Nghiên cứu thiết kế mô hình nhà thông minh sử dụng pin năng lượng mặt trời độc lập

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------PHẠM NGỌC BẮC

PHẠM NGỌC BẮC

CƠ ĐIỆN TỬ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MƠ HÌNH NHÀ THƠNG MINH
SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ĐỘC LẬP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT
CƠ ĐIỆN TỬ

2014A
Hà Nội – 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------PHẠM NGỌC BẮC

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MƠ HÌNH NHÀ THÔNG MINH
SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ĐỘC LẬP

Chuyên ngành : CƠ ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CƠ ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN

Ts. ĐẶNG THÁI VIỆT

Hà Nội – 2017


LỜI CAM ĐOAN
Trong thời gian học tập, nghiên cứu tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội,
trong chương trình học cao học ngành Cơ – điện tử. Được sự dạy bảo, giúp đỡ tận tình
của các thầy cơ giảng dạy và đặc biệt là sự chỉ bảo, hướng dẫn của Thầy hướng dẫn TS
Đặng Thái Việt. Đến nay, tôi đã hồn thành chương trình học, luận văn đúng hạn và đã
đạt được những kết quả đã đề ra.
Tôi xin cam đoan, toàn bộ những nội dung nghiên cứu trong luận văn mà tôi đã
thực hiện là trung thực và không sao chép của ai.
Hà nội, Ngày 20 tháng 4 năm 2017.
Ngƣời cam đoan

I


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên cho em được gửi lời cảm ơn chân thành Thầy giáo TS Đặng Thái
Việt, người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình, truyền đạt cho em nhiều kiến thức
cũng như kinh nghiệm quý báu. Qua đây cho em được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới
Thầy, em kính chúc Thầy và gia đình mạnh khỏe, hành phúc và cơng tác tốt.
Em cũng xin được gửi lời cảm ơn đến các Thầy/ Cô trong Viện Cơ Khí đã nhiệt
tình tryền đạt cho em những kiến thức chuyên môn và kinh nghiệm quý báu. Em xin
gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu, Lãnh đạo Viện Cơ Khí, Viện Đào tạo sau đại học

Trường Đại học Bách khoa hà Nội đã tạo điều kiện cho em được học tập, nghiên cứu
và hoàn thành chương trình học.
Cuối cùng, cho em được gửi lời cảm ơn đến tồn thể gia đình, đồng nghiệp và
bạn bè đã ln bên cạnh động viên, khích lệ và giúp đỡ em hồn thành luận văn và
chương trình học.
Học viên

Phạm Ngọc Bắc

II


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... I
LỜI CẢM ƠN ...............................................................................................................II
MỤC LỤC ................................................................................................................... III
DANH MỤC HÌNH VẼ................................................................................................ V
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ VIII
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... IX
CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................1
1.1 Khái quát về Arduino .............................................................................................. 1
1.1.1. Giới thiệu chung ....................................................................................................1
1.1.2. Cấu trúc phần cứng ................................................................................................ 2
1.1.3. Lập trình Arduino ..................................................................................................4
1.1.4. Ứng dụng của Arduino ..........................................................................................9
1.2. Ứng dụng truyền thông mạng cảm biến trong nhà thông minh ......................11
1.2.1. Zigbee ..................................................................................................................11
1.2.2. Đặc điểm ..............................................................................................................11
1.2.3. Thuật toán định tuyến theo yêu cầu AODV ........................................................15
1.2.4. Tổng quan về Xbee ZB24....................................................................................24

1.3. Cơ sở lý thuyết về dàn xoay nặng lƣợng mặt trời tự định tâm ........................29
1.3.1 Ứng dụng của mặt trời và dàn thu năng lượng mặt trời ......................................29
1.3.2 Ứng dụng của dàn thu năng lượng mặt trời trong hệ tiết kiệm năng lượng ........31
1.3.3. Hiệu quả khai thác năng lượng mặt trời bằng dàn xoay......................................34
1.4. Các nguyên tắc xoay dàn .....................................................................................36
1.4.1. Dàn xoay bị động.................................................................................................36
1.4.2. Dàn xoay chủ động .............................................................................................. 37
1.4.2.1. Hệ thống dùng vi xử lý và cảm biến.................................................................38
1.4.2.2. Hệ thống điều khiển theo lịch lập sẵn .............................................................. 38
1.5. Các loại dàn xoay ..................................................................................................39
1.5.1. Các dàn xoay một trục .........................................................................................39
1.5.2. Các dàn xoay hai trục .......................................................................................... 41
1.5.3. Đánh giá hai loại dàn ........................................................................................... 43
CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH ............................... 44
2.1. Phân tích hệ thống ................................................................................................ 44
2.1.1. Tìm hiểu về ngôi nhà thông minh........................................................................44
2.1.2. Yêu cầu và giải quyết vấn đề ...............................................................................46
2.2. Thiết kế phần cứng ............................................................................................... 46
2.2.1. Mơ hình hệ thống.................................................................................................46
2.2.2. Sơ đồ khối của nút cảm biến kết nối internet ......................................................47

III


2.2.2. Sơ đồ nguyên lý nút cảm biến kết nối qua sóng RFID ........................................47
2.3. Sản phẩm và đánh giá kết quả thực nghiệm ......................................................48
2.3.1. Sản phầm phần cứng hệ thống.............................................................................48
2.3.2. Sản phầm phần mềm và kết nối hệ thống ............................................................ 51
2.3.3. Đánh giá kết quả thực nghiệm thiết kế mô hình nhà thơng minh. ......................55
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG DÀN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VỚI

