Ngoi Nha Thong Minh (1)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÔNG Á KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ---o0o--NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Tiến Hưng Lớp: TD15A2.1 GVHD: ThS. Đỗ Hoàng Ngân Mi I. Đề tài: "HỆ THỐNG GIÁM SÁT NGÔI NHÀ THÔNG MINH" II. Các tham số ban đầu: - Nguồn cấp cho mạch động lực: 12V DC hoặc 220V AC - Nguồn cấp cho mạch điều khiển: 3.3V DC hoặc 5V DC - Để phát hiện đối tượng và điều khiển các thiết bị sử dụng các bộ cảm biến, phần mềm blynk. III. Nội dung cần khảo sát và thiết kế: - Tổng quan về các hệ thống thông minh có trong thực tế. - Tìm hiều một hệ thống điều khiển thông minh trong thực tế, từ đó tìm hiều quy trình công nghệ của một hệ thống điều khiển một đối tượng nào đó. - Phân tích, đánh giá các mô hình của SV đã làm - Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống giám sát ngôi nhà thông minh (điều khiển tối thiểu 5 đối tượng khác nhau, theo nhiệt độ, độ ẩm của đối tượng hoặc phạm vi giám sát) - Phân tích, tính toán các bộ phận cơ khí và truyền động - Tính chọn các phần tử và các thiết bị điều khiển, cảm biến … - Lập trình điều khiển hệ thống dùng arduino, esp8266 - Kết luận. IV. Các phần cần phải làm và nộp: - Tập đồ án - Bản vẽ sơ đồ nguyên lý A0. - Đĩa CD gồm file Word đề tài và file Powerpoint - Mô hình chế tạo V. Thời gian hoàn thành đồ án: 20 tháng 3 năm 2017 Kiểm tra tiến độ đồ án Đà Nẵng, ngày tháng 4 năm 2017 (Giáo viên HD ký mỗi lần SV đến Giáo viên hướng dẫn gặp thông qua đồ án)

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... .......................................................................................................................................

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... .......................................................................................................................................

Đồ án tốt nghiệp

Trang 1

Hệ Thống Giám Sát Ngôi Nhà Thông Minh

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ kỹ thuật điện tử mà trong đó là kỹ thuật tự động điều khiển đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lí, công nghiệp, cung cấp thông tin ... Do đó là một sinh viên chuyên ngành Điện tự động chúng ta phải biết nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điện tử nói riêng. Bên cạnh đó còn là sự thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế nước nhà. Như chúng ta đã biết,nhu cầu về cuộc sống ngày càng được nâng cao,nên nhu câu về sự tiện nghi trong ngôi nhà ở cũng không nằm ngoài xu thế đó. Ngoài ra các vụ việc đột nhập nhà ở không những gây thiệt hại lớn về tài sản của các gia đình mà còn tạo sự lo lắng cho nhiều người, ảnh hưởng đến an toàn trật tự của toàn xã hội.Theo khảo sát thì phần lớn các vụ trộm cắp tài sản của các gia đình chủ yếu xảy ra khi tất cả mọi người trong gia đình đều đã đi làm hoặc ngủ say. Nên có một hệ thống cảnh báo sẽ giảm được phần lớn thiệt hại. Các thiết bị trong nhà ở được điều khiển một cách tự động cũng như giám sát từ xa sẽ đem lại một cuộc sống thoải mái cho mọi thành viên trong gia đình. Để giám sát được ngôi nhà và tài sản một cách 24/24 chúng ta cần phải có một phương tiện giám sát hiệu quả hơn, thông minh hơn. Do đó, tôi chọn để tài “ Hệ thống giám sát ngôi nhà thông minh” làm đề tài tốt nghiệp của mình.

SVTH: Nguyễn Tiến Hưng

GVHD: Đỗ Hoàng Ngân Mi


Trang 2

Hệ Thống Giám Sát Ngôi Nhà Thông Minh MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU ...........................................................................................................1 MỤC LỤC ..................................................................................................................2 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .......................................6 1.1 VAI TRÒ VÀ ỨNG DỤNG CỦA ARDUINO HIỆN NAY ................................6 1.1.1 Giới thiệu về arduino..........................................................................................6 1.1.2 Ứng dụng arduino trong thực tế .........................................................................6 1.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ........................................................................................8 1.3 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI ...................................................................................9 1.4 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .........................................................9 1.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...............................................................9 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG WIFI, GIỚI THIỆU CHIP ESP8622 VÀ BOARD ARDUINO UNO ...............................................................10 2.1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WIFI ...............................................................10 2.1.1 Nguyên tắc hoạt động.......................................................................................10 2.1.2 Các chuẩn kết nối .............................................................................................11 2.2 GIỚI THIỆU VỀ MODULE ESP8622 ...............................................................14 2.2.1 Tổng quan về module esp8622 ........................................................................14 2.2.2 Tính năng của chip esp8622 .............................................................................14 2.2.3 Sơ đồ chân ........................................................................................................15 2.2.4 Tập lệnh AT giao tiếp với Module ESP8266. ..................................................15 2.2.5 Các phương pháp kết nối thiết bị với esp8266.................................................17 2.3 GIỚI THIỆU VỀ BOARD ARDUINO ..............................................................22 2.3.1 Cấu tạo phần cứng ............................................................................................22 2.3.2 Môi trường lập trình board mạch Arduino .......................................................23 2.3.3 Các loại Board mạch Arduino ..........................................................................23 2.3.5 Sơ đồ chân board arduino uno ........................................................................26 2.3.6. Các thông số của board arduino uno ...............................................................27 2.4 TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM BLYNK .........................................................47 2.4.1 Giới thiệu phần mềm blynk..............................................................................47 2.4.2 Thao tác đối với phần mềm blynk....................................................................48




Trang 3


CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ LẮP RÁP MÔ HÌNH NGÔI NHÀ THÔNG MINH........................................................................................................................51 3.1 SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG QUÁT CỦA HỆ THỐNG ...............................................51 3.2 KHỐI GIAO TIẾP MẠNG WIFI ......................................................................52 3.3 KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM .............................................................................53 3.4 KHỐI CẢM BIẾN ..............................................................................................54 3.4.2 Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT22 ....................................................................56 3.5 KHỐI CƠ CẤU CHẤP HÀNH ..........................................................................57 3.5.1 Rơ le .................................................................................................................57 3.5.2 Động cơ servo ..................................................................................................58 3.5.3 Còi báo động ....................................................................................................60 3.5.4 Động cơ một chiều ...........................................................................................61 3.6. KHỐI HIỂN THỊ LCD.......................................................................................62 3.6.1Chức năng .........................................................................................................62 3.6.2 Thiết kế: ...........................................................................................................63 3.7 KHỐI NGUỒN ...................................................................................................65 CHƯƠNG 4. LẬP TRÌNH TRƯỜNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ...........................67 4.1 TRƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ARDUINO ...................................................67 4.1.1 lưu đồ thuật toán ardiuno .................................................................................67 4.1.2 Chi tiết trương trình điều khiển arduino ..........................................................68 4.2 TRƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ESP8266 .......................................................71 4.2.1 Lưu đồ thuật toán esp8266 ...............................................................................71 4.2.2 Chi tiết trương trình điều khiển esp8266 .........................................................72 CHƯƠNG 5. KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................76 5.1. KIỂM TRA HỆ THỐNG ...................................................................................76 5.2. KẾT QUẢ ..........................................................................................................76 5.3 KẾT LUẬN .........................................................................................................77 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................78




Trang 4


DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu

Tên hình

hình

Trang

1.1

Máy in 3D Makerbot điều khiển bằng Arduino Mega2560

7

1.2

Thiết bị UAV

7

1.3

Arduino Điều khiển nhà thông minh với Máy tính bảng và smartphone

8

2.1

Nguyên tắc hoạt động của wifi

10

2.2

Các chuẩn kết nối wifi

11

2.3

Sơ đồ chân esp8622

15

2.4

Hình ảnh thực tế module esp8622

15

2.5

Kết nối Arduino Due và ESP-01

17

2.6

Kết nối với smartphone

18

2.7

Kết nối hai module esp8266

20

2.8

Lệnh AT kết nối hai esp8266

21

2.9

Sơ chân board Arduino Uno R3

26

2.10

Hình dạng thực tế board Arduino Uno R3

27

2.11

Sơ đồ chân của Atmega328

28

2.12

Arduino

31

2.13

Driver Software Installation.

31

2.14

Device Manager.

32

2.15

Right click và chọn ”Update Driver Software”

32

2.16

Click chọn “Browse my computer for driver software”

32

2.17

Driver

33

2.18

Arduino IDE.

33

2.19

Arduino Toolbar

34

2.20

IDE Menu

34

2.21

File menu.

34

2.22

Click Examples.

35

2.23

Edit menu

35

2.24

Sketch menu

36

2.25

Tool menu.

36




Trang 5

Số hiệu hình


Tên hình

Trang

2.26

Chọn Board

37

2.27

Sơ đồ mạch ví dụ 1

38

2.28

Sơ đồ ví dụ 2

40

2.29.

Led sáng dần từ led 1 đến led 10 và ngược lại.

42

2.30

Điều khiển tốc độ động cơ.

44

2.31

PWM 50%.

45

2.32

PWM 25%.

46

2.33

PWM 90%.

46

2.34

Giao diện điều khiển blynk

48

3.1

Sơ đồ tổng quát hệ thống

51

3.2

Hình ảnh thực tế esp8266 v12

52

3.3

Sơ đồ nối chân esp8266

52

3.4

Sơ đồ nối chân arduino

53

3.5

Cảm biến hồng ngoại

54

3.6:

Sơ đồ nguyên lý khối thu phát hồng ngoại

56

3.7

Cảm biến DHT22

56

3.8

Module relay thực tế

57

3.9.

Động cơ servo ngoài thực tế

59

3.10.

Cấu tạo động cơ Servo

59

3.11

Cấu tạo chân vào ra động cơ servo

60

3.12

Đèn còi báo động

60

3.13

Động cơ một chiều

61

3.14

Cấu tạo động cơ một chiều

61

3.14

Nguyên lý hoạt động của động cơ DC

62

3.16

Khối hiển thị LCD

63

3.17

Sơ đồ mạch nguyên lý khối nguồn

65

5.1.

Mô hình phần cứng

76




Trang 6


CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 VAI TRÒ VÀ ỨNG DỤNG CỦA ARDUINO HIỆN NAY 1.1.1 Giới thiệu về arduino Arduino: là một nền tảng mã nguồn mở được sử dụng để xây dựng các ứng dụng điện tử. Arduino gồm có board mạch có thể lập trình được ( thường gọi là vi điều khiển và các phần mềm hỗi trợ IDE (Integrated Development Environment) dùng để soạn thảo, biên dịch code và nạp chương cho board. Arduino ngày nay rất phổ biến cho những người mới bắt đầu tìm hiểu về điện tử vì nó đơn giản, hiệu quả và dễ tiếp cận. Không giống như các loại vi điều khiển khác, Arduino không cần phải có các công cụ chuyên biệt để phục vụ việc nạp code, ví dụ để nạp code cho PIC cần phải có Pic Kit. Đối với Arduino rất đơn giản, ta có thể kết nối với máy tính bằng cáp USB. Arduino thực sự đã gây sóng gió trên thị trường người dùng DIY (là những người tự chế ra sản phẩm của mình) trên toàn thế giới trong vài năm gần đây, gần giống với những gì Apple đã làm được trên thị trường thiết bị di động. Số lượng người dùng cực lớn và đa dạng với trình độ trải rộng từ bậc phổ thông lên đến đại học đã làm cho ngay cả những người tạo ra chúng phải ngạc nhiên về m Arduino ra đời tại thị trấn Ivrea thuộc nước Ý và được đặt theo tên một vị vua vào thế kỷ thứ 9 là King Arduin. Arduino chính thức được đưa ra giới thiệu vào năm 2005 như là một công cụ khiêm tốn dành cho các sinh viên của giáo sư Massimo Banzi, là một trong những người phát triển Arduino, tại trường Interaction Design Instistute Ivrea (IDII). Mặc dù hầu như không được 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 người dùng đầu tiên. Hiện nay Arduino nổi tiếng tới nỗi có người tìm đến thị trấn Ivrea chỉ để tham quan nơi đã sản sinh ra Arduino. 1.1.2 Ứng dụng arduino trong thực tế 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.




Trang 7


Hình 1.1 Máy in 3D Makerbot điều khiển bằng Arduino Mega2560 Thiết bị bay không người lái (UAV) 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 1.2 thiết bị UAV




Trang 8


Điều khiển nhà thông minh (Smart Home) Kết hợp với các module chức năng bluetooth hoặc wifi..., với các ứng dụng cài đặt trên máy tính bảng, smartphone hay trình duyệt web người dùng có thể thiết kế hệ thống điều khiển giám sát thông minh các thiết bị điện trong ngôi nhà của mình khi ở trong nhà hoặc từ bất cứ nới nào (được kết nối internet).

