DỰA TRÊN NỀN TẢN IOT THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM, ÁNH SÁNG QUA MẠNG WLAN

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: DỰA TRÊN NỀN TẢN IOT THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM, ÁNH SÁNG QUA MẠNG WLAN GVHD: GVC.Ths. TRẦN THANH MAI SVTH: NGUYỄN MINH TÂN MSSV: 09101119 Tp. Hồ Chí Minh – 12018ii TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆNĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP TỰ DO HẠNH PHÚC o0o Tp.HCM, ngày tháng 1 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Minh Tân MSSV: 09101119 Khóa: 2009 Lớp: Họ tên sinh viên: Nguyễn Minh Quốc MSSV: 12141630 Khóa: 2012 Lớp: 12141DT1A Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện – Điện Tử Mã ngành: 01 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 I. TÊN ĐỀ TÀI: DỰA TRÊN NÊN TẢN IOT THIẾT KẾ HỆ THÔNG GIÁM SÁT NHIỆU ĐỘ ĐỘ ẨM ÁNH SÁNG QUA MẠNG LAN II. NHIỆM VỤ 1. Mục đích của đề tài: Ứng dụng nền tản hệ thống Internet of Things (IoT) xây dựng hệ thống giám sát các thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng) qua mạng lan. 2. Nội dung thực hiện:  Nhiệm vụ 1: Nghiên cứu mạng cảm biến không dây công nghê IOT.  Nhiệm vụ 2: Tìm hiểu về kit Raspberry Pi.  Nhiệm vụ 3: Cài đặt hệ điều hành cho Raspberry Pi.  Nhiệm vụ 4: Kết nối với Raspberry Pi từ PC.  Nhiệm vụ 5: Nghiên cứu cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT22.  Nhiệm vụ 6: Nghiên cứu cảm biến cường độ ánh sáng BH1750.  Nhiệm vụ 7: Xây dựng mạng cảm biến giám sát các thông số môi trường qua việc sử dụng thiết bị Raspberry Pi và các thiết bị cảm biến.  Nhiệm vụ 8: Xây dựng chương trình và chạy thử nghiệm.  Nhiệm vụ 9: Cân chỉnh hệ thống.  Nhiệm vụ 10: Viết sách luân văn.  Nhiệm vụ 11: Báo cáo đề tài tốt nghiệp. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 03102017 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 13012018 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: GVC.ThS. Trần Thanh Mai CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆPiii TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆNĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP TỰ DO HẠNH PHÚC o0o Tp. HCM, ngày tháng 1 năm 2018 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Nguyễn Minh Tân Lớp: 091011A MSSV: 09101119 Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Minh Quốc Lớp: 12141DT1A MSSV: 12141630 Tên đề tài: DỰA TRÊN NÊN TẢN IOT THIẾT KẾ HỆ THÔNG GIÁM SÁT NHIỆU ĐỘ ĐỘ ẨM ÁNH SÁNG QUA MẠNG LAN Tuầnngày Nội dung Xác nhận GVHD 03102017 Giao nhiệm vụ 24102017 Báo cáo lý thuyết 14112017 Báo cáo tiến độ lần 1 28112017 Báo cáo tiến độ lần 2 05122017 Báo cáo tiến độ lần 3 12122017 Báo cáo tiến độ lần 4 26122017 Báo cáo tiến độ lần 5 1212018 Chỉnh sửa báo cáo 1312018 Hoàn thành GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) ThS.Trần Thanh Maiiv LỜI CAM ĐOAN Chúng tôi – Nguyễn Minh Tân và Nguyễn Minh Quốc cam đoan ĐATN là công trình nghiên cứu của bản thân chúng tôi dưới sự hướng dẫn của GVC.Ths Trần Thanh Mai. Các kết quả công bố trong ĐATN là trung thực và không sao chép từ bất kỳ công trình nào khác. Tp.HCM, ngày tháng 01 năm 2018 SV thực hiện đồ án Nguyễn Minh Tân Nguyễn Minh Quốcv LỜI CẢM ƠN Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến Thạc sĩ Trần Thanh Mai, giảng viên chính khoa kĩ thuât Điện Điện Tử Trường Đại học Sư Phạm Kĩ Thuật Tp. Hồ Chí Minh, cô đã dành nhiều thời gian tận tình chỉ bảo, hướng dẫn chúng em trong suốt quá trình tìm hiểu, triển khai và nghiên cứu đề tài. cô là người đã định hướng và đưa ra nhiều góp ý quý báu trong quá trình chúng em thực hiện đồ án này. Chúng em xin chân thành cảm ơn tới toàn thể các thầy giáo, cô giáo trong khoa Điện Điện Tử Trường Đại học Sự Phạm Kĩ Thuật Tp. Hồ Chí Minh đã dạy bảo tận tình, trang bị cho chúng em những kiến thức quý báu, bổ ích và tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình chúng em học tập và nghiên cứu tại trường. Chúng em cũng xin chân thành cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã luôn bên chúng em cổ vũ, động viên, giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình học tập và thực hiện đồ án. Do có nhiều hạn chế về thời gian và kiến thức nên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý thầy cô và các bạn cùng quan tâm. Cuối cùng chúng em xin gửi lời chúc sức khỏe và thành đạt tới tất cả quý thầy cô, gia đình và bạn bè. Xin chân thành cảm ơn Người thực hiện đề tài Nguyễn Minh TânMỤC LỤC Trang bìa .................................................................................................................. i Nhiệm vụ đồ án....................................................................................................... ii Lịch trình .............................................................................................................. iii Cam đoan .............................................................................................................. iv Lời cảm ơn.............................................................................................................. v Mục lục .................................................................................................................. vi Liệt kê hình vẽ ....................................................................................................... ix Liệt kê bảng vẽ....................................................................................................... xi Tóm tắt ................................................................................................................. xii CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ...................................................................... 1 1.1. Đặt vấn đề .................................................................................................... 1 1.2. Mục tiêu ....................................................................................................... 1 1.3. Nội dung nghiên cứu .................................................................................... 1 1.1. Giới hạn ........................................................................................................ 2 1.1. Bố cục .......................................................................................................... 2 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................... 4 2.1. TỔNG QUAN VỀ IOT( INTERNET OF THINGS) ................................... 4 2.1.1. Giới thiệu Internet of Things: ................................................................ 4 2.2. HỆ THỐNG IOT .......................................................................................... 5 2.2.1. Khái niệm IoT:....................................................................................... 5 2.2.2. IoT từ góc nhìn kỹ thuật ........................................................................ 5 2.2.3. Đặc điểm cơ bản và yêu cầu của một hệ thống IoT .............................. 7 2.2.4. Mô hình của một hệ thống IoT .............................................................. 8 2.3. LÀM QUEN VỚI RASPBERRY PI ........................................................... 9 2.3.1. Raspberry pi ........................................................................................... 9 2.3.2. Cấu tạo phần cứng ............................................................................... 10 2.3.3. Phần mềm Raspberry ........................................................................... 12vii 2.4. NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH PYTHON ....................................................... 13 2.4.1. Python là gì? ........................................................................................ 13 2.4.2. Đặc điểm của ngôn ngữ lập trình Python ............................................ 13 2.4.3. Các ứng dụng từ Raspberry Pi ............................................................. 15 2.4.4. Cài đặt webserver ................................................................................ 15 2.5. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ...................................................................... 17 2.5.1. Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DTH22 ................................................... 17 2.5.2. Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 ................................................ 18 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ........................................... 19 3.1. GIỚI THIỆU .................................................................................... 19 3.1.1. Yêu cầu bài toán: ....................................................................... 19 3.2. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ..................................... 20 3.2.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ..................................................... 20 3.2.2. Tính toán và thiết kế mạch ......................................................... 21 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ................................................. 24 4.1. GIỚI THIỆU ..................................................................................... 24 4.2. THI CÔNG HỆ THỐNG .................................................................. 24 4.2.1. Thi công bo mạch ...................................................................... 24 4.2.2. Lắp ráp và kiểm tra .................................................................... 24 4.3. THI CÔNG VÀ ĐÓNG GÓI MÔ HÌNH .......................................... 31 4.3.1. Thi công mô hình ....................................................................... 