Chương 1: Tổng quan. Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Chương 3: Tính toán và thiết kế. Chương 4: Thi công hệ thống.
Chương 5: Lập trình hệ thống. Chương 6: Kết quả, nhận xét, đánh giá. Chương 7: Kết luận và hướng phát triển. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH 2 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Ở chương này sẽ tìm hiểu về những khái niệm cơ bản và tổng quát về giao thức kết nối, cảm biến, bộ xử lý trung tâm,… được sử dụng trong “Hệ thống nhà thông minh”.1 GIAO THỨC MQTT: Khái quát về giao thức MQTT: MQTT2 là một giao thức gợi dạng publish/subscribe sử dụng cho các thiết bị IOT với băng thông thấp, hoặc độ tin cậy thấp.
Do sử dụng băng thông thấp trong môi trường có độ trễ cao nên thích hợp cho các ứng dụng M2M. Kiến trúc mức cao của MQTT gồm 2 thành phần chính là Broker và Clients. Trong đó, broker được coi như trung tâm, nó là điểm giao của tất cả các kết nối từ client. Nhiệm vụ chính của broker là nhận message từ publisher, xếp các message theo hàng đợi rồi chuyển chúng tới một địa chỉ cụ thể.
Nhiệm vụ phụ của broker là đảm nhận một vài tính năng như bảo mật message, lưu trữ message, logs, … Client thì được chia thành 2 nhóm là publisher và subscriber, Clinet là các software components hoạt động tại edge device nên chúng được thiết kế để có thể hoạt động một cách linh hoạt. Client chỉ làm ít nhất một trong 2 việc là publish các message lên một topic cụ thể hoặc subscribe một topic nào đó để nhận message từ topic này. Client publish MQTT Client Broker Client HÌNH 2- 1 Mô hình MQTT. MQTT tương tích với hầu hết các nền tảng hiện có như MAC OS, Windows, Linux, Androids, iOS, … 2 MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) là giao thức được phát triển bởi IBM và Eurotech BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH 3 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Ưu điểm của giao thức MQTT: Giao thức MQTT cho phép hệ thống của bạn truy cập vào dữ liệu IOT và mang lại nhiều lợi ích mạnh mẽ cho quy trình của bạn như: - Chuyển thông tin hiệu quả hơn.
- Tăng khả năng mở rộng. - Giảm thiểu đáng kể tiêu thụ băng thông mạng. - Giảm tốc độ cập nhật xuống giây. - Phù hợp cho điều khiển và giám sát.
- Tối ưu hóa băng thông có sẵn. - Chi phú rẻ. - An toàn và bảo mật dựa trên sự cho phép. - Tiết kiệm thời gian phát triển.
Publish và subscribe trong giao thức MQTT: Trong một hệ thống sử dụng giao thức MQTT, nhiều node trạm (gọi là mqtt client - gọi tắt là client) kết nối tới một MQTT server (gọi là broker). Mỗi client sẽ đăng ký một vài kênh (topic), ví dụ như "/client1/channel1", "/client1/channel2". Quá trình đăng ký này gọi là "subscribe", giống như chúng ta đăng ký nhận tin trên một kênh Youtube vậy. Mỗi client sẽ nhận được dữ liệu khi bất kỳ trạm nào khác gởi dữ liệu và kênh đã đăng ký.
Khi một client gởi dữ liệu tới kênh đó, gọi là "publish". BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH 4 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.2 GIỚI THIỆU IC NGUỒN LD1117 VÀ MIC29302: IC LD1117: IC LD1117 là IC ổn định điện áp nguồn với các mức điện áp ngõ ra 1. Độ chính xác của IC khá cao 1% được đo ở 25°C. HÌNH 2- 2 Sơ đồ bên trong IC LD1117.