GIÁ TỰ XOAY THEO 2 TRỤC ................................................................................56
3.1 Hệ thống pin năng lƣợng mặt trời ( PV system ) ................................................56
3.1.1 Tấm pin năng lượng mặt trời – PV panel ............................................................. 56
3.1.2 Bộ chuyển đổi DC ............................................................................................... 56
3.1.2 Bộ lưu điện ( Pin, Acquy) .....................................................................................56
3.1.4 Bộ chuyển đổi AC/DC.......................................................................................... 57
3.1.4 Máy biến áp ..........................................................................................................57
3.2 Lựa chọn hệ thống dàn gá PV system. .................................................................57
3.3 Nguyên lý bám điểm cơng suất cực đại - MPPT. ................................................58
3.3.1 Đặc tính P - V của solar sell. ................................................................................58
3.3.2 DC convector ........................................................................................................60
3.3.3 Thuật toán bám điểm cực đại ( MPPT ) ............................................................... 63
3.4 Thiết kế hệ thống dàn xoay ...................................................................................63
3.4.1 Thiết kế và mô phỏng Simulink ...........................................................................63
3.4.2 Thiết kế sơ đồ khối và các cụm chức năng với Altium ........................................71
3.5 Thiết kế hệ thống nguyên lý cảm biến quang và điều khiển động cơ ...............74
3.5.1 Phần cứng dẫn động trong hệ thống .....................................................................74
3.5.2 Kết quả ..................................................................................................................76
3.6. Thiết kế bộ điều khiển hệ thống MPPT .............................................................. 77
3.6.1 Phần cứng điều khiển trong hệ thống ...................................................................77
3.6.2 Kết quả thật của hệ thống .....................................................................................79
3.7. Đánh giá kết quả thực nghiệm hệ thống. ............................................................ 80
KẾT LUẬN ..................................................................................................................83
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 84
PHỤ LỤC .....................................................................................................................85

IV


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình1.1. Board cơ bản Arduino Uno ..............................................................................2
Hình 1.2. Hình mặt trên của Arduino Uno ......................................................................2
Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý Arduino .................................................................................3
Hình 1.4. Link download phần mềm Arduino. ................................................................ 5
Hình 1.5. Hình ảnh khi bật giao diện arduino. ............................................................... 5
Hình 1.6. Giao diện lập trình Arduino. ...........................................................................5
Hình 1.7. Sử dụng giao diện lập trình. ............................................................................6
Hình 1.8. Ví dụ có sẵn trong Arduino .............................................................................6
Hình 1.9. Ví dụ điều khiển led .........................................................................................7
Hình 1.10. Gửi dữ liệu ra cổng truyền thơng nối tiếp .....................................................8
Hình 1.11. Kết quả truyền thơng về máy tính ..................................................................8
Hình 1.12. ết nối cảm biến I với rduino ................................................................ 8
Hình 1.13. o nhiệt độ b n cảm biến nhiệt
35 ........................................................9
Hình 1.14. Máy in 3D ......................................................................................................9
Hình 1.15. Robot ............................................................................................................10
Hình 1.16. áy bay khơn n ƣời lái .............................................................................10
Hình 1.17. Lập tình ame tƣơn tác .............................................................................10
Hình 1.18. iều khiển hiệu ứng ánh sáng .....................................................................11
Hình 1.19: Cấu trúc liên kết mạng cấu trúc liên kết mạng hình sao ............................. 13
Hình 1.20: Cấu trúc mạng hình sao ...............................................................................13
Hình 1.21: Cấu trúc mạng mesh....................................................................................14
Hình 1.22: Cấu trúc mạng hình cây ..............................................................................14
Hình 1.23: ịnh dạng tuyến đƣờng trong giao thức AODV ..........................................17
Hình 1.24: Quá trình chọn nốt gốc (CH) .......................................................................18
Hình 1.25: Thiết lập kết nối giữa CH và nốt thành viên ................................................19
Hình 1.26: Quá trình hình thành nhánh nhiều bậc ........................................................19
Hình 1.27: Gán địa chỉ nhóm trực tiếp ..........................................................................21
Hình 1.28. Gán địa chỉ nhóm qua nốt trung gian .......................................................... 21
Hình 1.29. Gán địa chỉ nhóm qua nốt gốc. ....................................................................22

Hình 1.30. Gán địa chỉ nhóm qua nốt gốc và nốt trung gian .........................................22
Hình 1.31: Mạng cây đa nhánh và các nốt trung gian ..................................................23
Hình 1.32. Hình ảnh Xbee ZB24 ...................................................................................24
Hình 1.33. Hoạt động truyền thơng RF .........................................................................25
Hình 1.34. Khung truyền UART ....................................................................................25
Hình 1.35. Cấu trúc khung API chế độ 1 ......................................................................26
Hình 1.35. Khung API ở chế độ 2..................................................................................26
Hình 1.36. Cấu trúc cụ thể khung API. .........................................................................27
Hình 1.37. API truyền 64 bít địa chỉ .............................................................................27
V


Hình 1.38. API truyền 16 bít địa chỉ .............................................................................28
Hình 1.39. Khung trạng thái truyền. .............................................................................28
Hình 1.40. Khung nhận 64 bít địa chỉ. ..........................................................................28
Hình 1.41. Khung nhận 16 bít địa chỉ. ..........................................................................28
Hình 1.42 Năn lƣợng sạch từ gió và thủy triều ........................................................... 30
Hình 1.43 Nhà máy năn lƣợng mặt trời ......................................................................30
Hình 1.44 Nhà máy năn lƣợng mặt trời ......................................................................31
Hình 1.45 Góc tia nắng chiếu lên mặt phẳn thu năn lƣợng ......................................34
Hình 1.46. Nguyên lý hoạt động của một dàn xoay bị động .........................................36
Hình 1.47. Dàn thu năn lƣợng kiểu Hologram ........................................................... 37
Hình 1.48. N uyên lý điều khiển b ng cảm biến quang (Photo sensor) .......................38
Hình 1.49. Mơ phỏng dàn xoay 1 trục thẳn đứng .......................................................40
Hình 1.50. Nguyên lý hoạt động của dàn xoay một trục đặt nghiêng ........................... 40
Hình 1.51. Mơ hình dàn một trục n m ngang ............................................................... 41
Hình 1.52. Nguyên lý làm việc của dàn hai trục, gá nghiêng .......................................42
Hình 1.53. Nguyên lý hoạt động của dàn hai trục phƣơn vị-cao độ ........................... 42
Hình 2.1. Ngơi nhà thơng minh .....................................................................................44
Hình 2.2. Mơ hình hệ thống ........................................................................................... 46

