ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆPHỆ THỐNG CẢNH BÁO CHÁY RỪNG ỨNGDỤNG CÔNG NGHỆ LORA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ BỘ MÔN KỸ THUẬT MÁY TÍNH - VIỄN THƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CẢNH BÁO CHÁY RỪNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LORA NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH Sinh viên: NGƠ TẤN LỢI MSSV: 11119026 TRỊNH ĐÌNH HIỆP MSSV: 11119118 TP HỒ CHÍ MINH – 06/2017 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ BỘ MƠN KỸ THUẬT MÁY TÍNH - VIỄN THƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CẢNH BÁO CHÁY RỪNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LORA NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH Sinh viên: NGƠ TẤN LỢI MSSV: 11119026 TRỊNH ĐÌNH HIỆP MSSV: 11119118 Hướng dẫn: Ths HOÀNG XUÂN BÁCH TP HỒ CHÍ MINH – 06/2017 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, nhóm thực đề tài nhận nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình thầy bạn bè Nhóm thực đề tài xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ths Hoàng Xuân Bách, giảng viên mơn Kỹ Thuật Máy Tính – Viễn Thơng, người tận tình hướng dẫn, bảo nhóm suốt q trình làm khố luận Nhóm thực đề tài xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nói chung, thầy Bộ mơn Kỹ Thuật Máy Tính – Viễn Thơng nói riêng giảng dạy, cung cấp kiến thức môn đại cương mơn chun ngành, giúp cho nhóm có sở lý thuyết vững vàng tạo điều kiện giúp đỡ nhóm suốt q trình học tập Nhóm thực đề tài xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè, ln tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em suốt trình học tập hồn thành khố luận tốt nghiệp Đề tài hồn thành khơng tránh thiếu sót, nhóm thực đề tài mong nhận góp ý, phê bình, dẫn q thầy bạn Nhóm thực đề tài Ngơ Tấn Lợi – Trịnh Đình Hiệp TÓM TẮT Các vụ cháy rừng xảy năm gây thiệt hại lớn nguồn tài nguyên thiên nhiên ngồi cịn gây nhiều thiên tai khác như: sạt lở, lũ qt, lũ ống,… Vì tính chất rộng lớn địa hình hiểm trở, nên vụ cháy rừng xảy không phát kịp thời gây nên thiệt hại to lớn tài nguyên kinh tế Thấy mối nguy hiểm nên nhóm thực đề tài này, nhằm cảnh báo kịp thời nguy cháy rừng cách nhanh chóng Đề tài trình bày mơ hình hệ thống cảnh báo cháy rừng ứng dụng công nghệ LoRa để truyền nhận liệu cảm biến khắc phụ nhược điểm khả kết nối mở rộng hệ thống có Hệ thống xử lý trung tâm Arduino Mega đảm nhận, với khả kết nối đa dạng với nhiều thiết bị lúc Arduino Mega thật thích hợp cho dự án IoT với khả mở rộng lớn Hệ thống cịn khai thác dịch có sẵn như: IoT platform, App Android, mạng xã hội, mạng viên thông để cảnh báo cháy nhanh đến người dùng Kết nối khối hệ thống sử dụng công nghệ LoRa thông qua module RF LoRa SX1278 (E32-TTL-100) để tận dụng ưu khả truyền xa tiết kiệm lượng module Khối cảm biến sử dụng hệ thống sac pin lượng mặt trời giải pháp lượng cho thiết bị IoT MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT STT 10 11 Các từ viết tắt LoRa SPI UART I2C PWM Viết tắt từ tiếng anh Long Range Serial Peripheral Interface Universal Asynchronous Receiver – Transmitter Inter-Integrated Circuit Pulse Width Modulation 15 16 IP IoT Internet Protocol Internet of thing CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BÁO