Xây dựng ứng dụng BMS trên nền Web server với Arduino và ESP8266 để điều khiển giám sát hệ thống chiếu sáng công viên.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HỐ
====o0o====

BTL MƠN HỌC TỰ ĐỘNG HĨA
TỊA NHÀ
ĐỀ TÀI:
Xây dựng ứng dụng BMS trên nền Web server với Arduino và ESP8266 để
điều khiển giám sát hệ thống chiếu sáng công viên.
Đỗ Thanh Tuấn
Lê Minh Tuấn
Phạm Đình Tuấn
Vũ Xuân Tuấn

2019501022
2019501218
2019500918
2019501499

Hà nội, 2021

1


.

MỤC LỤC
Trang
MỤC LỤC
Trang

2


.

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

I2C

Inter-Integratel Circuit

Đường bus giao tiếp giữa
các IC

QR

Quick Response

Mã phản hồi nhanh

SMTP

Simple Mail Transfer Protocol

Giao thức truyền tải thư
tín đơn giản

LCD

Liquid crystal display

Màn hình tinh thể lỏng

IoT

Internet Of Things

Mạng lưới vạn vật kết nối
internet

RFID

Radio Frequency Identification

Nhận dạng qua tần số vô
tuyến

NFC

Near-Field Communications

Kết nối tường gần

3


CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.2 Tổng quan về công viên
1.2.1 Giới thiệu mơ hình cơng viên
Cơng viên là khu vực được bảo vệ các nguồn thiên nhiên tự có hay trồng, một nơi vui
chơi, giải trí đại chúng, các hoạt động văn hóa, hưởng thụ.
Kiến trúc cơng viên gồm có: cây xanh, ghế ngồi nghỉ mát, các con đường nhỏ dùng cho
người tản bộ, ốc đảo, vườn hoa, các ki ốt, ban quản lý công viên, nước, hệ thực vật và động vật
và các khu vực cỏ v.v.
Công viên hoang dã, có nhiều cơng viên được bảo vệ bởi pháp luật. Được bảo hộ, yêu cầu
cho một số loài hoang dã để tồn tại. Một số công viên bảo vệ tập trung chủ yếu vào sự sống còn
của một vài loài đang bị đe dọa, như khỉ đột hay tinh tinh vv...
Bảo đảm người ở các lứa tuổi có thể tìm được khơng gian trong đó cho mình, tính yên
tĩnh, thư giãn của cá nhân. Mọi người đều có quyền vào nghỉ ngơi, tham quan và hoạt động thể
dục dưỡng sinh trong cơng viên bình thường, khơng phải trả bất kỳ một khoản thu nào nếu
không tham gia các dịch vụ giải trí có thu tiền

Thường các cơng viên được làm theo các đặc thù, loại này thường nhỏ hơn trong tổ hợp
công viên như: công viên nước, công viên cây xanh, cơng viên văn hóa, v.v.
Mơ hình cơng viên viên ngày càng được cải thiện bởi hệ thống điền chiếu sáng được thiết
kế nhiều kiểu và đa dạng hơn.Làm cho khuôn viên của công viên và phần nào tôn vẻ vẻ đẹp của
công viên bằng những ánh sáng đẹp nhất.Khơng chỉ làm ánh sáng bình thường dùng để đi lại mà
cịn là điểm nhấn giúp cơng viên được để ý và thu hút mọi người hơn.vv..Nên càng ngày nhiều

4


mơ hình cơng viên với hệ thống chéu áng ra đời như hệ thống chiếu sáng chạy bằng năng lượng

mặt trời,hệ thống chiếu sáng thông minh bằng điện thoại ,cảm biến,vv...

1.2.2 Nguyên tắc hoạt động của công viên.
Theo nghiên cứu, để đảm bảo một cơng viên đẹp hồn hảo thì ngoài việc mức độ chiếu sáng
phải theo đúng tiêu chuẩn thì chúng ta cũng cần quan tâm đến cách trang trí và thẩm mỹ của
cơng viên.
•

Chiếu sáng sân cơng viên tổ chức hoạt động ngoài trời: Đảm bảo mức độ chiếu sáng
theo quy định.

5


•

Chiếu sáng tạo phơng trang trí cho cơng viên: Tham khảo sử dụng đèn pha chiếu sáng
tán lá cây.

•

Chiếu sáng cho khu vực cổng ra vào: Đảm bảo mức độ chiếu sáng theo quy định.

•

Chiếu sáng lối đi cơng viên: Khi đó cần thiết kế, bố trí đèn phải hợp lý để tạo tính dẫn
hướng giúp người đi bộ cảm nhận rõ ràng về hình dạng hướng con đường.

•

Cột đèn sân vườn tùy vào từng công viên nơi được lắp đặt mà việc chiếu sẽ khác nhau.
Tuy nhiên về mặt cơ bản thì khi lắp đặt cần tập trung ánh sáng khu vực đường đi để mọi
người thấy được lối đi và làm đẹp quang cảnh hơn.