Hình 2.3. Sơ đồ khối nút cảm biến ................................................................................47
Hình 2.4. Sơ đồ mạch kết nối cảm biến .........................................................................48
Hình 2.5. Sơ đồ mạch kết nối điều khiển .......................................................................48
Hình 2.6. Nút cảm biến gắn cơ cấu chấp hành ............................................................. 49
Hình 2.7. Module Xbee ..................................................................................................49
Hình 2.8. Cảm biến khí gas ........................................................................................... 50
Hình 2.9. Cảm biến ánh sáng ........................................................................................50
Hình 2.10. Cảm biến chuyển động ................................................................................50
Hình 2.11. Hệ thốn đầy đủ........................................................................................... 51
Hình 2.12. Phần mềm quản lý và điều khiển trên máy tính ..........................................51
Hình 2.13. Hình ảnh thật hệ thống kết nối các cảm biến ..............................................52
Hình 2.14. Hình ảnh thiết bị giám sát chuyển độn và báo động .................................53
Hình 2.15. Hình ảnh kết nối hệ thống thiết bị điện .......................................................53
Hình 2.16. Hình ảnh đèn bật khi độ sáng quá yếu ........................................................54
Hình 2.18. Hình ảnh hiển thị trên màn hình máy tính...................................................54
Hình 3.1. Hệ thống PV ..................................................................................................56
Hình 3.2. ạc điểm nạp và xả pin .................................................................................57
Hình 3.3: Hệ thống 2 trục độc lập .................................................................................57
Hình 3.4: Bức xạ trực tếp .............................................................................................. 58
Hình 4.5: Bức xạ khuếch tán .........................................................................................58
Hình 3.6: Mạch tƣơn đƣơn của một tế bào quan điện mặt trời .............................. 58
Hình 3.7: ồ thị đặc tính P-V của một PV panel .......................................................... 59

VI


Hình 3.8: ặc tính P-V của một tế bào quan điện với các bức xạ khác nhau ............60
Hình 3.9: ặc tính P-V của một tế bào quan điện với các nhiệt độ khác nhau ..........60
Hình 3.10: Mạch tƣơn đƣơn của hai trạng thái ........................................................60
Hình 3.11 iện áp và dịn điện dạng sóng cho chuyển đổi .........................................61

Hình 3.12 Mạch tƣơn đƣơn khi cơn tắc Switch đón ..............................................61
Hình 3.13 ồ thị điện áp theo thời gian ........................................................................61
Hình 3.14 Dịn điện theo thời gian ..............................................................................62
Hình 3.15 Dịng Ic theo thời gian ..................................................................................62
Hình 3.16 Mạch tƣơn đƣơn khi cơn tắc Switch mở .................................................62
Hình 3.17 Dịng Ic theo thời gian ..................................................................................62
Hình 3.18 iện áp thay đổi theo thời gian ....................................................................62
Hình 3.20 Mơ hình Simulink của hệ thống PV với thuật tốn MPPT ........................... 64
Hình 3.21 Vòng quay thực hiện, điện áp, dòn điện và năn lƣợng của hệ thống .......65
Hình 3.22 : ồ thị I-V và các điểm P-V (đỏ, đƣờn nét đứt), .......................................66
thay đổi độ dốc và năn lƣợng trong q trình mơ phịng mơ phỏng ........................... 66
Hình 3.23 Vịng quay thực hiện, điện áp, dịn điện và năn lƣợng của hệ thống .......67
Hình 3.24 : ồ thị I-V và các điểm P-V (đỏ, đƣờn nét đứt), .......................................68
thay đổi độ dốc và năn lƣợng trong q trình mơ phịng mơ phỏng ........................... 68
Hình 3.25 Vòng quay thực hiện, điện áp, dòn điện và năn lƣợng của hệ thống .......69
Hình 3.26 : ồ thị I-V và các điểm P-V (đỏ, đƣờn nét đứt), .......................................70
thay đổi độ dốc và năn lƣợng trong q trình mơ phịng mơ phỏng ........................... 70
Hình 3.27 Theo dõi điểm cơng suất tối đa với I-V trong mô phỏng .............................. 71
(đỏ, đƣờn đứt nét) ........................................................................................................71
Hình 3.28 Sơ đồ mạch thiết kế hệ thống ........................................................................72
Hình 3.29 Thiết kế mạch với Altium ..............................................................................73
Hình 3.30 (a) Kết nối với Arduino .................................................................................74
Hình 3.30 (b) Kết nối với Arduino .................................................................................74
Hình 3.31. Gắn cảm biến ánh sáng trên hệ thốn iá năn lƣợng mặt trời tự xoay ....75
Hình 3.33 iều khiển động cơ trên hệ thống ............................................................... 76
Hình 3.34 Hệ thống phần cứn dàn pin năn lƣợng mặt trời tự xoay .........................76
Hình 3.35 Mơ phỏng phần cứng hệ thống DC converter. ............................................77
Hình 3.36 DC/DC Converter .........................................................................................78
Hình 3.67 LCD hiển thị và mạch kết nối ......................................................................78
Hình 3.38 Sơ đồ mạch kết nối.......................................................................................79

