Thiết kế mô hình hệ thống giám sát chất lượng môi trường không khí đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật máy tính

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG MƠI TRƯỜNG KHƠNG KHÍ GVHD: ThS TRƯƠNG NGỌC HÀ SVTH: NGUYỄN VĂN HUY VÕ TRÍ TRIỀU SKL009633 Tp.Hồ Chí Minh, tháng 8/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO BỘ MƠN KỸ THUẬT MÁY TÍNH -VIỄN THƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH Đề tài: THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG MƠI TRƯỜNG KHƠNG KHÍ SVTH: NGUYỄN VĂN HUY MSSV: 18119078 VÕ TRÍ TRIỀU MSSV: 18119128 TP HỒ CHÍ MINH – 08/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO BỘ MÔN KỸ THUẬT MÁY TÍNH -VIỄN THƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH Đề tài: THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG MƠI TRƯỜNG KHƠNG KHÍ SVTH: NGUYỄN VĂN HUY MSSV: 18119078 VÕ TRÍ TRIỀU MSSV: 18119128 TP HỒ CHÍ MINH – 08/2022 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** -TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Văn Huy MSSV: 18119078 Võ Trí Triều MSSV: 18119128 Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật máy tính Lớp: 18119CL1 Giảng viên hướng dẫn: ThS Trương Ngọc Hà Ngày nhận đề tài: Ngày nộp đề tài: Tên đề tài: THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG MƠI TRƯỜNG KHƠNG KHÍ Các số liệu, tài liệu ban đầu: Sản phẩm: TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN i CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** -TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022 PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên Sinh viên: Nguyễn Văn Huy MSSV: 18119078 Võ Trí Triều MSSV: 18119128 Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật máy tính Tên đề tài: THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG MƠI TRƯỜNG KHƠNG KHÍ Họ tên Giáo viên phản biện: NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm: ………… (Bằng chữ: ) GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN ii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực đề tài: “Thiết kế mơ hình hệ thống giám sát chất lượng khơng khí” này, nhóm thực nhận nhiều giúp đỡ từ phía Thầy/Cơ, gia đình bạn bè Đặc biệt, nhóm thực đề tài xin chân thành cảm ơn Thầy ThS Trương Ngọc Hà nỗ lực giúp đỡ, bảo hướng dẫn nhiệt tình để nhóm hồn thiện đề tài Nhóm xin phép gửi đến thầy lịng biết ơn lời cảm ơn chân thành sâu sắc Nhóm thực xin cảm ơn Giảng viên trường ĐH Sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, bạn sinh viên lớp hỗ trợ thời gian tính thần đóng góp ý kiến chia sẻ kinh nghiệm quý báu để giúp nhóm hồn thành đề tài Cuối cùng, cho dù nhóm thực cố gắng để hoàn thành mục tiêu đề tài đặt đảm bảo thời gian thực kiến thức cách triển khai công việc chưa chuyên nghiệp nên chắn kết thực nhóm khơng tránh khỏi thiếu sót, mong Thầy/Cơ bạn sinh viên cảm thơng Nhóm mong nhận ý kiến Thầy/Cơ bạn sinh viên Nhóm xin chân thành cảm ơn! Nhóm thực đề tài Nguyễn Văn Huy iii Võ Trí Triều LỜI CAM ĐOAN Nhóm xin cam kết thực đề tài: “THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG MƠI TRƯỜNG KHƠNG KHÍ” thực dựa nỗ lực, cố gắng với hỗ trợ hướng dẫn tận tình thầy hướng dẫn ThS Trương Ngọc Hà Dữ liệu kết trình thực đề tài tốt nghiệp trung thực kết dự án nghiên cứu tương tự không chép sử dụng Tài liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ phụ lục tham khảo Đại diện nhóm thực đồ án tốt nghiệp (ký ghi rõ họ tên) iv TĨM TẮT Trước hết, nhóm tìm hiểu vấn đề liên quan đến yếu tố gây mức độ nhiễm có khơng khí, nguyên nhân việc đánh giá chất lượng khí Tìm hiểu kiến thức AQI cách tính tốn AQI theo chuẩn Việt Nam Tìm hiểu truyền thông LoRa, cách thức hoạt động trao đổi liệu nút Thơng qua tìm hiểu nhóm thực đề “Thiết kế mơ hình hệ thống giám sát mơi trường khơng khí” thơng qua LoRa để kết hợp nút để đưa tối ưu thuận tiện cho việc di chuyển lắp đặt Ứng dụng hệ thống tương đối ổn định áp dụng nhà máy xí nghiệp hầm mỏ nơi thường có điều kiện mơi trường khơng khí với mức độ nhiễm tương đối cao cố rị rỉ khí gas Tùy theo ứng dụng thực tế nhóm thực lựa chọn cảm biến phù hợp với điều kiện hồn cảnh mơi trường, nhỏ gọn Ngồi nhóm cịn tạo Website phần mềm di động nhằm tích hợp với phần cứng nhằm tối ưu hóa đề tài Cùng với việc thu thập liệu nhóm cịn kết hợp với việc điều khiển số thiết bị mô Dưới nghiên cứu chi tiết kết đạt mà nhóm thực v MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN III LỜI CAM ĐOAN IV TÓM TẮT V MỤC LỤC VI DANH MỤC HÌNH IX DANH MỤC BẢNG XII CÁC TỪ VIẾT TẮT XIII CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 GIỚI THIỆU 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY 1.3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 1.4 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.6 BỐ CỤC QUYỂN BÁO CÁO CHƯƠNG 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ AQI 2.1.1 Giới thiệu AQI 2.1.2 Tính tốn AQI dựa thang đo 2.1.3 Tính giá trị AQIh thơng số (AQIx) 2.2 GIỚI THIỆU CÁC CHUẨN GIAO TIẾP 2.2.1 Giới thiệu LoRa 2.2.2 Chuẩn giao tiếp UART 2.2.3 Chuẩn giao tiếp SPI 2.2.4 Chuẩn giao tiếp I2C 10 2.3 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 11 2.3.1 Mô-đun Node MCU-32S 11 vi Hình 9: Màn hình hiển thị chế độ thủ cơng Cơ sở liệu mà nhóm sử dụng để lưu trữ số liệu thu thập Realtime Database Firebase, với khả dễ dàng nhận liệu truyền từ phần cứng gửi đến liệu dễ dàng ứng dụng website lấy dùng cho việc giám sát, tính tốn cảnh báo Thơng qua hình 4.10, liệu lưu trữ ở dạng chữ kiểu số kiểu ký tự thiết lập để chuyển đổi chế độ tự động thủ công Việc bật/tắt thiết bị có tín hiệu từ CSDL Firebase nhóm thực dựa mức mức tương ứng với việc bật/tắt mở/đóng Ngồi thơng số thu thập lưu trữ CSDL Firebase 59 Hình 10: Dữ liệu lưu trữ Firebase Mơ hình hệ thống nhóm ngồi chức hiển thị thơng số cịn có khả điều khiển thiết bị để giảm bớt nguy nhiễm từ mơi trường khơng khí Nhóm thực mơ hình việc mơ thiết bị quạt, cửa, … với kích thước nhỏ nhóm áp dụng thực tế mà không mô Khi điều khiển bật/tắt thiết bị, hình LCD có nhiệm vụ hiển thị thơng tin thiết bị điều khiển đóng hay mở, bật hay tắt Kết hợp với nút nhấn có vai