31 4.4. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ................................................................. 32 4.4.1. Lưu đồ giải thuật ........................................................................ 32 4.4.2. Phần mềm lập trình cho vi điều khiển ....................................... 33 4.4.3. Quá trình thực hiện .................................................................... 39 4.5. VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC .............. 41 4.5.1. Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng ................................................. 41 4.5.2. Quy trình thao tác ...................................................................... 41viii CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ ............................. 51 5.1. Kết quả nghiên cứu ........................................................................... 51 5.1.1. Hình ảnh thực tế của sản phẩm .................................................. 52 5.1.2. Hình ảnh thực tế của hệ thống cơ sở dữ liệu ............................. 55 5.2. Nhận xét và đánh giá......................................................................... 60 CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ....................... 61 6.1. Kết luận ............................................................................................. 61 6.2. Hướng phát triển ............................................................................... 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHU LỤC ..............................................................................................................ix LIỆT KÊ HÌNH Hình Trang Chương 1 Chương 2 Hình 2.1: Kết nối vạn vật .............................................................................................. 4 Hình 2.2: Kết nối mọi vật.............................................................................................. 5 Hình 2.3: Hệ thống IoT từ góc nhìn kỹ thuật................................................................ 6 Hình 2.4: Các loại thiết bị khác nhau và mối quan hệ .................................................. 6 Hình 2.5: Mô hình IoT .................................................................................................. 8 Hình 2.6: Sơ đồ khối Raspberry Pi ............................................................................... 9 Hình 2.7 Raspberry Pi 3 model B ................................................................................. 9 Hình 2.8: Sơ đồ cổng kết nối Raspberry Pi................................................................... 10 Hình 2.9: Sơ đồ kết nối Raspberry Pi ........................................................................... 12 Hình 2.10: Truy cập webserver..................................................................................... 16 Hình 2.11: Cảm biến DTH22 ........................................................................................ 17 Hình 2.12: Module BH1750 .......................................................................................... 18 Chương 3 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống ...................................................................................... 20 Hình 3.2: Mô hình hoạt động usecase ......................................................................... 21 Hình 3.3: Mô hình hoạt động theo sơ đồ ...................................................................... 21 Hình 3.4: lưu đồ trên Raspberry.................................................................................... 22 Hình 3.5: lưu đồ hoạt động của cảm biến ..................................................................... 22 Hình 3.6: Hệ thống đang hoạt động .............................................................................. 23 Chương 4 Hình 4.1: Sơ đồ chân DHT22........................................................................................ 25 Hình 4.2: Sơ đồ kết nối với vi xử lý.............................................................................. 26 Hình 4.3: Sơ đồ chân IO của board Raspberry Pi ......................................................... 27 Hình 4.4: Phần mềm Putty ............................................................................................ 28 Hình 4.5: Phần mềm Remote Desktop Connection ...................................................... 29 Hình 4.6: Giao diện dòng lệnh của Putty ...................................................................... 29 Hình 4.7: Đặt IP tĩnh cho Raspberry Pi ........................................................................ 30 Hình 4.8: Bộ sản phẩm thực tế (1) ................................................................................ 31 Hình 4.9: Bộ sản phẩm thực tế (2) ................................................................................ 