Chương 1: Giới thiệu đề tài Hình 1.10: Hệ sinh thái IoT 1.2 Trong nước 1 số thương hiệu cạnh tranh với các thương hiệu lớn nước ngoài ở thị trường trong nước phải kể đến BKAV, Lumi,. Nhà thông minh BKAV là sản phẩm của tập đoàn công nghệ BKAV, thuộc đại học Bách Khoa Hà Nội. Ngay khi ra mắt, Smart Home BKAV tập trung vào phân khúc cao cấp trên thị trường, cạnh tranh trực tiếp với các sản phẩm Smart Home đến từ nước ngoài với chi phí tương đương. Điều này cũng là th1ch thức không nhỏ với BKAV.
Khác với BKAV, nhà thông minh Lumi tập trung mạnh vào phân khúc nhà thông minh trung và cao cấp trên thị trường Việt Nam. Ra mắt công tắc cảm ứng và giải pháp nhà thông minh ra thị trường đầu năm 2012, sau 4 năm xây dựng và phát triển, Lumi đã vươn lên trở thành nhà cung cấp sản phẩm công tắc điện cảm ứng, thiết bị thông minh và giải pháp nhà thông minh có thị phần lớn nhất trong phân khúc trung và cao cấp Việt Nam. Những thiết bị của Lumi đã dần xuất hiện trong những công trình, những dự án lớn của Việt Nam như Times City, Royal City… Ngoài ra, còn có những sản phẩm đến từ Trung Quốc nhưng chất lượng vẫn chưa được đánh gái cao trên thị trường như Kawa, Broadlink. 10 Chương 1: Giới thiệu đề tài 1.
Mô hình đề xuất Database SIM800A DS3231 Internet MASTER STM32F407VGT6 LCD App 20x4 Smartphone RS-485 ESP8266 SLAVE DEVICE 1 SLAVE SENSOR PIC16F628A PIC16F628A SLAVE BUTTON PIC16F628A SLAVE COMPTEUR PIC16F887 ADE7753 Hình 1.11: Mô hình đề xuất 11 Chương 1: Giới thiệu đề tài Bảng 1.1 Bảng thông số lý thuyết thiết kế hệ thống Chức năng Thông số Ghi chú Có thể mở rộng Số thiết bị tối đa trong hệ 99 thiết bị thêm bằng cách mở thống rộng frame truyền Chiều dài dây từ Master Lên tới 1200m đến Slave cuối cùng Chuẩn truyền RS-485 Kết nối wifi với hệ thống Wifi 2.4GHz Giải thích: Master kết nối với các Slave qua mạng truyền thông RS-485. Bên cạnh đó trên Master có gắn các module DS3231 dùng đồng bộ thời gian thực trong hệ thống, module LCD để hiển thị cho người xem các thông số của hệ thống, module ESP8266 kết nối hệ thống với internet bằng wifi giúp người dùng điều khiển thiết bị qua Webserver, module Sim800A giúp người dùng điều khiển thiết bị qua điện thoại khi ở những vùng không có internet. Các Slave kết nối vào mạng RS485 gồm Slave Device 1 để bật tắt Relay on/off thiết bị thông thường, Slave Device 2 ngoài chức năng bật tắt Relay còn có chức năng thu thập các thông os61 điện năng của thiết bị và gửi lên Database. Slave Button có chức năng điều khiển các Slave Device từ xa.
Slave Sensor ngoài chức năng thu thập dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm của hệ thống còn có chức năng cảnh báo người dùng khi phát hiện khí gas dễ gây cháy nổ. Webserver kết nối với Master thông qua wifi giúp điều khiển và giám sát hệ thống qua mạng internet. App Smarthome trên điện thoại thông minh giúp kết nối với webserver đồng thời còn có thêm AI giúp người dùng điều khiển các thiết bị qua giọng nói. 12 Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 2.
Chọn chuẩn truyền phù hợp 2. Giới thiệu Hiện nay có rất nhiều chuẩn truyền thông ra đời để đáp ứng cho những mục đích khác nhau. Những chuyển truyền thông thường thấy bao gốm không dây và có dây I2C, ISP, RS232, RS485, CAN, Bluetooth, Wifi, Zigbee… Năm 1983, Hiệp hội công nghiệp điện tử (EIA) đã phê duyệt một tiêu chuẩn truyền cân bằng mới gọi là RS-485 đã được chấp nhận rộng rãi trong công nghiệp, y tế, dân dụng. Chuẩn RS-485 là một phát triển của RS-232 trong việc truyền dữ liệu nối tiếp.