Hình 1.3 Arduino Điều khiển nhà thông minh với Máy tính bảng và smartphone 1.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa là ngành công nghệ liên quan đến việc ứng dụng các kỹ thuật cơ khí hiện đại, kỹ thuật điều khiển và kỹ thuật máy tính vào việc vận hành và điều khiển quá trình sản xuất. Ngày nay, khi nhu cầu và thị hiếu con người ngày càng cao, yêu cầu về số lượng và chất lượng của các sản phẩm xã hội cũng không ngừng tăng, điều đó đòi hỏi các dây chuyền sản xuất trong công nghiệp ngày càng hiện đại, có mức độ tự động hóa ngày càng cao với việc sử dụng các kỹ thuật điều khiển hiện đại có trợ giúp của máy tính. Hệ thống điều khiển và tự động hóa có mặt trong mọi dây chuyền sản xuất của các ngành kinh tế khác nhau như: công nghiệp, nông nghiệp,




Trang 9


giao thông vận tải,… Vì vậy một hệ thống điều khiển thông minh và hoàn toàn tự động là một xu thế tất yếu. Ưng dụng hệ thống thông minh vào điều khiển cac thiết bị nhà ở và sân vườn vẫn còn khá mới mẻ ở Việt Nam. Nhóm đã quyết ddingj chộn đề tài ngôi nhà thông minh để làm đề trài nguyên cứu của mình để đón đầu xu thế đó. 1.3 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Nhóm xây dựng đề tài đã chọn theo hướng xây dựng hệ thống sử dụng arduino và esp8266 để quản lý ở nơi mà con người phải bỏ sức ra để thực hiện một công việc lặp đi lặp lại hằng ngày. Nhằm bỏ qua sự tác động của con người, con người sẽ không phải bận tâm quá nhiều đến việc quản lý ngôi nhà. Mang lại một cuộc sống thoải mái. 1.4 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Nhóm thực hiện đề tài đã đặt ra mục tiêu nghiên cứu cụ thể như sau: tìm hiểu về nguyên tắc hoạt động của công nghệ số trên module Arduino và ESP8266. Biết cách ứng dụng trên ardunio IDE. Tìm hiểu hoạt động của cảm biến quang, cũng như cảm biến nhiệt độ và độ ẩm. Do giới hạn về thời gian nghiên cứu cũng như kiến thức chuyên ngành nên nhóm thực hiện đề tài chỉ tập trung nghiên cứu một số vấn đề chính xoay quanh đề tài như: Tìm hiểu và cài đặt các công cụ hỗ trợ lập trình arduinon IDE. Tìm hiểu hoạt động của các thiết bị trong hệ thống. 1.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Chúng em khi thực hiện đề tài đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu đề tài sau: + Phương pháp phân tích tổng hợp lý thuyết. + Phương pháp tham khảo tài liệu. + Phương pháp thực nghiệm. v Cụ thể: + Tìm hiểu Arduino phần cứng và tập lệnh + Viết chương trình điều khiển bằng phần mềm Arduino IDE + Thiết kế các bộ phận của mô hình + Lắp ráp hoàn thiện mô hình ngôi nhà thông minh




Trang 10


CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG WIFI, GIỚI THIỆU CHIP ESP8622 VÀ BOARD ARDUINO UNO 2.1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WIFI Wifi là viết tắt của từ Wireless Fidelity trong tiếng Anh, được gọi chung là mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến. Wifi là loại sóng vô tuyến tương tự như sóng điện thoại, sóng truyền hình và radio. Hầu hết các thiết bị sử dụng điện tử hiện nay như : Smartphone, Máy tính bảng, Tivi, Laptop… đều có thể kết nối được WiFi. Và Wifi là thứ gắn liền và không thể thiếu với đời sống của người dân trong hầu hết công việc cũng như giải trí hàng ngày Kết nối Wifi dựa trên các loại chuẩn kết nối IEEE 802.11, và chủ yếu hiện nay Wifi hoạt động trên băng tần 54 Mbps và có tín hiệu mạnh nhất trong khoảng cách 100 feet gần 31 mét. 2.1.1 Nguyên tắc hoạt động

Hình 2.1 Nguyên tắc hoạt động của wifi Truyền thông qua mạng không dây là truyền thông vô tuyến hai chiều.Cụ thể: Thiết bị adapter không dây (hay bộ chuyển tín hiệu không dây) của máy tính chuyển đổi dữ liệu sang tín hiệu vô tuyến và phát những tín hiệu này đi bằng một ăng-ten.




Trang 11


Thiết bị router không dây nhận những tín hiệu này và giải mã chúng. Nó gởi thông tin tới Internet thông qua kết nối hữu tuyến Ethernet. Qui trình này vẫn hoạt động với chiều ngược lại, router nhận thông tin từ Internet, chuyển chúng thành tín hiệu vô tuyến và gởi đến adapter không dây của máy tính. Sóng WIFI: Các sóng vô tuyến sử dụng cho WiFi gần giống với các sóng vô tuyến sử dụng cho thiết bị cầm tay, điện thoại di động và các thiết bị khác. Nó có thể chuyển và nhận sóng vô tuyến, chuyển đổi các mã nhị phân 1 và 0 sang sóng vô tuyến và ngược lại. Tuy nhiên, sóng WiFi có một số khác biệt so với các sóng vô tuyến khác ở chỗ: Chúng truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.5 GHz hoặc 5GHz. Tần số này cao hơn so với các tần số sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay và truyền 2.1.2 Các chuẩn kết nối

Hình 2.2 Các chuẩn kết nối wifi Chúng truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz hoặc 5 GHz. Tần số này cao hơn so với các tần số sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay và truyền hình. Tần số cao hơn cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn. Chuẩn 802.11 IEEE 802.11 là một tập các chuẩn của tổ chức IEEE (tiếng Anh: Institute of Electrical and Electronic Engineers) bao gồm các đặc tả kỹ thuật liên quan đến hệ




Trang 12


thống mạng không dây. Chuẩn IEEE 802.11 mô tả một giao tiếp “truyền qua không khí” (tiếng Anh: over-the-air) sử dụng sóng vô tuyến để truyền nhận tín hiệu giữa một thiết bị không dây và tổng đài hoặc điểm truy cập (tiếng Anh: access point), hoặc giữa 2 hay nhiều thiết bị không dây với nhau. Năm 1997, IEEE giới thiệu chuẩn mạng không dây đầu tiên và đặt tên nó là 802.11. Khi đó, tốc độ hỗ trợ tối đa của mạng này chỉ là 2 Mbps với bang tầng 2.4GHz. Chuẩn 802.11b IEEE đã mở rộng trên chuẩn 802.11 gốc vào tháng Bảy năm 1999, đó chính là chuẩn802.11b. Chuẩn này hỗ trợ băng thông lên đến 11Mbps, tương quan với Ethernet truyền thống. 802.11b sử dụng tần số vô tuyến (2.4 GHz) giống như chuẩn ban đầu 802.11. Các hãng thích sử dụng các tần số này để chi phí trong sản xuất của họ được giảm. Các thiết bị 802.11b có thể bị xuyên nhiễu từ các thiết bị điện thoại không dây (kéo dài), lò vi sóng hoặc các thiết bị khác sử dụng cùng dải tần 2.4 GHz. Mặc dù vậy, bằng cách cài đặt các thiết bị 802.11b cách xa các thiết bị như vậy có thể giảm được hiện tượng xuyên nhiễu này. · Ưu điểm của 802.11b – giá thành thấp nhất; phạm vi tín hiệu tốt và không dễ bị cản trở. Nhược điểm của 802.11b – tốc độ tối đa thấp nhất; các ứng dụng gia đình có thể xuyên nhiễu. Chuẩn 802.11a Được phát triển song song cùng với chuẩn 802.11b, chuẩn 802.11a hỗ trợ tốc độ tối đa gần gấp 5 lần lên đến 54 Mpbs và sử dụng bằng tầng 5Ghz nhằm tránh bị nhiễu từ các thiết bị khác. Tuy nhiên, đây cũng là nhược điểm của chuẩn này vì phạm vi phát sẽ hẹp hơn (40-100m) và khó xuyên qua các vật cản như vách tường. Chuẩn này thường được sử dụng trong các mạng doanh nghiệp thay vì gia đình vì giá thành của nó khá cao. Chuẩn 802.11g Năm 2003, chuẩn Wifi thế hệ thứ 3 ra đời và mang tên 802.11g. Chuẩn này được kết hợp từ chuẩn a và b. Được hỗ trợ tốc độ 54Mpbs như chuẩn a và sử dụng băng tầng 2.4GHz của chuẩn b vì vậy chuẩn này có phạm vi tín hiệu khá tốt (80200m) và vẫn dễ bị nhiễu từ các thiết bị điện tử khác. Ngày nay, một số hộ gia đình vẫn còn sử dụng chuẩn này . ·




Trang 13


Ưu điểm của 802.11g – tốc độ cao; phạm vi tín hiệu tốt và ít bị che khuất. · Nhược điểm của 802.11g – giá thành đắt hơn 802.11b; các thiết bị có thể bị xuyên nhiễu từ nhiều thiết bị khác sử dụng cùng băng tần. ·

Chuẩn 802.11n (hay 802.11 b/g/n) Đây là chuẩn được sử dụng phổ biến nhất hiện nay và tương đối mới. Chuẩn WiFi 802.11n được đưa ra nhằm cải thiện chuẩn 802.11g bằng cách sử dụng công nghệ MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) tận dụng nhiều anten hơn. Chuẩn kết nối 802.11n hỗ trợ tốc độ tối đa lên đến 600 Mpbs, có thể hoạt động trên cả băng tần 2,4 GHz và 5 GHz, nếu router hỗ trợ thì hai băng tần này có thể cùng phát sóng song song. Chuẩn kết nối này đã và đang dần thay thế chuẩn 802.11g với tốc độ cao, phạm vi tín hiệu rất tốt (từ 100-250m) và giá thành đang ngày càng phù hợp với túi tiền người tiêu dùng. · Ưu điểm của 802.11n – tốc độ nhanh và phạm vi tín hiệu tốt nhất; khả năng chịu đựng tốt hơn từ việc xuyên nhiễu từ các nguồn bên ngoài. Nhược điểm của 802.11n – chuẩn vẫn chưa được ban bố, giá thành đắt hơn 802.11g; sử dụng nhiều tín hiệu có thể gây nhiễu với các mạng 802.11b/g ở gần. Chuẩn 802.11ac (hay chuẩn 802.11 a/b/g/n/ac) Trong khoảng một năm trở lại đây chúng ta được nghe nhắc nhiều đến chuẩn Wi-Fi 802.11ac, hay còn gọi là Wi-Fi thế hệ thứ năm. Nó là chuẩn mạng không dây ·

đang ngày càng xuất hiện nhiều hơn trên các router, máy tính và tất nhiên là cả các thiết bị di động như smartphone. So với Wi-Fi 802.11n đang được dùng phổ biến hiện nay, chuẩn 802.11ac mang lại tốc độ nhanh hơn. Là chuẩn Wifi mới nhất được IEEE giới thiệu. Chuẩn ac có hoạt động ở băng tầng 5 GHz và tốc độ tối đa lên đến 1730 Mpbs khi sử dụng lại công nghệ đa anten trên chuẩn 802.11n cho người dùng trải nghiệm tốc độ cao nhất. Hiện tại, chuẩn này được sử dụng trên một số thiết bị cao cấp của các hang điện thoại như Apple, Samsung, Sony,… Tuy nhiên, do giá thành khá cao nên các thiết bị phát tín hiệu cho chuẩn này chưa được phổ biến trên thị trường nên mặc dù các thiết bị này không hoạt động tối ưu khi sử dụng bởi sự hạn chế của các thiết bị phát. Wifi Hotspot Đây là tính năng mà thiết bị của bạn có thể phát sóng Wifi cho các thiết bị điện thoại, laptop, máy tính bảng khác. Nói cách khác tính năng này biến chiếc Smartphone thành một chiếc Modem wifi.