•

Tiêu chuẩn chiếu sáng được áp dụng cho các khu vực cấp P được quy định theo chuẩn
CIE 115-2010, đối với cơng viên thì cột đèn sân vườn được quy định ở mức P4 – P6.
Cấp P1

Eave = 15 lux, Emin = 3 lux

Ev,min = 5 lux, Esc,min = 3 lu

Cấp P2

Eave = 10 lux, Emin = 2 lux

Ev,min = 3 lux, Esc,min = 2 lu

Cấp P3

•

Eave = 7.5 lux, Emin = 1.5
lux

Ev,min = 2.5 lux, Esc,min = 1.5

Cấp P4

Eave = 5 lux, Emin = 1 lux

Ev,min = 1.5 lux, Esc,min = 1 lu

Cấp P5

Wave = 3 lux, Emin = 0.6 lux

Ev,min = 1 lux, Esc,min = 0.6 lu

Cấp P6

Eave = 2 lux, Emin = 0.4 lux

Ev,min = 0.6 lux, Esc,min = 0.4

Trong đó: rọi dọc tối thiểu (Ev, min), độ rọi bán trụ tối thiểu (Esc, min).
Công viên thông minh được hiểu là hệ thống các thiết bị điện tử gia dụng được kết hợp

với nhau thành mạng thiết bị và hoạt động theo kịch bản tùy biến nhằm tạo ra môi trường sống
tiện nghi, an toàn, tiết kiệm năng lượng. Một hệ thống công viên thông minh cơ bản bao gồm
một máy tính điều khiển trung tâm, được gọi là máy chủ , có nhiệm vụ kết nối các thiết bị với
nhau và điều khiển tồn bộ hệ thống ánh sáng cơng viên.
Các thiết bị như các thiết bị an ninh, hệ thống cửa, hệ thống đèn và thống đài phun. Các
thiết bị này được kết nối với nhau trong hệ thống mạng thiết bị bằng công nghệ truyền dữ liệu,
qua đường điện (Power line communication – PLC) hoặc không dây (Zigbee)
Một thiết kế chiếu sáng tốt bao gồm một thiết kế điều khiển tốt. Điều khiển chiếu sáng đóng một
vai trị quan trọng trong hệ thống chiếu sáng, cho phép người dùng thủ công hoặc tự động

6


• BẬT và TẮT đèn bằng công tắc; và / hoặc
• điều chỉnh cơng suất ánh sáng lên và xuống bằng bộ điều chỉnh độ sáng.
Chức năng cơ bản này có thể được sử dụng để tạo ra những lợi ích sau cho chủ sở hữu hệ thống
chiếu sáng:
• linh hoạt để thỏa mãn nhu cầu thị giác của người dùng; và / hoặc
• tự động hóa để giảm chi phí năng lượng và cải thiện tính bền vững.
Trong những năm gần đây, Điều khiển chiếu sáng đã phát triển thêm hai khả năng:
• điều chỉnh màu nguồn sáng, bao gồm bóng của ánh sáng trắng; và / hoặc
• tạo dữ liệu thông qua đo lường và / hoặc giám sát.
Dựa trên bản cập nhật cho chương trình Education Express EE101: Giới thiệu về Điều khiển
chiếu sáng của LCA, bài viết này cung cấp tổng quan về chức năng cơ bản của các điều khiển
chiếu sáng ngày nay, lợi ích và những câu hỏi cơ bản cần đặt ra khi xác định chiến lược điều
khiển chiếu sáng thích hợp.

1.2.3 Tiêu chuẩn về ánh sáng của cơng viên.
•

u cầu về nguồn sáng

Các loại đèn nấm sân vườn chiếu sáng trang trí cơng viên hiện nay rất đa dạng cùng với đó
sẽ cung cấp nhiều nguồn sáng khác nhau để thay thế cho đèn huỳnh quang và đèn sợi đốt. Bởi
tính năng tiết kiệm điện năng vượt trội và nhiệt năng sinh ra trong q trình chiếu sáng khơng
đáng kể.
Đèn nấm sân vườn lắp đặt trong công viên nên sử dụng ánh sáng trắng và ánh sáng được
tán đều ra mọi hướng.
•

Yêu cầu về đèn chiếu sáng

Thông thường mỗi loại đèn nấm sân vườn sẽ phù hợp từng khu vực, điều kiện chiếu sáng
khác nhau. Với loại đèn nấm được lắp trong cơng viên thì bạn nên chọn đèn có chỉ số độ kín khít
IP65 trở lên cùng cấp độ an tồn về điện Class I. Ngoài ra, chất liệu để đèn nấm chiếu sáng cơng
viên có độ bền cao nên làm bằng nhôm, thép.

Điều khiển chiếu sáng cung cấp các chức năng cơ bản sau. Người dùng cuối khai thác các chức
năng này để hỗ trợ quản lý năng lượng và / hoặc nhu cầu thị giác.

7


Các Điều khiển chiếu sáng đang phát triển để cung cấp các chức năng nâng cao, có tính khả
dụng khác nhau tùy thuộc vào loại hệ thống và nhu cầu ứng dụng.

Bằng cách điều chỉnh cường độ của một hoặc nhiều lớp ánh sáng trong một không gian, các
Điều khiển chiếu sáng có thể:
• thay đổi diện mạo khơng gian;
• tạo điều kiện cho các chức năng khác nhau của khơng gian;
• thay đổi bầu khơng khí và tâm trạng;
• giảm độ chói; và / hoặc

8


• tăng sự hài lòng của người dùng bằng cách cung cấp cho người dùng khả năng kiểm soát ánh
sáng của họ.

