Khóa luận trình bày việc thiết kế, thực thi và xây dựng một hệ thống vạn vật kết nối Internet (IoT: InternetofThings) hỗ trợ người dùng theo dõi và điều khiển nguồn nước trong nhà củahọ từ xa thông qua điện thoại di động, nhằm giảm chi phí nguồn nước và tăng hiệu quả trong việc tiết kiệm tài nguyên của môi trường cũng như đảm bảo chất lượng nguồn nước luôn được kiểm soát khi đang sử dụng.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Đức Kiên THỰC THI HỆ THỐNG IOT GIÁM SÁT TỪ XA MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NGUỒN NƯỚC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật Điện tử, Truyền thông HÀ NỘI - 2021 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Đức Kiên THỰC THI HỆ THỐNG IOT GIÁM SÁT TỪ XA MỘT SỐ THƠNG SỐ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NGUỒN NƯỚC KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật Điện tử, Truyền thông Cán hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tú Cán đồng hướng dẫn: TS Bùi Duy Hiếu HÀ NỘI - 2021 VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HANOI UNIVERSITY OF ENGINEERING AND TECHNOLOGY Nguyen Duc Kien IMPLEMENTING IOT SYSTEM FOR MONITORING WATER QUALITY Major: Faculty of Electronics and Telecommunication Supervisor: Assoc Prof Tran Xuan Tu Co-Supervisor: Dr Bui Duy Hieu HA NOI – 2021 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo, PGS.TS Trần Xuân Tú, người không trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ em q trình thực khóa luận tốt nghiệp mà định hướng, dạy dỗ tạo điều kiện thuận lợi mặt học tập em suốt quãng thời gian sinh viên vừa qua Em xin chúc thầy luôn mạnh khỏe, tâm huyết thành công công việc nghiên cứu giảng dạy trường Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo, TS Bùi Duy Hiếu hướng dẫn, góp ý chia sẻ cho em kiến thức chun mơn để khóa luận em hoàn thiện Em muốn gửi lời cảm ơn đến thầy cô khoa Điện tử viễn thông tâm huyết giảng dạy, chia sẻ kiến thức chun mơn để em áp dụng vào khơng khóa luận tốt nghiệp mà cịn phục vụ cho nghiệp em sau Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, thành viên Phịng thí nghiệm trọng điểm Hệ thống tích hợp thơng minh (SISLAB) bạn bè lớp K62ĐA-CLC ủng hộ, động viên em suốt q trình học tập Trường Đại học Cơng nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội Do hạn chế mặt kiến thức kinh nghiệm học tập nghiên cứu nên tránh khỏi sai sót q trình thực khóa luận, mong thầy góp ý nhận xét để khóa luận em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! i TĨM TẮT Tóm tắt: Nước nguồn tài nguyên quan trọng giới Nó có tác động trực tiếp đến đời sống ngày nhân loại phát triển bền vững xã hội Chất lượng nước ảnh hưởng đến đời sống sinh vật phải tuân theo quy định nghiêm ngặt Các phương pháp đảm bảo chất lượng nước truyền thống, sử dụng ngày nay, liên quan đến việc lấy mẫu thủ cơng sau phân tích phịng thí nghiệm Q trình tốn chi phí nhân cơng cao cho cơng việc lấy mẫu phịng thí nghiệm Hơn nữa, q trình thiếu phân tích thời gian thực, điều cần thiết để giảm thiểu nhiễm Vì vậy, chưa thể đảm bảo chất lượng nước từ nguồn kiểm sốt hay hạn chế việc lãng phí nguồn nước sinh hoạt ngày người dân, ta cần phải có giải pháp theo dõi nguồn nước hộ gia đình, cụ thể cần phải triển khai hệ thống hỗ trợ người việc theo dõi giám sát nguồn nước mà ngày họ sử dụng thời gian thực Do đó, khóa luận này, em muốn thiết kế, thực thi xây dựng hệ thống vạn vật kết nối Internet (IoT: Internet-of-Things) hỗ trợ người dùng theo dõi điều khiển nguồn nước nhà họ từ xa thông qua điện thoại di động, nhằm giảm chi phí nguồn nước tăng hiệu việc tiết kiệm tài nguyên môi trường đảm bảo chất lượng nguồn nước kiểm sốt sử dụng Từ khóa: Theo dõi chất lượng nước, Internet of things (IoT), Android, giao thức MQTT ii ABSTRACT Water is one of the most important resources in the world It has a direct impact on the daily life of mankind and the sustainable development of society Water quality affects the life of organisms and is a subject to strict regulations Traditional water quality assurance methods are involve manual sampling followed by laboratory analysis This process is costly due to the high labor