Trang 14


WiFi có thể hoạt động trên cả ba tần số và có thể nhảy qua lại giữa các tần số khác nhau một cách nhanh chóng. Việc nhảy qua lại giữa các tần số giúp giảm thiểu sự nhiễu sóng và cho phép nhiều thiết bị kết nối không dây cùng một lúc. 2.2 GIỚI THIỆU VỀ MODULE ESP8622 2.2.1 Tổng quan về module esp8622 Kít ESP8266 là kít phát triển dựa trên nền chíp Wifi SoC ESP8266 với thiết kế dễ dàng sửa dụng vì tích hợp sẵn mạch nạp sử dụng chíp CP2102 trên borad. Bên trong ESP8266 có sẵn một lõi vi sử lý vì thế bạn có thể trực tiếp lập trình cho ESP8266 mà không cần thêm bất kì con vi sử lý nào nữa. Hiện tại có hai ngôn ngữ có thể lập trình cho ESP8266, sử dụng trực tiếp phần mềm IDE của Arduino để lập trình với bộ thư viện riêng hoặc sử dụng phần mềm node MCU Module ESP8266 là module wifi giá rẻ và được đánh giá rất cao cho các ứng dụng liên quan đến Internet và Wifi cũng như các ứng dụng truyền nhận sử dụng thay thế cho các module RF khác. ESP8266 là một chip tích hợp cao, được thiết kế cho nhu cầu của một thế giới kết nối mới, thế giới Internet of thing (IOT). Nó cung cấp một giải pháp kết nối mạng Wi-Fi đầy đủ và khép kín, cho phép nó có thể lưu trữ các ứng dụng hoặc để giảm tải tất cả các chức năng kết nối mạng Wi-Fi từ một bộ xử lý ứng dụng. ESP8266 có xử lý và khả năng lưu trữ mạnh mẽ cho phép nó được tích hợp với các bộ cảm biến, vi điều khiển và các thiết bị ứng dụng cụ thể khác thông qua GPIOs với một chi phí tối thiểu và một PCB tối thiểu. 2.2.2 Tính năng của chip esp8622 § SDIO 2.0, SPI, UART § 32-pin QFN ( Chip esp8266) § Tích hợp RF switch, balun, 24dBm PA, DCXO, and PMU § Tích hợp bộ xử lý RISC, trên chip bộ nhớ và giao diện bộ nhớ bên ngoài § Tích hợp bộ vi xử lý MAC / baseband § Chất lượng quản lý dịch vụ § Giao diện I2S cho độ trung thực cao ứng dụng âm thanh § On-chip thấp học sinh bỏ học điều chỉnh tuyến tính cho tất cả các nguồn cung cấp nội bộ § Kiến trúc giả miễn phí thế hệ đồng hồ độc quyền § Tích hợp WEP, TKIP, AES, và các công cụ WAPI




Trang 15


2.2.3 Sơ đồ chân

Hình 2.3 Sơ đồ chân esp8622 UTXD (TX) – chân truyền tín hiệu của module nối với chân RX của vi điều khiển URXD(RX) – chân truyền tín hiệu của module nối với chân RX của vi điều khiển RST – chân reset cứng của module. Reset xảy ra khi tín hiệu xuống mức thấp GPIO0, GPIO2, CH_PD nối với mức cao. VCC: Nối với 3.3V GND: Nối với 0V

Hình 2.4 Hình ảnh thực tế module esp8622 2.2.4 Tập lệnh AT giao tiếp với Module ESP8266. Khi sử dụng giao tiếp UART để gửi lệnh AT đến Module ESP 8266, chúng ta phải gửi kềm kí tư để báo kết thúc lệnh. Lệnh Kiểm tra kết nối: AT. Kết quả trả về: OK nếu kết nối không bị lỗi. Lệnh Reset module: AT + RST.




Trang 16


Trả về: Ready sau khi reset thành công module. Lệnh kiểm tra phiên bản module: AT+GMR. Trả về môt dãy số là mã phiên bản module. Lệnh cài đặt module hoạt động ở chế độ trạm phát wifi, điểm truy cập wifi: AT+CWMODE=3. Trả về: Ok sau khi cài đặt thành công. Lệnh tìm các mạng wifi đang có: AT+CWLAP. Kết quả trả về là danh sách các mạng wifi mà module có thể bắt được. Lệnh truy cập vào mạng wifi khác. AT+CWJAP=””,”” Sau khi truy cập thành công, trả về : Ok. Lệnh lấy đỉa chỉ IP của module. AT+CIFSR. Trả về một dãy số là địa chỉ IP của module. Lệnh đặt tên và mật khẩu cho mạng wifi do module ESP8266 phát ra: AT+CIFSR=”tên_mang”,”mật_khẩu”,3,0. Có thể sử dụng module ESP8266 ở hai chế độ: TCP Client hoặc TCP sever. Cài đặt module hoạt động ở chế độ TCP Client. Cho phép module hoạt động ở chế độ đa kết nối, bằng cách gửi lệnh: AT+CIPMUX=1. Sử dụng lệnh CIPSTART để chọn kênh kết nối (0-4), phương thức truyền(TCP/UDP), địa chỉ IP của website (or domain) và cổng kết nối. ví dụ: AT+CIPSTART=4,”TCP”,”google.com”,80 nếu thành công, module trả về: ok Linked. Sử dụng lệnh AT + CIPSEND để báo kênh truyền và số byte của địa chỉ websever mình cần lấy dữ liệu ví dụ: địa chỉ: “ GET / HTTP/1.0\r\n\r\n” có 18 byte. sẽ phải gửi lệnh: AT + CIPSEND=4,18. Sau khi gửi lệnh này, module sẽ trả về dấu “>”. Đến đây chúng ta sẽ gửi địa chỉ của websever mà chúng ta cần lấy dữ liệu. GET / HTTP/1.0 Module sẽ trả về SEND OK. Và sau đó module sẽ trả về một loạt dữ liệu module nhận được từ web sever. (Chuỗi json: JavaScript Object Notation) , phân tích chuỗi json này để lấy được dữ liệu cần




Trang 17


thiết. 2.2.5 Các phương pháp kết nối thiết bị với esp8266 2.2.5.1 Truyền dữ liệu với wed server Với demo này, chúng ta sẽ lập trình Arduino gửi AT commands để module ESP-01 thành 1 thiết bị Wifi, kết nối vào mạng Wifi xung quanh, gửi lệnh PING lên 1 web server và nhận response từ web server đó. Về phần cứng, chúng ta sẽ kết nối Arduino Due và ESP-01 như hình sau:

Hình 2.5 kết nối Arduino Due và ESP-01 Công việc còn lại là lập trình board Due trên Arduino IDE để gửi các lệnh AT command cần thiết. Flow chương trình trên Arduino sẽ như sau: · Gửi lệnh “AT” để kiểm tra kết nối module với ESP-01 và đợi nhận “OK” từ ESP8266 · Gửi lệnh “AT+CWMODE=1” để module ESP-01 hoạt động như 1 thiết bị Wifi · Gửi lệnh “AT+CWJAP=\”\”,\”\” ” để chọn mạng Wifi và password để kết nối Các bạn có thể thay thế và tương ứng với mạng Wifi của mình nha Sau khi lệnh này, chúng ta cần đợi vài giây để module ESP-01 tìm và kết nối vào mạng Wifi đã chọn, trong code chúng ta có thể đợi đến khi nhận được “OK” từ ESP8266 · Gửi lệnh “AT+PING=\”google.com\” ” để ping server của Google SVTH: Nguyễn Tiến Hưng


Đồ án tốt nghiệp ·

Trang 18


Nhận PING response từ module ESP-01

2.2.5.2 Giao tiếp smarphone dùng esp8266 Trong demo này, chúng ta sẽ tạo 1 ứng dụng trong đó smartphone sẽ trao đổi dữ liệu với thiết bị có ESP8266. Chúng ta có thể sử dụng 1 wifi router trung gian giữa 2 thiết bị Wifi là ESP8266 và smartphone. Cách khác đơn giản và hiệu quả hơn là sử dụng ESP8266 như là 1 rounter để kết nối với smartphone, do đó sẽ không cần router trung gian nữa. Chúng ta sẽ chọn cách đơn giản bằng cách sử dụng module ESP-01 như 1 Access Point để smartphone có thể kết nối vào mạng Wifi tạo bởi module ESP-01. Đồng thời chúng ta cũng tạo TCP server và UDP server trên ESP8266 để truyền nhận dữ liệu với smartphone thông qua các port TCP, UDP Về phần cứng chúng ta sẽ sử dụng board Arduino ATmega2560, module ESP01 và iPhone như hình bên dưới:

Hình 2.6 kết nối với smartphone 2.2.5.3 Truyền dữ liệu TCP với smartphone Các lệnh AT commands được sử dụng theo thứ tự như sau: · Gửi lệnh “AT” đầu tiên để kiểm tra giao tiếp, kết nối với module ESP-01 · Gửi lệnh “AT+CWMODE=2” để module ESP-01 hoạt động như 1 Access Point Gửi lệnh “AT+CWSAP=\”ESP_HTelectronics\”,\”\”,5,0″ đẻ tạo mạng Wifi tên là “ESP_HTelectronics”, không security và không password · Gửi lệnh “AT+CIPMUX=1” để cho phép các kết nối TCP/UDP · Gửi lệnh “AT+CIPSERVER=1,1234” để tạo 1 TCP server, port 1234 trên module ESP-01 ·




Trang 19


Liên tục kiểm tra dữ liệu nhận được từ port 1234 gửi lên từ ESP-01 và xử lý dữ liệu tương ứng · Sau khi nạp code vào board ATmega2560, chúng ta sẽ dùng smartphone kết ·

nối với module ESP-01 trong Wifi setting, sau đó mở app WIFI TCP Test Tool để truyền/nhận dữ liệu với board Arduino Trên phone, chúng ta sẽ connect vào TCP port 1234 đã được mở trong ESP8266 và gửi dòng text “Who are you”, khi ESP-01 nhận được sẽ trả lời “I’m ESP_HTelectronics” lên smartphone và chúng ta thấy hiện trong phần Received data của app. Với nguyên lý này, chúng ta có thể tạo thiết bị IoT sử dụng ESP8266 để giao tiếp trực tiếp với Smartphone. 2.2.5.4 Truyền dữ liệu UDP với smartphone Tương tự như demo trên, nhưng chúng ta sẽ thử truyền dữ liệu thông qua UDP server trên ESP8266 Các lệnh AT commands được sử dụng theo thứ tự như sau: Gửi lệnh “AT” đầu tiên để kiểm tra giao tiếp, kết nối với module ESP-01 · Gửi lệnh “AT+CWMODE=2” để module ESP-01 hoạt động như 1 Access ·

Point Gửi lệnh “AT+CWSAP=\”ESP_HTelectronics\”,\”\”,5,0″ đẻ tạo mạng Wifi tên là “ESP_HTelectronics”, không security và không password ·

Gửi lệnh “AT+CIPMUX=1” để cho phép các kết nối TCP/UDP · Gửi lệnh “AT+CIPSTART=0,\”UDP\”,\”255.255.255.255\”,1234,1234,2″ để tạo 1 UDP server, port 1234 trên module ESP-01 · Liên tục kiểm tra dữ liệu nhận được từ port 1234 gửi lên từ ESP-01 và xử lý dữ liệu tương ứng Tương tự như demo trên, chúng ta sẽ mở app WIFI UDP Test Tool để truyền nhận dữ liệu với board ATmega2560 thông qua ESP-01 ·

2.2.5.5 Giao tiếp giữa hai module ESP8266 Chúng ta đã đi qua 2 demo sử dụng 2 chế độ hoạt động của ESP8266 là chế độ thiết bị Wifi và chế độ Access Point. Trong phần demo này chúng ta sẽ tạo 1 ứng dụng trong đó 2 board arduino sẽ giao tiếp trực tiếp với nhau qua mạng Wifi được tạo bởi ESP8266. Chúng ta có thể ứng dụng demo này trong các mạng wireless sensor trong đó các thiết bị IoT là các node và nói chuyện trực tiếp với nhau mà không cần smartphone hay router hay web server ở trung gian. Về kết nối phần cứng thì chúng ta sẽ giả lập 2 node trong 1 network dùng 2




Trang 20


board ATmega2560 và board Due cùng với 2 module ESP-01 như hình bên dưới:

Hình 2.7 kết nối hai module esp8266 Chúng ta sẽ lập trình board Due truyền AT commands để xác lập module ESP01 thành 1 Access Point và 1 UDP server; và lập trình board ATmega truyền AT commands để xác lập module ESP-01 thành 1 thiết bị Wifi. Hai module ESP8266 sẽ kết nối trực tiếp với nhau và truyền/nhận dữ liệu thông qua UDP server/client. Các lệnh AT commands truyền từ board Due như sau: · Gửi lệnh “AT” đầu tiên để kiểm tra giao tiếp, kết nối với module ESP-01 · Gửi lệnh “AT+CWMODE=2” để module ESP-01 hoạt động như 1 Access Point · Gửi lệnh “AT+CWSAP=\”ESP_HTelectronics\”,\”\”,5,0″ đẻ tạo mạng Wifi tên là “ESP_HTelectronics”, không security và không password · Gửi lệnh “AT+CIPMUX=1” để cho phép các kết nối TCP/UDP · Gửi lệnh “AT+CIPSTART=0,\”UDP\”,\”255.255.255.255\”,1234,1234,2″ để tạo 1 UDP server, port 1234 trên module ESP-01 · Liên tục kiểm tra dữ liệu nhận được từ port 1234 gửi lên từ ESP-01 và xử lý dữ liệu tương ứng Các lệnh AT commands truyền từ board ATmega2560 như sau:




Trang 21


Gửi lệnh “AT” đầu tiên để kiểm tra giao tiếp, kết nối với module ESP-01 · Gửi lệnh “AT+CWMODE=1” để module ESP-01 hoạt động như 1 thiết bị Wifi · Gửi lệnh “AT+CWJAP=\”ESP_HTelectronics\”,\”\”” để kết nối vào mạng ·