Hình 3.39 Hình hệ thống thực tế ..................................................................................79
Hình 3.40 Kết quả ghi lại thực tế của hệ thống............................................................ 80
Hình 3.41 Kết quả ghi cơng suất đầu ra của tấm pin năn lƣợng mặt trời .................80
Hình 3.42 Kết quả hi điện áp đầu ra của tấm pin năn lƣợng mặt trời....................81
Hình 3.43 Kết quả hi cƣờn độ dịn điện đầu ra .....................................................81
của tấm pin năn lƣợng mặt trời ...................................................................................81

VII


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

IP

Internet Protocol

MTTP

Maximum power point tracking

PHY

Physical layer

RF

Radio frequency

WLAN

Wireless Local Area Network

WPAN

Wireless Personal Area Network

WSN

Wireless Sensor Network

PV

Photovoltaics

LCD

Liquid Crystal Display

PAN

Personal Area Network

API

Application Programming Interface

RSSI

Received Signal Strength Indicator.
Ad- hoc On – demand Distance Vector
Bluetooth Low Energy

AODV
BLE
ZLL
EIB
ZCL

Zigbee Light Link
Ẻuopean Installation Bus
Zigbee Cluster Library

VIII


MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài.
Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều các nghiên cứu và ứng dụng thực tế của hệ
thống nhà thơng minh tích hợp với hệ thống điện thơng minh. Do Viêt nam là một
nước có tiềm năng năng lượng mặt trời nên hệ thống nhà tích hợp năng lượng mặt trời
đang được phát triển rất mạnh. Tuy nhiên, các nghiên cứu về tối ưu về năng lượng
điện sử dụng của loại hình nhà thơng minh tích hợp năng lượng mặt trời cịn ít. Đề tài
đã trình bày thiết kế cấu tạo của mơđun nhà thơng minh điều khiển và giám sát qua
mạng mạng cảm biến khơng dây tích hợp hệ thống pin mặt trời tự động bám tâm mặt
trời để nâng cao hiệu suất của tấm solar panel . Hệ thống cho phép kết nối dễ dàng và
vận hành tất cả các nguồn điện kể cả nguồn điện phân tán là điện mặt trời làm cho hệ
thống vận hành hiệu quả và tiết kiệm điện hơn. Các kết quả kiểm nghiệm trên modun

đã chỉ ra hiệu suất hấp thụ của hệ thống pin tự đông định tâm mặt trời được nâng lên
1,57 lần so với dàn năng lượng mặt trời cố định truyền thống. Đồng thời đó, trong q
trình tính tốn và đo đạc, áp dụng năng lượng mặt trời vào nhà thông minh trong việc
quản lý, giám sát và tắt bật các thiết bị điện hợp lý cũng giúp tiết kiệm năng lượng
điện trong gia đình lên đến hơn 30% năng lượng tiêu thụ.
Với sự phát triển của công nghệ chế tạo pin mặt trời tại Việt nam và nhu cầu
cấp thiết của việc thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch bằng năng lượng tái tạo,
chính phủ Việt nam đã thực hiện nhiều chính sách khuyến khích phát triển nguồn năng
lượng sạch và với diện tích trải dài từ Bắc xuống Nam nằm trong vùng cận Xích đạo,
nước ta là một nươc tiềm năng trong việc sử dụng năng lượng sạch như năng lượng
gió, năng lượng mặt trời.
Chính vì vậy, tập trung nghiên cứu, ứng dụng công nghệ truyền thông không
dây trong hệ thống điều khiển chiếu sáng và giám sát nhà ứng dụng với hệ thống nâng
cao hiệu suất xử dụng pin năng lượng mặt trời là một xu hướng cấp thiết.
Mục đích của đề tài.
Tập trung nghiên cứu cơng giám sát nhà thông minh và chiếu sang ứng dụng
công nghệ không, them vào đó kết hợp với bộ điều khiển dàn năng lượng mặt trời tự
xoay để nâng cao hiệu suất xử dụng. Từ cơ sở đó, phân tích, thiết kế, chế tạo mơ hình
hệ thống điều khiển chiếu sáng trong nhà.
Bố cục của luận văn.
Những nội dung chính của luận văn được trình bày trong 3 chương:

IX


CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu tông quan về bộ kít Arduino và nguyên lý, cách sử dụng ứng dụng
Kit Arduino để thiết kế hệ thống nhà thông minh và ứng dụng thiết kế dàn pin năng
lượng mặt trời với giá tự xoay
Giới thiệu tổng quát và phân tích về những chuẩn truyền thơng có dây, khơng

dây ứng dụng trong hệ thống điều khiển, giám sát và chiếu sáng tịa nhà. Có những so
sánh tương đối về những chuẩn đó và kết luận về hướng phát triển.
Cơ sở lý thuyết của dàn xoay năng lượng mặt trời và nguyên lý tự định tâm của
hệ thống cũng như phương pháp lựa chọn, thiết kế các hệ thống theo ứng dụng thực tế
Phân tích những đặc điểm, u cầu của mơ hình hệ thống dàn năng lượng mặt
trời với các nghiên cứu trước, xem xét đánh giá các dàn năng lượng mặt trời hiện có và
định hướng thiết kế hệ thống ứng dụng trong đề tài.
CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÀ THƠNG MINH
Giới thiệu về những đặc điểm và tính năng tính năng cơ bản của một ngơi nhà
thơng minh cần phải có, đồng thời đưa ra thiết kế và hệ thống chiếu sáng, giám sát đối
với ứng dụng của đề tài.
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG DÀN NĂNG ƢỢNG MẶT TRỜI VỚI GIÁ TỰ
XOAY THEO 2 TRỤC
Thiết kế hệ thống dàn năng lượng mặt trời với giá tự xoay theo hai trục, đồng
thời xây dựng và mô phỏng hệ thống trên maslab simuling để kiểm tra khả năng làm
việc của hệ thống trên thiết kế
Hệ thống thực tế của dàn năng lượng mặt trời tự xoay với giá tự xoay hai trục
độc lập, xây dựng mơ hình và đánh giá hệ thống cũng như hình ảnh các kết quả đạt
được.
Đánh giá kết quả hệ thống và đưa ra các hướng phát triển của đề tài với việc áp
dụng thực tế.
Phƣơng pháp nghiên cứu.
- Phương pháp nghiên cứu lý luận: Tìm hiểu, tổng hợp những tài liệu kỹ thuật
liên quan đến nội dung của đề tài. Tập trung nghiên cứu, phân tích, đánh giá để giải
quyết những vấn đề mà đề tài đặt ra.
- Phương pháp thực nghiệm: Khảo sát, phân tích thiết kế, chế tạo mơ hình hệ
thống. Từ kết quả thực nghiệm, kết hợp với kết quả của phương pháp nghiên cứu lý
luận đưa ra những đánh giá tổng quan về nội dung của đề tài.

