(TIỂU LUẬN) đề tài hệ THỐNG CẢNH báo CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ, HIỂN THỊ NHIỆT độ, độ ẩm lên WEB

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ I *** BÁO CÁO MÔN THIẾT KẾ NGOẠI VI VÀ KỸ THUẬT GHÉP NỐI Đề tài: HỆ THỐNG CẢNH BÁO CHẤT LƯỢNG KHƠNG KHÍ, HIỂN THỊ NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM LÊN WEB Giảng viên hướng dẫn Nhóm Sinh viên thực Mục Lục LỜI MỞ ĐẦU PHẦN I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 1.1.1 ESP32 Giới thiệu chung 1.1.2 Thông số kĩ thuật 1.1.3 So sánh ESP32 ESP8266 1.2 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 1.2.1 Giới thiệu chung 1.2.2 Cấu tạo 1.2.3 Sơ đồ chân thông số kỹ thuật 1.2.4 So sánh DHT22 DHT11 1.3 Cảm biến bụi GP2Y1010AU0F 1.3.1 Giới thiệu chung cách hoạt động 1.3.2 Bảng kết nối chức chân cảm biến 1.3.3 Thông số kỹ thuật PHẦN II NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 2.1 Sơ đồ khối hệ thống 2.2 Sơ đồ nguyên lý 2.3 Nguyên lý hoạt động 2.3.1 Nguyên lý chung 2.3.2 Nguyên lý khối PHẦN III KẾT QUẢ 3.1 Giao diện web 3.2 Hướng phát triển LỜI CẢM ƠN LỜI MỞ ĐẦU Mỗi giai đoạn phát triển lịch sử giới gắn liền với cách mạng khoa học kỹ thuật Và ngày nay, cách mạng Internet of Things tạo nên thay đổi đáng kể sống tương lai Với phát triển Internet, Smartphone đặc biệt thiết bị cảm biến, Internet of Things (IOT) trở thành xu hướng giới IOT mạng lưới vật thể gắn cảm biến hệ thống điện tử đặc biệt cho phép chúng kết nối với để thu thập trao đổi liệu Các vật thể mạng lưới kết nối với mạng Internet cho mục đích điều khiển giám sát từ xa Việc vào nhà, mở cửa, đèn tự động sáng chỗ ta đứng, điều hòa tự động điều chỉnh nhiệt độ, nhạc tự động bật lên, Những điều có phim khoa học viễn tưởng mà thường xem, dần trở thành thực với công nghệ IOT Ngày nay, mức độ ô nhiễm tăng lên theo thời gian nhiều yếu tố gia tăng dân số, gia tăng sử dụng phương tiện, q trình cơng nghiệp hóa thị hóa dẫn đến tác hại người ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe người tiếp xúc với Vì vậy, cần theo dõi số chất lượng khơng khí Trong dự án này, chúng em tạo Hệ thống giám sát số chất lượng khơng khí dựa IoT, chúng em theo dõi số chất lượng khơng khí qua Webserver Khi sử dụng cảm biến chất lượng khơng khí MQ135 phát mức độ nhiễm khơng khí khác Ngồi ra, chúng em cịn đo nhiệt độ, độ ẩm thơng qua cảm biến DHT22, độ bụi cảm biến bụi GP2Y1010AU0F tất liệu đọc gửi lên Web gửi messenger Thiết kế, xây dựng hệ thống iot để hiển thị liệu cảm biến nhiệt độ, độ ẩm trạng thái led Sử dụng ESP32 để truyền nhận liệu Xây dựng trang web để thị liệu đọc từ cảm biến thông báo cho người sử dụng biết chất lượng khơng khí khơng tốt PHẦN