THIẾT kế TRẠM THỜI TIẾT KHÔNG dây sử DỤNG MẠNG LORA

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: Điện – điện tử CHUYÊN NGÀNH: Kỹ thuật điện tử ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ TRẠM THỜI TIẾT KHÔNG DÂY SỬ DỤNG MẠNG LORA Người hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Mã sinh viên: Lớp: ThS Lê Hữu Duy Lê Nguyễn Huy Hồng Trần Cơng Bảo 1711505110114 1811505410101 17KTDT1 18DT1 Đà Nẵng, 6/2022 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: Điện – điện tử CHUYÊN NGÀNH: Kỹ thuật điện tử ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ TRẠM THỜI TIẾT KHÔNG DÂY SỬ DỤNG MẠNG LORA Người hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Mã sinh viên: Lớp: ThS Lê Hữu Duy Lê Nguyễn Huy Hoàng Trần Công Bảo 1711505110114 1811505410101 17KTDT1 18DT1 Đà Nẵng, 6/2022 NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN TÓM TẮT Tên đề tài: Thiết kế trạm thời tiết không dây sử dụng mạng Lora Sinh viên thực hiện: Lê Nguyễn Huy Hồng Trần Cơng Bảo Mã SV: 1711505110114 1811505410101 Đề tài “Thiết kế trạm thời tiết không dây sửa dụng mạng Lora” sản phẩm có tính thực tế dựa nhu cầu cơng nghệ nay, nghiên cứu, chế tạo dựa kiến thức học, kế thừa phát huy kết cơng trình nghiên cứu trước để phục vụ lĩnh vực nông nghiệp TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: ThS Lê Hữu Duy Sinh viên thực hiện: Lê Nguyễn Huy Hoàng Mã SV: 1711505110114 Trần Công Bảo Mã SV: 1811505410101 Tên đề tài: Thiết kế trạm thời tiết không dây sử dụng mạng Lora …………….……… ……….……………………………………………………… …………….……… ……….……………………………………………………… Các số liệu, tài liệu ban đầu: - VXL board Arduino Nano - Cảm biến mưa - Cảm biến nhiệt độ áp suất BME280 - Cảm biến ánh sáng BH1750 - Module Lora Ra-02 - Kit thu phát wifi ESP8266 - Nguồn pin lipo 3,7V Nội dung đồ án: - Tổng quan trạm thời tiết - Phân tích chọn linh kiện, thiết bị cho thiết bị mạch điện điều khiển - Thiết kế chế tạo phần cứng mạch điều khiển - Thuật tốn chương trình điều khiển hệ thống - Thiết kế giao diện trạm thời tiết webserver - Thử nghiệm đánh giá kết Các sản phẩm dự kiến - Báo cáo đồ án tổng hợp - Mơ hình thực tiễn trạm thời tiết Ngày giao đồ án: 28/02/2022 Ngày nộp đồ án: 06/06/2022 Trưởng Bộ môn Đà Nẵng, ngày tháng năm 2022 Người hướng dẫn LỜI NÓI ĐẦU Thời gian vừa qua tạo hội cho chúng em tổng hợp hệ thống hóa lại kiến thức học, đồng thời kết hợp với thực tế để nâng cao kiến thức chun mơn Qua q trình nghiên cứu đề tài, chúng em mở rộng tầm nhìn tiếp thu nhiều kiến thức thực tế Từ chúng em nhận thấy, việc tham nghiên cứu thực hành thực tế vô quan trọng giúp sinh viên xây dựng tảng lý thuyết học trường vững hơn, đồng thời tiếp thu thêm nhiều kiến thức Trong trình thực đồ án, chúng em gặp phải nhiều khó khăn với giúp đỡ tận tình thầy Lê Hữu Duy giúp em hoàn thành tốt đồ án viết lên báo cáo đồ án tốt nghiệp Xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Đà Nẵng nói chung thầy khoa Điện - Điện tử nói riêng tận tình giảng dạy, truyền đạt cho chúng em kiến thức quý báu tạo điều kiện giúp đỡ suốt trình học tập năm học vừa qua, giúp chúng em có sở lý thuyết vững vàng để hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp Tuy nhiên thời gian có hạn cộng với kiến thức hạn chế nên Bài báo đồ án tốt nghiệp chúng em không tránh khỏi có thiếu sót Vì em mong nhận đóng góp ý kiến, bảo thêm từ phía thầy bạn Chúng em xin chân thành cảm ơn! i CAM ĐOAN Chúng em xin cam đoan đề tài: “Thiết kế trạm thời tiết khơng dây sử dụng mạng Lora” cơng trình nghiên cứu độc