Sơ đồ chân IC LD1117 với các chuẩn SOT-223 hay SO-8 hay TO-220 sẽ có các sơ đồ chân như hình bên dưới: HÌNH 2- 3 Sơ đồ chân IC LD1117. Với IC LD1117 ta cần chú ý các thông số như sau: - Nguồn đầu vào 15V. - Công suất tiêu tán 12W. - Nhiệt độ hoạt động -40°C - 150°C.
- Dòng cực đại : 960mA BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH 5 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Ứng dụng: HÌNH 2- 4 Ứng dụng LM1117. Với các sắp xếp linh kiện có vị trí xa nguồn cung cấp ta cần mắc thêm 2 tụ tantalum 10uF như hình 2. HÌNH 2- 5 Ứng dụng LM1117. Dưới đây là ứng dụng khác của LM1117, khi điện áp đầu vào > 9V.
Với cách mắc trên diode zener với điện áp 2.5V sẽ làm tăng điện áp ngõ ra thay vì 5V nay là 7.5V tùy thuộc vào mức điện áp sử dụng. Vậy là với IC LM1117 ta vừa có thể ổn định điện áp vào 5V vừa có thể ổn định điện áp ngõ ra mong muốn bằng việc lựa chọn diode zener thích hợp. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH 6 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH 7 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT LM2696: Mạch giảm áp DC nhỏ gọn có khả năng giảm áp từ 30V xuống 1.5V mà vẫn đạt hiệu suất cao (92%). Thích hợp cho các ứng dụng chia nguồn, hạ áp, cấp cho các thiết bị như camera, motor, robot,.
HÌNH 2- 6 LM2596 Thông số kỹ thuật - Module nguồn không sử dụng cách ly. - Nguồn đầu vào từ 4V - 35V. - Nguồn đầu ra: 1V - 30V. - Dòng ra Max: 3A.
- Kích thước mạch: 53mm x 26mm. - Đầu vào: INPUT +, INPUT-. - Đầu ra: OUTPUT+, OUTPUT- BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH 8 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.3 CÁC LOẠI CẢM BIẾN THÔNG DỤNG: Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11: Cảm biến DHT11 là cảm biến số có chức năng đo nhiệt độ và độ ẩm môi trường với độ chính xác khá cao. Cảm biến bao gồm một điện trở đo độ ẩm và một nhiệt điện trở loại NTC3.
Với cấu tạo từ nhiệt điện trở kiển cảm biến DHT11 có giá thành rẻ, bền và dễ chế tạo. Khuyết điểm lớn nhất của cảm biến là dãy tuyến tính hẹp. HÌNH 2- 7 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11. Thông số kỹ thuật: - Nhiệt độ đo được trong khoảng 0 - 50 C với sai số 2 C.
o o - Độ ẩm đo được từ 20 - 90% với sai số 5 C. o - Điện áp hoạt động 3V - 5. - Độ phân giải 8 bit. - Thời gian đáp ứng đo độ ẩm 10s (6s - 15s).
- Thời gian đáp ứng đo nhiệt đọ 6s - 30s. 3 NTC: Negative temperature coefficient: nghịch nhiệt điện trở, trở kháng của điện trở giảm khi nhiệt độ tăng. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH 9 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PIR sensor: Cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR4 cho phép cảm nhận chuyển động, ứng dụng trong việc phát hiện di chuyển. Cảm biến nhỏ gọn, rẻ tiền, công suất thấp, dễ dàng sử dụng.
Passive InfraRed có là ứng dụng của Pyroelectricity là 2 từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là lửa và điện. Nó có thể tạo ra điện áp tạm thời khi chúng được làm nóng hoặc làm mát. Chính sự thay đổi nhiệt độ làm thay đổi vị trí của các nguyên tử trong cấu trúc tinh thể dẫn đến sự phân cực trong vật liệu. Sự thay đổi phân cực này làm tăng điện áp trên tinh thể.