I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 ESP32 1.1.1 Giới thiệu chung ESP32 kết hợp WiFi Bluetooth chip Board phát triển Nhờ đó, ESP32 vừa phát tín hiệu điều khiển vừa nhận tín hiệu điều khiển từ thiết bị khác thơng qua Wifi Bluetooth Tối ưu hóa việc tiêu thụ lượng: ESP32 thiết kế để phù hợp với thiết bị di động, thiết bị ứng dụng IoT Được tích hợp bên cảm biến cảm biến nhiệt, biến Hall cảm ứng chạm Hình 1.1 Sơ đồ chân ESP32 1.1.2 Thông số kĩ thuật  CPU - CPU: Xtensa Dual-Core LX6 microprocessor - Chạy hệ 32 bit - Tốc độ xử lý 160MHZ up to 240 MHz - Tốc độ xung nhịp đọc flash chip 40 Mhz > 80 Mhz (tùy chỉnh lập trình) - RAM: 520 KByte SRAM liền chip – KB RAM RTC tốc độ cao – KB RAM RTC tốc độ thấp (dùng chế độ DeepSleep)  Hỗ trợ giao tiếp không dây - Wi-Fi: 802.11 b/g/n/e/i - Bluetooth: v4.2 BR/EDR and BLE  Hỗ trợ tất loại giao tiếp - cổng 8-bit DACs (digital to analog) - 16 cổng Analog (ADC) 12-bit - cổng I2C - cổng UART - cổng SPI (1 cổng cho chip FLASH) - cổng I2S - SD card /SDIO/MMC host - Slave (SDIO/SPI) - Hỗ trợ Ethernet MAC interface with dedicated DMA and IEEE 1588 - CAN bus 2.0 - IR (TX/RX) - Băm xung PWM (tất chân) - Ultra low power analog pre-amplifier  Cảm biến tích hợp chip ESP32 - cảm biến Hall (cảm biến từ trường) - cảm biến đo nhiệt độ - Cảm biến chạm (điện dung) với 10 đầu vào khác  Nguồn điện hoạt động - Nhiệt độ hoạt động -40 + 85C - Điện áp hoạt động: 2.2-3.6V - Số cổng GPIOs: 34  Chức chân GPIO  Chỉ đầu vào chân GPIO từ 34 đến 39 GPI - chân đầu vào Các chân khơng có điện trở kéo lên kéo xuống bên Chúng khơng thể sử dụng làm đầu ra, sử dụng chân làm đầu vào: GPIO34, GPIO35, GPIO36, GPIO39  Đèn flash SPI tích hợp GPIO đến GPIO 11 hiển thị số bảng phát triển ESP32 Tuy nhiên, chân kết nối với đèn flash SPI tích hợp chip ESPWROOM-32 khơng khuyến khích cho mục đích sử dụng khác Vì vậy, khơng sử dụng chân dự án: GPIO (SCK / CLK) GPIO (SDO / SD0) GPIO (SDI / SD1) GPIO (SHD / SD2) GPIO 10 (SWP / SD3) GPIO 11 (CSC / CMD)  GPIO cảm ứng điện dung ESP32 có 10 cảm biến cảm ứng điện dung bên Chúng cảm nhận biến thể thứ chứa điện tích, da người Vì vậy, họ phát biến thể gây chạm vào GPIO ngón tay Các chân dễ dàng tích hợp vào miếng đệm điện dung, thay nút học Các chân cảm ứng điện dung sử dụng để đánh thức ESP32 Các cảm biến cảm ứng bên kết nối với GPIO sau: T0 (GPIO 4) T1 (GPIO 0) T2 (GPIO 2) T3 (GPIO 15) T4 (GPIO 13) T5 (GPIO 12) T6 (GPIO 14) T7 (GPIO 27) T8 (GPIO 33) T9 (GPIO 32)  Bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số (ADC) ESP32 có kênh đầu vào ADC 18 x 12 bit (trong ESP8266 có ADC 1x 10 bit) Đây GPIO sử dụng làm ADC kênh tương ứng: ADC1_CH0 (GPIO 36) ADC1_CH1 (GPIO 37) ADC1_CH2 (GPIO 38) ADC1_CH3 (GPIO 39) ADC1_CH4 (GPIO 32) ADC1_CH5 (GPIO 33) ADC1_CH6 (GPIO 34) ADC1_CH7 (GPIO 35) ADC2_CH0 (GPIO 4) ADC2_CH1 (GPIO 0) ADC2_CH2 (GPIO 2) ADC2_CH3 (GPIO 15) ADC2_CH4 (GPIO 13) ADC2_CH5 (GPIO 12) ADC2_CH6 (GPIO 14) ADC2_CH7 (GPIO 27) ADC2_CH8 (GPIO 25) ADC2_CH9 (GPIO 26) Các kênh đầu vào ADC có độ phân giải 12 bit Điều có nghĩa bạn nhận số đọc tương tự từ đến 4095, tương ứng với 0V 4095 đến 3,3V Cũng đặt độ phân giải kênh mã, phạm vi ADC  Bộ chuyển đổi Digital sang Analog (DAC) Có kênh DAC x bit ESP32 để chuyển đổi tín hiệu kỹ thuật số thành đầu tín hiệu điện áp tương tự Đây kênh DAC: DAC1 (GPIO25) DAC2 (GPIO26)  GPIO RTC Có hỗ trợ GPIO RTC ESP32 Các GPIO chuyển đến hệ thống công suất thấp RTC sử dụng ESP32 chế độ ngủ sâu Các GPIO RTC sử dụng để đánh thức ESP32 khỏi chế độ ngủ sâu đồng xử lý Công suất cực thấp (ULP) chạy Các GPIO sau sử dụng làm nguồn đánh thức bên RTC_GPIO0 (GPIO36) RTC_GPIO3 (GPIO39) RTC_GPIO4 (GPIO34) RTC_GPIO5 (GPIO35) RTC_GPIO6 (GPIO25) RTC_GPIO7 (GPIO26) RTC_GPIO8 (GPIO33) RTC_GPIO9 (GPIO32) RTC_GPIO10 (GPIO4) RTC_GPIO11 (GPIO0) RTC_GPIO12 (GPIO2) RTC_GPIO13 (GPIO15) RTC_GPIO14 (GPIO13) RTC_GPIO15 (GPIO12) RTC_GPIO16 (GPIO14) RTC_GPIO17 (GPIO27)  PWM Bộ điều khiển ESP32 LED PWM có 16 kênh độc lập cấu hình để tạo tín hiệu PWM với đặc tính khác Tất chân hoạt động đầu sử dụng làm chân PWM (GPIO từ 34 đến 39 tạo PWM) Để đặt tín hiệu PWM, bạn cần xác định thơng số mã: Tần số tín hiệu; Chu kỳ nhiệm vụ; Kênh PWM; GPIO nơi bạn muốn xuất tín hiệu  I2C ESP32 có hai kênh I2C chân đặt làm SDA SCL Khi sử dụng ESP32 với Arduino IDE, chân I2C mặc định là: GPIO 21 (SDA) GPIO 22 (SCL)  SPI Theo mặc định, ánh xạ pin cho SPI là: SPI MOSI VSPI GPIO23 HSPI GPIO13  Ngắt Tất GPIO cấu ngắt  Cảm biến hiệu ứng Hall tích hợp ESP32 ESP32 có cảm biến hiệu ứng hội trường tích hợp để phát thay đổi từ trường xung quanh 1.1.3 So sánh ESP32 ESP8266  Tổng quan: - Cả hai chip có xử lý 32-bit ESP32 có CPU dual core 160MHz đến 240MHz CPU ESP8266 single core chạy 80MHz Chúng ta biết vi xử lý phải có CPU (core) để làm nhiệm vụ trung tâm xử lý hoạt động Khi ESP32 có CPU có nghĩa chạy nhiều tác vụ, xử lý nhanh - Các module kèm với ngoại vi hỗ trợ nhiều loại giao thức SPI, I2C, UART, ADC, DAC, PWM ESP8266 17 chân GPIO, ADC độ phân giải 10 bit, kênh PWM mềm ESP 32 có tới 30/36 chân GPIO, 18 kênh ADC độ phân giải 12-bit, 16 kênh PWM mềm, Touch Sensor, Hall Effect Sensor… - Về nhớ ESP32 có thêm 4MB External Flash 520KB SRAM (static random access memory) KB RAM RTC tốc độ cao – KB RAM RTC tốc độ thấp (dùng chế độ DeepSleep)  Điểm vượt trội ESP32 với ESP8266 - Điểm vượt trội ESP32 với ESP8266 chình công nghệ Bluetooth Ultra Low Power - ESP32 hỗ trợ Bluetooth 4.2 BLE (Bluetooth Low Energy) Việc hỗ trợ bluetooth khiến ESP32 tương tác với thiết bị bàn phím, chuột, điện thoại mà khơng có wifi - Ultra Low Power giải vấn đề lượng cho ESP sử dụng Wi-Fi ngốn điện đặc biệt sử dụng pin phải tính tốn kĩ 1.2 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT22 1.2.1 Giới thiệu chung DHT22 cảm biến nhiệt độ độ ẩm có độ xác cao Cảm biến đo giá trị độ ẩm tương đối Nó sử dụng phần tử cảm biến điện dung để đo Độ ẩm Để đo nhiệt độ, sử dụng nhiệt điện trở NTC Cảm biến sử dụng điều kiện khắc nghiệt Nó có sẵn dạng cảm biến Mô-đun 1.2.2 Cấu tạo - Cảm biến DHT22 bao gồm phần tử cảm biến độ ẩm điện dung điện trở nhiệt để cảm nhận nhiệt độ Tụ điện cảm biến độ ẩm có hai điện cực với chất giữ ẩm làm chất điện môi chúng Thay đổi giá trị điện dung xảy với thay đổi mức độ ẩm IC đo, xử lý giá trị điện trở thay đổi chuyển chúng thành dạng kỹ thuật số - Để đo nhiệt độ, cảm biến sử dụng nhiệt điện trở có hệ số nhiệt độ âm, làm giảm giá trị điện trở nhiệt độ tăng Để có giá trị điện trở lớn thay đổi nhỏ nhiệt độ, cảm biến thường làm gốm bán dẫn polymer 1.2.3 Sơ đồ chân thông số kỹ thuật  Sơ đồ chân Vcc Data NC Ground  Thơng số kỹ thuật: Nguồn sử dụng: 3~5VDC Dịng sử dụng: 2.5mA max (khi truyền liệu) Đo tốt độ ẩm 0100%RH với sai số 2-5% Đo tốt nhiệt độ -40 to 80°C sai số ±0.5°C Tần số lấy mẫu tối đa 0.5Hz (2 giây lần) Kích thước 27mm x 59mm x 13.5mm (1.05" x 2.32" x 0.53") chân, khoảng cách chân 0.1'' 10 1.2.4 So sánh DHT22 DHT11 - DHT11 DHT22 (AM2302) cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số đo nhiệt độ độ ẩm Chúng trông giống hoạt động theo cách, có thơng số kỹ thuật khác - Cả hai cảm biến cấp nguồn 3.3V 5V Vì dễ dàng sử dụng chúng dự án Arduino ESP - Cảm biến DHT22 có độ phân giải tốt phạm vi đo nhiệt độ độ ẩm rộng Tuy nhiên, đắt chút yêu cầu đọc với khoảng thời gian giây - DHT11 rẻ chút, có phạm vi nhỏ xác Nhưng nhận số cảm biến giây - Mặc dù có khác biệt hai hoạt động theo cách tương tự sử dụng code để đọc nhiệt độ độ ẩm Chúng ta cần chọn code loại cảm biến sử dụng 11 1.3 Cảm biến bụi GP2Y1010AU0F 1.1 1.2 1.3 1.3.1 Giới thiệu chung cách hoạt động Hình 1.4 Cảm biến bụi GP2Y1010AU0F GP2Y10 dòng cảm biến dùng để đo mật độ bụi khơng khí gồm có phận chính: IR led, Phototransistor, Amplifer GP2Y10 cảm biến đo hạt bụi PM2.5 Khi hạt bụi lọt vào lỗ cảm biến, đèn hồng ngoại IR phát tín hiệu bị hạt bụi dội lại vào phototransistor lúc điện áp từ phototransistor đưa đến amplifer (mạch khuếch đại) xuất chân Vo Theo datasheet, lần đo khoảng 10ms Mỗi lần đo gồm có: Bật IR LED Delay 0.28ms 12 Đọc giá trị analog Tắt IR LED Delay 0.04ms Delay 9.68ms Sau đo xong, cần chuyển đổi từ analog sang vol