32x Hình 4.10: Mô hình hoạt động usecase ....................................................................... 32 Hình 4.11: Mô hình hoạt động theo sơ đồ .................................................................... 33 Hình 4.12: Sơ đồ kết nối board Pi với các thiết bị ........................................................ 34 Hình 4.13: Chạy phần mềm Win32DiskImage ............................................................. 35 Hình 4.14: Khởi động và thiết lập Raspberry Pi........................................................... 35 Hình 4.15: Màn hình Raspberry Pi login ...................................................................... 36 Hình 4.16: Đăng nhập vào Pi thành công ..................................................................... 36 Hình 4.17: Giao diện hệ điều hành Raspbian................................................................ 37 Hình 4.18: Giao diện Terminal ..................................................................................... 38 Hình 4.19: Giao diện IDLE3......................................................................................... 39 Hình 4.20: Đèn báo của Raspberry pi ..................................................................... 41 Hình 4.21: Cổng LAN có đèn báo của Raspberry Pi............................................... 42 Hình 4.22: Advanced IP Scanner........................................................................... 42 Hình 4.23: Giao diện đăng nhập cơ sở dữ liệu........................................................ 43 Hình 4.24: Dữ liệu trên cơ sở dữ liệu..................................................................... 43 Hình 4.25: Giao diện giám sát............................................................................... 44 Hình 4.26: Sơ đồ quy trình thao tác .................................................................... 44 Hình 4.27: Bộ hệ thống test ......................................................................................... 45 Hình 4.28: Raspberry pi bỏ vào hộp bảo vệ có quạt.................................................... 46 Hình 4.29: Khối cảm biến được làm gọn..................................................................... 47 Hình 4.30: Hệ thống sau khi làm gọn .......................................................................... 48 Hình 4.31: Kết nối hệ thống (1) ................................................................................... 49 Hình 4.32: Kết nối hệ thống (2) ................................................................................... 50 Hình 4.33: Kết quả giám sát ........................................................................................ 51 Hình 4.34: Dùng khe tản nhiệt laptop giảm độ ẩm và tang nhiệt độ........................... 51 Chương 5 Hình 5.1: Bộ sản phẩm thực tế (1) ................................................................................ 52 Hình 5.2: Bộ sản phẩm thực tế (2) ................................................................................ 52 Hình 5.3: Bộ Kit Raspberry Pi 3 ................................................................................... 53 Hình 5.4: Khối cảm biến (1) ......................................................................................... 53 Hình 5.5: Khối cảm biến (2) ......................................................................................... 54 Hình 5.6: Giao diện đăng nhập cơ sơ dữ liệu................................................................ 55 Hình 5.7: Giao diện đăng nhập trên smatphone............................................................ 55xi Hình 5.8: Các dữ liệu update......................................................................................... 56 Hình 5.9: Truy cập trên smatphone............................................................................... 56 Hình 5.10: Truy cập cơ sơ dữ liệu bằng smatphone ..................................................... 57 Hình 5.11: Giao diện giám sát môi trường.................................................................... 58 Hình 5.12: Giao diện giám sát môi trường trên smatphone (1) .................................... 58 Hình 5.13: Giao diện giám sát môi trường trên samtphone (2) .................................... 