TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ
BỘ MÔN MÁY VÀ MA SÁT HỌC

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ
Đề tài

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ
ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH QUA MẠNG
INTERNET SỬ DỤNG MODULE ARDUINO
ETHERNET W5100

Giáo viên hướng dẫn

: TS. ĐẶNG THÁI VIỆT

Giáo viên phản biện

:

Sinh viên thực hiện

: NGUYỄN ĐỨC THỊNH

HÀ NỘI, 6/2016


Đồ án tốt nghiệp

(ký, ghi rõ họ tên)

(ký, ghi rõ họ tên)

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

1


Đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
- NỘI DUNG ĐỒ ÁN:
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
- HÌNH THỨC TRÌNH BÀY:
Thuyết minh:
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
Bản vẽ:
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................

- NỘI DUNG ĐỒ ÁN:
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
- HÌNH THỨC TRÌNH BÀY:
Thuyết minh:
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
Bản vẽ:
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
- NHẬN XÉT KHÁC:
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
- Ý KIẾN ĐÁNH GIÁ:
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
Ngày tháng
năm 201
Giáo viên duyệt (ký tên)

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

3


Đồ án tốt nghiệp
MỤC LỤC


4


Đồ án tốt nghiệp
5.2.1. Sơ đồ chân. .......................................................................................... 35
5.2.2. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động. ......................................................... 36
5.2.3. Ứng dụng của module cảm biến hồng ngoại. ..................................... 36
5.3. Module cảm biến khí gas MQ2.................................................................. 37
5.3.1. Giới thiệu module cảm biến khí gas MQ2 .......................................... 37
5.3.2. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lí hoạt động của module. ............................ 38
5.3.3. Ứng dụng của module. ........................................................................ 39
5.4. Cảm biến chuyển động HC-SR510............................................................ 39
5.5. Khối Relay. ................................................................................................ 41
5.6. Loa cảnh báo. ............................................................................................. 41
PHẦN III: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH........ 43
1. Hệ thống tự động. ............................................................................................. 43
1.1. Hệ thống tự động báo cháy. ....................................................................... 43
1.2. Hệ thống báo rò rỉ khí gas. ......................................................................... 44
1.3. Hệ thống cảnh báo xâm nhập. .................................................................... 45
1.4. Hệ thống tự động bật đèn bếp. ................................................................... 45
2. Hệ thống giám sát và điều khiển qua mạng internet. ....................................... 46
2.1. Tổng quan về mạng internet, giao thức TCP/IP. ....................................... 46
2.1.1. Mạng internet(Ethernet). ..................................................................... 46
2.1.2. Bộ giao thức TCP/IP. .......................................................................... 47
2.2. Module Arduino Ethernet W5100 trong điều khiển qua mạng internet. ... 51
2.2.1. Giới thiệu chip Ethernet W5100. ........................................................ 51
2.2.2. Module Arduino Etthernet W5100. .................................................... 54
2.3. Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển qua internet. ............................. 57
2.3.1. HTML. ................................................................................................ 58

Hình I-2: Mô hình nhà thông minh....................................................................... 13
Hình I-3: Hệ thống trồng rau sạch tự động........................................................... 14
Hình I-4: Hệ thống chăn nuôi tự động.................................................................. 15
Hình I-5: Internet of Things(IoT). ........................................................................ 16
Hình I-6: Mô hình Smart home Eco-Future-World............................................. 18
Hình I-7: Nhà thông minh của BKAV. ................................................................ 18
Hình II-1: Board mạch Arduino Uno. .................................................................. 20
Hình II-2: Hệ thống xe 2 bánh tự cân bằng. ......................................................... 22
Hình II-3: Hệ thống cánh tay robot và xe tự hành................................................ 23
Hình II-4: Máy in 3D. ........................................................................................... 23
Hình II-5: Board mạch Arduino Uno. .................................................................. 24
Hình II-6: Board mạch Arduino Mega 2560. ....................................................... 26
Hình II-7: Sơ đồ chân board Arduino Mega 2560. .............................................. 28
Hình II-8: Board mạch Arduino ethernet W5100. ............................................... 30
Hình II-9: Sơ đồ mạch Arduino Ethernet W5100. ............................................... 31
Hình II-10: Kết nối Arduino Mega 2560 và Arduino Ethernet W5100. .............. 32
Hình II-11: Sơ đồ chân cảm biến LM35. ............................................................. 33
Hình II-12: Module cảm biến hồng ngoại. ........................................................... 35
Hình II-13: Cấu tạo cảm biến hồng ngoại. ........................................................... 36
Hình II-14: Module cảm biến khí gas MQ2. ........................................................ 37
Hình II-15: Cấu tạo module cảm biến khí gas MQ2. ........................................... 38
Hình II-16: Module cảm biến chuyển động HC-SR510. ..................................... 39
Hình II-17: Sơ đồ chân cảm biến chuyển động HC-SR510. ................................ 40
Hình II-18: Khối relay. ......................................................................................... 41
Hình II-19: Còi báo động...................................................................................... 42
Hình III-1: Sơ đồ hê thống báo cháy. ................................................................... 43
Hình III-2: Sơ đồ nối cảm biến khí gas MQ2 ....................................................... 44
Hình III-3: Sơ đồ nối dây cảm biến hồng ngoại. .................................................. 45