Wifi “ESP_HTelectronics” được tạo bởi thiết bị bên board Due. Sau lệnh này chúng ta cần đợi vài giây để module ESP-01 kết nối vào mạng Wifi. Chúng ta sẽ liên tục nhận dữ liệu từ ESP8266 đến khi nhận được “OK” Gửi lệnh “AT+CIPMUX=1” để cho phép các kết nối TCP/UDP · Gửi lệnh “AT+CIPSTART=0,\”UDP\”,\”192.168.4.1\”,1234,1234,2″ để kết ·

nối vào UDP server, port 1234 trên server có địa chỉ IP là 192.168.4.1 Lưu ý địa chỉ IP mặc định của ESP8266 là 192.168.4.1, do đó chúng ta có thể hardcode trong code của UDP client. Nếu ESP8266 bên UDP Server thay đổi địa chỉ IP thì chúng ta cần thay đổi bên UDP client để 2 module ESP-01 có thể kết nối UDP với nhau · Gửi dữ liệu là text “Who are you” vào UDP port đã kết nối Nhận dữ liệu truyền lại từ UDP server bên board Due Dưới đây là cửa sổ COM của board Due và board ATmega2560 khi hoạt động: ·

Hình 2.8 Lệnh AT kết nối hai esp8266 Done! Chúng ta đã demo quá trình nạp firmware cung cấp sẵn cho ESP8266 để hoạt động như 1 wifi độc lập và thực hiện 3 demo cho việc sử dụng AT commands để điều khiển module ESP-01 trong các ứng dụng giao tiếp qua mạng Wifi. Thông qua các demo, chúng ta có thể dùng ESP8266 để kết nối web server SVTH: Nguyễn Tiến Hưng



Trang 22


trên internet thông qua 1 wireless router trong nhà, hoặc giao tiếp trực tiếp với smartphone, hoặc giao tiếp lẫn nhau trong 1 mạng wireless network. Tất cả chức năng trên có thể được thực hiện bằng cách gửi các lệnh AT commands đơn giản, dễ hiểu. Nếu chúng ta muốn thêm tính năng giao tiếp wifi cho 1 thiết bị có sẵn thì sử dụng firmware có sẵn của ESP8266 là tối ưu và tiết kiệm thời gian nhất; nhưng nếu chúng ta muốn sử dụng ESP8266 vừa giao tiếp wifi, vừa điều khiển thiết bị thì cần phải lập trình 1 firmware mới dùng bộ thư viện SDK của Espressif. 2.3 GIỚI THIỆU VỀ BOARD ARDUINO 2.3.1 Cấu tạo phần cứng Một mạch Arduino bao gồm một vi điều khiển AVR với nhiều linh kiện bổ sung giúp dễ dàng lập trình và có thể mở rộng với các mạch khác. Một khía cạnh quan trọng của Arduino là các kết nối tiêu chuẩn của nó, cho phép người dùng kết nối với CPU của board với các module thêm vào có thể dễ dàng chuyển đổi, được gọi là shield. Vài shield truyền thông với board Arduino trực tiếp thông qua các chân khách nhau, nhưng nhiều shield được định địa chỉ thông qua serial bus I²Cnhiều shield có thể được xếp chồng và sử dụng dưới dạng song song. Arduino chính thức thường sử dụng các dòng chip megaAVR, đặc biệt là ATmega8, ATmega168, ATmega328, ATmega1280, và ATmega2560. Một vài các bộ vi xử lý khác cũng được sử dụng bởi các mạch Aquino tương thích. Hầu hết các mạch gồm một bộ điều chỉnh tuyến tính 5V và một thạch anh dao động 16 MHz (hoặc bộ cộng hưởng ceramic trong một vài biến thể), mặc dù một vài thiết kế như LilyPad chạy tại 8 MHz và bỏ qua bộ điều chỉnh điện áp onboard do hạn chế về kích cỡ thiết bị. Một vi điều khiển Arduino cũng có thể được lập trình sẵn với một boot loader cho phép đơn giản là upload chương trình vào bộ nhớ flash on-chip, so với các thiết bị khác thường phải cần một bộ nạp bên ngoài. Điều này giúp cho việc sử dụng Arduino được trực tiếp hơn bằng cách cho phép sử dụng 1 máy tính gốc như là một bộ nạp chương trình. Theo nguyên tắc, khi sử dụng ngăn xếp phần mềm Arduino, tất cả các board được lập trình thông qua một kết nối RS-232, nhưng cách thức thực hiện lại tùy thuộc vào đời phần cứng. Các board Serial Arduino có chứa một mạch chuyển đổi giữa RS232 sang TTL. Các board Arduino hiện tại được lập trình thông qua cổng USB, thực hiện thông qua chip chuyển đổi USB-to-serial như là FTDI FT232. Vài biến thể, như Arduino Mini và Boarduino không chính thức, sử dụng một board adapter hoặc cáp nối USB-to-serial có thể tháo rời được, Bluetooth hoặc các




Trang 23


phương thức khác. (Khi sử dụng một công cụ lập trình vi điều khiển truyền thống thay vì ArduinoIDE, công cụ lập trình AVR ISP tiêu chuẩn sẽ được sử dụng.) Board Arduino sẽ đưa ra hầu hết các chân I/O của vi điều khiển để sử dụng cho những mạch ngoài. Diecimila, Duemilanove, và bây giờ là Uno đưa ra 14 chân I/O kỹ thuật số, 6 trong số đó có thể tạo xung PWM (điều chế độ rộng xung) và 6 chân input analog, có thể được sử dụng như là 6 chân I/O số. Những chân này được thiết kế nằm phía trên mặt board, thông qua các header cái 0.10-inch (2.5 mm). Nhiều shield ứng dụng plug-in cũng được thương mại hóa. Các board Arduino Nano, và Arduino-compatible Bare Bones Board và Boarduino có thể cung cấp các chân header đực ở mặt trên của board dùng để cắm vào các breadboard. Có nhiều biến thể như Arduino-compatible và Arduino-derived. Một vài trong số đó có chức năng tương đương với Arduino và có thể sử dụng để thay thế qua lại. Nhiều mở rộng cho Arduino được thực thiện bằng cách thêm vào các driver đầu ra, thường sử dụng trong các trường học để đơn giản hóa các cấu trúc của các 'con rệp' và các robot nhỏ. Những board khác thường tương đương về điện nhưng có thay đổi về hình dạng-đôi khi còn duy trì độ tương thích với các shield, đôi khi không. Vài biến thể sử dụng bộ vi xử lý hoàn toàn khác biệt, với các mức độ tương thích khác nhau. 2.3.2 Môi trường lập trình board mạch Arduino Thiết kế board mạch nhỏ gọn, trang bị nhiều tính năng thông dụng mang lại nhiều lợi thế cho Arduino, tuy nhiên sức mạnh thực sự của Arduino nằm ở phần mềm. Môi trường lập trình đơn giản dễ sử dụng, ngôn ngữ lập trình Wiring dễ hiểu và dựa trên nền tảng C/C++ rất quen thuộc với người làm kỹ thuật. Và quan trọng là số lượng thư viện code được viết sẵn và chia sẻ bởi cộng đồng nguồn mở là cực kỳ lớn. Môi trường lập trình Arduino IDE có thể chạy trên ba nền tảng phổ biến nhất hiện nay là Windows, Macintosh OSX và Linux. Do có tính chất nguồn mở nên môi trường lập trình này hoàn toàn miễn phí và có thể mở rộng thêm bởi người dùng có kinh nghiệm Ngôn ngữ lập trình có thể được mở rộng thông qua các thư viện C++. Và do ngôn ngữ lập trình này dựa trên nền tảng ngôn ngữ C của AVR nên người dùng hoàn toàn có thể nhúng thêm code viết bằng AVR C vào chương trình nếu muốn. 2.3.3 Các loại Board mạch Arduino Arduino Uno.Nó có 14 chân dữ liệu số, có thế cấu hình làm chân lấy tín hiệu




Trang 24


vào hoặc xuất tín hiệu ra là tùy bạn. 6 chân tương tự đầu vào 5V, độ phân giải 1024 mức. Tốc độ 16MHz, điện áp vào từ 7~12V, chân số có thể cấp điện áp ra 5V và 1A, nếu bạn điều khiển chân số ra tiêu tốn quá 1A thì Board sẽ bị hỏng.Kích thước broad5,5x7cm. Arduino Micro Board này có thiết kế nhỏ, dành cho các không gian lắp đặt nhỏ, nhẹ. kích thước khoảng 5x2cm. Board này giống với Arduino Uno. Có 20 chân số, trong đó có 7 chân có thể phát xung PWM. 12 chân tương tự. Arduino Pro/Pro Micro Nhìn chung thiết kế giúp Arduino Uno. Có 2 loại, 3.3V và 5V. Nó không được thiết kế chân sẵn nên khi sử dụng bạn có thể hàn trực tiếp nhằm tiết kiệm không gian. Arduino Nano Board này có kích thước nhỏ nhất. gồm 14 chân số (6 chân PWM) và 8 chân tương tự. Kích thước khoảng 2x4cm. Nhỏ gọn, dễ lắp đặt ở bất kỳ đâu. Sau đây là các Board có thiết kế cao cấp hơn: Arduino Mega Có thiết kế hoạt động tương tự Arduino UNO, tuy nhiên có số lượng chân vào ra lớn với 54 chân Số (14 chân PWM), 16 chân tương tự và 4 cổng truyền nối tiếp (RS232) dễ dàng giao tiếp với các board, thiết bị khác. Kích thước 5x10cm. Arduino Leonardo Đây là board có thiết kế giống Arduino Micro, sự khác biệt lớn nhất giữa nó và các board khác là nó không có cổng USB dành cho việc lập trình. Mọi thứ được đặt trong 1 chip điều khiển, cho phép giao tiếp thông qua cổng COM ảo và cho phép nó giao tiếp với chuột và phím máy tính dễ dàng. Không giống như các Board khác, khi cổng nối tiếp mở thì nó sẽ không bị reset, để gỡ rối cho chương trình thì bạn cần giao tiếp qua lệnh Serial.prints() trong hàm Setup(). Arduino Due Đây là Board có thiết kế lớn và xấu nhất trong tất cả các Board, nó hoạt động ở điện áp 3.3V. Các chân số có mức logic ở 3,3V nên khi giao tiếp bạn cần phải nâng áp để có thể giao tiếp bình thường. Gồm 54 chân số ( 12 chân tương tự). 4 cổng nối tiếp tương tự Arduino Mega. Nó chạy bộ xử lý 32bit, 84MHz. nó xử lý nhanh hơn gấp 5 lần so với các Board arduino khác. Xử lý chương trình nhanh hơn 10 lần. Vì vậy nó đọc các chân đầu vào và đáp ứng nhanh hơn. Arduino Ethernet Như tên của nó, nó là 1 Arduino giống chức năng với UNO tuy nhiên nó được tích hợp Module Ethernet trong nó. có tích hợp thẻ SD.




Trang 25


2.3.4 Khả năng ghép nối của Arduino. 2.3.4.1 Ghép nối với các cảm biến. Tất cả những cảm biến ghép nối được với vi điều khiển thì cũng ghép nối được với Arduino. Các cảm biến phổ biến gồm: Cảm biến nước, cảm biến nhiệt đô/ độ ẩm, cảm biến hồng ngoại/ ánh sáng, cảm biến màu, cảm biến rung, cảm biến âm thanh, cảm biến siêu âm, cảm biến khí, cảm biến áp suất, cảm biến chuyển động, cảm biến khoảng cách, cảm biến dòng điện, cảm biến góc/ gia tốc, cảm biến Hall, cảm biến từ trường, cảm biến quang điện...... 2.3.4.2 Ghép nối với các module chức năng. Nếu có kiến thức và kỹ năng về thiết kế mạch điện tử người sử dụng có thể tự thiết kế các module chức năng ghép nối với Arduino. Tuy nhiên việc này đòi hỏi tốn thời gian chưa tính đến việc thiết kế bị lỗi phải thực chỉnh sửa và làm mới lại gây lãng phí. Cộng đồng phát triển Arduino thiết kế và sản xuất hàng loạt các module chuẩn để kết nối với các Board mạch Arduino. Điều này giúp cho người thiết kế phần cứng "nhàn rỗi" hơn trong việc thiết kế và làm mạch in cho các ứng dụng và người sử dụng không phải bận tâm về các sai sót trong thiết kế phần cứng. Hiện nay có các module phổ biến sau: - Module LED, LCD. - Module đo thông số điện. - Module nguồn. - Module RF. - Module Bluetooth. - Module wifi. - Module Xbee. - Module GSM/ GPRS/ 3G/ GPS. - Module Finger Printer. - Module Driver. - Module Keypad. - Module Relay. - Module Thời gian....




