Nghiên cứu xây dựng hệ thống IOT phục vụ giám sát cảnh báo cháy cho hộ gia đình

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - HOÀNG NGỌC PHƯỢNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG IOT PHỤC VỤ GIÁM SÁT CẢNH BÁO CHÁY CHO HỘ GIA ĐÌNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) HÀ NỘI-2021 HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - HOÀNG NGỌC PHƯỢNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG IOT PHỤC VỤ GIÁM SÁT CẢNH BÁO CHÁY CHO HỘ GIA ĐÌNH CHUN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THƠNG MÃ SỐ: 8.52.02.08 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN TRUNG HIẾU HÀ NỘI-2021 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan: Luận văn tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu xây dựng hệ thống IoT phục vụ giám sát cảnh báo cháy cho hộ gia đình” cơng trình nghiên cứu cá nhân tôi, số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tơi xin chịu trách nhiệm cơng trình nghiên cứu riêng ! Tác giả luận văn ii LỜI CẢM ƠN Học viên xin gửi lời cảm ơn đến TS Nguyễn Trung Hiếu, người Thầy tận tâm, nhiệt tình hướng dẫn, hỗ trợ học viên suốt trình chuẩn bị đề cương đến xây dựng chương trình, hồn thiện nội dung luận văn “Nghiên cứu xây dựng hệ thống IoT phục vụ giám sát cảnh báo cháy cho hộ gia đình” Học viên xin dành tình cảm sâu sắc đến Thầy Cô giáo Khoa quốc tế đào tạo sau đại học, Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng, Thầy Cô nhiệt tâm giảng dạy chia sẻ kinh nghiệm quý báo cho học viên năm học vừa qua Do thời gian hoàn thành luận văn có hạn, đồng thời diễn biến dịch Covid-19 phức tạp, suy nghĩ khả diễn đạt ý tưởng luận văn không tránh khỏi điểm cần chỉnh sửa thêm Học viên mong động viên đóng góp ý kiến thầy cô giáo bạn học viên quan tâm Xin chân thành cảm ơn! iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC BẢNG vi DANH MỤC HÌNH vii MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT CẢNH BÁO CHÁY 1.1 Tổng quan tình hình cháy nổ giới Việt Nam 1.1.1 Tình hình cháy nổ giới 1.1.2 Tình hình cháy nổ Việt Nam 1.2 Hệ thống giám sát cảnh báo cháy 1.2.1 Mơ hình chung hệ thống giám sát, cảnh báo cháy 1.2.2 Một số hệ thống giám sát cảnh báo cháy phổ biến 1.2.3 Một số hệ thống cảnh báo cháy vào nước 12 1.3 Xu phát triển hệ thống giám sát cảnh báo cháy 14 1.4 Kết luận 17 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG IOT PHỤC VỤ GIÁM SÁT CẢNH BÁO CHÁY CHO HỘ GIA ĐÌNH 18 2.1 Tổng quan hệ thống IoT 18 2.1.1 Xu hướng đặc điểm hệ thống IoT 20 2.1.2 Một số chuẩn IoT hành 22 2.2 Hệ thống IoT giám sát cảnh báo cháy 26 2.2.1 Mơ hình hệ thống IoT giám sát cảnh báo cháy 26 2.2.2 Kết nối hệ thống IoT giám sát cảnh báo cháy 27 2.3 Chuẩn giao tiếp không dây phổ biến 28 2.4 Một số phương thức trao đổi liệu hệ thống IoT 34 2.4.1 Giao thức Mysensor 34 2.4.2 Giao thức MQTT 36 2.4.3 Giao thức Domoticz 37 2.5 Nền tảng xây dựng ứng dụng Node RED 37 2.6 Kết luận 41 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG IOT PHỤC VỤ GIÁM SÁT CẢNH BÁO CHÁY CHO HỘ GIA ĐÌNH 42 iv 3.1 Thiết kế hệ thống 42 3.1.1 Lựa chọn cảm biến môi trường 42 3.1.2 Vi điều khiển ESP8266 45 3.1.3 Lập trình phần mềm hệ thống 45 3.2 Xây dựng ứng dụng giám sát cảnh báo cháy Node RED 47 3.3 Thử nghiệm hệ thống đánh giá 50 3.3.1 Thử nghiệm hệ thống 51 3.3.2 Đánh giá 52 3.4 Kết luận 53 KẾT LUẬN 54 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 PHỤ LỤC 56 v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đối