sang mg/m^3 Tương ứng với 0.5V 0.1mg/m^3 Tuy nhiên, sau thử nghiệm kết đưa không chuẩn với theo datasheet, nên người ta dùng thuật tốn linear equation để tìm phép tính gần sau khảo sát dustDensity = 0.172 * calcVoltage - 0.1 Hình 1.5 Đồ thị cho thuật tốn linear equation Tại gọi Dust sensor PM2.5? Ở đây, PM có nghĩa chất dạng hạt (Particulate Matter) Cịn số 2.5 kích thước có đường kính nhỏ 2.5 micromet (1/triệu mét) Thế ta phải đo mật độ loại bụi nhỏ hạt cát vậy? Các loại bụi PM2.5 nguy hiểm Các nhà khoa học cho biết: “những chất dạng hạt có đường kính 10µm xâm nhập vào thể người qua hoạt động hít thở.” Khác với PM10, loại PM2.5 chúng đặc biệt nguy hiểm có khả luồn lách 13 vào túi phổi tĩnh mạch phổi, gây nên nhiều bệnh chết người Trên hết, mức độ ô nhiễm PM2.5 giới mức đáng cảnh báo 1.3.1 1.3.2 Bảng kết nối chức chân cảm biến Hình 1.6 Chức chân cảm biến bụi 1.3.3 Thông số kỹ thuật Mức tiêu thụ hiên thấp: tối đa 20mA Điện áp hoat động điển hình: 4,5V đên 5,5V Kích thước bụi tối thiểu phát hiên: 0,5um Phạm vi cảm biến mật đô bụi: lên đến 580 ug/m3 Thời gian cảm biến: 1s Kích thước 1,81 x 1,18 x 0,69"(46,0x 30,0x 17,6mm) 14 PHẦN II NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 2.1 Sơ đồ khối hệ thống Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống 15 2.1 2.2 Sơ đồ nguyên lý Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch 2.3 Nguyên lý hoạt động 2.3.1 Nguyên lý chung Các cảm biến chất lượng khơng khí, cảm biến bụi đo giá trị số nồng độ bụi chất lượng khơng khí liên tục đưa giá trị lên Webserver ESP32 để hiển thị cho người sử dụng thông qua việc hiển thi giá trị với biểu đồ trực quan giá trị đo khoảng thời gian thực cho người sử dụng biết không mà số đọc khoảng thời gian trước Cảm biến nhiệt độ độ ẩm đọc hiển thị giá trị lên web Khi khối sử lý trung tâm phát có số vượt mức quy định, thông báo giao diện web hình thức chuyển đỏ thơng báo gửi tin nhắn trực tiếp đến messenger người sử dụng đăng kí để nhắc nhở tình trạng khơng khí hơm Để người sử dụng có biện pháp xử lý phù hợp nhà học tập, làm việc 16 2.2 2.3 2.3.1 2.3.2 Nguyên lý khối a) Khối cảm biến độ ẩm nhiệt độ Hình 2.3 Khối giao tiếp cảm biến DHT22 với Kit ESP32 Cảm biến DHT22 kết nối qua chuẩn giao tiếp dây, chân tín hiệu cảm biến kết nối với chân D4 Kit ESP32 Dải điện áp hoạt động cảm biến thuộc khoảng 3.3V-5V, chân VCC cảm biến đấu nối chung với chân 3v3 Kit b) Khối cảm biến bụi Hình 2.4 Khối giao tiếp cảm biến bụi Cảm biến bụi gồm ba phần chính: IR LED, Phototransistor, Amplifier Ở ta thấy có phận dùng để truyền nhận hồng ngoại (IR LED Phototransistor) phận đặt chệch gốc với Khi có bụi bay vào, tia hồng ngoại từ IR LED bị dội vào Phototransistor, lúc