trị điều khiển bật, tắt đóng, mở thiết bị giúp người sử dụng có nhiều lựa chọn Website ứng dụng thiết bị di động Dưới hình 4.11 mơ hoạt động thiết bị trình kiểm thử mơ hình 60 Hình 11: Các trạng thái hoạt động thiết bị Khi điều khiển Website cần đăng nhập vào để xác minh danh tính người dùng Khi nhập sai tài khoản mật hình thơng báo u u cầu nhập lại (hình 4.12) 61 Hình 12: Giao diện đăng nhập người dùng Khi đăng nhập tài khoản mật Website chuyển đến trang giám sát hình 4.13 Ngồi tính liệu theo thời gian thực giao diện người dùng giám sát số môi trường thu thập Hình 13: Giao diện giám sát Khi người dùng đăng nhập với tài khoản cấp quyền điều khiển chọn “Điều khiển” điều hướng xuất giao diện để điều khiển thiết bị hình 4.14 Khi gạt bật/tắt gạt Website nhấn “Thiết lập” tín hiệu điều khiển cập nhật lên sở liệu Firebase từ vi điều khiển đọc tín hiệu điều khiển thiết bị tương ứng đồng thời chế độ hoạt động chuyển sang thủ cơng 62 Hình 14: Giao diện thiết lập điều khiển Hình 15: Giao diện thiết lập ngưỡng Khi người dùng chọn vào “Cài đặt ngưỡng” điều hướng xuất giao diện để người dùng thiết lập thơng số xét ngưỡng hình 4.15 Sau nhấn “Thiết lập” số liệu xét cập nhật lên CSDL Firebase chế độ hoạt động chuyển sang chế độ tự động Ứng dụng di động giúp người dùng dễ dàng điều khiển tùy chỉnh thiết bị đồng thời giám sát từ xa Khi mở ứng dụng, người dùng giám sát thông số PM2.5, PM10, CO, Gas, nhiệt độ, độ ẩm, giá trị AQI nhận thông báo giá trị AQI vượt ngưỡng Khi người dùng muốn điều khiển thiết bị cần phải nhấn vào biểu tượng góc phải hình 4.17 Sau hình điều khiển xuất hình 4.18 Hình 16: Giao diện giám sát Hình 17: Giao diện điều khiển 63 Ở người dùng nhấn vào icon điều khiển thiết bị, kiểm tra xem đăng nhập tài khoản chưa, chưa đưa đến hình đăng nhập, người dùng đăng nhập có tài khoản, chưa có tạo tài khoản hình 4.18 Sau đăng nhập đến hình điều khiển để bật tắt thiết bị, đăng nhập chuyển đổi qua lại hình hình điều khiển Nếu người dùng muốn biết thơng tin đăng nhập nhấn vào icon tài khoản để xem, nhấn vào icon đăng xuất đưa người dùng hình quay lại bước ban đầu Hình 18: Giao diện đăng nhập đăng ký 64 4.3 KẾT QUẢ KIỂM TRA CHẠY THỬ MƠ HÌNH Sau lắp ráp hồn thành mơ hình nhóm chạy kiểm thử tính ổn định xác tồn hệ thống Kiểm thử việc thu thập từ cảm biến truyền nhận kết nối mạng LoRa, kiểm thử việc điều khiển thiết bị Dưới kết chạy thử nghiệm mơ hình truyền nhận từ nút điều khiển thiết bị: Bảng 10: Bảng số liệu truyền nhận liệu Nút truyền Trạm nhận (Sensor Node) (Station) Truyền nhận liệu (trong tiếng) Gửi 30 gói tin Nhận 26 gói tin Các cảm biến Hoạt động ổn định Nhóm thực chạy kiểm thử hệ thống vòng Do hệ thống thiết kế với việc gửi liệu phút lần, nút (Sensor Node) truyền tổng cộng 30 gói tin trạm (Station) nhận 26 gói tin (bảng8) Việc thất gói tin hồn tồn khơng ảnh hưởng đến tính hiệu hệ thống khoảng thời gian thực gửi gói tin cách khơng q lâu nên tính xác đảm bảo Bảng 11: Bảng số liệu điều khiển thiết bị Nút nhấn Website Ứng dụng di động Điều khiển thiết bị 30 lần thành công 30 lần thành công 30 