X

CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1 Khái quát về Arduino
1.1.1. Giới thiệu chung
Môi trường Arduino được thiết kế đơn giản cho người mới bắt đầu sử dụng.
Không phải phần mềm hoặc các thiết bị điện tử thực nghiệm, với Arduino bạn có thể
xây dựng một dự án đáp ứng được các yêu cầu về điều khiển ánh sáng, âm thành,
chuyển động… Arduino được sử dụng để tạo ta rất nhiều thứ tuyệt vời như nhạc cụ,
robot, điêu khắc ánh sáng, trị chơi, đồ nội thất tương tác thậm chí là quần áo thơng
minh có khả năng tương tác với cơ thể.
Arduino được sử dụng rất nhiều trong các chương trình giáo dục trên toàn thế
giới, đặc biệt đối với các nhà thiết kế và nghệ sĩ những người muốn tạo ra những cái
mới độc mà không cần am hiểu sâu về vấn đề của kỹ thuật của những thứ mà họ đã
sáng tạo ra. Bởi vì Arduino được thiết kế sử dụng cho những người không am hiểu về
kỹ thuật, phần mềm Arduino có rất nhiều ví dụ được cung cấp bởi nhà phát triển nên
rất dễ dàng để tiếp cận và sử dụng.
Mặc dù dễ dàng sử dụng nhưng Arduino có phần cứng được thiết kế rất tinh tế
nên các kỹ sư có thể dễ dàng nhúng nó vào trong các ứng dụng nhúng. Người đã sử
dụng và phát triển các ứng dụng nhúng bằng vi điều khiển cũng bị thu hút bởi Arduino
do khả năng phần cứng tốt và và phần mềm tiện dụng dễ dàng cho việc giải quyết các
ý tưởng.
Arduino được biết đến nhiều nhất là phần cứng của nó, nhưng phải có phần
mềm để lập trình phần cứng. Cả phần cứng và phần mềm gọi chung là “Arduino‟‟. Sự
kết hợp đó cho phép bạn tạo ra các dự án có ý nghĩa và kiểm sốt thế giới vật chất. Các
phần mềm là tự do, mã nguồn mở thông qua một nền tảng. Các board bạn có thể mua
với giá rẻ hoặc bạn có thể tự thiết kế với mã nguồn schematic mở. Ngồi ra, có một số
hoạt động liên quan tới Arduino được giải đáp bởi diễn đàn Arduino trên toàn thế giới
và Wikimedia gọi chung là sân chơi Arduino.
Phần mềm Arduino: được gọi là sketches, được tạo ra trên máy tính có tích hợp môi

trường phát triển(IDE). IDE cho phép bạn viết, chỉnh sửa code và chuyển đổi sao cho
phần cứng có thể hiểu. IDE dung để biên dịch và nạp vào Arduino ( quá trình sử lý này
gọi là UPLOAD).
Phần cứng Arduino: là các board Arduino nơi thực thi các chương trình lập trình.
Các board này có thể điều khiển hoặc đáp trả các tín hiệu điện, vì vậy các thành phần
được ghép trực tiếp vào nó để tương tác với thế giới thực để cảm nhận hoặc truyền
thơng. Ví dụ các cảm biến bao gồm các thiết bị chuyển mạch, cảm biến siêu âm, gia
tốc. Các thiết bị truyền động bao gồm đèn , motor, loa và các thiết bị hiển thị.
Hầu hết các board Arduino sử dụng kết nối kiểu USB dùng để cấp nguồn và upload dữ
liệu cho board Arduino.

1


Hình1.1. Board cơ bản Arduino Uno
Arduino Uno sử dụng 2 vi điều khiển trên board để xử lý tất cả các kết nối
USB. Chíp dán nhỏ (ATmega8U2) nằm gần cổng cắm dây kết nối kiểu USB. Cho
phép nạp chương trình và quản lý các thiết bị USB khác cắm vào. Chíp ATMega328
chứa chương trình nạp để thực thi chương trình đã được lập trình. Trên hầu hết các
board Arduino đều sử dụng 1 chip FTDI cung cấp giải pháp cho vấn đề kết nối với
cổng nối tiếp của máy tính. Ngoài Arduino Uno ra nhà sản xuất cung cấp nhiều board
khác như: Arduino Fio. Arduino Nano, Arduino Mega 2560. Với tùy vào ứng dụng có
thể chọn các loại board nhỏ hoặc board hỗ trợ nhiều chân TX và RX như Arduino
2560.
1.1.2. Cấu trúc phần cứng
a. Thơng số kỹ thuật

Hình 1.2. Hình mặt trên của Arduino Uno
Trên board có cổng USB connector để cắm vào máy tính,, đèn báo nguồn màu
xanh. Có cơng tắc Reset. Các pin giao tiếp. LED ở chân 13 và các led báo truyền nhận

nối tiếp. Ngoài ra cịn có các cổng đọc tín hiệu số và tín hiệu tương tự và các chân
chức năng PWM và truyền nhận dữ liệu nối tiếp. Và các chân giao tiếp I2C phục vụ
giao tiếp hai dây SDA và SCL.
-