cost of sampling and laboratory work Furthermore, it lacks real-time analysis, which is essential to minimizing pollution Therefore, in order to limit the waste of clean water or control the water quality in every daily life of the people, we need to have a solution to monitor the water source in each family's apartment More specifically, there is a demand to implement a system that assists people in monitoring and monitoring the water they use every day in real time Therefore, in this thesis, I have designed, implemented and built an IoT system that supports users to monitor and control water in their homes remotely via smart phones, in order to reduce water resources and increase efficiency in saving environmental resources, also ensure the quality of the water source is always under control Key-word: Water-monitoring, Internet of things (IoT), Android, MQTT protocol iii LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp “Thực thi hệ thống IoT giám sát từ xa số thông số đánh giá chất lượng nguồn nước” kết nghiên cứu cơng trình em tự thực hướng dẫn thầy Trần Xuân Tú thầy Bùi Duy Hiếu Mọi thông tin tham khảo dùng khóa luận trích dẫn cách đầy đủ hợp lệ Em cam đoan không chép từ tài liệu, công trình nghiên cứu người khác mà khơng ghi rõ ràng tài liệu tham khảo Em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm chịu hình thức kỷ luật theo quy định nhà trường dành cho lời cam đoan Hà Nội, ngày tháng Sinh viên Nguyễn Đức Kiên iv năm 2021 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii ABSTRACT iii LỜI CAM ĐOAN iv MỤC LỤC v DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU vii DANH SÁCH CÁC HÌNH viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ix CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1 Bối cảnh Đặt vấn đề Đối tượng 4 Định hướng triển khai 5 Cấu trúc khóa luận CHƯƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU Internet of Things 1.1 Định nghĩa IoT 1.2 Các thành phần IoT Giao tiếp liệu IoT 10 2.1 Giao thức MQTT 10 2.2 Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) 14 Cơ sở liệu đám mây 16 3.1 Cơ sở liệu thời gian thực Firebase 16 Giao diện người dùng 17 v 4.1 Android IoT 18 4.2 Cơ sở liệu SQLite 19 Đo lường chất lượng nước 20 5.1 Cảm biến lưu lượng 21 5.2 Cảm biến pH 23 5.3 Cảm biến nhiệt độ 23 5.4 Thiết bị cảm biến sóng siêu âm 24 Tổng quát 25 CHƯƠNG XÂY DỰNG VÀ TRIỂN KHAI HỆ THỐNG 26 Hệ thống IoT 26 Xây dựng cảm biến 28 Xây dựng giao thức MQTT 29 3.1 Xây dựng broker 29 3.2 Xây dựng máy đăng ký xuất liệu 30 Xây dựng sở liệu đám mây 31 Xây dựng giao diện người dùng 35 5.1 Đăng nhập đăng ký 35 5.2 Theo dõi chất lượng nước lưu lượng nước 36 CHƯƠNG KẾT QUẢ 37 Thiết bị giám sát mực nước 37 Hệ thống đám mây 38 Giao diện phần mềm 38 CHƯƠNG KẾT LUẬN 42 PHỤ LỤC 43 Phụ lục 1: Hướng dẫn sử dụng giao diện theo dõi giám sát mực nước 43 Phụ lục 2: Mã nguồn giao diện theo dõi nước điện thoại lưu tại: 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 vi DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU Bảng Mức tiêu thụ nước cho hộ gia đình / khu dân cư Mỹ [2] Bảng Các ưu điểm sở liệu firebase giám sát nước 17 Bảng Các thông số đề xuất cần giám sát từ [23] 21 Bảng Tóm tắt tổng quan tài liệu 25 Bảng Mô tả bảng Users 32 Bảng Mô tả bảng House 33 Bảng Mô tả bảng Room 33 Bảng Mô tả bảng Flow water 34 Bảng Mô tả bảng Water quality 34 vii Date of birth DATETIME Ngày sinh Bảng Mô tả bảng House STT Tên cột Id Kiểu liệu Ràng buộc Mơ tả VARCHAR(255) Primary key, Khố house not null UserID VARCHAR(255) Foreign null Address VARCHAR(255) Not null key, bảng not ID người dùng Địa nhà người dùng Bảng Mô tả bảng Room STT Tên cột Id Kiểu liệu INT Ràng buộc Mơ tả Primary key, Khố bảng room Dùng để phân biệt hệ thống IoT giám nước nhà người dùng not null, auto increament Name VARCHAR(100) Not null HouseID VARCHAR(255) Foreign key, ID nhà người dùng not null 33 Tên phòng cần giám sát nước Bảng Mô tả bảng Flow water STT Tên cột Id Kiểu liệu Ràng buộc VARCHAR(255) Primary key, not null, Mơ tả Khố bảng Flow water, sử dụng mã khóa chuẩn firebase Date DATETIME Not null Ngày giám sát nước Time TIME Not null Thời gian giám sát