Lợi ích: Quản lý năng lượng

Bằng cách giảm thời gian BẬT chiếu sáng, cường độ hoặc phân vùng, Điều khiển chiếu sáng
giảm cả nhu cầu và tiêu thụ năng lượng. Theo một nghiên cứu của Phịng thí nghiệm Quốc gia
Lawrence Berkeley (LBNL), các chiến lược kiểm soát ánh sáng phổ biến tạo ra mức tiết kiệm
năng lượng chiếu sáng trung bình từ 24-38%, giúp giảm điện cho hệ thống ánh sáng công
viên.vv..

1.2.4 Những xu hướng phát triển của ánh sáng nơi công viên
Sự thông minh
Với điều khiển thủ công, con người đưa ra quyết định có nên điều chỉnh ánh sáng hay không và
mức độ chiếu sáng. Với điều khiển tự động, một bộ vi xử lý hoặc mạch logic thực hiện chức
năng này. Bộ vi xử lý hoặc mạch logic này được gọi là bộ Điều khiển chiếu sáng , cung cấp trí
thơng minh của hệ thống điều khiển. Bộ điều khiển chiếu sáng đánh giá tín hiệu điều khiển đầu
vào dựa trên thuật tốn của nó và quyết định có nên điều chỉnh cơng suất chiếu sáng hay không,
điều chỉnh khi nào và bao nhiêu.
Bộ điều khiển có thể được cài đặt như một mạch logic trong một thiết bị điều khiển độc lập hoặc
như một thành phần riêng biệt trong hệ thống điều khiển. Nếu một thành phần riêng biệt, nó có
thể nằm ở vị trí trung tâm (trí tuệ tập trung) hoặc ở gần tải hoặc được nhúng trong đèn điện (trí
thơng minh phân tán). Trí thơng minh của hệ thống càng được phân phối, thì ánh sáng càng trở
nên linh hoạt và nhạy bén hơn

Phân vùng kiểm sốt
Phân vùng điều khiển là một khía cạnh quan trọng của thiết kế hệ thống điều khiển chiếu sáng,
vì phân vùng là cơ chế mà các điều khiển chiếu sáng được chỉ định cho các tải chiếu sáng. Vùng
điều khiển được định nghĩa là một hoặc nhiều nguồn sáng được điều khiển đồng thời bởi một
đầu ra điều khiển duy nhất. Các khu vực có thể được tổ chức theo mã năng lượng, mức tiết kiệm
năng lượng mong muốn và tính linh hoạt, thiết bị chiếu sáng thơng thường (ví dụ: đèn huỳnh
quang so với đèn LED), đặc điểm không gian , nhiệm vụ, mức độ sẵn có của ánh sáng ban ngày
và lịch chiếu sáng.
Các vùng điều khiển nhỏ hơn (độ chi tiết của các vùng trong khơng gian hoặc tịa nhà cao hơn)
mang lại tính linh hoạt cao hơn và tiết kiệm năng lượng thường cao hơn. Vì lý do này, phần lớn

các mã năng lượng quy định việc phân vùng kiểm soát bằng cách áp đặt các giới hạn về diện
tích.
Theo truyền thống, phân vùng kiểm soát và phân vùng trong tương lai bị giới hạn bởi hệ thống
dây điện chiếu sáng. Những tiến bộ trong truyền thông cho phép phân vùng tương đối tiết kiệm
đến mức chi tiết như các bộ đèn hoặc chấn lưu / trình điều khiển riêng lẻ, phân vùng và phân
vùng bằng phần mềm thay vì dây cứng.

Kiểm sốt tường thuật
9


Một khía cạnh quan trọng khác của thiết kế hệ thống điều khiển chiếu sáng là xác định
trình tự hoạt động của hệ thống. Trình tự hoạt động là mơ tả các đầu ra của hệ thống đáp
ứng với các đầu vào khác nhau cho mỗi điểm điều khiển. Nó được thể hiện dưới dạng
tường thuật điều khiển, một tài liệu bằng văn bản được tạo ra trong giai đoạn thiết kế ý
tưởng của dự án. Tài liệu này phục vụ như một lộ trình dự án cho hệ thống điều khiển
chiếu sáng dự kiến.
Cụ thể, nó có thể được sử dụng để:
• hỗ trợ chuẩn bị tài liệu hợp đồng và đặc điểm kỹ thuật;
• đưa ra định hướng rõ ràng trong quá trình đấu thầu cho các nhà thầu và nhà sản xuất;
• xác định các tiêu chí để thử nghiệm và chấp nhận hệ thống kiểm soát; và
• đóng vai trị là tài liệu tham khảo chung cho chủ sở hữu về cách thức hoạt động của hệ
thống kiểm sốt.
Cảm biến có sự chiếm chỗ (occupancy)
Cảm biến chiếm chỗ (occupancy) là thiết bị tự động BẬT và TẮT đèn dựa trên khơng
gian có bị chiếm chỗ (occupancy) hay không. Bằng cách đảm bảo đèn chỉ BẬT trong khi
không gian được sử dụng, các chiến lược dựa trên công suất sử dụng sẽ giúp tiết kiệm
năng lượng chiếu sáng trung bình 24%, theo LBNL.
Cảm biến chiếm chỗ rất phù hợp với các khơng gian nhỏ hơn, kín bị chiếm chỗ
(occupancy) khơng liên tục, chẳng hạn như văn phịng riêng, lớp học, phòng hội thảo,