tương tự sang số DMA Direct Memory Access Truy cập nhớ trực tiếp IoT Internet of Thing Vạn vật kết nối DNS Domain Name System Hệ thống tên miền GSI Global Standards Initiative Sáng kiến tiêu chuẩn toàn cầu HVAC Heating, Ventilating, and Air Hệ thống sưởi ấm, thơng gió Conditioning điều hồ khơng khí Message Queue Telemetry Giao thức truyền nhận tin xác Transport thực HTTP HyperText Transfer Protocol Giao thức truyền siêu văn LAN Local Area Network Mạng cục M2M Machine to Machine Máy tới máy LPC Linear Predictive Coding Mã hóa dự đốn tuyến tính PAM Pulse Amplitude Modulation Điều chế biên độ xung PCM Pulse Code Modulation Điều chế mã xung RF Radio Frequency Tần số vô tuyến SNR Signal to noise ratio Tỉ số tín hiệu nhiễu SPI Serial Peripheral Interface Giao tiếp ngoại vi nối tiếp WAN Wide High Frequency Mạng diện rộng MQTT vi DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Dữ liệu thống kê tình hình cháy nổ giới (2016-2020) Bảng 2.7: Lịch sử hình thành cơng nghệ Bluetooth 29 Bảng 3.1: Giá trị cảm biến MQ135 thiết bị đo được………………………………… 51 vii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Tình hình cháy nổ nước ta giai đoạn (2015-2019) Hình 1.2: Sơ đồ chung hệ thống giám sát cảnh báo cháy Hình 1.3: Hệ thống cảnh báo cháy tự động Hình 1.4: Thiết bị hệ thống Cerberus-FIT Siemens Hình 1.5: Thiết bị cảnh báo F220-B6 Hình 1.6: Thiết bị Simplex 4010ES 10 Hình 1.7: Thiết bị cảnh báo ALN-V 10 Hình 1.8: Mơ hình hệ thống Intergral IP Schrack Seconet 12 Hình 1.9: Mơ tả hệ thống cảnh báo cháy qua camera AVIOTECH IP 8000 13 Hình 1.10: Xu hệ thống giám sát cảnh báo cháy 14 Hình 2.1: Sự đa dạng phát triển hệ thống IoT 19 Hình 2.2: Mơ hình hệ thống IoT 20 Hình 2.3: Kit phát triển STM32 F103 giá đô la 22 Hình 2.4: Định nghĩa ITU-T chiều kết nối 25 Hình 2.5: Sơ đồ khối mơ hình IoT giám sát, cảnh báo cháy 26 Hình 2.6: Cảm biến khói lửa kết nối Bluetooth 28 Hình 2.7: Cấu hình phần cứng chip Bluetooth 30 Hình 2.8: Cấu trúc phân lớp mạng giao thức Lora 34 Hình 2.9: Định dạng giao thức Mysensor 35 Hình 2.10: Mơ hình giao thức MQTT 36 Hình 2.11: Giao diện điều khiển Domoticz 37 Hình 2.12: Ứng dụng Node RED IoT 38 Hình 2.13: Cài đặt thành cơng gói Node RED 39 Hình 2.14: Màn hình làm việc Node RED 41 Hình 3.1: mơ hình hệ thống IoT thời gian thực ứng dụng giám sát, cảnh báo cháy hộ gia đình 42 Hình 3.2: Cảm biến MQ135 43 Hình 3.3: Đặc điểm cấu trúc cảm biến MQ135 43 Hình 3.4: Module đo nhiệt độ độ ẩm DHT11 44 Hình 3.5: Kit phát triển wifi ESP8266 45 Hình 3.6: Kết nối cảm biến nhiệt độ độ ẩm với wifi ESP8266 46 Hình 3.7: Kết nối cảm biến MQ135 với wifi ESP8266 46 Hình 3.8: khởi tạo MQTT in 47 Hình 3.9: khai báo trường node cảm biến nhiệt độ 48 Hình 3.10: cấu hình trường biểu đồ hiển thị 48 Hình 3.11: Cấu hình node cảm biến biểu đồ, đồ thị 49 viii Hình 3.12: Kết xây dựng ứng dụng giám sát cảnh báo cháy 51 Hình 3.13: Thiết bị giám sát cảnh báo lắp vào hộp 52 Hình 3.14: Kịch tạo đám cháy giả 52 Hình 3.15: Giá trị ppm cảm biến khói … 53 44 Khi có khí phản ứng với lớp SnO2 với xúc tác nhiệt độ, điện trở lớp bán dẫn giảm xuống tỷ lệ thuận với nồng độ khí Cảm biến sử dụng nhiều thiết bị giám sát chất lượng mơi trường khơng khí, phù hợp muốn phát khí NH3, NOx, cồn, Benzene, khói, CO2,… Vì vậy, việc lựa chọn cảm biến phục vụ việc phát khói/khí gas hồn toàn phù hợp, nhiên cần phải khảo sát thực tế để xác định ngưỡng cảnh báo thông qua nồng độ khói/khí Khối cảm biến MQ135 sử dụng đề tài có thơng số kỹ thuật