lập hướng dẫn giáo viên hướng dẫn: ThS Lê Hữu Duy Ngồi khơng có chép người khác Đề tài, nội dung báo cáo tốt nghiệp sản phẩm mà nhóm chúng em nỗ lực nghiên cứu thời gian qua Các số liệu, kết trình bày báo cáo hoàn toàn trung thực, em xin chịu hồn tồn trách nhiệm, kỷ luật mơn nhà trường đề có vấn đề xảy Đã bổ sung, cập nhật theo yêu cầu Giảng viên phản biện Hội đồng chấm Đồ án tốt nghiệp họp ngày 17, 18/06/2022 Đà Nẵng, ngày… tháng… năm 20222 Sinh viên thực Sinh viên thực Lê Nguyễn Huy Hồng Trần Cơng Bảo Giảng Viên Hướng Dẫn ii MỤC LỤC NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN TÓM TẮT NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI NÓI ĐẦU i CAM ĐOAN ii DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii DANH SÁCH CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ix MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Giới thiệu trạm thời tiết 1.3 Mục tiêu đề tài 1.4 Đối tượng phạm vi đề tài 1.4.1 Đối tượng 1.4.2 Phạm vi đề tài 1.5 Phương pháp nghiên cứu Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan vi xử lý vi điều khiển 2.1.1 Giới thiệu tổng quan 2.1.3 Ưu điểm nhược điểm vi điều khiển 13 2.1.4 Ứng dụng 14 2.1.5 Phần mềm Arduino IDE 14 2.2 Tổng quan công nghệ Lora 15 2.2.1 Giới thiệu tổng quan 15 2.2.2 Công nghệ Lora lĩnh vực IoT (Internet of Thing) 16 2.2.3 Nguyên lý hoạt động Lora 18 2.3.4 Ứng dụng công nghệ Lora 19 2.3 2.3.1 Chuẩn giao tiếp SPI 20 Giới thiệu tổng quan 20 2.3.2 Nguyên lý hoạt động SPI 22 2.4.3 Ưu nhược điểm SPI 24 iii Cảm biết áp suất nhiệt độ 25 2.4 2.4.1 Giới thiệu 25 2.4.2 Sơ đồ nguyên lý 25 2.4.3 Ứng dụng 26 Cảm biến mưa 26 2.5 2.5.1 Giới thiệu tổng quan 26 2.5.2 Cấu tạo 26 2.5.3 Nguyên lỹ hoạt động 27 2.5.4 Ứng dụng 28 2.6 Cảm biến đo cường độ ánh sáng lux 28 2.6.1 Giới thiệu tổng quan 28 2.6.2 Cấu tạo mạch cảm biến mức độ ánh sáng 28 2.6.3 Nguyên lý hoạt động 28 2.6.4 Ứng dụng 29 Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRẠM THỜI TIẾT KHÔNG DÂY SỬ DỤNG MẠNG LORA 30 3.1 Giới thiệu nội dung nghiên cứu 30 3.1.1 Giới thiệu 30 3.1.2 Mô tả ngắn gọn khối 31 3.2 Xây dựng hệ thống phần cứng 32 3.2.1 Giới thiệu sợ lược toán đặt thiết bị 32 3.2.2 Tính tốn chọn thiết bị 33 3.2.3 Lựa chọn xử lý 40 3.3.4 Khối nguồn 45 3.2.5 Truyền thông 47 3.2.6 Thiết kế hệ thông phần cứng 52 3.3 Xây dựng hệ thống phần mềm 56 3.3.1 Giới thiệu thành phần cần lập trình 56 3.3.2 Xây dựng hệ thống hiển thị web server Thingspeak 56 3.3.3 Giao diện web hệ thống 57 3.4 Xây dựng lưu đồ thuật toán 58 3.4.1 Lưu đồ thuật toán hệ thống 58 3.4.2 Lưu đồ thuật toán mạch Slave Error! Bookmark not defined 3.4.3 Lưu đồ thuật toán mạch Master 59 Chương 4: THI CÔNG HỆ THỐNG 60 4.1 Giới thiệu 60 4.2 Thi công hệ thống 60 iv 3.3.3 Giao diện web hệ thống Hình 0.37: Giao diện web hệ thống (a) Hình 0.38: Giao diện web hệ thống (b) 57 3.4 Xây dựng lưu đồ thuật toán 3.4.1 Lưu đồ thuật toán mạch Salve Bắt đầu Đọc cảm biến BME280 Đọc cảm biến BH1750 Đọc cảm biến mưa Tạo liệu Gửi tới lora 58 3.4.2 Lưu đồ thuật toán mạch Master Bắt đầu Nhận liệu Lora Ra-02 Truyền liệu ESP8266 Sai Kết nối wifi Đúng Xử lý liệu Web server 59 Chương 4: THI CÔNG HỆ THỐNG 4.1 Giới thiệu Từ nghiên cứu trước đó, phần thi cơng hệ thống chia làm phần: - Thiết kế, thi công phần cứng - Thiết kế, viết chương trình cho Arduino, viết chương trình cho ESP8266 hiển thị web server Thingspeak thiết kế giao diện hệ thống hiển thị Thingspeak 4.2 Thi công hệ thống 4.2.1 Thi công hệ thống phần cứng Hệ thống phần cứng bao gồm: - Hệ thống phần cứng