59xii LIỆT KÊ BẢNGxiii MỞ ĐẦU Xã hội ngày càng phát triển theo hướng công nghệ hiện đại, nhu cầu sử dụng các dịch vụ, tiện ích từ khoa học, kỹ thuật ngày càng tăng. Đặc biệt là áp dụng các công nghệ của ngành điện tử, công nghệ thông tin và truyền thông vào thực tiễn cuộc sống con người. Công nghệ Internet of Things (IoT) nói chung và công nghệ cảm biến không dây (Wireless Sensor) nói riêng được tích hợp từ kỹ thuật điện tử, tin học và viễn thông tiên tiến vào trong mục đích nghiên cứu, giải trí, sản xuất, kinh doanh, … Phạm vi này ngày càng được mở rộng, để tạo ra các ứng dụng đáp ứng cho các nhu cầu trên các lĩnh vực khác nhau. Được sự định hướng và chỉ dẫn của GVC.Ths Trần Thanh Mai, nhóm em chọn đề tài: “Ứng dụng công nghệ IoT cho giám sát môi trường”. Trên cơ sở về IoT nói chung và mạng không dây nói riêng, đồ án còn thực hiện một thực nghiệm cho mạng cảm biến để giám sát các thông số của môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng) đối với việc bảo quản, vận chuyển thực phẩm tươi sống.xiv TÓM TẮT QUYỂN ĐỒ ÁN NÀY GỒM CÓ 6 CHƯƠNG CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU DẦN NHẬP VÀ TỔNG QUAN CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TRÌNH BÀY NỘI DUNG LÝ THUYẾT IOT GIỚI THIỆU RASPBERRY PI NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH PYTHON CẢM BIẾN DTH22, BH1750 CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ YÊU CẦU HỆ THỐNG SƠ ĐỒ THI CÔNG HỆ THỐNG CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH SỢ ĐỒ NGUYÊN LÝ CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ HÌNH ẢNH KẾT QUẢ THỰC TẾ NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ ĐỒ ÁN CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN KẾT LUẬN NHỮNG GÌ ĐÃ LÀM ĐƯỢC NẾU RA HẠNG CHẾ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỒ ÁNCHƯƠNG 1. TỔNG QUAN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 1 Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Xã hội ngày càng phát triển theo hướng công nghệ hiện đại, nhu cầu sử dụng các dịch vụ, tiện ích từ khoa học, kỹ thuật ngày càng tăng. Đặc biệt là áp dụng các công nghệ của ngành điện tử, công nghệ thông tin và truyền thông vào thực tiễn cuộc sống con người. Công nghệ Internet of Things (IoT) nói chung và công nghệ cảm biến không dây (Wireless Sensor) nói riêng được tích hợp từ kỹ thuật điện tử, tin học và viễn thông tiên tiến vào trong mục đích nghiên cứu, giải trí, sản xuất, kinh doanh… phạm vi này ngày càng được mở rộng, để tạo ra các ứng dụng đáp ứng cho các nhu cầu trên các lĩnh vực khác nhau. Được sự định hướng và chỉ dẫn của GVC.Ths Trần Thanh Mai, nhóm em chọn đề tài: “Dựa trên nền tảng IoT thiết kế hệ thống giám sát nhiệt độ độ ẩm – ánh sáng qua mạng Lan”. 1.2. MỤC TIÊU Dựa trên nền tảng IoT thiết kế hệ thống giám sát nhiệt độ độ ẩm – ánh sáng qua mạng Lan. 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU NỘI DUNG 1: Nghiên cứu mạng cảm biến không dây công nghê IOT. NỘI DUNG 2: Tìm hiểu về kit Raspberry Pi. NỘI DUNG 3: Cài đặt hệ điều hành cho Raspberry Pi. NỘI DUNG 4: Kết nối với Raspberry Pi từ PC. NỘI DUNG 5: Nghiên cứu cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT22. NỘI DUNG 6: Nghiên cứu cảm biến cường độ ánh sáng BH1750. NỘI DUNG 7: Xây dựng mạng cảm biến giám sát các thông số môi trường qua việc sử dụng thiết bị Raspberry Pi và các thiết bị cảm biến. NỘI DUNG 8: Xây dựng chương trình và chạy thử nghiệm. NỘI DUNG 9: Cân chỉnh hệ thống. NỘI DUNG 10: Viết sách luân văn. NỘI DUNG 11: Báo cáo đề tài tốt nghiệp.CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 2 1.4. GIỚI HẠN Xây dựng mạng cảm biến giám sát các thông số môi trường qua việc sử dụng thiết bị Raspberry Pi và các sensor. Điều khiển Raspberry Pi và các thiết bị cảm ứng bằng Python. Sử dụng 2 cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT22 và cường độ ánh sáng BH1750. 1.5. BỐ CỤC Chương 1: Tổng Quan Trong chương này sẽ trình bày các mục sau: Tổng quan về IoT: tóm tắt những lý thuyết, khả năng ứng dụng. Tổng quan kit Raspberry Pi Tổng quan về các cảm biến sử dụng trong đồ án Nhiệm vụ đồ án: tính cấp thiết và lý do hình thành đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn, mục tiêu nghiên cứu, đối tượng, phạm vi giới hạn. Cấu trúc đồ án: trình bày cấu trúc của đồ án gồm các chương và tóm tắt từng chương. Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Trong chương này chúng em sẽ trình bày các phần sau: Tổng quan về Internet ò Things Mạng cảm biến không dây Kit Raspberry Pi Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế Trong chương này chúng em sẽ trình bày các phần sau: Các sơ đồ khối Nguyên lý hoạt động của hệ thống Công thức tính toán Chương 4: Thi Công Hệ Thông Trong chương này chúng em sẽ trình bày các phần sau: Các bước thực hiện và quá trình thi công Đùng Raspberry Pi kết nối các cảm biến Chạy chương trình demo Nhận kết quảCHƯƠNG 1. TỔNG QUAN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét Và Đánh Giá Trong chương này chúng em sẽ nêu những kết quả thực hiện được của đồ án, khẳng định những kết quả đạt được, những đóng góp, đề xuất mới và kiến nghị. Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển Trong chương này chúng em sẽ nêu những kết luận chung và hướng phát triển của đề tài.CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ IOT( INTERNET OF THINGS) 2.1.1. Giới thiệu Internet of Things: Khái niệm the Internet of Things do Kevin Ashton làm việc tại Procter Gamble, sau này là MITs AutoID Center, giới thiệu vào năm 1999. Hình 2.1. Kết nối vạn vật Internet of thing hay còn gọi là Internet Vạn Vật đây là mạng lưới vạn vật kết nối với nhau thông Internet hoặc là mạng lưới các thiết bị kết nối với nhau thông qua Internet (tiếng Anh: Internet of Things, viết tắt IoT) là một liên mạng, trong đó các thiết bị, phương tiện vận tải (được gọi là thiết bị kết nối và thiết bị thông minh) có khả năng kết nối internet giúp cho các thiết bị này có thể thu thập và truyền tải dữ liệu.CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 2.2 HỆ THỐNG IOT 2.2.1 Khái niệm IoT: IoT có thể được coi là một tầm nhìn sâu rộng của công nghệ và cuộc sống. Từ quan điểm của tiêu chuẩn kỹ thuật, IoT có thể được xem như là một cơ sở hạ tầng mang tính toàn cầu cho xã hội thông tin, tạo điều kiện cho các dịch vụ tiên tiến thông qua sự liên kết các “Things”. IoT dự kiến sẽ tích hợp rất nhiều công nghệ mới, chẳng hạn như các công nghệ thông tin machinetomachine, mạng tự trị, khai thác dữ liệu và ra quyết định, bảo vệ sự an ninh và sự riêng tư, điện toán đám mây. Như hình 1.2 bên dưới, một hệ thống thông tin trước đây đã mang đến 2 chiều “Any TIME” và “Any PLACE” communication. Giờ IoT đã tạo thêm một chiều mới trong hệ thống thông tin đó là “Any THING” Communication (Kết nối mọi vật). Hình 2.2. Kết nối mọi vật 2.2.2 IoT từ góc nhìn kỹ thuật “Things” trong IoT có thể là đối tượng vật lý (Physical) hoặc là đối tượng thông tin (hay còn gọi là đối tượng ảo – Virtual). Hai loại đối tượng này có thể ánh xạ (mapping) qua lại lẫn nhau. Một đối tượng vật lý có thể được trình bày hay đại diện bởi một đối tượng thông tin, tuy nhiên một đối tượng thông tin có thể tồn tại mà không nhất thiết phải được ánh xạ từ một đối tượng vật lý nào.CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 Hình 2.3. Hệ thống IoT từ góc nhìn kỹ thuật Truyền thông thiết bị thiết bị: Có 3 cách các devices sẽ giao tiếp lẫn nhau. (a) Các devices giao tiếp thông qua các mạng lưới thông tin liên lạc gọi là gateway, hoặc (b) các devices giao tiếp qua mạng lưới thông tin liên lạc mà không có một gateway, hoặc (c) các device liên lạc trực tiếp với nhau qua mạng nội bộ. Hình 2.4. Các loại thiết bị khác nhau và mối quan hệ Yêu cầu tối thiểu của các “device” trong IOT là khả năng giao tiếp. Thiết bị sẽ được phân loại vào các dạng như thiết bị mang dữ liệu, thiết bị thu thập dữ liệu, thiết bị cảm ứng (sensor), thiết bị thực thi. Thiết bị mang dữ liệu (Data carrierring device): Một thiết bị mang thông tin được gắn vào một Physical Thing để gián tiếp kết nối các Physical Things với các mạng lưới thông tin liên lạc.CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 Thiết bị thu thập dữ liệu (Data capturing device): Một device thu thập dữ liệu có thể được đọc và ghi, đồng thời có khả năng tương tác với Physical Things. Thiết bị cảm ứng và thiết bị thực thi (sensing device and actuation device): Một device cảm nhận và device thực thi có thể phát hiện hoặc đo lường thông tin liên quan đến môi trường xung quanh và chuyển đổi nó sang tín hiệu dạng số. Nó cũng có thể chuyển đổi các tín hiệu kỹ thuật số từ các mạng thành các hành động. General device: Một general device đã được tích hợp các network thông qua mạng dây hoặc không dây. General device bao gồm các thiết bị và được dùng cho các domain khác nhau của IOT. 2.2.3 Đặc điểm cơ bản và yêu cầu của một hệ thống IoT 2.2.3.1. Đặc tính cơ bản Đặc tính cơ bản của IoT bao gồm: Tính kết nối liên thông (interconnectivity): với IoT, bất cứ điều gì cũng có thể kết nối với nhau thông qua mạng lưới thông tin và cơ sở hạ tầng liên lạc tổng thể. Những dịch vụ liên quan đến “Things”: hệ thống IoT có khả năng cung cấp các dịch vụ liên quan đến “Things”. Tính không đồng nhất: Các thiết bị trong IoT là không đồng. Thay đổi linh hoạt: Status của các thiết bị tự động thay đổi. Hơn nữa, số lượng thiết bị có thể tự động thay đổi. Quy mô lớn: Sẽ có một số lượng rất lớn các thiết bị được quản lý và giao tiếp với nhau. 2.2.3.2. Yêu cầu đối với một hệ thống IoT Một hệ thống IoT phải thoả mãn các yêu cầu sau: Kết nối dựa trên sự nhận diện: Các “Things” phải có ID riêng biệt. Hệ thống IoT cần hỗ trợ các kết nối giữa các “Things”, và kết nối được thiết lập dựa trên định danh (ID) của Things. Khả năng cộng tác: hệ thống IoT khả năng tương tác qua lại giữa các mạng và “Things”.CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 Khả năng tự quản của mạng: Tự quản lý, tự cấu hình, tự recovery, tự tối ưu hóa và tự có cơ chế bảo vệ. Dịch vụ thoả thuận: Được thiết lập bởi người vận hành hoặc tùy chỉnh bởi các người dùng. Các khả năng dựa vào vị trí (locationbased capabilities): Hệ thống IoT có thể biết và theo dõi vị trí một cách tự động. Bảo mật: Trong IoT, nhiều “Things” được kết nối với nhau nên tính bảo mật bị hạn chế. Bảo vệ tính riêng tư: Các