phòng sao chép và giải lao, phịng vệ sinh và các khơng gian khác. Chúng có thể được
nối mạng cho khơng gian lớn hơn.
Nếu cảm biến cung cấp chức năng ngắt tự động nhưng yêu cầu BẬT bằng tay, nó thường
được gọi là cảm biến trống. Ngồi ra, cảm biến có thể tự động bật tải lên 50%, với thao
tác thủ công thông qua một công tắc cần thiết để bật đèn BẬT đến đầy đủ. Các cảm biến
này thường được gọi là cảm biến chiếm chỗ BẬT một phần
Lập lịch thời gian
Lập lịch điều chỉnh đầu ra của hệ thống chiếu sáng dựa trên sự kiện thời gian được thực
hiện bằng cách sử dụng đồng hồ thời gian, có thể được thực hiện bằng bộ vi xử lý được
tích hợp trong hệ thống điều khiển. Vào những thời điểm nhất định, đèn được điều khiển
sẽ BẬT, TẮT hoặc mờ để tiết kiệm năng lượng hoặc hỗ trợ thay đổi chức năng không
gian. Lập lịch trình rất phù hợp cho các khơng gian mở, lớn hơn thường xun có người
sử dụng cũng như các khơng gian bị chiếm chỗ (occupancy) không liên tục nhưng ở đó
đèn phải BẬT cả ngày vì lý do an tồn hoặc an ninh. Điều khiển tường ghi đè cục bộ
(kéo dài thời gian) thường được sử dụng để cho phép sử dụng không gian không thường
xuyên. Theo LBNL, các chiến lược dựa trên công suất sử dụng (kết hợp lập lịch thời
gian với cảm biến cơng suất) có thể giúp tiết kiệm năng lượng chiếu sáng trung bình
24%.
Phản hồi ánh sáng ban ngày
10


Điều khiển đáp ứng ánh sáng ban ngày (còn gọi là thu hoạch ánh sáng ban ngày) sử dụng cảm
biến ánh sáng (còn gọi là cảm biến quang hoặc tế bào quang điện) với bộ điều khiển công suất
để chuyển đổi hoặc Dimmer ánh sáng theo ánh sáng ban ngày có sẵn. Khi mức độ ánh sáng tăng
lên trên ngưỡng mục tiêu do ánh sáng ban ngày đóng góp, cảm biến quang báo hiệu cho bộ điều
khiển để giảm lượng ánh sáng phát ra, do đó tiết kiệm năng lượng. Theo LBNL, điều khiển đáp
ứng ánh sáng ban ngày có thể tiết kiệm 28% năng lượng chiếu sáng trung bình.
Điều chỉnh tác vụ
Còn được gọi là “điều chỉnh tổ chức” và “trang trí cao cấp”, điều chỉnh tác vụ liên quan đến việc

giảm ánh sáng trong một không gian dựa trên các yêu cầu về mức độ ánh sáng tác vụ được duy
trì do IES đề xuất hoặc sở thích của người dùng đối với các không gian riêng lẻ hơn là mức ánh
sáng duy trì được thiết kế ban đầu, có thể cao hơn mức cần thiết. Theo LBNL, điều chỉnh tác vụ
giúp tiết kiệm 36% năng lượng chiếu sáng trung bình.
Điều chỉnh màu sắc
Bằng cách Dimmer riêng biệt các đèn LED màu đỏ, xanh lục, xanh lam và các màu có khả năng
khác, hầu như bất kỳ màu nào cũng có thể được tạo ra. Đây được gọi là điều chỉnh màu
sắc. Điều chỉnh màu sắc phù hợp cho giải trí, biển báo và các ứng dụng tương tự. Bằng cách
Dimmer riêng biệt các dãy đèn LED trắng CCT ấm và mát, CCT của bộ đèn có thể được điều
chỉnh trên một phạm vi, được gọi là ánh sáng trắng điều chỉnh được. Dưới đây là một số ví dụ
về các cơ hội cho ánh sáng chung có thể điều chỉnh được màu trắng:
• Tự động chuyển sang CCT rất ấm trong quá trình Dimmer để bắt chước độ mờ sợi đốt.
• Hiệu chỉnh động CCT trên các bộ đèn đã lắp đặt và duy trì CCT được chỉ định theo thời gian.
• Điều chỉnh CCT sau khi cài đặt ban đầu để tinh chỉnh hình thức của khơng gian và đối tượng
như tác phẩm nghệ thuật.
• Điều chỉnh CCT để phù hợp với việc thay đổi sử dụng khơng gian, màn hình, hồn thiện nội
thất và sở thích của người dùng.
• Tự động điều chỉnh CCT để tạo ra chu kỳ ánh sáng ban ngày lý tưởng hoặc kết hợp tối ưu với
ánh sáng ban ngày thực tế.
• Bắt chước sự xuất hiện màu sắc của các nguồn sáng truyền thống phổ biến và tùy chỉnh các
nguồn sáng mới.
• Đóng một vai trị tiềm năng trong việc chiếu sáng theo chu kỳ sinh học, vì ánh sáng giàu bước
sóng màu xanh lam đóng vai trị như một yếu tố kích thích sinh học.

