Đồ án thiết kế hệ thống nhúng, học viện công nghệ bưu chính viễn thông (5)

Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống
Nhúng
ĐỀ TÀI: BẬT TẮT ĐÈN THƠNG MINH VÀ ĐẾM SỐ NGƯỜI RA
VÀO TRONG PHỊNG HỌP


2

1.NGHIÊN CỨU
TỔNG QUAN


1.1 Nghiên cứu tổng quan hệ thống bật tắt đèn tự động
-

Hiện nay hầu hết việc giám sát và điều khiển chiếu sáng trong các phịng cơng cộng được điều
khiển bằng tay thơng qua đóng mở các cơng tắc, các aptomat, cầu dao.... Điều này khá thuận lợi và
đơn giản vì ta có thể bật tắt đèn theo nhu cầu sử dụng. Tuy nhiên, do là phịng cơng cộng nên việc
bật tắt đèn hầu như do người trực khu nhà đó làm. Vì thế họ khơng biết được chính xác khi nào thì
có người tới và khi nào thì mọi người đã ra hết khỏi phòng hoặc họ biết nhưng vì phải quản lý nhiều
phịng nên họ vẫn cứ để điện đến hết ca trực, điều này gây lãng phí điện rất lớn, đặc biệt trong
hoàn cảnh nước ta đang thiếu điện một cách trầm trọng như hiện nay.

-

Qua đó địi hỏi cần phải có một hệ thống bật tắt đèn thông minh. Thiết bị bật tắt đèn thông minh là
thiết bị có khả năng điều khiển hoạt động bật/tắt của hệ thống đèn một cách hoàn toàn tự động, bán
tự động hay theo nhu cầu của người dùng từ xa thơng qua các loại sóng khơng dây nhờ điện thoại,
remote hay ipad, … Hoặc theo các ngữ cảnh hay thời gian với khả năng cảm biến hay hẹn giờ bật
tắt theo kế hoạch.

1.2 Các hệ thống hiện có
-

Các loại thiết bị bật tắt đèn thông minh tiêu biểu như: Công tắc đèn cảm ứng hồng ngoại, công tắc
đèn cảm biến chuyển động, công tắc đèn cảm biến ánh sáng, công tắc hẹn giờ bật/tắt đèn, công
tắc đèn điều khiển xa…

-

Trên thị trường hiện nay đã có một số thiết bị bật tắt đèn thông minh, như SmartLight do
Hàn Quốc sản xuất: Được tích hợp sensor cảm ứng hồng ngoại thân nhiệt, đèn sẽ tự động
được bật khi có người đi vào vùng cảm ứng và tắt khi khơng có người.


-

SmartLight phù hợp với mọi nhu cầu chiếu sáng thông minh của bạn tại sân cổng, phòng
khách, phòng ngủ, phòng vệ sinh, cầu thang, văn phòng... giúp bạn bật tắt đèn hoàn toàn tự
động, mang lại sự an toàn, tiện nghi và tiết kiệm điện… Tuy nhiên thiết bị này tích hợp ln bộ
điều khiển với đèn trong 1 sản phẩm. Do đó giá thành cao và khơng thích hợp cho các phịng
cần lượng chiếu sáng lớn, khơng thay đổi được loại bóng đèn theo yêu cầu.


-

Hệ thống giám sát điều khiển chiếu
sáng sử dụng camera kết nối với máy
tính để kiểm sốt số người trong
phịng, qua đó phát lệnh đóng mở các

cơng tắc bật tắt bóng đèn.

-

Hệ thống này giúp việc bật tắt đèn ở
nơi lắp đặt một cách chính xác, tự
động hoặc bán tự động. Tuy nhiên do
sử dụng máy tính nên giá thành của hệ
thống rất cao, mặt khác không giải
quyết được vấn đề tiết kiệm điện. Vì
thế nó thường chỉ được sử dụng ở
những tịa nhà cơng nghệ cao, những
khu vực cần điều chỉnh chiếu sáng
khơng phải vì mục đích tiết kiệm điện
năng.