hệ thống IoT được bảo vệ sự riêng tư trong quá trình truyền dữ liệu, tập hợp, lưu trữ, khai thác và xử lý. Plug and play: các Things phải được plugandplay một cách dễ. Khả năng quản lý: hệ thống IoT cần phải hỗ trợ tính năng quản lý các “Things” để đảm bảo mạng hoạt động bình thường. Toàn bộ quá trình hoạt động được quản lý bởi các bên liên quan. 2.2.4 Mô hình của một hệ thống IoT Một hệ thống IOT được xây dựng lên từ sự kết hợp của 4 layer sau:  Lớp ứng dụng (Application Layer)  Lớp Hỗ trợ (Service support and application support layer)  Lớp mạng (Network Layer)  Lớp thiết bị (Device Layer) Hình 2.5. Mô hình IoTCHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 2.3 LÀM QUEN VỚI RASPBERRY PI 2.3.1 Raspberry pi Hình 2.6. Sơ đồ khối Raspberry Pi Hình 2.7. Raspberry Pi 3 model B Raspberry pi 3: hỗ trợ đa kết nối (sẽ được đề cập sau) Chỉ cần 1 bàn phím, 1 tivi hoặc 1 màn hình có cổng HDMIDVI, 1 nguồn USB 5V và 1 dây micro USB là đã có thể sử dụng Raspberry Pi như 1 máy tính bình thường. Với Raspberry Pi, ta có thể sử dụng các ứng dụng văn phòng, nghe nhạc, xem phim độ nét cao... Một điều quan trọng là nó rất tiết kiệm điện và khả năng chạy liên tục 2424.CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 10 2.3.2 Cấu tạo phần cứng Thông số kĩ thuật  CPU 64 bit quadcore bộ vi xử lý ARM Cortex A53, tốc độ 1.2GHz  Tích hợp wireless chuẩn 802.11n.  Tích hợp Bluetooth 4.1 (sở hữu tính năng tiết kiệm năng lượng BLE).  Bộ nhớ RAM 1G  4 cổng USB  Cổng HDMI, hỗ trợ Full HDMI  Cổng Ethernet (hay là cổng mạng LAN)  Jack cắm audio 3.5mm  Giao tiếp Camera qua CSI  Hỗ trợ hiển thị DSI  Khe gắn Micro SD card được hàn chết trên board theo kiểu PushPull  Vi xử lý hình ảnh VideoCore IV 3D Sơ đồ kết nối Hình 2.8. Sơ đồ cổng kết nối Raspberry Pi Trái tim của Raspberry Pi 3: là bộ vi xử lý ARM Cortex A53, tốc độ 1.2GHz gấp 10 lần so với thế hệ đầu tiên.CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 11 Hệ thống GPIO (General Purpose Input Output): gồm 40 chân chia làm hai hàng. Đúng như tên gọi của nó, từ đây ta có thể kết nối và điều khiển rất nhiều thiết bị điện tửcơ khí khác. Ngõ HDMI: dùng để kết nối Pi với màn hình máy tính hay tivi có hỗ trợ cổng HDMI. Ngõ audio 3.5mm: kết nối dễ dàng với loa ngoài hay headphone. Đối với tivi có cổng HDMI, ngõ âm thanh được tích hợp theo đường tín hiệu HDMI nên không cần sử dụng ngõ audio này. Cổng CSI: khe cắm này là để cắm modul camera vào Raspberry Pi. Cổng DSI: nơi đây sẽ giúp ta có thể kết nối Raspberry Pi với màn hình cảm ứng. Cổng USB: Raspberry Pi tích hợp 4 cổng USB. Cổng Ethernet: cho phép kết nối Internet dễ dàng. Khe cắm thẻ SD: Raspberry Pi không tích hợp ổ cứng. Thay vào đó nó dùng thẻ SD LED trên Raspberry: Raspberry có tổng cộng 4 LED. 2 LED trên board (LED PWR (đỏ); LED ACT (xanh)) và 2 LED trong cổng Ethernet (LED trái (vàng); LED phải (xanh)). Nguồn cho Raspberry: Jack nguồn micro USB 5V với nguồn lý tưởng cho Raspberry là nguồn DC 5V2.5A.CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 12 2.3.3 Phần mềm Raspberry 2.3.3.1. Cấu trúc phần mềm Hình 2.9. Sơ đồ kết nối Raspberry Pi Nhà sản xuất Raspberry sẽ cung cấp một tập hợp các thư viện mã nguồn đóng cho phép chúng ta truy cập vào các tính năng tăng tốc GPU. Các thư viện sẽ có sẵn là: OpenGL ES 2.0 (opengl); OpenVG; EGL; Openmax; Openmax IL. 2.3.3.2. Hệ điều hành của Raspberry Pi Về mặt kỹ thuật, Raspberry Pi là một máy tính, để máy tính này hoạt động cần cài đặt hệ điều hành. Trong thế giới nguồn mở linux, có rất nhiều phiên bản hệ điều hành tùy biến (distro) khác nhau. Tùy theo nhu cầu và mục đích, cũng như khả năng học hỏi mà ta sẽ sử dụng distro phù hợp với mình. 2.3.3.3. Hệ điều hành chính của Raspberry: Raspian wheezy, Softfloat wheezy, Arch Linux, Pidora, RISC OS Tuy nhiên với cấu hình tương đối Raspberry Pi 3 Model chạy ổn định nhiều hệ điều hành khác như: CentOS, Fedora, Ubuntu, ATE, Kali Linux, Ubuntu Core, Windows 10 IoT Core, Slackware, Debian, Android Things…CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 13 2.4 NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH PYTHON 2.4.1 Python là gì? Python là một ngôn ngữ lập trình thông dịch do Guido van Rossum tạo ra năm 1990. Python hoàn toàn tạo kiểu động và dùng cơ chế cấp phát bộ nhớ tự động; do vậy nó tương tự như Perl, Ruby, Scheme, Smalltalk, và Tcl. Cấu trúc của Python còn cho phép người sử dụng viết mã lệnh với số lần gõ phím tối thiểu. Ban đầu, Python được phát triển để chạy trên nền Unix. Nhưng rồi theo thời gian, nó đã “bành trướng” sang mọi hệ điều hành từ MSDOS đến Mac OS, OS2, Windows, Linux và các hệ điều hành khác thuộc họ Unix. 2.4.2 Đặc điểm của ngôn ngữ lập trình Python: Python được thiết kế để trở thành một ngôn ngữ dễ học, mã nguồn dễ đọc, bố cục trực quan, dễ hiểu, thể hiện qua các điểm sau: Từ khóa: đơn giản và trực quan với người dùng. 2.4.3 Khối lệnh: Với Python ta chỉ cần thụt các câu lệnh trong khối vào sâu hơn (về bên phải) so với các câu lệnh của khối lệnh cha chứa nó. Ví dụ, giả sử có đoạn mã sau trong CC++: 1. include 2. ... 