1.2.5 Một số hãng sản xuất sản phẩm hệ thống ánh sáng công viên hiện nay
Hiện nay nhiều nước phát triển trên thế giới đã dần thay thế những nguồn năng lượng trên
bằng năng lượng sạch từ gió và ánh sáng mặt trời. Có rất nhiều những công viên hiện đại sử
dụng năng lượng sạch như Walt Disney, Tokyo…cịn ở Việt Nam thì chưa phổ biến.
Mơ hình “Cơng viên xanh sử dụng năng lượng sạch” trồng rất nhiều cây xanh để thu hút
các chú chim đến, xung quanh là những con đường nhỏ để mọi người đi bộ tập thể dục. Ngồi

ra, cịn có một sân để đá bóng, một bể bơi rộng. Vận hành và đảm bảo hệ thống chiếu sáng cho

11


tồn bộ cơng viên là những bóng đèn trên cao bằng đèn LED và đèn màu sử dụng bằng nguồn
điện của pin mặt trời.
Công viên với nhiều cây xanh lại có thêm hệ thống đèn năng lượng mặt trời thân thiện sẽ
là điều kiện lý tưởng led sân vườn chắc chắn nên được biết tới. Ban ngày, bạn trông thấy khn
viên vườn tuyệt đẹp hịa trộn cùng thiên nhiên. Thế nhưng đêm tới, bóng đêm có thể che lấp mọi
vẻ đẹp vốn có của sảnh vườn. Chưa kể tới là sẽ có những event có thể diễn ra tại đây. Vì thế, đây
là lúc bạn cần thiết kế riêng cho khn viên vườn của mình một hệ thống đèn led chiếu sáng sân
vườn.
Với sự lựa chọn đèn năng lượng mặt trời cơng viên bạn sẽ cảm thấy hài lịng ngay từ khi
nhắc tới tên gọi của chúng. Công nghệ phát sáng LED hiện đại đã tạo ra các mẫu mã chiếu sáng
đa dạng từ mẫu mã tới màu sắc ánh sáng. Hơn thế, khả năng chiếu sáng ngoài trời tốt cùng mức
tiêu thụ điện năng vô cùng tiết kiệm là điều khiến bạn thích chú

Ví dụ như NC Lighting mang đến giải pháp chiếu sáng và trang trí cơng viên hoàn hảo
nhất. Bằng những trang thiết bị chiếu sáng đẹp và hiện đại. Cung cấp các thiết bị chiếu sáng chất
lượng cao, tính thẩm mỹ tuyệt đối hài lịng cho khách hàng. Chất lượng sản phẩm bảo hành đến
30 tháng, cam kết hàng chính hãng cao cấp.

1.3 Kết luận chương
Chương 1 đã trình bày một cách tổng quan về IoT và hệ thống ánh sáng một ứng dụng rất
được quan tâm hiện nay dựa trên nền tảng IoT. Qua đó, có thể thấy rằng việc thiết kế hệ thống
ánh sáng và công vien thông minh mặc dù cùng dựa trên nền tảng là IoT nhưng có thể có nhiều
cách tiếp cận khác nhau tùy theo mục đích.

12

CHƯƠNG 2. ADRUINO VÀ CÁC MODULE BỘ ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG
CƠNG VIÊN
Trong chương 2 của đồ án sẽ trình bày về các thành phần phần cứng của hệ thống công
viên, từ đó phân tích và lựa chọn giải pháp thiết kế mơ hình nhà thơng minh phục vụ các nhu
cầu cơ bản với giá thành thấp.

2.1 Tổng quan về Arduino
Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau
hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở, được
thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit. Những Model hiện tại
được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương
thích với nhiều board mở rộng khác.

Hình 2. 1 Board mạch Arduino
Arduino thật ra là một board 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 ngơn 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.
Được giới thiệu vào năm 2005, những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang đến một
phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyên
nghiệp để tạo ra những nhiết bị có khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và
các cơ cấu chấp hành. Những ví dụ phổ biến cho những người yêu thích mới bắt đầu bao gồm
các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động. Đi cùng với nó là một mơi

13

trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân thơng thường và cho phép
người dùng viết các chương trình cho Arduino bằng ngơn ngữ C hoặc C++.

Hình 2. 2 Một số loại board Arduino: (a) Arduino Uno và (b) Arduino Mega
Arduino được khởi động vào năm 2005 như là một dự án dành cho sinh viên trại
Interaction Design Institute Ivrea (Viện thiết kế tương tác Ivrea) tại Ivrea, Italy. Vào thời điểm
đó các sinh viên sử dụng một “BASIC Stamp” (con tem Cơ Bản) có giá khoảng $100, xem như
giá dành cho sinh viên. Massimo Banzi, một trong những người sáng lập, giảng dạy tại Ivrea.
Cái tên “Arduino” đến từ một quán bar tại Ivrea, nơi một vài nhà sáng lập của dự án này thường
xuyên gặp mặt.
Lý thuyết phần cứng được đóng góp bởi một sinh viên người Colombia tên là Hernando
Barragan. Sau khi nền tảng Wiring hoàn thành, các nhà nghiên cứu đã làm việc với nhau để giúp
nó nhẹ hơn, rẻ hơn, và khả dụng đối với cộng đồng mã nguồn mở[1].
2.2 Module Arduino Mega

Hình 2. 3 Shile của Arduino Mega

14


2.2.1 Các thành phần chức năng của Arduino Mega

Hình 2. 4 Các thành phần chức năng của board Arduino.
- USB Connector: Arduino sử dụng cáp USB để giao tiếp với máy tính. Thơng qua cáp USB
chúng ta có thể Upload chương trình cho Arduino hoạt động, ngồi ra USB cịn là nguồn cho
Arduino.
- SOURCE: Khi không sử dụng USB làm nguồn thì chúng ta có thể sử dụng nguồn ngồi thông
qua jack cắm 2.1mm (cực dương ở giữa). Bo mạch hoạt động với nguồn ngoài ở điện áp từ 5