Vi điều khiển ATMega328
Điện áp hoạt động 5V
Đầu vào diện áp 7-12V

2


-

Điện áp đầu vào tới hạn 6-20V

-

Chân vào ra số là 14 chân( trong đó có 6 chân băm xung PWM)

-

Chân đầu vào tương tự có 6 chân

-

Dịng DC vào ra trên chân là 40mA
Dòng đầu ra ở chân 3.3V là 50mA
Bộ nhớ Flash 32KB(ATMega328) trong đó 0.5KB sử dụng cho bootloader

-

SRAM là 2KB(ATMega328)
EEPROM là 1KB(ATMega328)
Tần số 16MHz

Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý Arduino
Trong mạch sử dụng 2 chíp vi điều khiển là ATMega328 và ATMega16U2 với
các chức năng ATMega16U2, được kết nối với cổng ICSP nối qua USB để nạp
chương trình. Thạch anh sử dụng là thạch anh 16MHz. Kết nối các Jump để tích hợp
cho Board sử dụng, Nguồn sử dụng phải qua ic chuyền đổi xuống 5V cho ATMega
hoạt động.
b. Nguồn ni
Arduino có thể được hỗ trợ thông qua kết nối USB hoặc với một nguồn cung cấp
điện bên ngoài. Các nguồn năng lượng được lựa chọn tự động. Hệ thống vi điều khiển
có thể hoạt động bằng một nguồn cung cấp bên ngoài từ 6V đến 20V. Nên cung cấp
với ít hơn 7V, tuy nhiên,pin 5V có thể cung cấp ít hơn 5V và hệ thống vi điều khiển

3


có thể khơng ổn định.Nếu sử dụng nhiều hơn 12V,điều chỉnh điện áp có thể quá nóng.
Phạm vi khuyến nghị là 7V đến 12V.
 Chân Vin: Điện áp đầu vào Arduino khi chúng ta dùng nguồn điện bên ngoài
(khác với nguồn 5V lấy từ USB hoặc nguồn thông qua jack cắm nguồn riêng).
Chúng ta có thể cung cấp nguồn thơng qua chân này.
 Chân 5V: Cung cấp nguồn vi điều khiển và các bộ phận khác trên bo mạch và
cung cấp nguồn cho các thiết bị ngoại vi khi kết nối tới bo mạch.
 Chân 3V3: Cung cấp nguồn cho các thiết bị cảm biến.
 Chân GND : Chân nối đất

c. Chân giao tiếp đầu vào và đầu ra
Trong số 14 chân tín hiêu số chúng ta có thể cấu hình để làm chân nhận dữ liệu vào
từ các thiết bị ngoại vi hoặc làm chân để truyền tín hiêu ra các thiết bị ngoại vi. Bằng
cách sử dụng các chức năng pinMode(), digitalWrite() và digitalRead() hoạt động ở
điện áp 5V. Mỗi chân có thể cung cấp hoặc nhận một dịng điện tối đa 50mA và có
một điện trở kéo nội (ngắt kết nối theo mặc định) 20-50 kOhms. Ngoài ra có một số
chân có chức năng khác.
 Chân 0 (Rx) : Chân được dùng để nhận dữ liệu.
 Chân 1 (Tx) : Chân được dùng để truyền dữ liệu
 Chân 2 và 3: Chân ngắt ngoài dùng để dừng một chương trình thực hiện
chương trình khác khi một ngắt bên ngoài xảy ra.
 Chân 3, 5, 6, 9, 10 và 11: Chân để điều chế độ rộng xung.
 Chuẩn giao tiếp SPI: Sử dụng chân 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK).
 Chuẩn giao tiếp I2C: Sử dụng chân đầu vào tương tự A4 (SDA) và A5 (SCL).
 Chân Aref : Tham chiếu điện áp đầu vào analog.
1.1.3. Lập trình Arduino
a. Giới thiệu mơi trƣờng lập trình
Để có mơi trường lập trình Arduino thì bước đầu tiên các bạn phải có file.rar do nhà
sản xuất Arduino cung cấp được download tại trang chủ theo link sau
/>
4


Hình 1.4. Link download phần mềm Arduino.
Sau khi giải nén chạy Arduino.exe như sau:

Hình 1.5. Hình ảnh khi bật giao diện arduino.
Và đây là giao diện lập trình:

Hình 1.6. Giao diện lập trình Arduino.

b. Sử dụng mơi trƣờng lập trình
Khi muốn lập trình bạn phải khởi động giao diện lập trình trên giao diện có các
chức năng được mơ tả như sau:

5


Hình 1.7. Sử dụng giao diện lập trình.
Trong giao diện lập trình căn bản khi lập trình cần chú ý các bước:
Bước 1: Tạo file biên dịch mới
Bước 2: Lưu file code
Bước 3: Lập trình code điều khiển
Bước 4: Biên dịch file để kiểm tra lỗi
Bước 5: Nạp chương trình vào Board.
Trong Arduino hỗ trợ các thư viện và ví dụ mở với các chủ đề khác nhau, muốn dùng
ví dụ nào có thể thao tác như hình bên dưới:

Hình 1.8. Ví dụ có sẵn trong Arduino
Nạp chƣơng trình và chạy ứng dụng
Cắm cáp nạp USB vào Board và máy tính kiểm tra trạng thái có cổng kết nối
chưa tại phần Tools>Serial Port để chọn cổng com kết nối và Tool> Board để chọn
board Arduino sử dụng. Sau đó nhấn Upload chương trình được nạp vào và chạy ứng
dụng.
Cấu trúc của một chƣơng trình lập trình Arduino.