điện áp từ phototransistor đưa đến mạch khuếch đại xuất chân V0 Do để đọc thơng số từ cảm biến bụi chân V0 cảm biến kết nối với chân GPIO32, chân ADC1 Kit để đọc giá trị cần đo 17 c) Khối cảm biến khơng khí Hình 2.5 Khối giao tiếp cảm biến khơng khí MQ135 Chân tín hiệu A0 cảm biến MQ135 kết nối với chân GPIO32 Kit ESP32 để thực q trình đọc tín hiệu analog, mặt khác cảm biến MQ135 hoạt động dải điện áp 5v chân VCC kết nối với chân Vin Kit ESP32 PHẦN III KẾT QUẢ 3.1 Giao diện web Hình 3.1 Giao diện Web hiển thị 18 Hình 3.3 Mạnh thực tế 19 3.1 3.2 Hướng phát triển  Phát triển ứng dụng điện thoại (mobie app) hiển thị, thống báo điều khiển  Kết hợp việc đọc giá trị với đầu khác hệ thống IoT để điều khiển ví dụ bật quạt điều hòa nhiệt độ cao…  Lưu trữ liệu đo thông qua MQTT server Database  Gửi email báo cáo thông số lưu trữ file excel cho người sử dụng  Thêm hệ thống user, thiết kế hệ thống đăng kí cho nhiều người sử dụng 20 LỜI CẢM ƠN Thời gian vừa qua, chúng em xin gửi lời cảm ơn tới nhà trường “Học viện Cơng nghệ Bưu viễn thông” đưa môn học Thiết kế ngoại vi kỹ thuật ghép nối vào chương trình giảng dạy Đồng thời chúng em xin chân thành cảm ơn Giảng viên môn – Trần Thu Hà gỉang dạy, hướng dẫn, truyền đạt cho chúng em nhiều kiến thức bổ ích mơn thực hành chun sâu suốt thời gian vừa qua Trong thời gian nghe thầy giảng dạy, chúng em tiếp thu them nhiều kiến thức bổ ích, học hỏi dược tinh thần làm việc hiệu nghiêm túc Đây thực điều cần thiết cho trình học tập công việc chúng em sau Thiết kế ngoại vi kỹ thuật ghép nối mơn học bổ ích cần thiết, gắn liền với nhu cầu thực tiễn Mặc dù học tập tìm hiểu song thời gian học tập không nhiều nên hiểu biết môn chúng em chưa có nhiều cịn hạn chế Vậy nên, báo cáo chúng em có thiếu sót chưa xác hồn tồn Chúng em mong nhận nhận xét, ý kiến đóng góp, phê bình từ phía thầy để báo cáo nhóm em hồn thiện Lời cuối cùng, chúng em kính chúc nhiều sức khỏe, thành cơng hạnh phúc! Hà Nội, ngày 20 tháng năm 2022 Nhóm thực Hồng Đăng Phương Trần Đăng Hải Phạm Đình Hưng Nguyễn Du Nguyễn Khắc Đông 21 ... để hiển thị liệu cảm biến nhiệt độ, độ ẩm trạng thái led Sử dụng ESP32 để truyền nhận liệu Xây dựng trang web để thị liệu đọc từ cảm biến thông báo cho người sử dụng biết chất lượng khơng khí không. .. số chất lượng khơng khí Trong dự án này, chúng em tạo Hệ thống giám sát số chất lượng không khí dựa IoT, chúng em theo dõi số chất lượng khơng khí qua Webserver Khi sử dụng cảm biến chất lượng. .. Power giải vấn đề lượng cho ESP sử dụng Wi-Fi ngốn điện đặc biệt sử dụng pin phải tính tốn kĩ 1.2 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT22 1.2.1 Giới thiệu chung DHT22 cảm biến nhiệt độ độ ẩm có độ xác cao