chung sau:  Khoảng phát hiện: 10ppm – 1000ppm  GND (G): Chân nối đất  D0: đầu Digital  A0: đầu Analog  Vcc (+): điện áp vào 5V  Biến trở điều chỉnh độ nhạy 10K ohm b) Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 DHT11 cảm biến nhỏ gọn, chi phí rẻ sử dụng rộng rãi ứng dụng IoT Sử dụng cảm biến này, có khả đọc nhiệt độ, độ ẩm, truyền liệu cách đơn giản Hình 3.4: Module đo nhiệt độ độ ẩm DHT11 Thông số:  Dải đo: Độ ẩm: 20 – 90% ± 5%  Dải nhiệt độ đo: – 500 C ± 20 C  Điện áp hoạt động: – 5V  Cường độ dịng điện: 60µA - 0.3mA 45 Để sử dụng hai loại cảm biến thực tế cần thêm số linh kiện phụ trợ IC khuếch đại thuật toán, transistor 3.1.2 Vi điều khiển ESP8266 Module giao tiếp Wifi ESP8266 kết hợp lập trình module xây dựng chip Wifi SoC ESP8266, dịng ESP dùng Arduino hinhđể lập trình nạp code, điều khiến việc sử dụng lập trình ứng dụng ESP8266 trở nên đơn giản ESP12 chân thu gọn ESP8266 Hình 3.5: Kit phát triển wifi ESP12 Thơng số kĩ thuật:  IC chính: ESP8266 Wifi  Phiên firmware: Node MCU  Phiên chân ESP12  GPIO tương thích hồn toàn với firmware Node MCU  Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB Vin  GIPO giao tiếp mức 3.3VDC  Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash  Tương thích hồn tồn với trình biên dịch Arduino 3.1.3 Lập trình phần mềm hệ thống a) Đọc giá trị nhiệt độ độ ẩm 46 Để giám sát đưa cảnh báo sớm cho hộ gia đình khả phát sinh cháy, học viên sử dụng thu gọn ESP12 để kết nối với cảm biến Hình 3.6: Kết nối thực tế cảm biến nhiệt độ độ ẩm với wifi ESP12 Khởi tạo setup chế độ: #include "DHT.h" #define DHTPIN // GPIO #define DHTTYPE DHT11 //dinh nghia cha DHT 11 DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);// khoi tao DHT void setup() { Serial.begin(9600); Serial.println("DHT11 data:"); dht.begin(); } Hàm đọc giá trị nhiệt độ theo độ C: // Reading temp and humi takes about 250ms float h = dht.readHumidity(); float t = dht.readTemperature(); // Read temperature b) Đọc giá trị cảm biến khói MQ135 Hình 3.7: Kết nối cảm biến MQ135 với wifi ESP8266 47 Khởi tạo thư viện định nghĩa pinout kết nối: #include #include #include #include "MQ135.h" #include #include Khởi tạo kết nối wifi cho ESP8266, đồng thời kết nối đến cloud MQTT String apiKey = "14K8UL2QEK8BTHN6"; // Enter your Write API key from MQTT cloud const char *ssid = "admin"; // replace with your wifi ssid and wpa2 key const char *pass = "12345678"; const char* server = "m13.cloudmqtt.com","11152"; Chương trình đọc giá trị từ cảm biến MQ135: MQ135 gasSensor = MQ135(A0); float air_quality = gasSensor.getPPM(); Serial.print("Air Quality: "); Serial.print(air_quality); Serial.println(" PPM"); Serial.println(); Tồn chương trình có phần phụ lục 3.2 Xây dựng ứng dụng giám sát cảnh báo cháy Node RED Các bước dựng dashboad nhúng giao thức MQTT: Cấu hình node cảm biến khởi tạo cấu hình cảm biến gắn trường giữ liệu trường liệu cảm biến độ ẩm, nhiệt độ, ánh sáng (các trường cảm biến tương tự nhau) Tại cửa sổ network giao diện Node RED chọn button “mqtt in” điền trường sau Hình 3.8: khởi tạo MQTT in 48 Sử dụng button “mqtt in” kéo vào cửa sổ làm việc Node RED đồng thời tiến hành thiết lập thơng số node cảm biến Hình 3.9: khai báo trường node cảm biến nhiệt độ Giải thích trường cần cấu hình: Server: nơi chứa địa mqttcloud với port tương ứng Topic: chứa tên gọi topic khởi tạo MQTT, topic tương ứng với tên trường liệu truyền từ thiết bị ESP8266 lên Đối với ảnh cấu hình cho cảm biến ánh sáng tương thích với “IoTemp” QoS: mức bảo mật thường để Output: auto detect, tự động chuyển đổi kiểu liệu Name: nhãn tên hiển thị lên giao diện Hình 3.10: cấu hình trường biểu đồ hiển thị Giải thích trường cần cấu hình: 49 Group: cho phép đặt tên để gom nhãn lại để dễ quản lý Size: định kích thước hiển thị biểu đồ Label: đặt tên hiển thị Type: định dạng biểu đồ X-asis: trục x hiển thị biểu đồ Y-asis: trục y hiển thị biểu đồ Series clours: chọn màu hiển thị biểu đồ Đối với Node RED việc cấu hình biểu đồ để hiển thị liệu đơn giản, cấu hình cho giao diện người dùng nhà thông minh không cần phức tạp phải hiển thị liệu cụ thể tiện thao tác cho người dùng Đặc biệt kết nối thiết bị có mức độ ổn định khác có độ trễ định cần cấu hình giao thức MQTT cho phép tin truyền nhận theo khung liệu dạng chuỗi json để đảm bảo tin kẻ băng thông thấp khơng ổn định Hình 3.11: Cấu hình node cảm biến biểu đồ, đồ thị a) Cấu hình cảnh báo Ở mục thông báo học viên sử dụng cách thông báo email đến người dùng thông qua hỗ trợ Node RED, cách sử dụng dịch vụ SMTP gmail server, cho phép gửi mail thông báo đến địa mail xác định trước Hình 3.12: Cách thức hoạt động SMTP gmail server 50 Học viên tiến hành xây dựng hàm nhận biết điều kiện tiêu cực từ cảm biến để đưa email thông báo: var payload=msg.payload; var alarm_flag=context.get("alarm_flag"); if(typeof alarm_flag=="undefined") alarm_flag=false; if (payload>status1&& !alarm_flag) { alarm_flag_true; msg.larm=1; context.set("alarm_flag",alarm_flag); rerurn msg; } if (payload100.00 || h>100.00) { message +="Failed to read from DHT sensor! (h="; message +=h; message +=" / t="; message +=t; 58 message +=")"; Serial.println(message); return; } else { // Compute heat index in Fahrenheit (the default) //float hif = dht.computeHeatIndex(f, h); // Compute heat index in Celsius (isFahreheit = false) //float hic = dht.computeHeatIndex(t, h, false); message += "Temperature: "; message += int(t); message += "C / "; message += "Humidity: "; message += int(h); message += "%"; // message += " %\t"; > TAB Serial.println(message); } airTemperature = t; airHumidity = h; rzero = gasSensor.getRZero(); //this to get the rzero value, uncomment this to get ppm value Serial.print("RZero="); Serial.println(rzero); // this to display the rzero value continuously, uncomment this to get ppm value ppm = gasSensor.getPPM(); // this to get ppm value, uncomment this to get rzero value Serial.print("PPM="); Serial.println(ppm); // this to display the ppm value continuously, uncomment this to get rzero value Ppmbalanced= gasSensor.getCorrectedPPM(airTemperature, airHumidity); // this to get ppm value, uncomment this to get rzero value Serial.print("PPM Corrected="); Serial.println(ppmbalanced); // this to display the ppm value continuously, uncomment this to get rzero value refreshNeoPixelRing(); } ... quan hệ thống giám sát cảnh báo cháy Chương 2: Xây dựng mơ hình hệ thống IoT phục vụ giám sát cảnh báo cháy cho hộ gia đình Chương 3: Thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống IoT phục vụ giám sát cảnh. .. hệ thống giám sát cảnh báo cháy 14 1.4 Kết luận 17 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG IOT PHỤC VỤ GIÁM SÁT CẢNH BÁO CHÁY CHO HỘ GIA ĐÌNH 18 2.1 Tổng quan hệ thống. .. gateway 2.2 Hệ thống IoT giám sát cảnh báo cháy 2.2.1 Mơ hình hệ thống IoT giám sát cảnh báo cháy Sơ đồ khối chức năng: Mơ hình IoT giám sát, cảnh báo cháy việc bao gồm thành phần hệ thống IoT Node,