– 12 volt. Có thể cấp một áp lớn hơn tuy nhiên chân 5V sẽ có mức điện áp lớn hơn 5 volt.
Nếu sử dụng nguồn lớn hơn 12 volt thì sẽ có hiện tượng nóng và làm hỏng board mạch. Nên
dùng nguồn ổn định từ 5 đến dưới 12 volt.
- Analog Inputs: Arduino Mega có 16 đầu vào Analog.
- Power pins: Chân 5V và chân 3.3V (Output voltage): các chân này dùng để lấy nguồn ra từ
nguồn mà chúng ta đã cung cấp cho Arduino. Lưu ý: không được cấp nguồn vào các chân này
vì sẽ làm hỏng Arduino.
- GND: chân mass.
- Chip Atmega16U2:
Arduino Mega2560 khác với tất cả các vi xử lý trước giờ vì khơng sử dụng FTDI chip
điều khiển chuyển tín hiệu từ USB để xử lý. Thay vào đó, nó sử dụng ATmega16U2 lập trình
như là một cơng cụ chuyển đổi tín hiệu từ USB. Ngồi ra, Arduino Mega2560 cơ bản vẫn
giống Arduino Uno R3, chỉ khác số lượng chân và nhiều tính năng mạnh mẽ hơn, nên vẫn có
thể lập trình cho con vi điều khiển này bằng chương trình lập trình cho Arduino Uno R3.

15


- Digital Inputs/Outputs: Arduino Mega có 54 chân digital với chức năng input và output
sử dụng các hàm pinMode(), digitalWrite() và digitalRead() để điều khiển các chân. 12
chân PWM (pulse width modulation): các chân 2 đến 13 trên bo mạch. Các chân PWM
giúp chúng ta có thể sử dụng nó để điều khiển tốc độ động cơ, độ sáng của đèn…
- Reset button : dùng để reset Arduino.

2.2.2 Thông số kỹ thuật
Các thông số kỹ thuật của Arduino Mega được cho trong bảng sau
Bảng 2. 1 Các thông số kỹ thuật của Arduino Mega
Chip xử lý

ATmega2560

Điện áp hoạt động

5V

Điện áp vào (đề nghị)

7V-15V

Điện áp vào (giới hạn)

6V-20V

Cường độ dòng điện trên mỗi 3.3V pin

50 mA

Cường độ dòng điện trên mỗi I/O pin

20 mA

Flash Memory

256 KB

SRAM

8 KB

EEPROM

4 KB

Clock Speed

16 MHz

2.3 Phần mềm Arduino IDE
Mơi trường phát triển tích hợp Arduino IDE là một ứng dụng đa nền tảng được viết bằng
Java, và được dẫn xuất từ IDE cho ngôn ngữ lập trình xử lý và các dự án lắp ráp. Nó bao gồm
một trình soạn thảo mã với các tính năng như làm nổi bật cú pháp, khớp dấu ngoặc khối chương
trình, thụt đầu dịng tự động và cũng có khả năng biên dịch và tải lên các chương trình vào board
mạch với một nhấp chuột duy nhất. Một chương trình hoặc mã viết cho Arduino được gọi là
"sketch".
Chương trình Arduino được viết bằng C hoặc C++. Arduino IDE đi kèm với một thư viện
phần mềm được gọi là "Wiring" từ dự án lắp ráp ban đầu, cho hoạt động đầu vào/đầu ra phổ
biến trở nên dễ dàng hơn nhiều. Người sử dụng chỉ cần định nghĩa hai hàm để thực hiện một

16


chương trình điều hành theo chu kỳ.
Khi các chúng ta bật điện bảng mạch Arduino, reset hay nạp chương trình mới, hàm
setup() sẽ được gọi đến đầu tiên. Sau khi xử lý xong hàm setup(), Arduino sẽ nhảy đến hàm
loop() và lặp vô hạn hàm này cho đến khi tắt điện board mạch Arduino.

Dưới đây là giao diện của phần mềm

17

Hình 2.5 Giao diện Phần mềm Arduino IDE
2.4 Module wifi ESP826 V1
2.4.1 Giới thiệu ESP8266

Hình 2. 6 Sơ đồ nguyên lý của ESP8266 V1

Hình 2.7 Module wifi ESP8266 V1
ESP8266 là dịng chip tích hợp Wi-Fi 2.4Ghz có thể lập trình được, rẻ tiền được sản xuất
bởi một công ty bán dẫn Trung Quốc: Espressif Systems.
ESP8266 có một cộng đồng các nhà phát triển trên thế giới rất lớn, cung cấp nhiều Module
lập trình mã mở giúp nhiều người có thể tiếp cận và xây dựng ứng dụng rất nhanh. Hiện nay tất

18


cả các dòng chip ESP8266 trên thị trường đều mang nhãn ESP8266EX, là phiên bản nâng cấp
của ESP8266.