Trang 26


2.3.5 Sơ đồ chân board arduino uno

Hình 2.9 Sơ chân board Arduino Uno R3




Trang 27


Hình 2.10 Hình dạng thực tế board Arduino Uno R3 2.3.6. Các thông số của board arduino uno 2.3.6.1. Thông số kỹ thuật Vi điều khiển

ATmega328 họ 8bit

Điện áp hoạt động

5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Tần số hoạt động

16 MHz

Dòng tiêu thụ

khoảng 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 hardware PWM)

Số chân Analog

6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O

30 mA

Dòng ra tối đa (5V)

500 mA

Dòng ra tối đa (3.3V)

50 mA

Bộ nhớ flash

32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader

SRAM

2 KB (ATmega328)

EEPROM

1 KB (ATmega328)




Trang 28


2.3.6.2 I/O Pins Sơ đồ chân của vi điều khiển ATmega328P

Hình 2.11 Sơ đồ chân của Atmega328 · Digital: Các chân I/O digital (chân số 2 – 13 ) được sử dụng làm chân nhập, xuất tín hiệu số thông qua các hàm chính : pinMode(), digitalWrite(), digitalRead(). Điện áp hoạt động là 5V, dòng điện qua các chân này ở chế độ bình thường là 20mA, cấp dòng quá 40mA sẽ phá hỏng vi điều khiển. · Analog :Uno có 6 chân Input analog (A0 – A5), độ phân giải mỗi chân là 10 bit (0 – 1023 ). Các chân này dùng để đọc tín hiệu điện áp 0 – 5V (mặc định) tương ứng với 1024 giá trị, sử dụng hàm analogRead(). · PWM : các chân được đánh số 3, 5, 6, 9, 10, 11; có chức năng cấp xung PWM (8 bit) thông qua hàm analogWrite(). · UART: Atmega328P cho phép truyền dữ liệu thông qua hai chân 0 (RX) và chân 1 (TX).




Trang 29


2.3.6.3 Bộ nhớ Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng: 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh bạn lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ Flash của vi điều khiển. Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng cho bootloader nhưng đừng lo, bạn hiếm khi nào cần quá 20KB bộ nhớ này đâu. 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến bạn khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây. Bạn khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM. Tuy vậy, thực sự thì 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 mất. 1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi bạn có thể đọc và ghi dữ liệu của mình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM. 2.3.6.4 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 được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối). Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau: · 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (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 thường 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 · Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite(). Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác. · Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Ngoài các chức năng thông thường, 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 Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu. Nó được nối với chân số 13. Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng.




Trang 30


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, bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog. Tức là nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn 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. 2.3.6.5 Nguồn Có hai cách cấp nguồn chính cho bo mạch Uno: cổng USB và jack DC. Giới hạn điện áp cấp cho Uno là 6 – 20V. Tuy nhiên, dải điện áp khuyên dùng là 7 – 12 V (tốt nhất là 9V). Lý do là nếu nguồn cấp dưới 7V thì điện áp ở ‘chân 5V’ có thể thấp hơn 5V và mạch có thể hoạt động không ổn định; nếu nguồn cấp lớn hơn 12V có thể gấy nóng bo mạch hoặc phá hỏng. Các chân nguồn trên Uno: - Vin : chúng ta có thể cấp nguồn cho Uno thông qua chân này. Cách cấp nguồn này ít được sử dụng. - 5V : Chân này có thể cho nguồn 5V từ bo mạch Uno. Việc cấp nguồn vào chân này hay chân 3.3 V đều có thể phá hỏng bo mạch. - 3.3V : Chân này cho nguồn 3.3 V và dòng điện maximum là 50mA. - GND: chân đất. 2.3.6.6 Trương trình arduino IDE 2.3.6.6.1 Cài đặt chương trình Arduino IDE Các bạn truy cập vào trang web http://arduino.cc/en/Main/Software và tải về chương trình Arduino IDE phù hợp với hệ điều hành của máy mình bao gồm Windown, Mac OS hay Linux. Đối với Windown có bản cài đặt (.exe) và bản Zip, đối với Zip thì chỉ cần giải nén và chạy chương trình không cần cài đặt. Sau khi cài đặt xong thì giao diện chương trình như sau:




Trang 31


Hình 2.12 Arduino 2.3.6.6.2. Cài đặt Driver Sử dụng cáp USB kết nối Arduino với máy tính, lúc này bạn sẽ thấy đèn led power của bo sáng. Máy tính sẽ nhận dạng thiết bị và bạn sẽ nhận được thông báo: “Device driver software was not successfully installed”

Hình 2.13 Driver Software Installation. Bây giờ bạn click vào Start Menu chọn Control Panel kế đến chúng ta chọn System and Security, click System và sau đó chọn Device Manager. SVTH: Nguyễn Tiến Hưng



Trang 32


Hình 2.14 Device Manager. Chúng ta sẽ thấy cảnh báo màu vàng thiếu driver trên Arduino. Click chuột phải trên Arduino Uno icon sau đó chọn “Update Driver Software”

Hình 2.15 Right click và chọn ”Update Driver Software” Chọn “Browse my computer for driver software”.

Hình 2.16 Click chọn “Browse my computer for driver software” SVTH: Nguyễn Tiến Hưng



Trang 33


Chọn đường dẫn tới folder “driver” nơi mà phần mềm Arduino được lưu trữ.

Hình 2.17 Driver Click “Next” Windown tự động cài đặt driver, qua trình cài đặt driver hoàn tất. 2.3.6.6.3. Arduino IDE Arduino IDE là nơi để soạn thảo code, kiểm tra lỗi và upload code cho arduino

Hình 2.18 Arduino IDE. SVTH: Nguyễn Tiến Hưng



Trang 34


Arduino Toolbar: có một số button và chức năng của chúng như sau :

Hình 2.19 Arduino Toolbar Verify : kiểm tra code có lỗi hay không Upload: nạp code đang soạn thảo vào Arduino New, Open, Save : Tạo mới, mở và Save sketch Serial Monitor : Đây là màn hình hiển thị dữ liệu từ Arduino gửi lên máy tính Arduino IDE Menu:

Hình 2.20 IDE Menu File menu:

Hình 2.21 File menu.




Trang 35


Trong file menu chúng ta quan tâm tới mục Examples đây là nơi chứa code mẫu ví dụ như: cách sử dụng các chân digital, analog, sensor … Hình 11: Click Examples.

Hình 2.22 Click Examples. Edit menu:

Hình 2.23 Edit menu SVTH: Nguyễn Tiến Hưng



Trang 36


Sketch menu

Hình 2.24 Sketch menu Trong Sketch menu : Verify/ Compile : chức năng kiểm tra lỗi code. Show Sketch Folder : hiển thị nơi code được lưu. Add File : thêm vào một Tap code mới. Import Library : thêm thư viện cho IDE Tool memu:

Hình 2.25 Tool menu. Trong Tool menu ta quan tâm các mục Board và Serial Port Mục Board : các bạn cần phải lựa chọn bo mạch cho phù hợp với loại bo mà bạn sử dụng nếu là Arduino Uno thì phải chọn như hình:




Trang 37


Hình 2.26 Chọn Board Nếu các bạn sử dụng loại bo khác thì phải chọn đúng loại bo mà mình đang có nếu sai thì code Upload vào chip sẽ bị lỗi. Serial Port: đây là nơi lựa chọn cổng Com của Arduino. Khi chúng ta cài đặt driver thì máy tính sẽ hiện thông báo tên cổng Com của Arduino là bao nhiêu, ta chỉ việc vào Serial Port chọn đúng cổng Com để nạp code, nếu chọn sai thì không thể nạp code cho Arduino được. 2.3.6.6.1 Các nhóm hàm cơ bản Một chương trình hiển thị trên cửa sổ giao diện được gọi là sketch.Sketch được tạo từ hai hàm cơ bản là setup () và loop () : - Setup() : Hàm này được gọi khi một sketch khởi động, được sử dụng để khởi tạo biến, đặt các chế độ chân ( nhận hay xuất tín hiệu ), khởi động một thư viện … Hàm setup() chỉ chạy một lần, sau khi cấp nguồn hoặc reset mạch. - Loop(): Sau khi khởi tạo hàm setup(), hàm loop() sẽ được khởi tạo và thiết lập các giá trị ban đầu. Như tên gọi, hàm loop tạo các vòng lặp liên tục, có cho phép sự thay đổi và đáp ứng. Chức năng tương tự như vòng lặp while() trong C, hàm loop() sẽ điều khiển toàn bộ mạch.




Trang 38


Ví dụ1 : Cấu trúc cơ bản một chương trình: // Ví dụ nhấp nháy led 1s // các hàm sử dụng : setup(); loop(); pinMode(); digitalWrite(); delay(); // hàm setup() : quy định chức năng các chân sử dụng void setup() { // đặt chân số 13 là chân xuất tín hiệu. pinMode(13, OUTPUT); } // hàm loop : các câu lệnh trong hàm sẽ được chạy liên tục theo chu kỳ. void loop() { digitalWrite(13, HIGH); // bật LED bằng cách đưa tín hiệu điện áp // chân 13 lên mức cao (HIGH) delay(1000); // tạo trễ 1000 ms = 1s digitalWrite(13, LOW); // tắt LED bằng cách đưa tín hiệu điện áp chân // 13 xuống mức thấp (LOW). delay(1000);

// trễ 1s

} // kết thúc chương trình.

Hình 2.27 sơ đồ mạch ví dụ 1 SVTH: Nguyễn Tiến Hưng



Trang 39


Ví dụ 2: Bật tắt led bằng nút bấm // bật tắt led bằng nút bấm // thêm phần khai báo biến // gán tên cho các chân sử dụng : const int buttonPin = 2; // chân số 2 : buttonPin const int ledPin = 13; // chân số 13 : ledPin // khai báo các biến int buttonState = 0;

// biến đọc trạng thái của nút nhấn

void setup() { // khởi tạo chân ledPin là OUTPUT pinMode(ledPin, OUTPUT); // khởi tạo chân button là INPUT pinMode(buttonPin, INPUT); } void loop() // đọc trạng thái nút nhấn và gán giá trị cho biến buttonState buttonState = digitalRead(buttonPin); // dùng hàm if kiểm tra trạng thái nút nhấn // nếu nhấn nút : buttonState = HIGH if (buttonState == HIGH) { // bật LED digitalWrite(ledPin, HIGH); } else { // tắt LED digitalWrite(ledPin, LOW); } }




Trang 40


Hình 2.28 Sơ đồ ví dụ 2 2.3.6.6.2 Các nhóm cấu trúc lệnh cơ bản Các chương trình Arduino có thể được chia thành : nhóm cấu trúc, nhóm biến và hằng , nhóm hàm. Trên trang Arduino.cc có đầy đủ và chi tiết các hàm, lệnh, phép toán cùng cách thức sử dụng cũng như các ví dụ đi kèm. Chúng ta sẽ tìm hiểu các hàm cơ bản trước : setup() ; loop () ; pinMode() ; digitalRead(); digitalWrite(); analogWrite() ; … Một vài ví dụ: Mỗi hàm, lệnh hay thuật ngữ trong phần này đều được giải thích rất ngắn gọn, rõ ràng, dễ dàng áp dụng. - Hàm pinMode(pin, mode):thiết lập một chân cụ thể là chân nhận hay xuất tín hiệu. Trong đó: pin là chân sẽ được thiết lập; mode là một trong các chế độ INPUT. OUTPUT hoặc INPUT_PULLUP (Arduino 1.0.1) Giá trị trả về : Không có




Trang 41


Ví dụ : int ledPin = 13 ;

// Led được nối với chân số 13

void setup () { pinMode ( ledPin, OUTPUT); // thiết lập cho chân ledPin là chân //xuất tín hiệu } void loop () { … } Hàm digitalRead(pin): đọc giá trị từ một chân digital. Trong đó: pin là chân digital mà chúng ta muốn đọc Giá trị trả về : HIGH hoặc LOW Ví dụ : int ledPin = 13;

// nối Led với chân số 13

int inPin = 7; // nối nút nhấn với chân số 7 int val = 0; // biến để ‘lưu tạm ’ giá trị đọc được void setup(){ pinMode(ledPin, OUTPUT); // thiết lập chân số 13 là chân xuất ` // tín hiệu. pinMode(inPin, INPUT); // thiết lập chân số 7 là chân nhận tín // hiệu } void loop(){ val = digitalRead(inPin); // đọc giá trị từ chân inPin và gán cho // biến val digitalWrite(ledPin, val); // }




Trang 42


2.3.6.7 Giao tiếp Arduino với một số linh kiện điện tử. 2.3.6.7.1 Led sáng dần từ led 1 đến led 10 và ngược lại.

Hình 2.29. Led sáng dần từ led 1 đến led 10 và ngược lại. Code chương trình. byte ledPin[] = {4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13}; int direction = 1; int currentLED = 0; void setup() { for (int x=0; x<10; x++) { pinMode(ledPin[x], OUTPUT);} } void loop() { for (int x=0; x<10; x++) { digitalWrite(ledPin[x], LOW);




Trang 43


} digitalWrite(ledPin[currentLED], HIGH); currentLED += direction; if (currentLED == 9) {direction = -1;} if (currentLED == 0) {direction = 1;} delay(500); } Giải thích chương trình. Trong Project này chúng ta sử dụng 10 chân digital để điều khiển 10 led, để cho chương trình ngắn gọn thì ở đây tôi sử dụng mảng 1 chiều gồm 10 phần tử trong đó chứa 10 vị trí chân led mà ta sử dụng trong project byte ledPin[] = {4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13}; Tiếp tục khai báo 2 biến integer là : int direction = 1; int currentLED = 0; Trong hàm setup() tôi sử dụng một vòng lặp để định nghĩa mode cho các chân led. Tôi nghĩ là không khó để hiểu được các câu lệnh này. Tiếp theo là hàm loop(), đầu tiên tôi tắt tất cả các led bằng các câu lệnh: for (int x=0; x<10; x++) { digitalWrite(ledPin[x], LOW);} Sau đó cho sáng led đầu tiên bằng câu lệnh : digitalWrite(ledPin[currentLED], HIGH); Vì ta đã khai báo currentLED = 0 nên mãng sẽ truy xuất phần tử đầu tiên trong mãng có giá trị là 4 vì thế led ở vị trí chân digital số 4 sẽ sáng. currentLED += direction; Tăng currentLED lên 1 đơn vị ( direction =1 ). Vòng lặp tiếp theo sẽ là led ở chân digital 5 sáng và cứ như thế cho đến led ở chân số 13 sáng, thì lúc này currentLED == 9, câu lệnh “ if (currentLED == 9) {direction = -1;}” sẽ thực hiện và led sẽ sáng ngược lại từ led 10 xuống led thứ 1. Hai câu lệnh : if (currentLED == 9) {direction = -1;} if (currentLED == 0) {direction = 1;} dùng để quy định chiều sáng của led là tăng dần hay giảm dần. Nếu là Led thứ 10 sang thì tiếp theo sẽ giảm xuống led thứ 9 và ngược lại nếu led thứ 0 sang thì chu




Trang 44


kỳ tiếp theo led 1 sẽ sáng. 2.3.6.7.2 Điều khiển tốc độ động cơ bằng PWM.