6


Cũng như các ngơn ngữ lập trình khác, ngơn ngữ trong Arduino sử dụng ngôn
ngữ C. Cấu trúc một chương trình Arduino bao gồm 2 phần chính :

void setup()
{
Thực hiện việc thiết lập ban đầu cho các ứng dụng.
}
Void loop()
{
Vòng lặp thực hiện chương trình.
}
Hàm setup() được sử dụng để khởi tạo giá trị các biến, chế độ chân, bắt đầu sử dụng
các thư viện…Hàm setup chỉ thực hiện một lần khi cấp nguồn hoặc reset Arduino.
Hàm loop() được hiểu như là chương trình chính, thực hiện các chức năng được lập
trình và có tính lặp lại liên tục.
c. Một số ví dụ lập trình các ứng dụng
Trong Arduino hỗ trợ rất nhiều ví dụ với các thư viện mở, có thể sử dụng tùy
vào mục đích mà điều chỉnh cho phù hợp.
-

Lập trình Điều khiển led

Hình 1.9. Ví dụ điều khiển led
Trong hình trên led được kết nối tới chân 13 của arduino board, với hiệu ứng nhấp
nháy cách nhau 1 giây. Chương trình lập trình như sau:
int led = 13; // khoi tao chan led la 13
-

Lập trình gửi dữ liệu ra cổng truyền thông nối tiếp

7

Hình 1.10. Gửi dữ liệu ra cổng truyền thơng nối tiếp
Ta có thể gửi text hoặc data từ Arduino và có thể hiển thị trên máy tính như sau:
Chương trình gửi lần lần lượt các số từ Arduino tới máy tính, hiển thị trên Serial
Monitor:
Kết nối Arduino với máy tính, upload ví dụ này ta được kết quả:

Hình 1.11. Kết quả truyền thơng về máy tính
-

Phát hiện chuyển động (Tích hợp máy dò hồng ngoại thụ động PIR)

Chúng ta muốn phát hiện khi có người đang chuyên động. Sử dụng một cảm biến
chuyển động như một bộ cảm biến thụ động (PIR) hồng ngoại để thay đổi giá trị tín
hiệu trên chân tín hiệu số khi ai đó di chuyển gần đó.Cảm biến dễ dàng kết nối với
chân Arduino như hình vẽ.

Hình 1.12. ết nối cảm biến I với rduino
-

Đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt độ

Muốn hiển thị nhiệt độ hoặc sử dụng giá trị để kiểm soát một thiết bị. Ví dụ, để
chuyển đổi một cái gì đó khi nhiệt độ đạt đến một ngưỡng. Chương trình hiển thị nhiệt
8


độ Fahrenheit và Celsius (độ C) bằng cách sử dụng phổ biến LM35 phát hiện cảm biến
nhiệt. Cảm biến này trơng giống như một bóng bán dẫn.

Hình 1.13. o nhiệt độ b n cảm biến nhiệt

35
1.1.4. Ứng dụng của Arduino
Trong thực tế Arduino có rất nhiều ứng dụng bởi khả năng xử lý linh hoạt, phần
cứng dễ dàng tích hợp vào hệ thống khác. Do đó có thể ứng dụng trong hầu hết các hệ
thống điều khiển tự động từ đơn giản là các thiết bị báo cháy báo ga, hay phức tạp hơn
là xử lý máy in 3D.

Hình 1.14. Máy in 3D
Một cuộc cách mạng khác cũng đang âm thầm định hình nhờ vào Arduino, đó
là sự phát triển máy in 3D nguồn mở Reprap. Máy in 3D là công cụ giúp tạo ra các vật
thể thực trực tiếp từ các file CAD 3D. Công nghệ này hứa hẹn nhiều ứng dụng rất thú
vị trong đó có cách mạng hóa việc sản xuất cá nhân. Máy in 3D là sự tổng hịa của kỹ
thuật và cơng nghệ để làm cho cuộc sống trở nên đẹp hơn nhờ các ứng dụng của nó.

9


Hình 1.15. Robot
Trong hình trên Robot được lập trình bởi Arduino với chức năng quay camera
dị đường và truyền thơng về máy tính. Trên máy tính sẽ quản lý và điều chỉnh hướng
của Robot. Ứng dụng này cũng rất hay, có thể ứng dụng trong cơng nghiệp, dân dụng
hoặc qn sự làm robot do thám..

Hình 1.16. áy bay khơn n ƣời lái
UAV là một ứng dụng đặc biệt thíchhợp với Arduino do chúng có khả năng xử
lý nhiều loại cảm biến như Gyro, accelerometer, GPS…; điều khiển động cơ servo và
cả khả năng truyền tín hiệu từ xa.

Hình 1.17. Lập tình ame tƣơn tác
Việc đọc cảm biến và tương tác với PC là một nhiệm vụ rất đơn giản đối với

Arduino. Do đó rất nhiều ứng dụng game tương tác có sử dụng Arduino. Trong hình
trên game được tương tác với Arduino ngưới dùng có thể điều khiển cần chơi game ,
10


trên màn hình LCD cũng hiển thị các chức năng bấm và máy tính là giao diện tương
tác người dùng.

Hình 1.18. iều khiển hiệu ứng ánh sáng
Các tác vụ điều khiển đơn giản như đóng ngắt đèn LED hay phức tạp như điều
khiển ánh sáng theo nhạc hoặc tương tác với ánh sáng laser đều có thể thực hiện với
Arduino.
1.2. Ứng dụng truyền thông mạng cảm biến trong nhà thông minh
1.2.1. Zigbee
Cái tên ZigBee được xuất phát từ cách mà các con ong mật truyền những thông tin
quan trọng với các thành viên khác trong tổ ong. Đó là kiểu liên lạc “Zig-Zag” của
loài ong “honeyBee”. Và nguyên lý ZigBee được hình thành từ việc ghép hai chữ cái
đầu với nhau. Việc cơng nghệ này ra đời chính là sự giải quyết cho vấn đề các thiết bị
tách rời có thể làm việc cùng nhau để giải quyết một vấn đề nào đó.
1.2.2. Đặc điểm
Đặc điểm của cơng nghệ ZigBee là tốc độ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, chi
phí thấp, và là giao thức mạng khơng dây hướng tới các ứng dụng điều khiển từ xa và
tự động hóa. Tổ chức IEEE 802.15.4 bắt đầu làm việc với chuẩn tốc độ thấp được một
thời gian ngắn thì tiểu ban về ZigBee và tổ chức IEEE quyết định sát nhập và lấy tên
ZigBee đặt cho công nghệ mới này. Mục tiêu của công nghệ ZigBee là nhắm tới việc
truyền tin với mức tiêu hao năng lượng nhỏ và cơng suất thấp cho những thiết bị chỉ
có thời gian sống từ vài tháng đến vài năm mà không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin
như Bluetooth. Một điều nổi bật là ZigBee có thể dùng được trong các mạng mắt lưới
(mesh network) rộng hơn là sử dụng công nghệ Bluetooth. Các thiết bị không dây sử
dụng công nghệ ZigBee có thể dễ dàng truyền tin trong khoảng cách 10-75m tùy