Liên kết RS485 được hình thành cho việc thu nhận dữ liệu ở khoảng cách xa và điều khiển cho những ứng dụng. Những đặc điểm nổi trội của RS485 là tốc độ baud có thể lên tới 115200 cho một khoảng cách là 4000 feet (1200m). Nguyên nhân mà RS485 có thể tăng tốc độ và khoảng cách truyền thông là do RS485 sử dụng phương pháp truyền 2 dây vi sai cân bằng (vì 2 dây có đặc tính giống nhau, tín hiệu truyền đi là hiệu số điện áp giữa 2 dây do đó loại trừ được nhiễu chung). Mặt khác do chuẩn truyền thông RS232 không cho phép có hơn 2 thiết bị truyền nhận tin trên đường dây.
Đặc tính kỹ thuật 2. Thông số cơ bản Như đã nêu trên, RS485 là chuẩn truyền sử dụng đường truyền vi sai, mức tín hiệu ở các ngõ ra được xác định dựa trên sai biệt điện áp giữa 2 dây tín hiệu, nếu VAB>200mV sẽ cho ra mức logic 1, VAB<200mV sẽ cho ra mức logic 0, khi độ chênh điện áp ở dây A và B nằm giữa mức này được xem là vùng bất định. Điện thế của mỗi dây tín hiệu so với mass bên phía thu phải nằm trong giới hạn -7V đến 12V. Nhờ đặc tính này cùng với việc sử dụng cáp tín hiệu loại dây xoắn giúp loại bỏ được nhiễu chung nên chuẩn RS485 có khả năng kháng nhiễu mạnh.
13 Chương 2: Cơ sở lý thuyết Hình 2.1: Dạng tín hiệu trên 2 đường truyền RS 485 Hình trên cho thấy sự đối nhau ở 2 đường truyền, khi đường này mức 1 thì đường kia mức 0 và ngược lại, điều này nhằm đảm bảo cho sự chênh lệch điện áp giữa 2 dây để xác định chính xác mức logic ở ngõ ra. Điểm mạnh khác của RS485 là tốc độ truyền khá cao, hiện nay có thể đạt đến hơn 10Mbit/s và khoảng cách truyền có thể lên tới 1200m (4000feet). Đương nhiên 2 giới hạn này không thể đạt được cùng lúc. Theo đồ thị trên, ta thấy được mối tương quan giữa 2 đại lượng này, tốc độ 10Mbit/s chỉ có thể dùng với cự ly không quá 3m (10feet).
Ngược lại, với khoảng cách 1200m tốc độ tối đa có thể lên tới là khoảng 100kbit/s. Về cơ bản RS485 chỉ có thể truyền bán song công do sử dụng cùng lúc cả 2 đường tín hiệu. Phân cực đường truyền Trong mạng đa trạm ngang quyền, khi không có trạm nào phát, đường truyền phải được nằm trong một trạng thái idle xác định và các ngõ vào mỗi trạm đều ở trạng thái tổng trở cao. Đối với RS485, khi ở trạng thái idle, ngõ ra phải được đặt ở mức cao để chờ Startbit (mức thấp) báo hiệu có dữ liệu được phát.
Điều này được đảm bảo bằng việc phân cực fail-safe trên đường truyền. Mục đích việc phân cực này nhầm giữ cho điện áp trên dây 14 Chương 2: Cơ sở lý thuyết A luôn lớn hơn dây ít nhất 200mV khi không có trạm nào phát, do đó giữ được mức tín hiệu ở ngõ ra ở mức cao.2: Phân cục fail-safe trên đường truyền đa trạm 2. Điện trở đầu cuối Điện trở đầu cuối là điện trở nối giữa 2 dây tín hiệu được đặt tại đầu ngoài cùng của đường truyền phía thu, có tác dụng phối hợp với trở kháng đặc tính Z0 của cáp tín hiệu (do nhà sản xuất cung cấp) nhằm loại bỏ sóng phản xạ trên đường truyền dài. Do chuẩn RS485 sử dụng chung cặp dây tín hiệu cho việc thu và phát nên cần đặt điện trở đầu cuối ở cả 2 phía của đường truyền.