CHÁY Trong thực tế, sống xung quanh tiền ẩn hiểm họa nguy cháy nổ đe dọa đến tính mạng tài sản người Với phát triển khoa học kỹ thuật ngày nay, ứng dụng công nghệ đại vào hệ thống báo cháy giúp người chủ động việc phòng chữa cháy Tuy nhiên, lĩnh vực báo cháy rừng chưa nhân quan tâm mức Khi hệ thống báo cháy dựa nhiều vào phát giác thông báo người dân Thấy thực trạng trên, nhóm thực đề tài giới thiệu trình bày hệ thống báo cháy rừng sử dụng công nghệ Long Range(LoRa) truyền nhận liệu Trong thực tế, có nhiều cơng nghệ truyền dẫn khơng dây như: hồng ngoại, bluetooth, RF nhiên hầu hết điều truyền khoản cách ngắn Trong đó, LoRa cung cấp khả vượt trội tầm xa Do đó, đề tài thực nhằm đóng góp giải pháp cho việc phát cháy rừng với tầm kiểm soát xa hơn, rộng 1.2 CÁC THIẾT KẾ CHO HỆ THỐNG BÁO CHÁY 1.2.1 HỆ THỐNG BÁO CHÁY BẰNG CÔNG NGHỆ ZIGBEE Sản phẩm quản lý cảnh báo sớm cháy rừng hãng Libelium bao gồm Waspmote Plug & Sense Meshlium đóng gói sẵn, với cách lắp đặt dễ dàng, an toàn hiệu Waspmote Plug & Sense tích hợp tính đo nhiệt độ, độ ẩm khơng khí, khí CO khí CO2 Ngồi cịn hỗ trợ sử dụng lượng mặt trời, chống thấm nước, hỗ trợ chuẩn kết nối internet zigbee, lora, wifi, 3G/GPRS,… Meshlium thiết bị định tuyến cổng (Gateway) thiết kế đặt biệt để kết nối mạng cảm biến Waspmote đến Internet thơng qua giao tiếp Ethernet, Wifi 3G Hình 1.1: Mơ hình Waspmote Plug & SenseError: Reference source not found Các Waspmote Plug & Sense bố trí theo hình hình để thu thập liệu sau gửi gửi lên Cloud thơng qua thiết bị Meshlium trung gian với tần suất – 10 phút lần[1] 1.2.2 HỆ THỐNG BÁO CHÁY QUA VỆ TINH Thông thường, cháy rừng thường xảy diện rộng vùng có địa hình phức tạp nên việc phát khó khăn, gây thiệt hại lớn kinh tế hệ sinh thái, hệ thống báo cháy qua vệ tinh MODIS đời nhằm giải vấn đề giúp phát đám cháy lớn nhanh chóng thơng qua vệ tinh Hình 1.2: Hệ thống báo cháy MODISError: Reference source not found MODIS cảm đặt vệ tinh TERRA có ứng dụng tiêu biểu là: nghiên cứu khí quyển, mây, thời tiết, cháy rừng, nhiệt độ nước biển,… MODIS thu ảnh vào ban ngày ảnh vào ban đêm, ảnh xử lý chiết xuất điểm cháy kèm với tọa độ địa lý đưa trực tiếp lên web sau từ thu nhận ảnh[2] 1.3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Xây dựng hệ thống cảnh báo cháy rừng kết nối mạng internet bao gồm: khối điều khiển trung tâm, module cảm biến có sử dụng lượng pin thời gian dài Xây dựng trang web hiển thị tổng hợp liệu Giao tiếp với người dùng qua thiết bị di động Gửi tín hiệu cảnh báo phát cháy rừng 1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU Trình bày hệ thống cảnh báo cháy rừng với cảm biến module có sẳn thị trường với độ xác khơng cao 10 Lấy mẫu(AQC) Xử lý(Prc) Truyền(MSG) γ 158.5 127 203 143.1 127 203 131.3 127 203 mC µC µC Hình 3.76: Mơ hình lượng hệ thống 3.4.1 Thời gian sống pin Dịng trung bình Trong mơ hình này, có hai giai đoạn làm việc Giai đoạn I, mạch tiến hành lấy mẫu xử lý, số lượng mẫu tùy thuộc vào chế độ làm việc người dùng thiết đặt, sau truyền liệu khối điều khiển trung tâm Giai đoạn II, mạch chuyển sang chế độ ngủ, nhằm tiết kiệm lượng tiêu thụ Áp dụng cơng thức (9) vào mơ hình lượng để tìm : = (10) T: thời gian cho chu kỳ hoạt động Dung lượng nguồn: Mạch sử dụng nguồn pin gồm pin li-on ghép song song Mỗi pin có dung lượng 4200mAh, điện áp 3.7V Do đó: Pnguồn = 2x4200x3.7 = 31080 mWh Năng lượng trung bình hệ thống: Với điện áp hoạt động 5v ta có: Pavg = x (11) TLife = (giờ) (12) Thời gian sống pin: 62 Nhóm thu kết sau: Bảng 3.15: Dịng trung bình thời gian sống pin chế độ hoạt động Thời gian sống pin Mode 30.9mA 8.4 ngày Mode 26.7mA 9.7 ngày 63 Mode 23.6mA 10.97 ngày CHƯƠNG THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 4.1 THỰC NGHIỆM 4.1.1 Kiểm tra tính hoạt động cảm biến module RF LoRa Kiểm tra khoảng cách thực tế module RF LoRa Sx1278 Theo thông số kỹ thuật nhà sản xuất cung cấp, module LoRa truyền nhận với khoảng cách 3000m Nhưng thực tế, nhóm thực đề tài kiểm tra thu kết sau: Hình 4.77: Khoảng truyền nhận thực tế module Lora Kết đo 650m với điều kiện khu dân cư với nhiều vật cản Hình 4.78: Biểu đồi thể khả đáp ứng cảm biến đồi với thay đổi nhiệt độ, độ ẩm 64 Hình 4.2 biểu đồ đánh giá độ nhạy cảm biến DHT21 với thay đổi môi trường (hơi nước sôi) 20 giây đầu kể từ bắt đầu đo 4.1.2 Kiểm tra mức tiêu thụ lượng hệ thống - Khi khơng có lượng mặt trời: Trong gần hoạt động chế độ mode (thời gian sleep phút lần hoạt động) Thời gian sống pin hệ thống tính tốn có thay đổi từ 4.125 （ 4.02 ngày Tương đương: 24 x (4.125 - 4.02) = 2.52 (giờ) Hình 4.79: Biểu đồ thời gian sống pin khơng có lượng mặt trời - Khi có lượng mặt trời: Thời điểm đo trưa từ 11 đến 14 Điện áp pin 3.8V(đo VOM) Hình 4.81 Biểu đồ thời gian sống Hình 4.80: Biểu đồ thay đổi điện áp pin có lượng mặt trời có lượng mặt trời Sau thời gian ngắn hấp thụ lượng mặt trời, điện áp pin ổn định mức 3.9V( 4.0V đo VOM) 65 4.1.3 Thực nghiệm hệ thống Trong điều kiện cho phép nhóm tiến hành chạy thử sản phẩm để đánh giá Hình 4.82: Khối điều khiển trung tâm Khối điều khiển hoạt động ổn định, cập nhật liệu thường xuyên từ module cảm biến hiển thị lên mà hình LCD Tiến hành chạy thử mạch báo quang khói: nhóm dùng nhang thắp hương để tạo khói 66 Hình 4.83: Hình chạy thử module cảm biến Khói mờ khơng thể quan sát thấy hình, đủ để thay đổi giá trị cảm biến kích hoạt hệ thống báo động Hình 4.84: Phát báo động cháy thiết bị di động Bên cạnh việc gửi tin nhắn báo động thiết bị di động, hệ thống cịn gửi thơng báo lên Twitter Hình 4.85: Thông báo cháy twitter 67 4.2 ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG 4.2.1 Ưu điểm • Có mức tiêu thụ lượng thấp Có khả tự cung cấp lượng pin mặt trời • Xây dựng hệ thống truyền nhận công nghệ LoRa với khoảng cách xa • Tìm hiểu mơ hình lượng hệ thống, qua thiết lập chế độ hoạt động khối cảm biến giúp tiết kiệm lượng • Khối cảm biến có khả mở rộng phạm vi số cảm biến • Hệ thống tự động cập nhận thông tin trang web • Cung cấp nhìn trực quan liệu quan sát nhiều thiết bị khác • Có khả thơng tin tình hình thời tiết cho cộng động thông qua twitter 4.2.2 Nhược điểm • Truyền nhận liệu trang web cịn có thời gian trễ • Chất lượng độ nhạy cảm biến không cao, nên hoạt động khơng ổn định • Tuổi thọ pin số thiết kế chưa tối ưu • Vì hệ thống có tính chất đặc thù liên quan đến cháy nổ an tồn nên thí nghiệm chạy thử mang tính chất xác nhận hoạt động khơng giống với điều kiện thực tế • Thời gian dùng pin khối cảm biến tính cở sở lý thuyết 