Hình 2.30 Điều khiển tốc độ động cơ. Code chương trình. int potPin = 0; int transistorPin = 9; int potValue = 0; void setup() { pinMode(transistorPin, OUTPUT);} void loop() { potValue = analogRead(potPin) / 4; analogWrite(transistorPin, potValue); } Giải thích chương trình. Như trong sơ đồ mạch ta thấy biến trở được nối với chân A0, transistor được nối với chân số 9 thông qua điện trở 1k. Như vậy ta khai báo 2 biến chứa vị trí chân




Trang 45


cho biến trở và transistor. int potPin = 0; int transistorPin = 9; Biến integer potValue chứa giá trị đọc được từ chân A0. int potValue = 0 Một câu hỏi đặt ra ở đây là nếu chúng ta không kết nối transistor điều khiển động cơ vào chân số 9 mà thay vào đó là chân số 1 hoặc 2 để điều khiển tốc độ động cơ thì có được không ?. Câu trả lời là Không. Vậy tại sao Không ? Tôi sẽ trả lời câu hỏi này sau. Nhưng trước hết tôi nói về PWM. PWM (pulse width modulation) là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuổi xung dẫn đến sự thay đổi điện áp ra. Để tạo ra được PWM trên Arduino thì chúng ta sử dụng lệnh analogWrite(Pin, Value); Trong đó: Pin: là vị trí chân, đối với Arduino Uno thì chỉ có các chân 3, 5, 6, 9, 10 & 11 mới có chức năng tạo PWM. Vậy chúng ta có thể trả lời được câu hỏi bên trên, các chân digital còn lại của có thể đọc hoặc xuất 2 giá trị là 0 và 1 mà thôi. Value: Giá trị nằm trong khoảng 0 đến 255. Để hiểu rõ hơn về PWM tôi sẽ minh hoạ qua ví dụ sau. Nếu tôi sử dụng lệnh analogWrite(transistorPin, 127); thì dạng xung ở chân 9 ( transistorPin = 9) sẽ như hình dưới và giá trị trung bình ngõ ra sẽ là 2,5V (50% ).

Hình 2.31 PWM 50%.




Trang 46


Nếu Value = 64 (hay 25%) thì dạng xung như sau:

Hình 2.32 PWM 25%. Value = 229 (hay 90%) thì dạng xung sẽ là :

Hình 2.33 PWM 90%. Từ ví dụ trên ta thấy sự thay đổi độ rộng của chuổi xung dẫn đến sự thay đổi điện áp ra. Ta cũng thấy rằng điện áp trên motor cũng thay đổi tuyến tính theo sự thay đổi điện áp ngõ ra trên chân 9. Tức là nếu điện áp trung bình trên chân 9 là 2,5 volt (50% ) thì điện áp trên hai đầu motor là 6 volt ( nguồn motor là 12 volt ). Quay lại chương trình ta cần quan tâm tới một câu lệnh đó là: potValue = analogRead(potPin) / 4; Chúng ta cần phải chia giá trị đọc được cho 4 vì giá trị analog sẽ nằm trong khoảng 0 (0 volt ) đến 1023 (5 volt ), nhưng giá trị cần xuất ra ngoài chân 9 lại nằm trong khoảng 0 đến 255 đó chính là lý do tại sao có chia 4 ở đây. Và câu lệnh cuối cùng là tạo PWM trên chân 9 để điều khiển tốc đố động cơ. analogWrite(transistorPin, potValue); Nếu như đã điều kiển được tốc độ động cơ bằng PWM rồi thì việc điều khiển độ sáng của Led hay đèn đối với các bạn bay giờ là chuyện quá đơn giản. Các bạn chỉ cần nối chân số 9 với một Led có điện trở hạn dòng là 220 ohm và code chương trình hoàn toàn giống như điều khiển động cơ. Lưu ý là khi mô phỏng các bạn sẽ không thấy được led thay đổi độ sáng mà chỉ thấy nhấp nháy nguyên nhân là do phần mềm proteus không đáp ứng kịp sự thay đổi của các xung PWM. Nhưng khi làm thực tế các bạn sẽ thấy được sự thay đổi độ sáng của Led rõ rệt.




Trang 47


2.4 TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM BLYNK 2.4.1 Giới thiệu phần mềm blynk Blynk thực ra là app trên điện thoại, cho phép người dùng có thể tạo ra giao diện và điều khiển thiết bị theo ý thích của cá nhân. Mình lựa chọn Blynk vì một số lý do sau: Dễ sử dụng: Quá đơn giản, chỉ việc vào store, cài đặt, sau đó đăng ký tài khoản và mất không quá 5 phút để làm quen. Đẹp và đầy đủ: Giao diện của Blynk quá tuyệt vời, sử dụng bằng cách kéo thả, bạn cần nút bấm, kéo thả nút bấm, bạn cần đồ thị, kéo thả đồ thị, bạn cần LCD, kéo thả LCD, tóm lại là bạn cần gì thì kéo thả cái đó. Không phải lập trình android hay ios: Nếu như không có kiên thức về làm app trên điện thoại thì việc điều khiển thiết bị từ chính smartphone của mình quả là điều vô cùng khó khăn và phức tạp. Nhờ blynk thì chúng ta có thể bỏ qua bước lập trình tạo app. Có thể thử nhanh chóng và ứng dụng được dự án của mình vào thực tế. Thử nghiệm nhanh chóng, có thể điều khiển giám sát ở bất kỳ nơi nào có internet. Tất nhiên ngoài những điểm lợi từ blynk thì còn có những cái hạn chế như phải mua energy để tạo được nhiều giao diện và chia sẻ giao diện cho người khác. Phần mềm Blynk là một phần mềm được thiết kế cho Android, iOS cho chúng ta khả năng tự tạo ứng dụng kết nối với các board Arduino, Raspberry và các bo mạch khác để điểu khiển chúng. Blynk giúp bạn điều khiển thiết bị từ xa qua internet, thu thập dữ liệu của cảm biến, ảo hóa việc giao tiếp và thực hiện nhiều việc khác Nguyên lý làm việc là khi nhấn nút điều khiển, lệnh sẽ được truyền về server của Blynk, sau đó Blynk gửi lệnh về module điều khiển, module sau khi chạy lệnh sẽ gửi lại kết quả theo quy trình ngược lại nghĩa là từ thiết bị gửi về server rồi từ server gửi về điện thoại của bạn. Sử dụng Blynk bạn không cần phải biết viết app cho Android, chỉ với thao tác rê và thả các đối tượng trong giao diện và vài thiết lập là xong. Trước khi biết Blynk, để điều khiển được thiết bị qua Internet, tôi phải làm rất nhiều việc như mở port modem trong nhà, đăng ký dịch vụ tên miền như DynDNS, No-IP để tự cập nhật địa chỉ IP modem, viết code cho phần cứng, viết ứng dụng cho phần cứng biến phần cứng đó thành một webserver để điều khiển từ trình duyệt web, viết app android hay iOS, tất cả những điều trên rất dễ làm nản lòng nếu một




Trang 48


trong các giai đoạn đó chưa được thực hiện rốt ráo. Bây giờ với Blynk, bạn cần các module phần cứng được hỗ trợ và app này vậy là xong.Có thể điều khiển thiết bị dựa trên Internet qua mạng LAN, mạng Internet bất kỳ chổ nào và thậm chí 3G, rồi cả 4G nữa. Tất cả đều không còn là vấn đề, vấn đề còn lại là bạn làm ra thiết bị để sử dụng vào việc gì. Blynk hiện hỗ trợ tốt cho 2 hệ phần cứng là Arduino và Raspberry. Các bạn lần đầu tiên nghiên cứu về Internet Of Things (IOT) hay điều khiển từ Internet nên bắt đầu với phần cứng Arduino vì giá cả phù hợp

Hình 2.34 Giao diện điều khiển blynk 2.4.2 Thao tác đối với phần mềm blynk Tải app cho điện thoại của bạn từ web chính của phần mềm là http://www.blynk.cc/ Hoặc vào chợ ứng dụng trên điện thoại cài app Blynk vào. Sau khi cài xong, chúng ta tải về thư viện cho Arduino từ địa chỉ SVTH: Nguyễn Tiến Hưng



Trang 49


http://www.blynk.cc/getting-started/ Vào đây chọn “DOWNLOAD BLYNK LIBRARY” . Sau khi tải xong, bạn mở phần mềm viết code cho Arduino để bổ sung gói thư viện vừa tải về. Vào menu Sketch > Import Library > Add Library, chọn thư viện đã nén dạng zip vừa tải về để bổ sung thư viện và các ví dụ. Mở app Blynk trên điện thoại, đăng ký tài khoản và bắt đầu sử dụng. Mỗi tài khoản miễn phí được 2000 điểm để tạo ứng dụng. Khi sử dụng hết, có thể mua thêm. Mỗi dự án tạo ra, app sẽ cho một mã Auth Token, cần gửi email về email của mình khi đăng ký tài khoản bằng chức năng gửi mail trong app để lấy mã Auth Token. Dùng mã này để nạp vào chương trình trên Arduino. Bây giờ tới phần viết code. Ví dụ viết 1 đoạn code điều khiển tắt mở relay. Relay thường được kích hoạt ở mức thấp (LOW), nếu sử dụng Button trong Blynk điều khiển trực tiếp nó điều khiển theo hướng từ thấp lên cao và không thể thay đổi cách điều khiển này. Giải pháp là bạn sử dụng chân ảo (Virtual Pin) để gửi dữ liệu về module và xử lý nó. Ví dụ #define BLYNK_PRINT Serial #include #include #include char auth[] = "auth_token_code"; void setup() { Serial.begin(9600); Blynk.begin(auth); pinMode(22, OUTPUT); digitalWrite(22,HIGH); } BLYNK_WRITE(22) { if (param.asInt()) { digitalWrite(22,LOW); } else {




Trang 50


digitalWrite(22,HIGH); } } void loop() { Blynk.run(); }




Trang 51


CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ LẮP RÁP MÔ HÌNH NGÔI NHÀ THÔNG MINH 3.1 SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG QUÁT CỦA HỆ THỐNG

Hình 3.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống




Trang 52


3.2 KHỐI GIAO TIẾP MẠNG WIFI

Hình 3.2 hình ảnh thực tế esp8266 v12

Hình 3.3 Sơ đồ nối chân esp8266




Trang 53


Có chức năng gửi/nhận thông tin, nhận/thực hiện gửi các thông tin lên sever Module ESP8622 : Module wifi ESP8266 v12 cung cấp khả năng kết nối mạng wifi đầy đủ và khép kín, có thể sử dụng nó để tạo một web server đơn giản hoặc sử dụng như một access point. Giao tiếp với esp8266 Phần cứng: Sử dụng modul esp8266 v12 làm khối xử lý chính trong đề tài, với các chức năng đã được giới thiệu ở chương trước, modul esp8266 v12 hoàn toàn có thể đáp ứng được các yêu cầu của đề tài đặt ra. Sử dụng chân D2,D3 làm ngõ ra role đóng cắt thiết bị. Sử dụng chân D4 làm ngõ nhận tín hiệu từ cảm biến độ ẩm nhiệt đọ DHT22 Sử dụng chân D6 để truyền tín hiệu với arduino Sử dụng chân D5 nhận tín hiệu với arduino 3.3 KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM Có chức năng thực hiện xử lý khi có tín hiệu qua các cảm biến, khối xử lý chính thực hiện gửi khi có tín hiệu yêu cầu module esp8622, thực hiện điều khiển các thiết bị trong nhà.