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

Đồ án tốt nghiệp

LỜI NÓI ĐẦU
“Ngôi nhà thông minh” là một cụm từ không còn xa lạ đối với nền công nghệ
phát triển hiện nay. Lúc đầu, ý tưởng được thực hiện nhờ vào tia hồng ngoại để
điều khiển từ xa, nhưng khoảng cách là hạn chế. Về sau, nhiều nghiên cứu nhằm
cải thiện khoảng cách điều khiển mang lại nhiều thành công và có ý nghĩa thực
tiễn như điều khiển thông qua đường dây điện thoại. Khi công nghệ wireless phát
triển, người ta lại nghĩ đến điều khiển qua mạng không dây, điều khiển từ xa dùng
máy tính ra đời. Không dừng lại ở đó, khi mà các mạng điện thoại đang cạnh tranh
gay gắt, chiếc điện thoại trở nên vật dùng không thể thiếu với mỗi cá nhân, người
ta lại nghĩ về một chiếc điện thoại tích hợp khả năng điều khiển từ xa. Đặc biệt,
với sự phát triển chóng mặt của SmartPhone và công nghệ 3G hiện nay, việc tích
hợp các chức năng này vào SmartPhone đang trở thành một giải pháp tối ưu và
mang lại nhiều ưu điểm. Đi cùng xu hướng đó, bài viết này giới thiệu một giải phát
điều khiển và giám sát ngôi nhà một cách thông minh thông qua internet và có thể
sử dụng điện thoại để giám sát các thiết bị, báo cháy, báo trộm. Giải pháp này được
đưa ra rất khả khi với cơ chế hoạt động chính xác và mang tính ổn định để tạo bước
phát triển một thiết bị nhỏ gọn tham gia một mảng của nhà thông minh giá rẻ.
Đề tài là một sản phẩm có tính thực tế cao, được nghiên cứu, chế tạo dựa
trên những kiến thức đã học, kế thừa và phát triển những kết quả của các công
trình nghiên cứu trước đây.
Em xin chân thành cảm ơn:
Giảng viên hướng dẫn: TS. Đặng Thái Việt
Giảng viên phản biện:
Cùng tập thể thầy cô trong bộ môn Máy và Ma sát học đã tận tình chỉ bảo
để em hoàn thành đề tài nghiên cứu này.
Hà Nội, ngày

tháng

Hiện nay, con người đã sản xuất được rất nhiều các loại cảm biến khác nhau
như: cảm biến ánh sang, cảm biến độ ẩm, cảm biến nhiệt độ, cảm biến bức xạ, cảm
biến quang, cảm biến cơ ……
Các cảm biến có ứng dụng rộng rãi, và phạm vi sử dụng lớn, ví dụ như: công
nghiệp, khoa học kĩ thuật, giám sát thiết bị, viễn thông, dân dụng, giao thông, vũ
trụ, quân sự…..