2.4.2 Thông số kỹ thuật của ESP8266
- Hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n.
- Wi-Fi 2.4 GHz, hỗ trợ WPA/WPA2.
- Chuẩn điện áp hoạt động: 3.3V.
- Chuẩn giao tiếp nối tiếp UART với tốc độ Baud lên đến 115200
- Có 3 chế độ hoạt động: Client, Access Point, Both Client and Access Point.
- Hỗ trợ các chuẩn bảo mật như: OPEN, WEP, WPA_PSK, WPA2_PSK,
WPA_WPA2_PSK.
- Hỗ trợ cả 2 giao tiếp TCP và UDP
- Làm việc như các máy chủ có thể kết nối với 5 máy con

2.4.3 Các chân của ESP8266
- VCC: 3.3V lên đến 300mA
- GND: Mass
- Tx: Chân Tx của giao thức UART, kết nối đến chân Rx của vi điều khiển.
- Rx: Chân Rx của giao thức UART, kết nối đến chân Tx của vi điều khiển.
- RST: chân reset, kéo xuống mass để reset.
- CH_PD: Kích hoạt chip, sử dụng cho Flash Boot và updating lại module
- GPIO0: kéo xuống thấp cho chế độ update.
- GPIO2: không sử dụng[5].

2.4.4 Ứng dụng của ESP8266
Với các tính năng kết nối wifi vượt trội ESP8266 được sử dụng rất nhiều trong cuộc sống.
Thông qua kết nối wifi chúng ta có thể điều khiển các thiết bị từ xa như bật tắt bóng đèn, bật tắt
quạt… Đặc biệt hiện nay được sử dụng rất nhiều trong các mơ hình nhà thơng minh. Qua đó
chúng ta có thể dễ dàng quản lý và điều khiển tất cả các thiết bị trong nhà.

19


2.5 Màn hình LCD và giao tiếp I2C

Hình 2.8 Màn hình LCD và giao tiếp I2C
Bảng 2. 2 Các chân kết nối của LCD
Chân
1
2
3

Ký hiệu
VSS

VCC
V0

Mô tả
GND

Giá trị
0V
5V

Độ tương phản
RS=0 (mức thấp)
chọn thanh ghi

4

RS

Lựa chọn thanh ghi

lệnh
RS=1 (mức cao)
chọn thanh ghi dữ
liệu
R/W=0 thanh ghi

5

R/W

Chọn thanh ghi đọc/viết dữ viết
liệu

R/W=1 thanh ghi
đọc

6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16

E
DB0
DB1
DB2
DB3
DB4
DB5
DB6
DB7
A
K

Enable

Chân truyền dữ liệu

Cực dương led nền
Cực âm led nền
20

8 bit: DB0DB7

0V đến 5V
0V


Thơng thường, để sử dụng màn hình LCD thì phải mất rất nhiều chân trên Arduino để điều
khiển. Do vậy, để đơn giản hóa cơng việc, người ta đã tạo ra một loại mạch điều khiển màn hình
LCD sử dụng giao tiếp I2C. Nói một cách đơn giản, ta chỉ tốn 2 dây để điều khiển màn hình,
thay vì 8 dây như cách thông thường. 2 chân SDA và SCL là 2 chân tín hiệu dùng cho giao tiếp
I2C. Điện áp hoạt động: 2,5 - 6V.

2.6 Các cảm biến thông dụng
2.6.1 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11
DHT11 là cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm đầu ra số có hiệu chỉnh đảm bảo kết quả đo có độ
chính xác cao. Kết quả đo được lưu trữ trong bộ nhớ. Khi giao tiếp với DHT11 thì kết quả đo sẽ
được đọc ra từ bộ nhớ, module có kích thước nhỏ gọn và được đóng gói với 3 chân kết nối rất
thuận tiện và phù hợp với nhiều ứng dụng thực tiễn.

Hình 2. 9 Cảm biến DHT11
Thơng số kỹ thuật của cảm biến:
- Điện áp hoạt động

3.3V-5V DC

- Phạm vi đo nhiệt độ

0-50ºC với sai số 2 ºC

- Phạm vi đo độ ẩm

20%- 90% với sai số 5%

- Kích thước

3.2x 1.4 cm

21


Hình 2. 10 Sơ đồ kết nối DHT11 với vi điều khiển
Các thông số cần chú ý khi làm việc với DHT11
- Điện áp nguồn phải từ 3.3- 5V
- Giao tiếp giữa vi điều khiển và DHT11 là giao tiếp 1 giây, thời gian trễ cho mỗi lần
truyền dữ liệu là 5ms
- Dữ liệu truyền trên chân DATA bao gồm dữ liệu độ ẩm 16bits và dữ liệu nhiệt độ 16bits.
- Khi MCU gửi tín hiệu start signal thì DHT11 thay đổi từ chế độ công suất thấp sang chế
độ hoạt động. Khi MCU giao tiếp với DHT11 thì cảm biến sẽ gửi tín hiệu đáp ứng của
40bits data chứa giá trị nhiệt độ và độ ẩm tới MCU. Khi kết thúc cảm biến lại trở về
chế độ công suất thấp[4].