68 69 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 PHẦN CỨNG SAU KHI THI CÔNG Khối điều khiển trung tâm Hình 5.86:Khối điều khiển trung tâm 70 Khối cảm biến Hình 5.87: Hình ảnh thực tế khối cảm biến Hình 5.88: Tổng thể khối cảm biến 5.2 KẾT QUẢ 5.2.1 Những vấn đề nghiên cứu • Nghiên cứu công nghệ LoRa Module RF LoRa Sx1278 • Nghiên cứu IoT platform • Nghiên cứu mơ hình lượng hệ thống • Nghiên cứu thiết kế phần cứng cho mạch dùng nguồn pin 71 • Nghiên cứu xây dựng hệ thống cảnh báo cháy rừng phù hợp với thực tế 5.2.2 Những vấn đề hồn thành Xây dựng thành cơng hệ thống cảnh báo cháy rừng ứng dụng công nghệ LoRa Các liệu nhận từ cảm biến đưa lên ThingSpeak, Twitter người dùng điều khiển chọn chế độ hoạt động qua điện thoại Android Thiết kế nguồn lượng mặt trời giúp tiết kiệm điện việc sử dụng thiết kế phần cứng phần mềm 5.3 HẠN CHẾ Vẫn sử dụng số module mua ngồi Chưa tích hợp còi báo động khối điều khiên trung tâm số vượt ngưỡng Chưa tối ưu tuổi thọ pin Giao diện ThingSpeak Android cịn thơ Hệ thống mang tính mơ hình chưa thể ứng dụng thực tế 5.4 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Từ vấn đề nhóm hồn thành hạn chế đề tài, nhóm đề xuất hướng phát triển sau: • • • • Có thể tăng thêm số lượng khối cảm biến Gia tăng số cảm biến khối cảm biến Nâng cao khả báo cháy loại cảm biến tốt Xây dựng ứng dụng giao tiếp người dùng cho nhiều tảng hệ điều hành khác • Thêm tính cảnh báo có cố cháy xảy cịi báo động khối trung tâm chức gọi điện • Tối ưu thời gian sử dụng pin mạch cảm biến • Thiết kế giao diện ThingSpeak android thân thiện với người dùng 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] "Quản lý cảnh báo sớm cháy rừng", Phadistribution.com, 2017 [Online] Available: http://www.phadistribution.com/index.php/giai- phap/iot/qun-ly-va-cnh-bao-sm-chay-rng [Accessed: 22- Jun- 2017] [2] N H Quảng, N H Minh, N T Hà, N T Hải & N T Hùng, “Thu nhận sử dụng liệu Modis phục vụ quản lý lữa rừng Việt Nam”, Cục kiểm lâm, Bộ Nông nghiệp Phát triển Nông thôn, 2007 [3] "7 chuẩn công nghệ không dây phổ biến nay", Quantrimang.com, 2017 [Online] Available: https://quantrimang.com/7-chuan-cong-nghekhong-day-pho-bien-hien-nay-39771 [Accessed: 22- Jun- 2017] 73 [4] "Tìm hiểu LoRaWAN Cách hoạt động - Linh Kiện Bách Khoa", Linh Kiện Bách Khoa, 2017 [Online] Available: http://linhkienbachkhoa.com/tin-cong-nghe/tat-ca-nhung-gi-ban-can-bietve-lorawan-va-no-hoat-dong-nhu-the-nao [Accessed: 22- Jun- 2017] [5] “E32-TTL-1W Datasheet V1.0”, Chengdu Ebyte Electronic Technology Co., Ltd [6] "Mạch thu phát RF Lora UART SX1278 433Mhz 3000m – Hshop.vn Điện tử & Robot", Hshop.vn, 2017 [Online] Available: http://hshop.vn/products/mach-thu-phat-rf-lora-uart-sx1278433mhz3000m [Accessed: 22- Jun- 2017] [7] “Mạch chuyển giao tiếp USB UART SX1278 – Hshop.vn - Điện tử & Robot", Hshop.vn, 2017 [Online] Available: http://hshop.vn/products/mach-chuyen-giao-tiep-usb-uart-sx1278 [Accessed: 22- Jun- 2017] [8] "Arduino Logo Vector Download | BrandEPS", BrandEPS, 2017 [Online] Available: https://www.brandeps.com/logo/A/Arduino-01 [Accessed: 22Jun- 2017] [9] ":: SOTATEC :: | GIỚI THIỆU | Giới thiệu Arduino", Sotatec.com.vn, 2017 [Online] Available: http://sotatec.com.vn/nhom-gioi-thieu-sotatec94.html [Accessed: 22- Jun- 2017] [10] "Arduino Nano", Store.arduino.cc, 2017 [Online] Available: https://store.arduino.cc/usa/arduino-nano [Accessed: 22- Jun- 2017] [11] "Arduino Nano - Nhỏ, tiện lợi, mang tinh hoa Arduino Uno | Cộng đồng Arduino Việt Nam", Arduino.vn, 2017 [Online] Available: http://arduino.vn/bai-viet/273-arduino-nano-nho-tien-loi-mang-tren-minhtinh-hoa-cua-arduino-uno [Accessed: 22- Jun- 2017] [12] "Arduino cho người bắt đầu, Arduino ?, Lập trình ?", KhỏeRe.com, 2017 [Online] Available: https://khoere.com/45/arduinocho-nguoi-moi-bat-dau-arduino-la-lap-trinh-nhu-the-nao [Accessed: 22Jun- 2017] 74 [13] "Ethernet Shield W5100 (H10) - Mạch Ứng Dụng", Machungdung.com, 2017 [Online] Available: http://www.machungdung.com/arduino-shieldethernet [Accessed: 22- Jun- 2017] [14] "Cảm biến khí CO MQ-7 – Hshop.vn - Điện tử & Robot", Hshop.vn, 2017 [Online] Available: http://hshop.vn/products/cam-bien-khi-co-mq-7 [Accessed: 22- Jun- 2017] [15] H ELECTRONICS, " TECHNICAL DATA MQ-7 GAS SENSOR," HANWEI ELECTRONICS [16] “Cảm biến độ ẩm, nhiệt độ DHT21 – Hshop.vn - Điện tử & Robot", Hshop.vn, 2017 [Online] Available: http://hshop.vn/products/cam-biendo-am-nhiet-do-dht21 [Accessed: 22- Jun- 2017] [17] “Temperature and humidity module”, Aosong(Guangzhou) Electronics Co.,Ltd [18] "1W Solar Panel 80X100 - Power Supply Seeedstudio.com, 2017 - Seeed Studio", [Online] Available: https://www.seeedstudio.com/1W-Solar-Panel-80X100-p-633.html [Accessed: 22- Jun- 2017] [19] "Solar panel", En.wikipedia.org, 2017 [Online] Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_panel [Accessed: 22- Jun- 2017] [20] "What is the Internet of Things Platform - All About IoT Technology and Applications", Kaa, 2017 [Online] Available: https://www.kaaproject.org/what-is-iot/ [Accessed: 22- Jun- 2017] [21] S Singh, "Top 10 IoT Platforms - Internet Of Things Wiki", Internet Of Things Wiki, 2017 [Online] Available: http://internetofthingswiki.com/top-10-iot-platforms/634/ [Accessed: 22Jun- 2017] [22] "Ηλίας Λάμπρου", Users.sch.gr, 2017 [Online] Available: http://users.sch.gr/iliaslamprou/index.php/en/component/content/category/ 75-virtuino [Accessed: 22- Jun- 2017] 75 [23] [24] B Martinez, X Vilajosana, F Chraim, I Vilajosana, and K Pister, “When scavengers meet industrial wireless,” Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol 62, pp 2994–3003, May 2015 B Martinez, M Montón, F Chraim, I Vilajosana, and J D Prades, “The Power of Models: Modeling Power Consumption for IoT Devices,” Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol 15, pp 5777–5789, Oct 2015 76 ... qua số IoT platform mà nhóm nghiên cứu: Microsoft Azure IoT, Amazone web services(AWS) IoT, ThingSpeak 2.2.2.1 Microsoft Azure IoT Với ý tưởng t? ?o IoT platform kết hợp với đám mây Microsoft Azure... 14, Atmega2560 54 • Analog: Các bo mạch Arduino có trang bị ngõ v? ?o analog Số lượng cổng v? ?o analog Atmega328, 16 Atmega2560 Với 20 tính đọc analog, người dùng đọc nhiều loại cảm biến nhiệt độ,... quan công nghệ LoRa 2.1.1.1 Giới thiệu công nghệ truyền không dây Các công nghệ không dây sử dụng phổ biến bao gồm: Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee, Lora,…[3]Error: Reference source not found Bluetooth