Đang tải... (xem toàn văn)
Xây dựng mô hình thí nghiệm nhà thông minh ứng dụng trong môn học thực hành vi điều khiển nâng caoXây dựng mô hình thí nghiệm nhà thông minh ứng dụng trong môn học thực hành vi điều khiển nâng caoXây dựng mô hình thí nghiệm nhà thông minh ứng dụng trong môn học thực hành vi điều khiển nâng caoXây dựng mô hình thí nghiệm nhà thông minh ứng dụng trong môn học thực hành vi điều khiển nâng caoXây dựng mô hình thí nghiệm nhà thông minh ứng dụng trong môn học thực hành vi điều khiển nâng cao
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc -o0o - Tên giải pháp XÂY DỰNG MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM NHÀ THÔNG MINH ỨNG DỤNG TRONG MÔN HỌC THỰC HÀNH VI ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO TÓM TẮT Đề tài “Xây dựng mơ hình thí nghiệm nhà thơng minh ứng dụng môn học thực hành vi điều khiển nâng cao” nghiên cứu nhằm mục đích hỗ trợ mơn học “Vi điều khiển nâng cao” giúp sinh viên tự học, nghiên cứu điều khiển thiết bị cảm biến, module điều khiển mơ hình thí nghiệm để biến mơ hình nhà kit thí nghiệm thành mơ hình nhà thơng minh thực tế, sinh viên ứng dụng mang thiết bị vào đời sống mình, xã hội… từ học mơ hình kit thí nghiệm Trọng tâm đề tài thiết kế mơ hình kit thí nghiệm gồm phần khung mơ hình nhà, board kit thí nghiệm Mơ hình điều khiển thiết bị tự động từ cảm biến PIR, Gas, Mưa, Nhiệt độ, Độ ẩm… module SIM900, Ethernet, RFID Các module thí nghiệm điều khiển độc lập từ cho phòng giao tiếp với qua chuẩn giao tiếp UART với board chủ Mơ hình kit thí nghiệm thiết kế bắt mắt với nhiều module, cảm biến đa dạng gần giống với thiết bị công nghệ thật nhà thông minh thực tế thực hành sinh viên kit thí nghiệm lúc MỤC LỤC ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, giới Việt Nam có phát triển khơng ngừng mặt khoa học kĩ thuật, điện - điện tử công nghệ thơng tin, đem lại nhiều tiện lợi giúp cho đời sống người ngày đại tiên tiến hơn, sống hoàn thiện : tiện ích, tiện nghi an tồn chủ nhà vắng nhà mong ước nhiều hộ gia đình Hiện nay, thiết bị cơng nghệ thông minh vào đời sống người, sinh hoạt ngày Do đó, người dần làm quen đến thiết bị thông minh Tại Việt Nam, có nhiều cơng ty cho đời dự án nhà thông minh, giá thành cao so với khoản thu nhập họ hàng tháng nên ngày thiết bị thông minh trở nên xa lạ với gia đình có thu nhập thấp Q trình học mơn lập trình vi điều khiển dựa phần mềm mô phỏng, kit thí nghiệm đơn giản hạn chế, khơng trực quan sinh động khiến sinh viên khơng hình dung môi trường thực tế học tập Ở trường, học vi điều khiển nâng cao bổ sung thêm kiến thức chuyên sâu cho sinh viên học dựa lý thuyết sinh viên khơng hiểu nhanh qn mà trường chưa có mơ hình thí nghiệm vi điều khiển nâng cao dẫn đến sinh viên dễ qn khơng nắm hết kiến thức Mơ hình nhà thông minh trang nhiều loại thiết bị điện tử, loại module cảm biến thông qua nhiều