-

Hệ thống bật tắt đèn tự động sử dụng các IC số và mạch Logic cho phép ta dựa
vào lượng người vào ra để đóng ngắt các cơng tắc một cách tự động.


1.3. Nhận xét đánh giá

-

Hệ thống này có cấu tạo đơn giản, rẻ, khơng phải lập trình mà chỉ dựa vào các mạch
Logic ... nhưng tính linh động khơng cao, khó chỉnh định khi điều kiện làm việc thay
đổi, ít có khả năng nâng cấp mở rộng hệ thống.

-

Với những phịng họp cơng cộng, khi mà lưu lượng người khơng lớn và có thể kiểm sốt được
việc đếm người qua cửa thì ta hồn tồn có thể áp dụng hệ thống đèn thông minh sử dụng Vi
điều khiển được lập trình để bật đèn khi có người và tắt khi khơng có người. Điều này vừa tiện lợi
cho mọi người: ứng dụng cơng nghệ tự động hóa vào cuộc sống con người, đảm bảo đủ ánh
sáng trong quá trình làm việc, người quản lý thì đỡ tốn thời gian... đồng thời góp phần giải quyết
vấn đề tiết kiệm điện năng trong thời kỳ mà nhu cầu điện tiêu thụ đã vượt quá khả năng cung cấp
của các nhà máy điện hiện nay.


1.4. Kết luận chương
-

Qua phân tích ở trên, nhóm chúng em đưa ra giải pháp xây dựng hệ thống điều khiển
đèn thơng minh cho các phịng họp: điều khiển bật tắt đèn qua việc kiểm sốt lượng
người ra vào phịng. Thu nhận tín hiệu rồi xử lý tín hiệu, khi có người vào phịng, nếu
trời tối đèn đang tắt thì bật. Khi mọi người ra hết khỏi phịng thì tắt đèn đi. Trong q
trình làm việc hệ thống ln hiển thị số người còn đang ở trong phòng để tiện cho
việc kiểm tra, theo dõi.


THƠNG MINH
VÀ ĐẾM SỐ
NGƯỜI RA VÀO
TRONG PHỊNG
HỌP

10

2.1. Cơ sở lý thuyết
2.1.1. Linh kiện sử dụng
a) Vi điều khiển STM32F103C8T6
-

-

-

STM 31 là một trong những dòng chip phổ biến của STM với nhiều họ thông dụng như F0, F1, F2,
F3, …STM32F103 thuộc họ F1 với lõi là ARM COTEX M3. STM32F103 là vi điều khiển 32 bit, tốc
độ tối đa là 72Mhz, giá thành cũng khá rẻ so với các loại vi điều khiển có chức năng tương tự.
Mạch nạp cũng như cơng cụ lập trình khá đa dạng và dễ sử dụng.
Một số ứng dụng chính: dùng cho driver để điều khiển ứng dụng, điều khiển ứng dụng thông
thường, thiết bị cầm tay và thuốc, máy tính và thiết bị ngoại vi chơi game, GPS cơ bản, các ứng
dụng trong cơng nghiệp, thiết bị lập trình PLC, biến tần, máy in, máy quét, hệ thống cảnh báo, thiết
bị liên lạc nội bộ, …
Phần mềm lập trình: có khá nhiều biên dịch cho STM32 như IAR Embedded Workbench, Keil C,
…
Thư viện lập trình: có nhiều loại thư viện lập trình cho STM32 như: STM32 snippets, STM32Cube
LL, STM32Cube HAL, Mbed core,…Mỗi thư viện đều có ưu và nhược điểm riêng.
Mạch nạp: có khá nhiều loại mạch nạp như ULINK, J-LINK, CMSIS-DAP, STLINK, ...