2.6.2 Cảm biến ánh sáng

a, quang trở

Hình 2. 11 Quang trở
Quang trở hay điện trở quang, photoresistor, LDR (Light-dependent resistor, tiếng Anh
còn dùng cả từ photocell), là một linh kiện điện tử có điện trở thay đổi giảm theo ánh sáng chiếu
vào. Đó là điện trở phi tuyến, phi ohmic. Quang trở được dùng làm cảm biến nhạy sáng trong
các mạch dị, như trong mạch đóng cắt đèn chiếu bằng kích hoạt của sáng tối. Quang trở làm

22


bằng chất bán dẫn trở kháng cao, và khơng có tiếp giáp nào. Trong bóng tối, quang trở có điện
trở đến vài MΩ. Khi có ánh sáng, điện trở giảm xuống mức một vài trăm Ω.
Vật liệu:
- Sunfua cadmi (CdS) và selenua cadmi (CdSe), nhưng tại châu Âu đang cấm dùng cadmi.
- Sunfua chì (PbS) và indi antimonit (InSb) được sử dụng cho vùng phổ hồng ngoại.
- Gecu là cảm biến dò hồng ngoại xa tốt nhất, được sử dụng trong thiên văn hồng ngoại và
quang phổ hồng ngoại.
b, Nguyên lý hoạt động
Hoạt động của cảm biến ánh sáng dựa trên hiệu ứng quang điện trong khối vật chất. Khi
photon có năng lượng đủ lớn đập vào, sẽ làm bật electron khỏi phân tử, trở thành tự do trong
khối chất và làm chất bán dẫn thành dẫn điện. Mức độ dẫn điện tuỳ thuộc số photon được hấp
thụ. Tuỳ thuộc chất bán dẫn mà quang trở phản ứng khác nhau với bước sóng photon khác nhau.
Quang trở phản ứng trễ hơn điốt quang, cỡ 10 ms, nên nó tránh được thay đổi nhanh của nguồn
sáng.

2.6.3 Cảm biến hồng ngoại
Cảm biến có khả năng nhận biết vật cản ở mơi trường với một cặp LED thu phát hồng
ngoại để truyền và nhận dữ liệu hồng ngoại. Tia hồng ngoại phát ra với tần số nhất định khi phát
hiện hướng truyền có vật cản (mặt phản xạ), phản xạ vào đèn thu hồng ngoại, sau khi so sánh,

đèn màu xanh sẽ sáng lên, đồng thời đầu cho tín hiệu số đầu ra (một tín hiệu bậc thấp).Với khả
năng phát hiện vật cản trong khoảng 2 ~ 30cm và khoảng cách này có thể điều chỉnh thông qua
chiết áp trên cảm biến cho thích hợp với từng ứng dụng cụ thể như: xe dị line, xe tránh vật cản.
Thơng số kỹ thuật
- IC so sánh: LM393
- Điện áp: 3.3V - 6VDC
- Dòng tiêu thụ:
- Vcc = 3.3V: 23 mA
- Vcc = 5.0V: 43 mA
- Góc hoạt động: 35°
- Khoảng cách phát hiện: 2 ~ 30 cm
- LED báo nguồn và LED báo tín hiệu ngõ ra
- Mức thấp - 0V: khi có vật cản
- Mức cao - 5V: khi khơng có vật cản
- Kích thước: 3.2cm x 1.4cm

23


Hình 2. 5 Sơ đồ nguyên lý module hồng ngoại

Hình 2. 6 Module hồng ngoại
Cổng giao tiếp:
- VCC: điện áp chuyển đổi từ 3.3V đến 5V (có thể được kết nối trực tiếp đến vi điều
khiển 5V và 3.3V)
- GND: GND ngoài
- OUT: đầu ra kỹ thuật số (0 và 1)

2.6.4 Cảm biến độ ẩm đất
Bộ sản phẩm gồm một cảm biến độ ẩm đất và một module chuyển đổi với ngõ ra Analog Digital. Cảm biến độ ẩm đất hoạt động với 2 chế độ ngõ ra (Analog & Digital), trạng thái đầu ra

mức thấp (0V), khi đất thiếu nước đầu ra sẽ là mức cao (5V).

24


Hình 2. 7 Cảm biến độ ẩm đất
Hai đầu đo của cảm biến được cắm vào đất để phát hiện độ ẩm. Dùng dây nối giữa cảm
biến và module chuyển đổi. Thông tin về độ ẩm đất sẽ được đọc về và gởi tới module chuyển
đổi.
Module chuyển đổi: Trong đó, biến trở đóng vai trị định ngưỡng so sánh với tín hiệu độ
ẩm đất đọc về từ cảm biến. Ngưỡng so sánh và tín hiệu cảm biến sẽ là 2 đầu vào của IC so sánh
LM393. Khi độ ẩm thấp hơn ngưỡng định trước, ngõ ra của IC là mức cao (1), ngược lại là mức
thấp (0).
3 chân dùng để kích
+: cấp hiệu điện thế kích tối ưu vào chân này.
- : nối với cực âm
S: chân tín hiệu, tùy vào loại module relay mà nó sẽ làm nhiệm vụ kích relay
Nếu bạn đang dùng module relay kích ở mức cao và chân S bạn cấp điện thế dương vào
thì module relay của bạn sẽ được kích, ngược lại thì khơng. Tương tự với module relay kích ở
mức thấp.
3 chân cịn lại nối với đồ dùng điện cơng suất cao:
COM: chân nối với 1 chân bất kỳ của đồ dùng điện, nhưng mình khuyên bạn nên mắc vào
đây chân lửa (nóng) nếu dùng hiệu điện thế xoay chiều và cực dương nếu là hiệu điện một chiều.
ON hoặc NO: chân này bạn sẽ nối với chân lửa (nóng) nếu dùng điện xoay chiều và cực
dương của nguồn nếu dòng điện một chiều.
OFF hoặc NC: chân này bạn sẽ nối chân lạnh (trung hòa) nếu dùng điện xoay chiều và cực

âm của nguồn nếu dùng điện một chiều[9].

25