chuẩn giao tiếp khác nhau, việc thực điều khiển mơ hình nhà thơng minh ơn lại cho sinh viên tảng kiên thức phát triển thêm kiến thức nâng cao, qua sinh viên hiểu rõ quy trình điều khiển nhà thông minh Chương TỔNG QUAN 1.1.Mục đích đề tài 1) Xây dựng mơ hình nhà thơng minh với hệ thống tự động hóa hệ thống thơng minh như: hệ thống điều khiển thiết bị, hệ thống mở cửa thẻ từ, hệ thống cảnh báo trộm giá thành phù hợp với kinh tế Việt Nam 2) Thiết kế mơ hình thí nghiệm cho mơn thực hành vi điều khiển nâng cao, đa dạng thiết bị điện, cảm biến, module thực tế thị trường để sinh viên có hội tiếp cận học tập 1.2.Giới thiệu tổng quan kit thí nghiệm nhà thơng minh Cuối năm 1990, nhà thông minh xem thứ xa xỉ nhà giàu Tuy nhiên, với đời phổ biến công nghệ vi điện tử chi phí ngày giảm chúng, chi phí thiết bị điện tử thông minh giảm đáng kể cho phép cơng nghệ điều khiển thơng minh ứng dụng rộng rãi Nhà thông minh (Smart Home) nhà trang bị hệ thống thông minh tự động điều khiển đèn chiếu sáng, nhiệt độ, an ninh, tuyển thông đa phương tiện, rèm cửa số tính khác nhằm làm cho sống người ngày đại hơn, tiện nghi hơn, an toàn góp phần tiết kiệm nhiều nguồn tài nguyên Để gọi nhà thông minh ( Smart Home ) nhà phải xây dựng kết hợp với nhiều cơng nghệ tiện ích đại, giúp ích cho dời sống cải thiện nâng cao chất lượng Nhà thông minh chia nhiều cấp mức độ khác tùy vào cơng nghệ sử dụng, giá thành, tập đoàn cung cấp… Nhu cầu gia đình tài khác để sở hữu hộ thơng minh ước mơ nhiều gia đình chưa có mức thu nhập thấp Để sở hữu cơng nghệ gia đình lựa chọn mục đích riêng cho gia đình là: điều khiển thiết bị nhà cách an toàn tiện ích, cao cấp điều khiển qua điện thoại, thiết bị không dây Bluetooth, mạng internet ( IoT )… Hay ngơi nhà cần trang bị nhiều thiết bị công nghệ khác liên quan đến an toàn an ninh là: cảnh báo vào đóng cửa, cảnh báo cháy, cảnh báo mưa, hiển thị nhiệt độ cảnh báo trộm cướp để đối phó điều khiển thiết bị tương ứng xử lý Hình 1.2.1.1.1.1.1: Nhà thơng minh Vài năm trở lại đây, giới dần tiến vào kỷ nguyên Internet of Things (IoT), kết nối vật qua Internet, nhà thông minh trở thành xu hướng công nghệ tất yếu, tiêu chuẩn nhà đại Tại triển lãm lớn giới công nghệ điện tử tiêu dùng diễn đầu tháng 1/2015 Las Vegas (Mỹ), nhà thông minh chủ đề “nóng” 1.3.Những giải pháp khoa học thực nước 1.3.1 Mơ hình nhà thơng minh Đại học Hertfordshire “Số lượng người già ngày tăng theo năm nhiều thống kê cho thấy tỷ lệ người già sống độc thân tăng dần”, Discovery dẫn lời ông Johann Siau, giảng viên môn hệ thống liên lạc kỹ thuật số Đại học Hertfordshire Anh Discovery cho biết, Siau đồng nghiệp thực dự án nhà thông minh mang tên InterHome Mục tiêu ban đầu dự án cho phép chủ nhân điều khiển thiết bị nhà máy tính điện thoại di động Ngồi cịn giúp chủ nhà giảm lượng điện tiêu thụ hàng ngày Nhóm Siau xem xét việc bổ sung nhiều