thuộc và môi trường truyền và mức công suất phát được yêu cầu với mỗi ứng dụng,
Tốc độ dữ liệu là 250kbps ở dải tần 2.4GHz (toàn cầu), 40kbps ở dải tần 915MHz
(Mỹ + Nhật) và 20kbps ở dải tần 868MHz (Châu Âu).
Các nhóm nghiên cứu Zigbee và tổ chức IEEE đã làm việc cùng nhau để chỉ rõ
toàn bộ các khối giao thức của công nghệ này. IEEE 802.15.4 tập trung nghiên cứu
vào 2 tầng thấp của giao thức (tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu). Zigbee còn thiết
11


lập cơ sở cho những tầng cao hơn trong giao thức (từ tầng mạng đến tầng ứng dụng)
về bảo mật, dữ liệu, chuẩn phát triển để đảm bảo chắc chắn rằng các khách hàng dù
mua sản phẩm từ các hãng sản xuất khác nhau nhưng vẫn theo một chuẩn riêng để làm
việc cùng nhau được mà không tương tác lẫn nhau.
Hiện nay thì IEEE 802.15.4 tập trung vào các chi tiết kỹ thuật của tầng vật lý PHY và
tầng điều khiển truy cập MAC ứng với mỗi loại mạng khác nhau (mạng hình sao,
mạng hình cây, mạng mắt lưới). Các phương pháp định tuyến được thiết kế sao cho
năng lượng được bảo toàn và độ trễ trong truyền tin là ở mức thấp nhất có thể bằng
cách dùng các khe thời gian bảo đảm (GTSs_guaranteed time slots). Tính năng nổi bật
chỉ có ở tầng mạng Zigbee là giảm thiểu được sự hỏng hóc dẫn đến gián đoạn kết nối
tại một nút mạng trong mạng mesh. Nhiệm vụ đặc trưng của tầng PHY gồm có phát
hiện chất lượng của đường truyền (LQI) và năng lượng truyền (ED), đánh giá kênh
truyền (CCA), giúp nâng cao khả năng chung sống với các loại mạng không dây khác.
Một hệ thống ZigBee/IEEE802.15.4 gồm nhiều phần tạo nên. Phần cơ bản nhất tạo
nên một mạng là thiết bị có tên là FFD (full-function device), thiết bị này đảm
nhận tất cả các chức năng trong mạng và hoạt động như một bộ điều phối mạng PAN,
ngoài ra cịn có một số thiết bị đảm nhận một số chức năng hạn chế có tên là RFD
(reduced-function device). Một mạng tối thiểu phải có 1 thiết bị FFD, thiết bị này hoạt
động như một bộ điều phối mạng PAN.
FFD có thể hoạt động trong ba trạng thái: là điều phối viên của toàn mạng PAN
(personal area network), hay là điều phối viên của một mạng con, hoặc đơn giản chỉ

là một thành viên trong mạng. RFD được dùng cho các ứng dụng đơn giản, không yêu
cầu gửi lựợng lớn dữ liệu. Một FFD có thể làm việc với nhiều RFD hay nhiều FFD,
trong khi một RFD chỉ có thể làm việc với một FFD.
Kiến trúc liên kết mạng
Hiện nay Zigbee và tổ chức chuẩn IEEE đã đưa ra một số cấu trúc liên kết mạng cho
công nghệ Zigbee. Các node mạng trong một mạng Zigbee có thể liên kết với
nhau theo cấu trúc mạng hình sao (star) cấu trúc mạng hình lưới (Mesh) cấu trúc bó
cụm hình cây. Sự đa rạng về cấu trúc mạng này cho phép công nghệ Zigbee được ứng
dụng một cách rộng rãi. Hình 1 cho ta thấy ba loại mạng mà ZigBee cung cấp: tôpô
sao, tôpô mắt lưới, tôpô cây.

12


Hình 1.19: Cấu trúc liên kết mạng cấu trúc liên kết mạng hình sao

Hình 1.20: Cấu trúc mạng hình sao
Đối với loại mạng này, một kết nối được thành lập bởi các thiết bị với một thiết bị
điều khiển trung tâm điều khiển được gọi là bộ điều phối mạng PAN. Sau khi FFD
được kích hoạt lần đầu tiên nó có thể tạo nên một mạng độc lập và trở thành một bộ
điều phối mạng PAN. Mỗi mạng hình sao đều phải có một chỉ số nhận dạng cá nhân
của riêng mình được gọi là PAN ID (PAN identifier), nó cho phép mạng này có thể
hoạt động một cách độc lập. Khi đó cả FFD và RFD đều có thể kết nối tới bộ điều
phối mạng PAN. Tất cả mạng nằm trong tầm phủ sóng đều phải có một PAN duy
nhất, các nốt trong mạng PAN phải kết nối với (PAN coordinator) bộ điều phối mạng
PAN.
Cấu trúc liên kết mạng mắt lưới (mesh)

13