mạch slave Tất thiết bị mạch slave kết nối với đặt hộp chống thấm nước bảng cảm biến mưa đặt ngồi hộp Hình 0.1: Phần cứng mạch slave 60 - Hệ thống phần cứng mạch master Hình 0.2: Phần cứng mạch master 4.2.2 Thi công hệ thống phần mềm Chương trình điều khiển lập trình phần mềm Arduino IDE, chia làm phần: - Chương trình cho Arduino Nano phần slave Chọn board Arduino Nano chọn Atmega328P (Old Bootloader), chương trình tải qua cổng USB máy tính, kết nối thành cơng kết hiển thị qua cổng Serial Monitor 61 Hình 0.3: Cài đặt board Arduino Nano IDE - Chương trình cho ESP8266 hiển thị web Thingspeak Cài đặt board ESP8266 phù hợp với kit ESP8266 sử dụng IDE tải chương trình qua cổng USB máy tính Chương trình tải thành cơng ESP8266 hoạt động mở cổng Serial Monitor để theo dõi thông số nhận từ mạch cảm biến Hình 0.4: Cài đặt board ESP8266 IDE Hệ thống kết nối hiển thị webserver Thingspeak Sau tạo tài khoản thành công web server “Thingspeak.com” xây dựng thông số mục 3.3.2 Sau lấy key từ API Keys bổ sung vào chương trình ESP8266 62 Hình 0.5: Liên kết ESP8266 với web server Thingspeak IDE 4.2.3 Kết chạy mơ hình Sau tất kết nối thành công ta mở cổng Serial Monitor mạch master mạch slave Kết nhận mạch slave khởi tạo gửi liệu đến mạch master, cịn phía master in địa IP thơng số nhận từ slave Hình 0.6: Kết truyền nhận liệu IDE Giao diện hệ thống web “Thingspeak.com” hiển thị liệu mà master nhận theo biểu đồ đường 63 Hình 0.7: Kết hiển thị Thingspeak (a) Hình 0.8: Kết hiển thị Thingspeak (b) 64 Chương 5: KẾT LUẬN 5.1 Kết luận Sau tháng tìm hiểu tài liệu liên quan đến đề tài, kiến thức chun ngành tích lũy q trình học tập giúp đỡ tận tình thầy ThS.Lê Hữu Duy để em hồn thành đề tài “Thiết kế trạm thời tiết không dây sử dụng mạng LoRa” theo yêu cầu đặt thời gian quy định với nội dung sau: - Thiết kế xây dựng phần cứng trạm thời tiết - Tìm hiều nguyên lý hoạt động trạm thời tiết kết nối không dây - Nắm kiến thức lập trình cho Board Arduino - Kết nối ESP8266 với web server Thingspeak - Thiết kế giao diện trạm thời tiết web Thingspeak - Tạo giao diện giám sát dễ dàng sử dụng 5.2 Hướng phát triển Tùy vào nhu cầu sử dụng người, lĩnh vực khác mà hệ thống phát triển thêm số chi tiết cho phù hợp như: - Giám sát giao diện app smart phone - Mở rộng thêm nhiều cảm biến cảm biến hướng gió tốc độ gió, cảm biến đo xạ mặt trời, - Kết hợp với thiết bị tưới tiêu tự động với mức nhiệt độ, độ ẩm tương ứng mái che mưa trang trại quy mô vừa nhỏ - Phân tích liệu thời tiết ngày đưa dự báo thời tiết cho ngày 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ed Oswald, What is a Weather Station, website:https://www.weatherstationadvisor.com/what-is-a-weather-station/ [2] Arduino.vn, Lịch sử phát triển vi điều khiển vi xử lí website: http://arduino.vn/bai-viet/1073-lich-su-phat-trien-cua-vi-dieu-khien-va-vixu-li [3] smartfactory.vn, Tìm hiểu cơng nghệ Lora cách hoạt động website: https://smartfactoryvn.com/technology/internet-of-things/tim-hieu-ve-cong-nghelora-va-cach-hoat-dong [4] dammedientu.vn, Chuẩn giao tiếp spi cách kết nối website: http://dammedientu.vn/chuan-giao-tiep-spi-va-cach-ket-noi [5] Wayne Storr, Light Sensors website: https://www.electronics-tutorials.ws/io/io_4.html [6] dientutuonglai.com, So sánh PIC Arduino website: https://dientutuonglai.com/so-sanh-pic-va-arduino [7] Flynn Road, Camarillo, SX1276/77/78/78 – Bộ thu phát dải dài công suất thấp 137 Mhz đến 1020 Mhz website: https://cdn-shop.adafruit.com/product-files/3179/sx1276_77_78_79.pdf [8] microcontrollerslab.com, SX1278 LoRa RF Module website: https://microcontrollerslab.com/sx1278-lora-rf-module-pinout-arduino- interfacing-datasheet 66 PHỤ LỤC Phụ Lục 1: Chương trình Arduino Nano #include #include #include #include #include #include #include #define MUA - digitalRead(A3) BH1750 lightMeter(0x23); Adafruit_BMP280 bmp; // I2C int counter = 0; float t, p, l; String json; unsigned long tg; DynamicJsonBuffer jsonBuffer(100); JsonObject& root = jsonBuffer.createObject(); void setup() { Serial.begin(9600); while (!Serial); Serial.println("LoRa Sender"); if (!LoRa.begin(433E6)) { Serial.println("Starting LoRa failed!"); while (1); 67 } while (!bmp.begin(0x76, 0x58)) { Serial.println("Not Connect BMP"); delay(500); } lightMeter.begin(); Serial.println(F("BH1750 Test")); } void loop() { BMP(); BH(); LORA(); } void BH() { l = lightMeter.readLightLevel(); } void BMP() { t = bmp.readTemperature(); p = bmp.readPressure(); } void LORA() { root["m"] = MUA; root["t"] = t; root["p"] = p; root["l"] = l; 68 if (millis() - tg > 3000) { LoRa.beginPacket(); root.printTo(LoRa); LoRa.endPacket(); root.printTo(Serial); Serial.println(); tg = millis(); } } 69 Phụ lục 2: Chương trình ESP8266 NodeMCU LuaCP2012 #include #include #include #include "ThingSpeak.h" #include #define ss 15 #define rst 16 #define dio0 #define WIFI_SSID "Hoang" #define WIFI_PASSWORD "123456789" String json = ""; int t ; int p ; int l ; int m ; unsigned long myChannelNumber = 1742501; const char * myWriteAPIKey = "4GJQKD0R2RGLMI5G"; String myStatus = ""; WiFiClient client; void setup() { Serial.begin(9600); WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASSWORD); Serial.print("Connecting"); while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) { Serial.print("."); delay(500); } Serial.println(); Serial.print("Connected: "); Serial.println(WiFi.localIP()); while (!Serial); LoRa.setPins(ss, rst, dio0); Serial.println("LoRa Receiver"); if (!LoRa.begin(433E6)) { Serial.println("Starting LoRa failed!"); while (1); } ThingSpeak.begin(client); // Initialize ThingSpeak 70 } void loop() { LORA(); // THINGSP(); } void THINGSP() { ThingSpeak.setField(1, t); ThingSpeak.setField(2, p); ThingSpeak.setField(3, l); ThingSpeak.setField(4, m); int x = ThingSpeak.writeFields(myChannelNumber, myWriteAPIKey); if (x == 200) { Serial.println("Channel update successful."); } else { Serial.println("Problem updating channel HTTP error code " + String(x)); } delay(15000); } void LORA() { if (LoRa.parsePacket()) { if (LoRa.available()) { json = LoRa.readStringUntil('\r'); } DynamicJsonBuffer jsonBuffer(120); JsonObject& root = jsonBuffer.parseObject(json); // root.printTo(Serial); m = root["m"]; t = root["t"]; p = root["p"]; l = root["l"]; THINGSP(); } // Serial.print(String(m) + " "); // Serial.print(String(t) + " "); // Serial.print(String(p) + " "); // Serial.println(String(l)); } 71 ... tài: Thiết kế trạm thời tiết không dây sử dụng mạng Lora Sinh viên thực hiện: Lê Nguyễn Huy Hồng Trần Cơng Bảo Mã SV: 1711505110114 1811505410101 Đề tài ? ?Thiết kế trạm thời tiết không dây sửa dụng. .. - Thiết kế thành công trạm thời tiết cá nhân lượng thấp áp dụng vào lĩnh vực nơng nghiệp - Tìm hiểu cấu tạo nguyên lý hoạt động trạm thời tiết - Tìm hiểu mạng khơng dây sử dụng rộng rãi mạng Lora. .. trạm thời tiết Các nhà khí tượng chí sử dụng liệu từ trạm cá nhân Các trạm tư nhân lấp đầy khoảng trống mà trạm thời tiết thức khơng có  Chi phí cho trạm thời tiết Các thương hiệu phổ biến trạm