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

10


Đồ án tốt nghiệp

Hình I-1: Cảm biến siêu âm.
1.2. Giám sát và điều khiển qua mạng internet.
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, 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 cũng đã biết, gần như các thiết
bị trong đời sống của các gia đình ngày nay đều hoạt động độc lập với nhau, mỗi
thiết bị có một quy trình sử dụng khác nhau tuỳ thuộc vào sự thiết lập, cài đặt của
người sử dụng. Chúng chưa có một sự liên kết nào với nhau về mặt dữ liệu. Nhưng
đối với hệ thống điều khiển thiết bị từ xa thông qua mạng Ethernet thì lại khác. Ở
đây, các thiết bị điều khiển tự động được kết nối với nhau thành một hệ thống hoàn
chỉnh qua một một thiết bị trung tâm và có thể giao tiếp với nhau về mặt dữ liệu.
Điển hình của một hệ thống điều khiển thiết bị trong nhà từ xa thông qua mạng

bị hệ thống các cảm biến như: cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến khí
gas, cảm biến báo cháy, biến vật cản…. đồng thời các thiết bị như: bóng đèn, điều
hòa, ti vi, tủ lạnh,….. cũng đều được kết nối tới mạng internet. Người sử dụng chỉ
cần có một thiết bị kết nối internet là có thể theo dõi dữ liệu từ các cảm biến và
điều khiển các thiết bị trong nhà theo ý muốn của bản thân. Nhà thông minh giúp
chúng ta giám sát được mức tiêu thụ điện, nước…. Hệ thống giám sát an ninh, báo
cháy, báo rò rỉ khí gas sẽ tự động báo trạng thái của ngôi nhà qua mạng internet.
Một ngôi nhà thông minh giúp con người chúng ta đơn giảm hóa quá trình giám
sát và điều khiển ngôi nhà.

Hình I-2: Mô hình nhà thông minh.
1.4.2. Ứng dụng trong công nghiệp.
Việc giám sát và điều khiển qua internet có ý nghĩa rất lớn trong công nghiệp.
Hệ thống giám sát này giúp chúng ta có thể quan sát được tình trạng làm việc, tình
trạng thiết bị sử dụng, điều kiện môi trường làm việc, cảnh báo các điều kiện bất
lợi, theo dõi sản xuất sau đó dữ liệu truyền qua mạng LAN tới màn hình theo dõi

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

13


Đồ án tốt nghiệp
và điều khiển.
1.4.3. Ứng dụng trong nông nhiệp và chăn nuôi.
Trong nông nghiệp, hệ thống giám sát và điều khiển trồng rau trong nhà giúp
con người dễ dàng quản lí các thông số nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ phát triển, an toàn
vệ sinh…hệ thống có thể tự động điều chỉnh độ ẩm, nhiệt độ theo các tiêu chí đặt
ra, người vận hành có thể thay đổi các thông số đặt vào sao cho phù hợp với từng
loại rau khác nhau. Việc sử dụng điều khiển và giám sát giúp giảm chi phí nhân

điều khiển giao thông thông minh, bãi đậu xe thông minh, hệ thống thu phí điện
tử, quản lý đội xe, điều khiển xe, an toàn và hỗ trợ đường bộ. Các đối tượng tham
gia giao thông được kết nối với mạng internet sẽ chia sẻ những thông tin giao thông
với nhau từ đó đưa ra được lộ trình phù hợp cho người tham gia giao thông.

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

15


Đồ án tốt nghiệp
1.5. Xu hướng phát triển của điều khiển và giám sát qua mạng internet.

Hình I-5: Internet of Things(IoT).
Trong những năm gần đây, với sự phát triển không ngừng của internet con
người mong muốn mọi thứ đều có thể kết nối với internet và chúng ta có thể giám
sát và điều khiển những thứ đó thông qua internet. Một thuật ngữ mới được ra đời
là IOT(Internet of Things). IoT là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật,
con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng
truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự
tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính. IoT đã phát triển
từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet. Nói đơn
giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với
thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó. Cụm từ IoT được đưa ra bởi
Kevin Ashton vào năm 1999. Ông là một nhà khoa học đã sáng lập ra Trung tâm
Auto-ID ở đại học MIT, nơi thiết lập các quy chuẩn toàn cầu cho RFID (một
phương thức giao tiếp không dây dùng sóng radio) cũng như một số loại cảm biến
khác. IoT sau đó cũng được dùng nhiều trong các ấn phẩm đến từ các hãng và nhà
phân tích.
Nếu nhìn từ thế giới web, chúng ta có thể sử dụng các địa chỉ độc nhất để xác

minh đang dần trở thành một lĩnh vực hấp dẫn mà không “đại gia" công nghệ nào
muốn bỏ qua, trong đó có các doanh nghiệp công nghệ Việt. Một số công ty lớn
như: công ty Cổ phần Lumi Việt Nam, Smart Home của BKAV, nhà thông minh
UDIC, nhà thông minh Arkos……
-