Giá trị của điện trở đầu cuối lý tưởng bằng giá trị trở kháng đặc tính cáp tín hiệu, thông thường vào khoảng 100Ω -120Ω.3: Dạng sóng ngõ ra trên dây A tương ứng với 2 giá trị điện trở đầu cuối 15 Chương 2: Cơ sở lý thuyết 2. Dây dẫn tín hiệu Việc lựa chọn dây dẫn cho đường truyền cũng là một vấn đề khá quan trọng do yêu cầu về phối hợp trở kháng và sử dụng trong môi trường nhiều nhiễu điện từ. Theo khuyến cáo, nên chọn loại dây xoắn 24AWG có trở kháng khoảng 120Ω. Nếu có thể nên chọn loại có bọc kim cho khả năng chống nhiễu tốt hơn tuy nhiên giá thành cao hơn đáng kể.4: Cáp xoắn đôi 24AWG có bọc chống nhiễu 2.
Các chuẩn truyền khác Ngoài chuẩn RS485 ra, còn có các chuẩn truyền không dây như Bluetooth, Wifi, Zigbee… Bluetooth là một tiêu chuẩn truyền thông không dây sử dụng sóng radio truyền trong dải tần số từ 2400-2480 MHz. Bluetooth được sử dụng rất rộng rãi trong các ứng dụng như điện thoại di động, tai nghe, máy in và nhiều thiết bị khác. Bluetooth có hạn chế là khoảng cách kết nối ngắn. Một công nghệ truyền thông không dây khác là Wi-Fi.
Wi-Fi hoạt động tương tự như Bluetooth ở cùng tần số 2. Wi-Fi là công nghệ phổ biến cho các thiết bị kết nối với internet. Phạm vi kết nối có thể lên đến 1000 m. Trong các ứng dụng nhà thông minh, ngày nay nổi lên công nghê truyền không dây Zigbee.
Zigbee là tập hợp các giao thức giao tiếp của mạng không dây với khoảng cách tương đối, tiết kiệm năng lượng và có tốc độ truyền 16 Chương 2: Cơ sở lý thuyết dữ liệu đáp ứng được các ứng dụng điều khiển và giám sát trong nhà thông minh. Điểm mạnh nhất của Zigbee là hỗ trợ kết nối theo kiểu mạng lưới. 3 dãy tần số của công nghệ Zigbee là 868 MHz, 915 MHz và 2. Tuy nhiên có nhiều điểm mạnh nhưng Zigbee là một công nghệ mới, giá thành còn rất đắt (khoảng 350.1 Bảng so sánh các đặc điểm kỹ thuật của các module kết nối không dây Thông số Module So sánh giữa Bluetooth Wifi Zigbee các module Phạm vi 1-100m 35-2000m 0-75m Chi phí Cao Thấp Rất cao Công suất Cao Cao Thấp Tốc độ 25 Mb/s 54 Mb/s 250 kb/s Ở đây, ngoài chuẩn RS485, tôi dùng thêm module wifi để giao tiếp giữa các thiết bị và Web server trên máy tính.
Vi điều khiển 2. Lý thuyết vi điều khiển Vi điều khiển (μC hay UC) là một siêu máy tính với kích thước rất nhỏ. Vi điều khiển là một hệ thống độc lập với thiết bị ngoại vi, bộ nhớ và bộ vi xử lý sử dụng như một hệ thống nhúng. Ngày nay hầu hết vi điều khiển được lập trình để nhúng vào các sản phẩm tiêu dùng hoặc thiết bị máy móc, điện thoại, thiết bị ngoại vi, xe ô tô và chế tạo thiết bị cho các hệ thống máy tính.có rất nhiều loại vi điều khiển trên thị trường như: 4bit, 8bit, 64bit và 128bit.
Vi điều khiển sử dụng trong các thiết bị được người dùng kiểm soát bằng các tập lệnh. 17 Chương 2: Cơ sở lý thuyết 2. Cấu trúc cơ bản CPU - là bộ não trung tâm của vi điều khiển. CPU là thiết bị quản lý tất cả các hoạt động của hệ thống và thực hiện tất cả các thao tác trên dữ liệu như: nạp, giải mã và thực thi lệnh.
CPU kết nối tất cả các thành phần của vi điều khiển thành một hệ thống duy nhất.