3. delta = b b – 4 a c; 4. if (delta > 0) 5. { 6. Khối lệnh mới bắt đầu từ kí tự {đến} 7. 8. x1 = ( b + sqrt(delta)) (2 a); 9. 10. x2 = ( b sqrt(delta)) (2 a);CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 14 11. 12. printf(Phuong trinh co hai nghiem phan biet:\n); 13. 14. printf(x1 = %f; x2 = %f, x1, x2); 15. } 16. Đoạn mã trên có thể được viết lại bằng Python như sau: 1. import math 2. ... 3. delta = b b – 4 a c 4. if delta > 0: 5. Khối lệnh mới, thụt vào đầu dòng 6. x1 = ( b + math.sqrt(delta)) (2 a) 7. x2 = ( b – math.sqrt(delta)) (2 a) 8. print Phuong trinh co hai nghiem phan biet: 9. print x1 = , x1, ; , x2 = , x2 10. Khả năng mở rộng: Ta có thể dễ dàng viết và tích hợp vào Python nhiều hàm tùy theo nhu cầu theo ngôn ngữ khác. Ta cũng có thể mở rộng trình thông dịch liên kết các thư viện dễ dàng. Trình thông dịch: Như đã đề cập ở trên nó có thể tương thích với nhiều trình thông dịch. Lệnh và cấu trúc: Python lệnh đơn giản và khối lệnh đa cấu trúc. Hệ thống kiểu dữ liệu:CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 15 Python sử dụng hệ thống kiểu duck typing, còn gọi là latent typing (tự động xác định kiểu). Sử dụng Python, ta không cần phải khai báo biến, biến được khai báo và xát định kiểu dữ liệu ở lần gán đầu tiên. Python có một số kiểu dữ liệu thông dụng sau: Int, long, Float, complex, list, tuple, str, dict, set… Ngoài ra, Python còn có nhiều kiểu dữ liệu khác. Module: Python cho phép chia chương trình thành các module để có thể sử dụng lại trong các chương trình khác. Nó cũng cung cấp sẵn một tập hợp các modules chuẩn mà lập trình viên có thể sử dụng lại trong chương trình của họ. Các module này cung cấp nhiều chức năng hữu ích, như các hàm truy xuất tập tin, các lời gọi hệ thống, trợ giúp lập trình mạng (socket),… 2.4.4 Các ứng dụng từ Raspberry Pi Ta có thể sử dụng board Raspberry Pi cho rất nhiều ứng dụng khác nhau, từ đơn giản đến phức tạp. 2.4.5 Cài đặt webserver Yêu cầu: Một chiếc Raspberry Pi đã được cài đặt Raspbian và kết nối Internet. Thực hiện: CÀI ĐẶT APACHE WEB SERVER Apache là một ứng dụng web server phổ biến nhất trên thế giới và có thể cài đặt trên Raspberry Pi, cho phép chúng ta public một hoặc nhiều website ra Internet. Mặc định, Apache chỉ hỗ trợ các file HTML, tuy nhiên với một vào modules bổ sung, chúng ta có thể chạy được Apache với các file PHP. INSTALL APACHE Cài đặt gói dịch vụ Apache bằng cách chạy lệnh sau: sudo aptget install apache2 y KIỂM TRA WEB SERVER Mặc định, Apache sẽ chạy một file test HTML sau khi cài đặt xong. Ta chỉ cần mở trình duyệt lên, gõ địa chỉ IP của Raspberry Pi (đây là IP của Pi trong hệ thống mạng đang kết nối) hoặc gõ localhost (nếu bạn test bằng chính máy Raspberry Pi).CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 16 Hình 2.10. Truy cập webserver THAY ĐỔI TRANG MẶC ĐỊNH CỦA APACHE Sau khi cài đặt Apache xong, mặc định dữ liệu của web sẽ nằm ở varwww. Trong này có file index.html chính là file mà ta đã nhìn thấy nội dung ở bước trên. Để chuyển đến thư mục varwww và xem danh sách file trong này ta có thể chạy 2 lệnh sau: cd varwww ls al Chúng ta sẽ nhìn thấy như sau: total 1 drwxrxrx 2 root root 4096 Jan 8 01:29 . drwxrxrx 12 root root 4096 Jan 8 01:28 .. rwr–r– 1 root root 177 Jan 8 01:29 index.html Điều này thể hiện là trong folder varwww chỉ có 1 file index.html. Link đến dấu chấm (.) sẽ trỏ đến varwww, còn link dấu hai chấm(..) thì trỏ đến thư mục cao hơn var.CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 17 2.5 GIỚI THIỆU CẢM BIẾN 2.5.1 Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DTH22 Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT22 là cảm biến rất thông dụng hiện nay vì chi phí rẻ và rất dễ lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1 wire (giao tiếp digital 1 dây truyền dữ liệu duy nhất), so với DHT11 là phiên bản rẻ hơn thì DHT22 có độ chính xác cao hơn, khoảng đo rộng hơn DHT11 rất nhiều. Hình 2.11. Cảm biến DTH22 Các thông số chính của cảm biến:  Điện áp đầu vào: 5V DC  Chuẩn giao tiếp: TTL, 1 wire.  Tầm đo nhiệt độ: 40 ~ 80℃  Độ phân giải: 0.1℃ Sai số nhiệt độ Đo lần cuối vào : Nhiệt Độ: °C Độ Ẩm: % Ánh Sáng: Lux // line chart data var LineChart = { labels: ["", "", "", "", "","", "", "", "", "", "", "", "", "", ""], datasets: [{ fillColor: "rgba(107, 114, 214, 1)", // strokeColor: "rgba(255,255,255,1)", pointStrokeColor: "#fff", data: [,,,,,,,,,, , , , ,] }, { fillColor: "rgba(252,147,65,0.5)", strokeColor: "rgba(255,255,255,1)", pointStrokeColor: "#fff", data: [,,,,,,,,,, , , , ,] }] } var myLineChart = new Chart(document.getElementById("canvas").getContext("2d")).Line(LineChart, {scaleFontSize: 11, scaleFontColor: "#ff8540"});