Các chức năng chính trong ngôi nhà thông minh:
Điều khiển chiếu sáng (on/off, dimmer, scence, timer, logic,...).
Điều khiển mành, rèm, cửa cổng.
HT An ninh, báo động, báo cháy.
ĐK Điều hòa, máy lạnh.
HT Âm thanh đa vùng.
Camera, chuông hình.
Hệ thống bảo vệ nguồn điện.
Hệ thống quản lí sử dụng điện, nước.
Hệ thống bù công suất trong giờ cao điểm.
Kết hợp sử dụng năng lượng mặt trời với sử dụng năng lượng điện hóa thạch.
Điều khiển và giám sát thiết bị từ xa.
Các tiện ích và ứng dụng khác.

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

17


Đồ án tốt nghiệp
Một số mô hình nhà thông minh trên thế giới và ở Việt Nam:

Hình I-6: Mô hình Smart home Eco-Future-World.


PHẦN II: TỔNG QUAN THIẾT BỊ SỬ DỤNG.
1. Giới thiệu chung về Arduino.

Hình II-1: Board mạch Arduino Uno.
Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác
với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Phần cứng bao gồm một board
mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM
Atmel 32-bit. Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6
chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng
khác nhau.
Được giới thiệu vào năm 2005, Những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang
đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh
viên và giới chuyên nghiệp để tạo ra những nhiết bị có khả năng tương tác với môi
trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành. Những ví dụ phổ biến
cho những người yêu thích mới bắt đầu bao gồm các robot đơn giản, điều khiển
nhiệt độ và phát hiện chuyển động. Đi cùng với nó là một môi trường phát triển
tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân thông thường và cho phép người
dùng viết các chương trình cho Aduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++
Arduino cơ bản là một nền tảng tạo mẫu mở về điện tử (open-source electronics

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

20


Đồ án tốt nghiệp
prototyping platform) được tạo thành từ phần cứng lẫn phần mềm. Về mặt kĩ thuật
có thể coi Arduino là 1 bộ điều khiển logic có thể lập trình được. Đơn giản hơn,
Arduino là một thiết bị có thể tương tác với ngoại cảnh thông qua các cảm biến và
hành vi được lập trình sẵn. Với thiết bị này, việc lắp ráp và điều khiển các thiết bị

Arduino được chọn làm bộ não xử lý của rất nhiều thiết bị từ đơn giản đến
phức tạp. Trong số đó có một vài ứng dụng thực sự chứng tỏ khả năng vượt trội
của Arduino do chúng có khả năng thực hiện nhiều nhiệm vụ rất phức tạp. Sau đây
là danh sách một số ứng dụng nổi bật của Arduino như trong công nghệ in 3D,
robot dò đường theo hướng có nguồn nhiệt, tạo một thiết bị nhấp nháy theo âm
thanh và đèn laser hay là một thiết bị báo cho khách hàng biết khi nào bánh mì ra
lò.

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

21


Đồ án tốt nghiệp
Arduino đã và đang được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới, và ngày càng chứng
tỏ được sức mạnh của chúng thông qua vô số ứng dụng độc đáo của người dùng
trong cộng đồng nguồn mở (open-source). Tuy nhiên tại Việt Nam Arduino vẫn
còn chưa được biết đến nhiều.
Một số ứng dụng của arduino trong thực tế:

Hình II-2: Hệ thống xe 2 bánh tự cân bằng.

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

22


Đồ án tốt nghiệp

Hình II-3: Hệ thống cánh tay robot và xe tự hành.

Chúng ta có thể cung cấp nguồn thông qua chân này.

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

24