc địa chỉ IP
Mạng Internet sử dụng địa chỉ IP 32 bit và phân chia ra các lớp rất mềm dẻo,
tuy nhiên, với một hệ thống địa chỉ nhƣ vậy việc quản lý vẫn rất khó khăn. Nếu nhƣ

một mạng đƣợc cấp một địa chỉ lớp A thì có nghĩa nó chứa tới 6*1.048.576 máy
tính, do vậy ngƣời ta dùng mặt nạ bit để phân chia mạng ra thành những mạng con
gọi là Subnet. Subnet mask là một con số 32 bit bao gồm n bit 1 (thƣờng là các bit
cao nhất) dùng để đánh địa chỉ mạng con và m bit 0 dùng để đánh địa chỉ máy trong
mạng con (vớin+m=32).

2.3.4. Quá trình đóng gói
Cũng tƣơng tự nhƣ trong mô hình OSI, khi truyền dữ liệu, quá trình tiến hành
từ tầng trên xuống tầng dƣới, qua mỗi tầng dữ liệu đƣợc thêm vào một thông tin