Ứng dụng từ những thay đổi rất nhỏ về nhiệt độ có thể tạo ra nhiệt, điện. Cảm biến thân nhiệt chuyển động thường được thiết kế xung quanh các vật liệu nhiệt điện, vì nhiệt của con người hoặc tác động từ vật cách đó vài mét là đủ để tạo ra điện áp. HÌNH 2- 8 Cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR. PIRs về cơ bản được làm bằng cảm biến nhiệt điện được thể hiện trên hình 2.1 với chức năng phát hiện mức độ bức xạ hồng ngoại.
Với những vật đều phát ra bức xạ mức thấp vật càng nóng sẽ phát ra càng nhiều bức xạ. Tia hồng ngoại (IR) chính là tua nhiệt phát ra từ các vật thể nóng. Cảm biến được gọi là thụ động vì nó không dùng nguồn nhiệt tự phát mà chỉ phụ thuộc vào nguồn nhiệt từ các thực thể khác như con người, con vật,… 4 PIR: Passive InfraRed theo wikipedia BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH 10 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình vẽ phía dưới cho thấy cách dùng đầu dò PIR để phát hiện người hay vật di chuyển ngang qua. HÌNH 2- 9 Nguyên lý PIR sensor HÌNH 2- 10 Tín hiệu phát hiện vật chuyển động của PIRs.
Các thông số kỹ thuật: - Điện áp hoạt động: DC 4. - Dòng hiện tại < 50uA. - Cấp đầu ra: cao 3. - Thời gian trễ: điều chỉnh được (5 giây đến 200 giây).
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH 11 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Trigger: L không thể lặp lại, H có thể được lặp lại, giá trị mặc định là H. - Dải cảm biến: < 120 độ, 7 mét. - Nhiệt độ hoạt động: -15 ~ 70 độ. - Kích thước PCB: 32 mm x 24 mm, khoảng cách vít khoảng cách 28 mm, đường kính ốc ít 2 mm, kích thước ống kính cảm biến: (đường kính): 23 mm.
Cảm biến hồng ngoại: Cảm biến vật cản có rất nhiều loại. Chúng ta hay quen sử dụng cảm biến siêu âm để phát hiện vật cản, điểm yếu của loại cảm biến này là rất dễ bị nhiễu bởi môi trường. Để khắc phục nhược điểm đó cảm biến hồng ngoại là một lựa chọn. HÌNH 2- 11 Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK.
Tính năng: - Sử dụng làm cảm biến khoảng cách. - Làm mạch chống trộm hồng ngoại. - Làm robot dò đường. - Mạch đếm sản phẩm.
- Thông số kỹ thuật - Điện áp: 5V DC. - Dòng điện tiêu thụ: 25mA < I < 100mA. - Khoảng cách đo: 3 – 80 cm (tùy thuộc bề mặt của vật đo). - Nhiệt độ hoạt động: -25°C – 55°C.
- Chiều dài dây dẫn: 1m. - Đường kính: 17mm. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH 12 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Chiều dài: 45mm. - Loại ngõ ra: NPN tích cực mức cao.
Kết nối: - Dây màu nâu (đỏ): 5V DC. - Dây xanh dương (xanh lá): GDN. - Dây màu đen (vàng): tín hiệu số. Cảm biến từ NC: HÌNH 2- 12 Cảm biến từ NC.
Cảm biến từ được sử dụng với mục đích phát hiện cửa đang mở hay đóng. Thông số kỹ thuật: - Khoảng cách chuyển mạch: 16 mm. - Dòng tải: 300 mA. - Số lần hoạt động: 1 triệu lần.
- Loại mạch: NC (thường đóng). BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH 13 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT HÌNH 2- 13 Ảnh minh họa thường NC/NO. HÌNH 2- 14 Kết nối một hay nhiều sensor. Với một sensor ta có thể cần 2 dây tín hiệu analog để nhận biết.
Với nhiều sensor hơn việc lắp ráp trở nên đơn giản bằng việc nối tiếp các sensor với nhau nhưng vẫn sử dụng 2 dây tín hiệu.