dịch vụ khác vào hệ thống nhà thông minh, chức gửi thông điệp cảnh báo người mắc bệnh trí nhớ lạc đường khơng nhà Hình 1.3.1.1.1.1.1: Một mơ hình nhà thơng minh Đại học Hertfordshire Ưu điểm: nhà thơng minh nhận biết người nhà bị ốm thông báo cho người thân qua thiết bị di dộng, internet để người thân biết theo dõi từ xa 1.3.2 Mơ hình nhà thơng minh Đại học Bách Khoa TP.HCM Đề tài thiết kế sinh viên Đại học Bách Khoa TP.HCM, Đạt giải thi “thiết kế hệ thống với chip vi điều khiển (MCU) lần thứ hai Texas Intruments (TI)- công ty điện tử bán dẫn cơng nghệ xử lý tín hiệu số tổ chức Ý tưởng đề tài xuất phát từ thực tiễn thấy xã hội ngày tiến bộ, cơng nghệ ngày tiên tiến đời sống người phải cải thiện Mà nhà nơi gắn bó với người nhất, chia sẻ nhiều điều với người Hơn nữa, đề tài rộng phải làm nhiều muốn thử sức đề tài khó Hình 1.3.2.1.1.1.1: Mơ hình nhà thơng minh sinh viên Đại học Bách Khoa Ưu điểm: điều khiển thiết bị đèn, cửa nhà qua thiết bị tự động, mã khóa mật Chương XÂY DỰNG MƠ HÌNH KIT THÍ NGHIỆM THỰC TẾ 2.1.Nghiên cứu thiết kế mơ hình Qua tìm hiểu ngơi nhà thực tế, kết hợp với yêu cầu thực tế giảng dạy khoa Cơ điện – Điện tử trường đại học Lạc Hồng, nhóm xây dựng thiết kế lại mơ hình nhà cho riêng để làm đề tài Mơ hình thiết kế phịng gồm phịng khách, phòng ngủ phòng bếp Trong phòng trang bị nhiều loại cảm biến board điều khiển để sinh viên có đầy đủ thiết bị thực hành mơ hình nhà thơng minh Mơ hình nhà thiết kế phần mềm SolidWorks sử dụng gỗ gia công máy phay CNC để dựng lên khung mơ hình Mơ hình nhà có kích thước: 100 x 80 x 40 cm Hình 2.1.1.1.1.1.1: Mơ hình nhà thơng minh phần mềm SOLIDWORK 2.2.Thi cơng mơ hình thực tế Hình 2.2.1.1.1.1.1: Khung mơ hình nhà thơng minh hồn thiện Qua việc thiết kế nhóm tiến hành thi cơng gia cơng mơ hình kit thành cơng hồn thành sản phẩm: • • • • • • Thông tin mô hình: Chất liệu gia cơng tường nhà: ván gỗ bột 4mm Chất liệu gia công sàn nhà: ván gỗ thông 10mm Chất liệu gia công hộp chân nhà: gỗ xoan đào 15mm Kích thước mơ hình: 1000 x 800 x 20mm Độ bền: bền Mơ hình lắp thiết bị điều khiển ngõ ra: đèn LED, hình LCD, động sevor, quạt mini Chương MODULE ĐIỀU KHIỂN VÀ NGUYÊN LÝ KẾT NỐI 3.1 Giới thiệu board mạch, module cảm biến 3.1.1 Arduino Mega 2560 Arduino mega 2560 Mơ hình thí nghiệm nhà thơng minh sử dụng chíp ATmega 2560 tích hợp Board Arduino mega 2560 Tuy sử dụng phần cứng tảng board Arduino mega 2560 lập trình dựa trên phần mềm CodevisionAVR • • • • • • • • • • • Thông số kĩ thuật: Vi điều khiển: ATmega 2560 Điện áp hoạt động: 5V Nguồn ngoài: 7-9V 54 chân Digital (15 chân PWM) 16 chân analog UART SPI I2C chân ngắt Bộ nhớ Flash: 256KB, 8KB sử dụng cho Bootloader SRAM:8 KB 10 4.2.3 Lưu đồ điều khiển cảm biến PIR Lưu đồ điều khiển cảm biến PIR 34 PIR gì? PIR chữ viết tắt Passive InfraRed sensor (PIR sensor), tức cảm biến thụ động dùng nguồn kích thích tia