Board để lập trình


b) Module led phát – led thu hồng ngoại (cảm biến)

-

-

Module Led hồng ngoại là một loại cảm biến thông dụng được dùng
rất nhiều trong các hệ thống cửa tự động thơng minh, cảm biến an
tồn của cổng tự động cũng như barrie tự động, cổng co giãn inox
tự động đó là cảm biến phát hiện vật cản hồng ngoại hay cảm biến
IR (IR detector).
Ứng dụng: Cửa tự động thông minh, bộ chống trộm, phát hiện vật
cản, đếm sản phẩm, đếm số lượng người, ...
Thông số kỹ thuật:
+ Module phát hiện vật cản trong khoảng cách từ 2 - 30cm
+ Góc phát hiện: 35°
+ Khi phát hiện vật cản, tín hiệu đầu ra OUT ở mức thấp và đèn led màu xanh sáng.
+ Có thể điều chỉnh khoảng cách bằng biến trở. Chỉnh chiết áp để tăng khoảng cách theo
chiều kim đồng hồ, và ngược lại để giảm khoảng cách.
+ Cổng ra OUT có thể điều khiển trực tiếp 1 Rơ le 5V hoặc cổng IO của MCU.
+ Điện áp cung cấp: 3 - 5V DC.
+ Dòng điện tiêu thụ: 23 mA (3,3V), 43 mA (5V)


Boad để lập trình


c)
-

Module Led (hiển thị)

Module LED có dạng bảng mạch điện tử dạng mỏng, phẳng nhiều kích thước khác
nhau sử dụng cơng nghệ SMT gắn trực tiếp các bóng LED phát sáng đại diện cho các
điểm ảnh.
Các module khác nhau có thể kết nối với nhau thông qua các cổng được thiết lập sẵn
tạo thành một màn hình LED thống nhất với kích thước lớn.
Module Led được cấu tạo bởi một số linh kiện chính bao gồm bảng mạch PCB, bóng
Led, Chip điều khiển, IC và khung đỡ module Led.


d)
-

Module Cảm Biến Ánh Sáng
Theo sơ đồ mạch nguyên lý dưới: Khi module cảm biến rung được kích hoạt,
khi đó sẽ có sự thay đổi điện áp tại đầu vào của Ic LM393. Ic này nhận biết có
sự thay đổi nó sẽ đưa ra một tín hiệu thấp để báo hiệu có sự rung động. Chi tiết
các bạn có thể tham khảo datasheet Ic LM393.

-

Cảm biến ánh sáng ban ngày và ban
đêm

-

Sử dụng ánh sáng điều khiển thiết bị điện

-

Đèn sáng tự động khi trời tối

-

Các ứng dụng quang học khác


THƠNG SỐ KỸ THUẬT:
-

Điện áp làm việc: 3V – 5V

-

Kích thước module: 32mm x 11mm x 20mm

-

3(hoặc 4) chân ra : VCC- D0(I/O)- GND

-

IC so sánh áp (comparator) LM393

ỨNG DỤNG:
-

Cảm biến ánh sáng ban ngày và ban đêm

-

Sử dụng ánh sáng điều khiển thiết bị điện

-

Đèn sáng tự động khi trời tối

-

Các ứng dụng quang học khác

Module Cảm Biến Ánh Sáng dùng quang trở có ưu điểm:
-

Độ chính xác cao nhờ sử dụng IC so sánh áp (comparator) LM393.

-

Nhỏ gọn

-

Các thành phần phụ như điện trở, tụ điện… cần thiết cho mạch đã được gắn đầy đủ. Chỉ cần cấp nguồn,

nối dây điều khiển vào rơ le là có thể tắt/mở bóng đèn theo ý muốn

e)
-

Đèn
Lựa chọn đèn hợp lý để lắp ráp kết nối chạy mạch

2.1.2. Cơ sở lý thuyết
a) Tín hiệu analog
-

Tín hiệu Analog là tín hiệu liên tục, đồ thị biểu diễn tín hiệu analog là một đường liên tục
(ví dụ sin, cos hoặc đường cong lên xuống bất kỳ). Analog có nghĩa là tương tự, tức là
tín hiệu sẽ tương tự về bản chất, nhưng sẽ khác nhau về cường độ tín hiệu lúc sau so
với lúc trước.