lần thành công (30 lần) Đối với việc chạy kiểm thử điều khiển thiết bị, kết điều khiển cho thấy hệ thống hoạt động xác với tốc độ phản hồi không giây phụ thuộc vào tốc độ đường truyền mạng Sau thời gian thử nghiệm mơ hình nút hoạt động liên tục 20 trước hết nguồn pin 7200mAh 65 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu, tìm tịi thực hỗ trợ tận tình giáo viên hướng dẫn, nhóm thực hồn thành báo cáo đề tài xây dựng mơ hình theo yêu cầu đề từ lúc đầu Nhìn chung nhóm đáp ứng với u cầu đặt ban đầu Xây dựng mơ hình hệ thống thu thập tác nhân gây ô nhiễm môi trường từ cảm biến Gửi liệu đo từ nút cảm biến khối trung tâm Xây dựng sở dữ liệu để lưu trữ số liệu, từ tính tốn hiển thị cảnh báo thông số thơng qua ứng dụng di động Website Ngồi ra, cịn điều khiển thiết bị để giảm mức ô nhiễm khu vực thu thập Dưới số nhận xét nhóm: - Ưu điểm: o Mơ hình lưu trữ trạng thái thiết bị o Mơ hình giám sát điều khiển thiết bị nơi đâu có mạng internet thơng qua Website ứng dụng di động o Mơ hình hoạt động u cầu hệ thống o Có thể sử dụng pin ắc quy để cấp nguồn cho hệ thống o Phản hồi hệ thống tương đối nhanh, độ trễ thấp o Mơ hình tương đối gọn gàng nên dễ dàng việc di chuyển - Hạn chế: o Bị phụ thuộc vào tốc độ wifi 4G o Khoảng cách nút với o Cần phải tính tốn cơng suất mơ hình sử dụng nguồn cấp pin để thay sử dụng gần hết Nhìn chung, mơ hình đạt u cầu mà nhóm đề ban đầu, nhỏ gọn, dễ dàng sử dụng Sử dụng nguồn cấp nhỏ nên an toàn cho người sử dụng tránh nguy có 66 tai nạn liên quan đến điện Tuy nhiên hạn chế cần phải khắc phục muốn sử dụng rộng rãi: tốc độ điều khiển phản hồi hệ thống phụ thuộc vào Wifi 4G, khoảng cách nút, tượng nhiễu sai sót trình thi cơng mạch in hàn linh kiện Trong thời gian thực mơ hình chắn gặp khó khăn, cản trở nhiên nhóm vượt qua học hỏi nhiều điều tích lũy cho nhóm thực kinh nghiệm quý báu để ứng dụng vào sống cơng việc 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Qua q trình thực kinh nghiệm tích lũy được, nhóm đề xuất ý tưởng nhằm khắc phục hạn chế hồn thiện mơ hình như: - Mơ hình cần cải tiến để sử dụng thu thập nhiều mơi trường khác đa dạng - Ngồi kết nối với loại cảm biến có chức thu thập nồng độ chất có khơng khí để tăng cường thêm độ xác - Cải thiện giao diện người dùng chức Website phần mềm di động nhằm tối ưu hóa chất lượng - Thực việc gia tăng khoảng cách truyền nhận liệu đồng thời đo đạc tính tốn lượng điện tiêu thụ nút trạm 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TỔNG CỤC MƠI TRƯỜNG, "Hướng dẫn kỹ thuật tính tốn cơng bố số chất lượng khơng khí Việt Nam (VN_AQI)," 2019 [2] "Tra cứu số chất lượng môi trường Việt Nam," [Online] Available: https://ungphosuco.vn/tra-cuu-chi-so-o-nhiem-moi-truong-tai-viet-nam/ [Accessed 5 2022] [3] M C.Mirabelli, "Air Quality Index and air quality awareness among adults in the United States," ESEVIER, 2020 [4] A S Rawat, "LoRa (Long Range) and LoRaWAN Technology for IoT Applications in COVID-19 Pandemic," 2020 [5] Meta Platforms, "reactjs," [Online] Available: https://reactjs.org/ [Accessed 2022] [6] G