hồng ngoại Tia hồng ngoại (IR) tia nhiệt phát từ vật thể nóng Trong thể sống, ln có thân nhiệt (thông thường 37 độ C), từ thể phát tia nhiệt, hay gọi tia hồng ngoại, người ta dùng tế bào điện để chuyển đổi tia nhiệt dạng tín hiệu điện nhờ mà làm cảm biến phát vật thể nóng chuyển động Cảm biến gọi thụ động khơng dùng nguồn nhiệt tự phát (làm nguồn tích cực, hay chủ động) mà phụ thuộc vào nguồn thân nhiệt, thân nhiệt thực thể khác, người vật Hình 4.2.3.1.1.1.1: Phát chuyển động thân nhiệt cảm biến PIR 35 Lý thuyết chung tia nhiệt: Hình 4.2.3.1.1.1.2: Tia nhiệt Mọi vật thể cấu tạo từ phân tử nhỏ li ti, nhiệt dạng lượng tạo từ dao động phân tử (Bạn xem hình), chuyển động hỗn loạn, không trật tự Từ dao động này, phát tia nhiệt, cảm giác thông thường giác quan, người nói sức nóng Ở người nguồn thân nhiệt thường điều ổn mức 37 độ C, nguồn nhiệt mà có dùng linh kiện cảm ứng thân nhiệt, có thiết bị phát người, ý tưởng mà người ta chế thiết bị motion detector, điều khiển theo nguồn thân nhiệt chuyển động Thiết bị tiêu thụ gồm tia nhiệt rọi bề mặt cảm ứng PIR: Chúng ta biết tia nhiệt phát từ thân thể người yếu phân tán, để tăng độ nhậy phải dùng kính có mặt kính lồi tạo chức tiêu tụ, quen gọi kinh Focus, hình động cho thấy mặt sóng tia sáng qua mặt kính lồi cho gơm lại điểm nhỏ, điểm gọi tiêu điểm 36 Hình 4.2.3.1.1.1.3: Mơ kính hội tụ Khuyết điểm loại kính hội tụ dùng mặt lồi thơng thường mặt kính mở rộng, điểm tiêu tụ khơng nằm chỗ, người ta cho hiệu chỉnh sai lệch mặt kính Fresnel (Bạn xem hình, mặt cong xa trục quang chỉnh lại) Bạn thấy xa trục quang học, độ cong mặt kính hiệu chỉnh lại, với cách làm này, hội tụ nhiều tia sáng tốt hơn, diện tích rộng lớn tăng độ nhậy cao có góc dị rộng 37 4.2.4 Lưu đồ điều khiển cảm biến gas 38 Hình 4.2.4.1.1.1.1: Lưu đồ điều khiển cảm biến gas Cảm biến Gas cấu tạo từ chất bán dẫn SnO2, chúng sử dụng thiết bị phát rị rỉ khí gia đình công nghiệp, phù hợp cho việc phát loại khí : • • LPG: hỗn hợp hydrocarbon nhẹ, thể khí LPG dân dụng cơng nghiệp chủ yếu có thành phần gồm • • • • • • Propane (C3H8) Butane (C4H10) Iso Butan ( C4H10 ) Propan : C3H8 Mêtan : CH4 Rượu : ROH Hydrogen Khói Aout: điện áp tương tự chạy từ 0.3V- 4.5V, phụ thuộc vào nồng độ khí xung quang MQ-02 Dout: điện áp số, giá trị 0.1V – 4.5v phụ thuộc vào điện áp tham chiếu nồng độ khí mà MQ2 đo 39 4.2.5 Lưu đồ điều khiển DHT11 Hình 4.2.5.1.1.1.1: Lưu đồ điều khiển DHT11 40 DHT11 cảm biến nhiệt độ độ ẩm Nó đời sau sử dụng thay cho dịng SHT1x nơi khơng cần độ xác cao nhiệt độ độ ẩm Hình 4.2.5.1.1.1.2: Khối cảnh báo nhiệt DHT11 giao tiếp chuẩn dây, cảm biến gửi byte liệu nhiệt độ đo Nếu Byte = (8 bit) (Byte1 +Byte2 +Byte3 + Byte4) giá trị độ ẩm nhiệt độ xác, sai kết đo khơng có nghĩa 41 4.2.6 Lưu đồ điều khiển cảm biến mưa Hình 4.2.6.1.1.1.1: Lưu đồ điều khiển cảm biến mưa 42 Cảm biến mưa: Cảm Biến Nước Mưa