Hình 3.4 sơ đồ nối chân arduino Chức năng: Khối có chức năng nhận các tín hiệu từ các cảm biến, xử lý tín hiệu nhận được, gửi dữ liệu đến LCD để hiển thị, giao tiếp với module esp8622 để thực hiện gửi/nhận thông tin và điều khiển các thiết bị thông qua việc điều khiển đóng mở các relay của khối output. SVTH: Nguyễn Tiến Hưng



Trang 54


Phần cứng: Sử dụng arduino nano làm khối xử lý chính trong đề tài, với các chức năng đã được giới thiệu ở chương trước, arduino nano hoàn toàn có thể đáp ứng được các yêu cầu của đề tài đặt ra. Sử dụng các chân D6,D7,D12 cấu hình là các chân output để đưa tín hiệu điều khiển đóng/ngắt các relay. Sử dụng chân D9 cấu hình là chân input để nhận tín hiệu từ cảm biến hồng ngoại Sử dụng 2 chân D10 và D11 làm 2 chân giao tiếp UART với module sim900. Sử dụng 2 chân A4 và A5 làm 2 chân giao tiếp I2C để giao tiếp với khối hiển thị LCD. Sử dụng chân A1 xuất tín hiệu đến động cơ serve Phần mềm: Sử dụng các lệnh cơ bản

để cấu hình input hay output cho các chân:

pinMode(pin,mode) : pin : thứ tự chân arduino mode: INPUT (cấu hình chân là nhận tín hiệu vào), OUTPUT (cấu hình chân là gửi tín hiệu ra)Có chức năng thực hiện xử lý khi có tín hiệu qua các cảm biến, khối xử lý chính thực hiện gửi khi có tín hiệu yêu cầu module esp8622, thực hiện điều khiển các thiết bị trong nhà. 3.4 KHỐI CẢM BIẾN 3.4.1 Giới thiệu về cảm biến hồng ngoại Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận và biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng có thể đo và xử lý được.

Hình 3.5 Cảm biến hồng ngoại Nguyên lý của cảm biến này như sau : mắt phát hồng ngoại sẽ phát ra sóng ánh sáng có bước sóng hồng ngoại , ở mắt thu bình thường thì có nội trở rất lớn




Trang 55


(khoảng vài trăm kilo ôm ) , khi mắt thu bị tia hồng ngoại chiếu vào thì nội trở của nó giảm xuống ( khoảng vài chục ôm). Lợi dụng nguyên lý này người ta chế tạo ra các cảm biến IR. Hình sau biểu diễn nguyên lý hoạt động của cảm biến phát hiện vật cản IR: Các đại lượng đo (M) thường không có tính chất điện như (nhiệt độ, áp suất, trọng lượng…) tác động lên cảm biến cho ta đại lượng đặc trưng (S) mang tính chất điện như (điện tích, điện áp, dòng điện hay trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đó. Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (M) S = F(M) Người ta gọi (S) là đại lượng đầu ra hoặc phản ứng của cảm biến. (M) là đại lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc đại lượng cần đo). Thông qua đo đạc (S) cho phép nhận biết giá trị (M). Ø Một số loại cảm biến - Theo nguyên lý của cảm biến + Cảm biến điện trợ + Cảm biến điện từ + Cảm biến điện tĩnh + Cảm biến hóa điện + Cảm biến nhiệt điện... - Theo tính chất của nguồn điện + Cảm biến phát điện + Cảm biến thông số... - Cảm biến phép đo + Cảm biến biến đổi trục tiếp + Cảm biến bù.. - Ưu điểm: + Không tiếp xúc với vật thể cần phát hiện. + Có thể phát hiện vật từ khoảng cách xa. + Không bị hao mòn, có tuổi thọ cao. + Có thời gian đáp ứng nhanh, có thể phát hiện vật thể, vật chất. Module thu phát hồng ngoại: - Sử dụng 1 led phát hồng ngoại.




Trang 56


- 1 led thu hồng ngoại. - IC chính LM358 SMD. - Led nguồn báo sáng. - Biến trở điều chỉnh độ chỉnh VR vuông 10K. - Chân AO - DO- GND - VCC. - Điện áp hoạt động : 3.3 đến 5VDC. - VCC= 3-5VDC. - GND = 0V. - D0 = tín hiệu ra 1, 0. Dùng 1 con oppam như lm358p chẳng hạn để tạo các mức logic 0 và 1 bằng cách so sánh 2 giá trị điện áp của cầu chia điện trở (ở đây ta dùng biến trở ) và điện áp trên anot của mắt nhận hồng ngoại Nếu khi có tia hồng ngoại chiếu vào mắt nhận thì nội trở mắt nhận giảm nên điện áp trên cực anot của mắt nhận sẽ tăng lên , khi điện áp này lớn hơn điện áp của cầu phân áp bằng điện trở thì mức điện áp ra sẽ là VCC ( mức logic 1) ngược lại là mức logic 0

Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý khối thu phát hồng ngoại 3.4.2 Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT22

Hình 3.7 Cảm biến DHT22 SVTH: Nguyễn Tiến Hưng



Trang 57


Các thông số phần cứng: Điện áp hoạt động: 3.3-5v. Chuẩn giao tiếp: 1wire. Dải đo độ ẩm: 0-99.9%. Dải đo nhiệt độ: -40-80 độ C. Sai số độ ẩm: +-2%. Sai số nhiệt độ: +-0.5 độ C. Chức năng: đo nhiệt độ, độ ẩm rồi gửi dữ liệu về khối xử lý trung tâm. Phần mềm: Các lệnh sử dụng khai báo và đọc dữ liệu từ DHT22: #include // khai báo thư viện DHT h=dht.readHumidity(); // đọc dữ liệu độ ẩm từ DHT22 t=dht.readTemperature(); // đọc dữ liệu nhiệt độ từ DHT22 3.5 KHỐI CƠ CẤU CHẤP HÀNH 3.5.1 Rơ le

Hình 3.8 Module relay thực tế




Trang 58


- Module Relay 4 kênh 5V có điện áp hoạt động ở mức 5V DC, chịu được tải đầu ra 30V/10A đối với điện áp DC và 250V/10A với điện áp AC Module relay 4 kênh được thiết kế nhỏ gọn và đẹp mắt , khả năng chống nhiễu tốt và khả năng cách điện tốt nhờ trong mạch sử dụng IC cách ly quang và transistor giúp cách ly hoàn toàn mạch vi điều khiển với rơ le bảo đảm vi điều khiển hoạt động ổn định. Có sẵn header rất tiện dụng khi kết nối với các thiết bị đầu ra và vi điều khiển. Có các lỗ bắt vít rất tiện lợi dễ lắp đặt trong hệ thống mạch. – Trạng thái hoạt động: + 0 ( 0V): Bật Relay + 1 ( 5V): Ngắt Relay Thông sô module relay 2 kênh 5V: Ø Kích thước: 76mm ( chiều dài )* 56mm ( chiều rông )* 18,5mm (chiều cao) Ø Trọng lượng: 61g Ø Màu sắc: xanh Ø Bốn lổ để bắt vít cố định có đường kính 3,1mm, dể dàng lắp đặt trong hệ thống mạch Ø Có đèn báo đóng ngắt trên relay Ø Sử dụng điện áp nuôi DC 5v Ø Đầu ra điện thế đóng ngắt tối đa DC 30V/10A, AC 250V/10A Thông số điện: Ø Điện áp cấp 5V DC Ø Dòng điện hoạt động lớn hơn 100mA Ø Tải max 250V/10A ( AC ) hoặc ( DC ) 30V/10A Ø Nối dây Vcc nguồn cung cấp 5V Ø GND: 0V 3.5.2 Động cơ servo Động cơ servo là cơ cấu cơ khí làm việc chính trong hệ thống truyền động và từ động dùng để đóng mở cổng ra vào.




Trang 59


Hình 3.9. Động cơ servo ngoài thực tế

Hình 3.10. Cấu tạo động cơ Servo Thông số kỹ thuật của động cơ Servo SG90-9G: Khối lượng: 9g Kích thước: 22.2x11.8.32mm Momen xoắn: 1.8kg/cm Tốc độ họạy động: 60 độ trong 0.1 giây Điện áp hoạt động: 4.8V (~5V) Nhiệt độ hoạt động: 0 ºC – 55 ºC Điều khiển: Kết nối dây màu đỏ với 5V, dây màu nâu với mass, dây màu cam




Trang 60


với chân phát xung của Arduino. Ở chân xung cấp một xung từ 1ms-2ms theo để điều khiển góc quay theo ý muốn.

Hình 3.11 Cấu tạo chân vào ra động cơ servo 3.5.3 Còi báo động Có chức năng báo động cho chủ nhà biết khi có trộm xâm nhập. Điện áp định mức :12v Dòng định mức :320/600/1000/1200MA Công xuất ra 15/20W

Hình 3.12 Đèn còi báo động




Trang 61


3.5.4 Động cơ một chiều

Hình 3.13 Động cơ một chiều Vì vậy loại động cơ công 1 chiều có công suất nhỏ, điện áp 5 VDC. Động cơ điện 1 chiều là động cơ hoạt động với dòng điện 1 chiều. Động cơ có chức năng đảo chiều. Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều. Stato (phần cảm): của động cơ điện một chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện. Rotor (phần ứng): có các cuộn dây quấn quanh lỏi sắt và được nối với nguồn điện một chiều. Bộ phận chỉnh lưu: nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục. Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp. (Cổ góp : gồm các phiến góp bằng đồng được ghép cách điện, có dạng hình trụ gắn ở đầu trục rotor, Chổi than: làm bằng than graphit. Các chổi tỳ chặt lên cổ góp nhờ lò xo và giá chổi điện gắn trên nắp máy)

Hình 3.14 Cấu tạo động cơ một chiều SVTH: Nguyễn Tiến Hưng



Trang 62


Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều Pha 1: Từ trường của rotor cùng cực với stator, sẽ đẩy nhau tạo ra chuyển động quay của rotor. Pha 2: Rotor tiếp tục quay. Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ trường giữa stator và rotor cùng dấu trở lại pha 1.

Hình 3.14 Nguyên lý hoạt động của động cơ DC Cơ chế sinh lực quay của động cơ điện một chiều: Khi có một dòng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt non, cạnh phía bên cực dương sẽ bị tác động bởi một lực hướng lên, trong khi cạnh đối diện lại bị tác động bằng một lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái. Các lực này gây tác động quay lên cuộn dây, và làm cho rotor quay. Để làm cho rotor quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổ góp điện sẽ làm chuyển mạch dòng điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ. Chỉ có vấn đề là khi mặt của cuộn dây song song với các đường sức từ trường. Nghĩa là lực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn dây lệch 900 so với phương ban đầu của nó, khi đó rotor sẽ quay theo quán tính. Trong các máy điện một chiều lớn, người ta có nhiều cuộn dây nối ra nhiều phiến góp khác nhau trên cổ góp. Nhờ vậy dòng điện và lực quay được liên tục và hầu như không bị thay đổi theo các vị trí khác nhau của rotor. 3.6. KHỐI HIỂN THỊ LCD 3.6.1Chức năng Hiển thị các thông số nhiệt độ, độ ẩm đọc được từ cảm biến, hiển thị các thông tin setup, send sms hoặc hỗ trợ debug khi viết chương trình điều khiển.




Trang 63


Hình 3.16 Khối hiển thị LCD 3.6.2 Thiết kế: Phần cứng: Chọn loại LCD kiểu 2x16 để sử dụng trong đề tài và sử dụng thêm module chuyển đổi LCD I2C để tiết kiệm chân cho arduino và thuận tiện cho việc điều khiển LCD. Chân

Ký hiệu

Mô tả

1

Vss

Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với GND của mạch điều khiển

2

VDD

Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với VCC=5V của mạch điều khiển

3

VEE

Điều chỉnh độ tương phản của LCD.



Đồ án tốt nghiệp 4

RS

Trang 64


Chân chọn thanh ghi (Register select). Nối chân RS với logic “0” (GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi. + Logic “0”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ “đọc” - read) + Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD.

5

R/W

Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write). Nối chân R/W với logic “0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD ở chế độ đọc.

6

E

Chân cho phép (Enable). Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân E. + Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào(chấp nhận) thanh ghi bên trong nó khi phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệu chân E. + Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp.