Thomas, "freeCodeCamp," 12 12 2019 [Online] Available: https://www.freecodecamp.org/news/what-is-flutter-and-why-youshould-learn-it-in-2020/ [Accessed 2022] [7] Gaurav, "Read&Revise," Read&Revise, 2020 [Online] Available: https://readnrevise.com/what-is-flutter/ [Accessed 2022] [8] "DEVIOT," [Online] Available: https://deviot.vn/blog/giao-tiep- spi.74706311 [Accessed 12 2022] [9] "DEVIOT," [Online] Available: https://deviot.vn/tutorials/pic.22296474/giao-tiep-uart.93780684 [Accessed 10 2022] [10] "DEVIOT," [Online] Available: https://deviot.vn/blog/giao-tiep- onewire.72581713 [Accessed 2022] [11] "DEVIOT," [Online] Available: i2c.05019305 [Accessed 14 2022] 68 https://deviot.vn/blog/giao-tiep- [12] "HANWEI ELECTRONICS," [Online] Available: https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Biometric/MQ-4.pdf [Accessed 23 2022] [13] "Ai-Thinker," [Online] Available: https://docs.aithinker.com/_media/esp32/docs/nodemcu-32s_product_specification.pdf [Accessed 2022] [14] "Hshop," [Online] Available: https://hshop.vn/ [Accessed 17 2022] [15] "cdn-reichelt," [Online] Available: https://cdnreichelt.de/documents/datenblatt/X200/SDS011-DATASHEET.pdf [Accessed 12 2022] [16] "HANWEI ELECTRONICS," [Online] Available: https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Biometric/MQ-7.pdf [Accessed 21 2022] [17] "Sensirion," [Online] Available: https://sensirion.com/products/catalog/SHT30-DIS-F/ [Accessed 12 2022] [18] "storelinhkien," [Online] Available: https://storelinhkien.com/san- pham/lcd-1602-i2c-xl/ [Accessed 2022] [19] "Farnell," [Online] Available: https://www.farnell.com/datasheets/2171929.pdf [Accessed 2022] [20] "Joy-IT," Joy-IT, [Online] Available: https://uelectronics.com/wpcontent/uploads/2017/06/KY-012-Joy-ITDATA.pdf 2022] 69 [Accessed 16 PHỤ LỤC 70 ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập – Tự Do – Hạnh phúc KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO Tp HCM, ngày tháng năm 2022 BẢN GIẢI TRÌNH CHỈNH SỬA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH: CNKT MÁY TÍNH Tên đề tài: THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG MƠI TRƯỜNG KHƠNG KHÍ Tên sinh viên: Nguyễn Văn Huy MSSV: 18119078 Tên sinh viên: Võ Trí Triều MSSV: 18119128 GVHD: ThS Trương Ngọc Hà Hội đồng bảo vệ HĐ 3, phòng A4-403, ngày tháng năm 2022 Giải trình chỉnh sửa báo cáo đồ án tốt nghiệp: TT Nội dung góp ý Chỉnh sửa lấp đầy trang trống Chỉnh sửa lại tên tài Đã bổ sung chỉnh sửa vị trí đoạn văn để lấp đầy trang trắng Đã chỉnh sửa bổ sung tên liệu tham khảo cho tài liệu tham khảo phần tài quy cách Kết chỉnh sửa, bổ sung Hội đồng Thống gạch đầu dòng Chỉnh sửa lại điểm nối hình 3.2.2 liệu tham khảo Đã chỉnh sửa lại mức gạch đầu dòng báo cáo Đã chỉnh sửa ký hiệu điểm nối khác trang 71 Ghi Chỉnh sửa lại hình 3.6 phần sơ đồ mạch 3.6 trang Bổ sụng nội dung kết Đã chỉnh sửa sơ đồ mạch hình Đã bổ sung phần kết luận tổng luận tổng kết lại chức kết chức hệ thống đã thực Xác nhận trưởng ngành xây dựng Xác nhận GVHD (Ký họ tên) (Ký họ tên) 72 Nhóm thực báo cáo (Ký họ tên) S K L 0