sử dụng để phát trời mưa, hay mơi trường có nước Mạch cảm biến mưa đặt ngồi trời để kiểm tra trời có mưa khơng, có mưa, nước có chứa hạt electron dẫn điện nối cực âm với cực dương cho nguồn điện qua hay nhiều hàm lượng nước phủ đọng bề mặt cảm biến tạo điện áp thay đổi từ 0V-5V • • Aout: thay đổi cấp điện áp từ 0V-5V Dout: lên xuống 0V 5V ( mức – mức ) 43 Chương KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1.Kết Sau tháng nhận đề tài, nhóm đạt kết sau: • • Thiết kế xây dựng thành cơng mơ hình nhà thơng minh Xây dựng tài liệu hướng dẫn với nhiều ví dụ liên quan đến thiết bị mơ hình 5.2.Tính tính sáng tạo • Đây mơ hình nhà thơng minh ứng dụng việc • giảng dạy mơn vi điều khiển nâng cao trường đại học Lạc Hồng Giúp cho việc học sinh viên nâng cao trình độ kiến thức mình, • có nhìn trực quan thích thú với việc học Sinh viên thực hành, điều khiển mơ hình nhà với thiết • bị mơ gần với thực tế Nâng cao chất lượng giảng dạy giáo viên cho sinh viên thực hành mơ hình thực 5.3.Khả áp dụng • Phục vụ cho việc giảng dạy trường học, giúp giáo viên sinh • viên thực hành trực quan, dễ tiếp cận Phục vụ áp dụng thiết bị mơ hình vào nơi ở: nhà, phịng trọ, • trường học Nhờ mơ hình nhà thông minh thiết kế tương tự hộ thực tế • dễ dàng ứng dụng vào nơi sống Đây hướng nghiên cứu ứng dụng internet điện thoại thông minh để điều khiển thiết bị nhà, giúp đời tiện nghi Tài Liệu Tham Khảo [1] SIM900 AT Command Manual [2] http://smart-techvn.com/5929-huong-dan-su-dung-module-sim900.html 44 [3].http://smart-techvn.com/9216-huong-dan-lap-trinh-module-sim900a-vaarduino.html [4].http://arduino.vn/bai-viet/833-lap-trinh-va-su-dung-modul-doc-rfid-rc522 [5] https://github.com/miguelbalboa/rfid [6] Đề tài tốt nghiệp: Thiết kế thi công hệ thống điều khiển thiết bị từ xa điện thoại di động dùng SMS - Phan Hiếu Nhân Hà Thị Thu Hòa - 2011 TIỂU SỬ TÁC GIẢ Ks Phạm Hồng Sơn Năm sinh 1994, Nhơn Trạch, Đồng Nai Hiện công tác Khoa Cơ Điện – Điện Tử, Trường Đại Học Lạc Hồng chức vụ Chuyên viên Ks Vũ Ngọc Tồn Năm sinh 1994, Biên Hịa, Đồng Nai Hiện làm nhân viên kỹ thuật cơng ty TNHH POU CHEN VIỆT NAM ThS Đỗ Bình Nguyên Năm sinh 1984, TP HCM Hiện công tác Khoa Cơ Điện – Điện Tử, Trường Đại Học Lạc Hồng chức vụ Giảng Viên 45 ... Đề tài ? ?Xây dựng mơ hình thí nghiệm nhà thông minh ứng dụng môn học thực hành vi điều khiển nâng cao? ?? nghiên cứu nhằm mục đích hỗ trợ mơn học ? ?Vi điều khiển nâng cao? ?? giúp sinh vi? ?n tự học, nghiên... mơn vi điều khiển nâng cao trường đại học Lạc Hồng Giúp cho vi? ??c học sinh vi? ?n nâng cao trình độ kiến thức mình, • có nhìn trực quan thích thú với vi? ??c học Sinh vi? ?n thực hành, điều khiển mơ hình. .. tự học, nghiên cứu điều khiển thiết bị cảm biến, module điều khiển mơ hình thí nghiệm để biến mơ hình nhà kit thí nghiệm thành mơ hình nhà thơng minh thực tế, sinh vi? ?n ứng dụng mang thiết bị