b)
-

Tín hiệu digital
Tín hiệu digital là tín hiệu số, chỉ bao gồm hai mức cao và thấp (trong máy tính là 0 và 1),
tức là không liên tục. Trong điện tử và máy tính, điện thế cao đại diện cho mức 1, thấp
cho mức 0, thông thường là 5 vôn và 0 vôn. Nhưng trong bộ vi xử lý hiện nay, mức cao
chỉ cỡ 1 vôn, mức thấp là 0 vôn, để tiết kiệm điện.


a) GPIO
d)
-

GPIO là viết tắt của General Purpose Input Output. GPIO chính là “cổng” để vi điều
khiển có thể kết nối được với những ngoại vi bên ngoài.
Chức năng cơ bản của GPIO là xuất tín hiệu ra (output) và nhận tín hiệu vào (input)
Giao thức SPI

Giao tiếp ngoại vi nối tiếp hoặc SPI (Serial Peripheral Interface) là một chuẩn
đồng bộ nối tiếp để truyền dữ liệu ở chế độ song cơng tồn phần (full – duplex)
tức trong cùng một thời điểm có thể xảy ra đồng thời q trình truyền và nhận.
Giao tiếp ngoại vi nối tiếp (SPI) là một loại giao thức kiểu Master – Slave cung
cấp một giao diện chi phí đơn giản và chi phí thấp giữa vi điều khiển và các thiết
bị ngoại vi của nó.


-

Bus giao tiếp SPI thường được sử dụng để giao tiếp vi xử lý hoặc vi điều khiển với bộ nhớ
như EEPROM, RTC (Đồng hồ thời gian thực), ADC (Analog to Digital Converter – Bộ
chuyển đổi tương tự sang số), DAC (Digital-to-Analog Converter – Bộ chuyển đổi số sang
tương tự), thiết bị hiển thị như màn hình LCD, IC âm thanh, các loại cảm biến như nhiệt độ
và áp suất, thẻ nhớ như MMC hoặc thẻ SD hoặc thậm chí các bộ vi điều khiển khác.


2.1.3. Sơ đồ hệ thống
Mô tả:
- Để phát hiện người ra ta dùng bộ thu
phát hồng ngoại mắc gần nhau đặt ở
cửa ra vào.
- Xử lý, điều khiển dùng vi điều khiển
ArmCortex M3 32bit
(STM32F103C8T6): lập trình để STM
nhận tín hiệu vào từ bộ Module Led
hồng ngoại, tính tốn xử lý để đưa ra
lệnh bật tắt đèn.
- Để hiển thị ta dùng Module Led: lấy
tín hiệu ra từ STM để thơng báo xem

trong phịng có bao nhiêu người
- Điều khiển tắt/mở bóng đèn nhờ
Module cảm biến.


2.2. Thiết kế phần mềm
2.2.1.Lưu đồ thuật tốn
2.2.2.Giải thích chương trình
Khi có người vào phịng Module led 7 đoạn sẽ
đếm và hiển thị số lượng người ở trong phòng. Trời
tối cảm biến ánh sáng sẽ hoạt động và kích hoạt
đèn sáng. Trong trường hợp trời sáng thì cảm biến
ánh sáng sẽ khơng kích hoạt đèn sáng mà chỉ đếm
số người có ở trong phịng.
Khi có người ra khỏi phịng thì Module led 7
đoạn sẽ đếm số người ra khỏi phòng cho đến khi
phịng khơng cịn người thì đèn sẽ tự động tắt.
Quá trình trên sẽ lặp lại cho đến khi trời sáng.


2.3. Thiết kế phần cứng
a)
Sơ đồ nguyên lý
-

Mạch nhóm em sử dụng jum để thay thế không phải hàn các module trực tiếp vào linh
kiện


b) PCB – 3D