714

DB0 DB7

Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU. Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này : + Chế độ 8 bit : Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7. + Chế độ 4 bit : Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7

15

-

Nguồn dương cho đèn nền

16

-

GND cho đèn nền

*Module chuyển đổi LCD I2C: GND, VCC: 2 chân cấp nguồn 5Vdc SDA (Serial Data): chân truyền/nhận dữ liệu SCL (Serial Clock): chân xung nhịp SVTH: Nguyễn Tiến Hưng



Trang 65


Phần mềm: Các lệnh khai báo và điều khiển khối LCD: #include

// khai báo thư viện LCD I2C

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2); // set the LCD address to 0x20 for a 16 chars and 2 line display lcd.init(); // thiết lập LCD lcd.backlight(); // bật đèn nền lcd.setCursor(x,y); //đặt con trỏ tại vị trí cột x, dòng y lcd.print("Hello, world!"); // xuất chuỗi ra màn hình lcd.clear(); //xóa màn hình 3.7 KHỐI NGUỒN Chức năng: Cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống điều khiển bao gồm: khối xử lý trung tâm, khối cảm biến, khối hiển thị LCD, khối GSM sim 900, khối relay output. Thiết kế: Phần cứng : Thiết kế khối nguồn cung cấp cho hệ thống như hình 4.9.

Hình 3.17 Sơ đồ mạch nguyên lý khối nguồn Để cấp nguồn cho khối xử lý trung tâm, khối hiển thị LCD, khối cảm biến ta cần cung cấp nguồn có điện áp 5V DC. Ta chọn IC 7805 là IC chuyên dụng để tạo điện áp 5V cho mạch, với thông số dòng ra max 1.5A ta hoàn toàn có thể đủ dùng




Trang 66


để cung cấp cho các khối vừa nêu. Đối với module sim 900, đòi hỏi yêu cầu khắt khe về nguồn cấp phải ổn định, điện áp cấp nằm trong khoảng từ 3.2 V đến 4.5 V và dòng cấp phải ít nhất từ 2A trở lên. Nên yêu cầu phải thiết kế một nguồn nuôi riêng để cung cấp cho module sim 900. Ta sử dụng IC có thể thay đổi điện áp đầu ra IC 2596 để tạo điện áp đầu ra ổn định và có thể điều chỉnh phù hợp với module sim 900. Với dòng ra max của IC 2596 là 3A nên ta có thể hoàn toàn yên tâm sử dụng mà không sợ lỗi reset của module sim 900 khi thiếu dòng cung cấp.




Trang 67


CHƯƠNG 4. LẬP TRÌNH TRƯỜNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 4.1 TRƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ARDUINO 4.1.1 lưu đồ thuật toán ardiuno




Trang 68


4.1.2 Chi tiết trương trình điều khiển arduino #include //////thu vien cho dong co servo #include //thu vien cho giao tiep serial #include #include LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 2, 1, 0, 4, 5, 6, 7, 3, POSITIVE); SoftwareSerial mySerial(10, 11); // RX, TX khai bao chan giao tiep serial voi esp Servo myservo; const int coi=12,M_cong=A1,S_cong=9,bt_reset=8,DH=7, den_san=6; boolean alarm=0,auto1=0; int pos = 0,temp=0,reset=0; String chuoi=""; void setup() { myservo.attach(M_cong); Serial.begin(9600); mySerial.begin(4800); lcd.begin(16,2); for(int i = 0; i< 3; i++) { lcd.backlight(); delay(250); lcd.noBacklight(); delay(250); } lcd.backlight(); lcd.clear(); lcd.setCursor(0,0); lcd.print(" DO AN "); lcd.setCursor (1,1); lcd.print("NHA THONG MINH"); lcd.backlight(); delay(100); pinMode(S_cong,INPUT);




Trang 69


pinMode(coi,OUTPUT); pinMode(DH,OUTPUT); pinMode(bt_reset,INPUT_PULLUP); pinMode(den_san,OUTPUT); pinMode(DH,OUTPUT); pos=90; myservo.write(pos); // dong cong delay(15); digitalWrite(den_san, HIGH); //tat den san digitalWrite(coi, HIGH); //tat coi } void loop() { //-------------------------------------if (mySerial.available()>0) { char kt=char (mySerial.read()); Serial.println(kt); if(kt=='A') {alarm=1;Serial.println("alarm=1");} else if (kt=='B') {alarm=0;Serial.println("alarm=0");} else if (kt=='C') {reset=1;Serial.println("reset=1");} else if (kt=='D') {auto1=1;Serial.println("auto=1");} else if (kt=='E') {auto1=0;Serial.println("auto=0");} else if (kt=='F') { if (auto1==1) {digitalWrite(DH,HIGH);Serial.println("Bat may phun suong"); }// Bat may phun suong} else {digitalWrite(DH,LOW);Serial.println("Tat may phun suong");} // Tat may phu } else if(kt=='G') // nhiet do duoi 30 { digitalWrite(DH,LOW);Serial.println("Tat may phun suong");}




Trang 70


} //----------------------------------------if (digitalRead(S_cong)==0) // co nguoi vao cong { if (alarm==1) digitalWrite(coi,LOW); //bat coi else { digitalWrite(coi,HIGH); //tat coi pos=0; myservo.write(pos); // mo cong digitalWrite(den_san, LOW); delay(4000); digitalWrite(den_san, HIGH); } } else { pos=90; myservo.write(pos); delay(15); } //-------------------------------------------if (digitalRead(bt_reset)==0) {while(digitalRead(bt_reset)==0);reset=1;} //neu nhan nut reset if (reset==1) { digitalWrite(coi,HIGH); //Reset coi delay(10); reset=0; } //---------------------------------------




Trang 71


4.2 TRƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ESP8266 4.2.1 Lưu đồ thuật toán esp8266




Trang 72


4.2.2 Chi tiết trương trình điều khiển esp8266 #define BLYNK_PRINT Serial // Comment this out to disable prints and save space #include

// thu vien khai bao module wifi esp8266

#include // thu vien giao tiep voi phan mem blynk #include // thu vien dinh thoi #include // thu vien cho giao tiep serial SoftwareSerial swSer(14, 12, false, 256); // cai dat chan giao tiep serial voi arduino #include //thu vien cam bien DHT22 #define DHTPIN 2 //pin gpio 2 in sensor D4 #define DHTTYPE DHT22 // khai bao loai cam bien DHT 22 DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE); char auth[] = "8837fdd266f540a59a36bfd15e6926c4"; //ma xac thuc cua blynk server char ssid[] = "XINCAIGI"; //ten wifi ket noi char pass[] = "LAMGICOPASS"; //pass wifi ket noi WidgetTerminal terminal(V2); // virtuapl pin doi tuong terminal phan mem blynk : do loi, tra nhiet do do am SimpleTimer timer; // khai bao thu vien thoi gian lay mau nhiet do float t,h;

void do_nhiet_do() { h = dht.readHumidity(); t = dht.readTemperature(); if (isnan(h) || isnan(t) ) { Serial.println("Loi cam bien DHT22!"); return; } Blynk.virtualWrite(10, t); // gui gia tri nhiet do len virtuapl pin 10 cua blynk Blynk.virtualWrite(11, h); // gui gia tri do am len virtuapl pin 11 cua blynk if(t>40)




Trang 73


{ swSer.write("F"); // Gui chuoi "F" cho arduino } else if(t<40) { swSer.write("G"); // Gui chuoi "B" cho arduino } } //----------------------------------BLYNK_WRITE(V1) { int pinValue = param.asInt(); // lay gia tri tu virtual pin V1 Serial.print("V1 value is: "); Serial.println(pinValue); if (pinValue==1) swSer.write("A"); // Gui chuoi "A" cho arduino if (pinValue==0) swSer.write("B"); // Gui chuoi "B" cho arduino } //---------------------------------------BLYNK_WRITE(V2) { if (String("temp") == param.asStr()) { if (isnan(h) || isnan(t) ) { terminal.println("Loi cam bien"); terminal.flush(); } else { terminal.print("Nhiet do: "); terminal.println(t);




Trang 74


terminal.print("Do am: "); terminal.println(h); terminal.flush(); } } else { terminal.println("Lenh khong dung"); terminal.flush(); } } //----------------------------------BLYNK_WRITE(V3) { int pinValue = param.asInt(); // lay gia tri tu virtual pin V1 Serial.print("V3 value is: "); Serial.println(pinValue); if (pinValue==1) swSer.write("C"); // Gui chuoi "C" cho arduino } //---------------------------------------BLYNK_WRITE(V4) { int pinValue = param.asInt(); // lay gia tri tu virtual pin V4 Serial.print("V4 value is: "); Serial.println(pinValue); if (pinValue==1) swSer.write("D"); // Gui chuoi "D" cho arduino else if(pinValue==0) swSer.write("E"); // Gui chuoi "E" cho arduino }




Trang 75


//---------------------------------------void setup() { Serial.begin(9600); swSer.begin(4800); dht.begin(); Blynk.begin(auth, ssid, pass); //khoi dong thu vien blynk voi auth code, ssid, pass wifi ket noi timer.setInterval(1000L, do_nhiet_do);// goi ham do nhiet do sau moi giay } //---------------------------------------void loop() { Blynk.run(); timer.run(); }




Trang 76


CHƯƠNG 5. KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1. KIỂM TRA HỆ THỐNG Xữ lý các trường hợp thực tế: + Nhiều khi mạng wifi không ổn định làm cho sự đáp ứng của thiết bị không phản hồi nhanh. + Cảm biến hồng ngoại bị nhiễu với môi trường có hồng ngoại nhiều. + Khả năng cảm biến nhiệt độ và độ ẩm bị nhiễu bởi môi trường bên ngoài nên đưa ra giá trị hk sát với thực tế. 5.2. KẾT QUẢ

Hình 5.1. Mô hình phần cứng v Phần thiết kế mô hình. Nhóm hoàn thành mô hình gồm có 1 động cơ để điều khiển hệ thống làm mát, cảm biến nhiệt độ và đô ẩm DHT 22 và cảm biến hồng ngoại xác chuyển động của vật để phát hiện có người trong khu vực quang sát, 1 động cơ secvo để điều khiển đóng mở cổng,màn hình LCD 16x2 để hiển thị,và hệ thống đèn chiếu sáng v Phần kiến thức:




Trang 77


+ Tìm hiểu về bộ điều khiển lập trình IDE + Vai trò arduino và esp8266 trong hệ thống tự động hóa + Tìm hiểu quy trình công nghệ một số phương phát điều khiển tự động và giám sát các thiết bị từ xa. + Vai trò của cảm biến trong lĩnh vức điều khiển tự động hóa 5.3 KẾT LUẬN Sau một thời gian dài tìm hiểu và nghiên cứu, xây dựng ý tưởng và bắt tay và việc thi công. Nhóm chúng em đã hoàn thành đề tài “ Thiết kế hệ thống giám sát ngôi nhà thông minh”. Chúng em đạt được kết quả sau: - Đề tài đã tìm hiểu cơ sở lý thuyết về arduino và esp 8266, hoạt động cảm biến nhiệt độ và đọ ẩm trong quá trình thu thập thông tin - Tìm hiểu quy trình công nghệ tự động hóa trong điều khiển và điều khiển từ xa. - Đã xây dựng thành công hệ thống giám sát các hoạt động trong khuôn viên ngôi nhà thông minh. Qua quá trình nghiên cứu và xây dựng đề tài giúp chúng em hiểu được nhiều thiết bị ứng dụng trong các hệ thống giám sát điều khiển tự động, thấy được xu thế phát triển của ngành tự động hóa. Thấy được vai trò và úng dụng của arduini và esp 8266 trong đời sống xã hội. Giúp con người làm việc một cách hiệu quả, đạt được kết quả tốt trong công việc. Cuộc sống chúng ta hướng tới những điều tốt đẹp hơn. Qua đề tài, giúp chúng em biết được cấu trúc cách lập trình và vai trò của Arduino và esp 8266 trong hệ thống tự động hóa. Giúp em củng cố lại kiến thức đã học => Áp dụng vào thực tế. Mặt hạn chế - Hệ thống cần có những thiết bị khách và lạp trình theo nhu cầu riêng trong thực tế. - Kết cấu cơ khí ở các thiết bị mô phỏng chưa được đẹp mắt. - Hệ thống bị nhiễu nhiều với môi trường bên ngoài khi hoạt động. Hướng phát triển Trong tương lai, hệ thống có thể giám sát và điều khiển đcược nhiều thiết bị với nhiều tiêu chí khác nhau trong nhiều trường hợp. Mong rằng đề tài này sẽ được các bạn sinh viên khóa sau tiếp tục thực hiện và khắc phục những hạn chế của đề tài này, cải thiện những mặt chưa được và phát huy mặt được một cách tốt hôn để có thể tạo ra một hệ thống có chất lượng. SVTH: Nguyễn Tiến Hưng



Trang 78


TÀI LIỆU THAM KHẢO http://arduino.vn/bai-viet/273-arduino-nano-nho-tien-loi-mang-tren-minh-tinhhoa-cua-arduino-uno https://www.arduino.cc/en/main/software http://luanvan.net.vn/luan-van/dien-tu-vien-thong/# http://automation.net.vn/The-gioi-cam-bien/blog.html http://www.electroschematics.com/11276/esp8266-datasheet/



Ngoi Nha Thong Minh (1)

Recommend Documents