nước Flow DOUBLE Not null Thông số lưu lượng qua ống RoomID INT Not null ID phòng giám sát nước Bảng Mô tả bảng Water quality STT Tên cột Id Kiểu liệu Ràng buộc VARCHAR(255) Primary key, not null, Mơ tả Khố bảng Water quality, sử dụng mã khóa chuẩn firebase Time-stamp TIME Not null Thời gian giám sát nước pH FLOAT Not null Thông số pH nước Temperature INT Not null Thông số nhiệt độ nước RoomID INT Not null ID phòng giám sát nước 34 Xây dựng giao diện người dùng 5.1 Đăng nhập đăng ký Việc xây dựng đăng nhập, đăng ký giao diện ứng dụng phần thiết yếu, nhằm tăng yêu tố bảo mật quan trọng phân biệt rõ hệ thống giám sát người dùng đăng sử dụng, Hình 20 miêu tả hoạt động đăng nhập đăng ký ứng dụng Hình 20 Lưu đồ khối hoạt động đăng nhập, đăng ký giao diện ứng dụng 35 Cơ chế bảo mật đăng nhập, đăng ký dựa theo sách bảo mật google nên liệu mã hóa an tồn ln đảm bảo bảo mật cho người dụng 5.2 Theo dõi chất lượng nước lưu lượng nước Sau đăng nhập hệ thống, người dùng theo dõi giám sát chất nước họ từ xa thông qua giao diện ứng dụng điện thoại di động Biểu đồ theo dõi xây dựng thư viện MPchart Android Hình 21 miêu tả chức hoạt động ứng dụng diện hệ thống IoT giám sát mực nước Hình 21 Lưu đồ khối hoạt động giám sát nước giao diện ứng dụng 36 CHƯƠNG KẾT QUẢ Hệ thống giám sát mực nước xây dựng, thực thi thử nghiệm nhà em, chi phí bỏ có giới hạn nên hệ thống giám sát triển khai node bình chứa nước Dưới số hình ảnh kết thu lại trình thử nghiệm Thiết bị giám sát mực nước Ở Hình 22 miêu tả thành phần có thiết bị giám sát mực nước, bao gồm ESP32 để thu thập liệu gửi lên hệ thống, van YF-B4 dùng để đo áp suất lưu lượng nước qua, cảm biến DS18B20 để đo nhiệt độ nước, cảm biến đo độ pH nước cảm biến siêu âm HC-SR4 để đo mực nước Hình 22 Những thành phần có thiết bị giám sát nước 37 Hệ thống đám mây Hệ thống đam mây Firebase đảm bảo thu thập đầy đủ liệu xử lí thời thực xác, Hình 23 trình lưu trữ giữ liệu gửi liệu đến giao diện người dùng Hình 23 Quá trình thu thập, lưu trữ liệu thời gian thực hệ thống đám mây Giao diện phần mềm Hình 24 miêu tả giao diện đăng nhập đăng ký cho người dùng, Hình 25 hiển thị thơng số chất lượng nước qua q trình giám sát Hình 26 miêu tả thơng số đo lưu lượng nước chảy qua đường ống nước 38 Hình 24 Giao diện đăng nhập đăng ký cho người dùng 39 Hình 25 Quá trình đo độ pH (trái) đo nhiệt độ (phải) nước Quá trình đo thơng số Hình 25 cho thấy rằng, độ pH bình chứa nước nhà em giao động từ 3,70 đến 4,47 dựa vào Bảng nguồn nước nhà em ngưỡng an tồn khơng ảnh hưởng đến sức khỏe người Ngoài ra, nhiệt độ thơng qua cảm biến lưu lượng phịng có chút khác giao động từ 30,5 đến 34,0 độ C 40 Hình 26 Quá trình thu thập lưu lượng nước qua ống (phải) lịch sử đo mức lương lượng thông qua ống (trái) Thông tin lưu lượng nước chảy thông qua cảm biến lưu lượng hiển thị hình 26 Giao diện lúc cho thấy dòng nước chảy đến room 9,78 lít/phút room 0,87 lít/phút 41 CHƯƠNG KẾT LUẬN Khóa luận xây dựng hệ thống giám sát điều khiển nước từ xa theo chế IoT Về mặt phần cứng, em tìm hiểu chế hoạt động, xây dựng kết nối cảm biến thông qua node ESP8266 broker Ngồi ra, để ln đảm liệu truyền đầy đủ xác, em áp dụng giao thức MQTT node broker Về hệ thống đám mây, em xây dựng, hoàn bảng sở liệu để lưu thông tin cảm biến, thông tin người dùng triển khai thành công tính thời gian thực lưu liệu Về giao diện phần mềm, em tự thiết kế, xây dựng triển khai ứng dụng tảng Android ngôn ngữ Java, thiết kế biểu đồ hợp lí để giúp cho người dùng dễ dàng thao tác theo dõi nguồn cấp nước hộ họ Dựa vào kết thu hệ thống, quy trình thu thập liệu thơng tin chất lượng nước thời gian thực hoạt động xác, hiệu quả, với yêu cầu với kế hoạch đặt mang lại kết tích cực Trong tương lai, hệ thống phát triển không mơ hình nhà thơng minh mà cịn quy mô rộng nhà máy công nghiệp, hệ thống siêu thị, nhà hàng,… Ngồi ra, hệ thống cịn triển khai mạng 5G, nhằm đảm bảo tốc độ thu thập tính đầy đủ thơng tin 42 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Hướng dẫn sử dụng giao diện theo dõi giám sát mực nước Bước 1: Cài đặt ứng dụng điện thoại hệ thành android qua đường dẫn: https://drive.google.com/file/d/1D1XakyIeWw0vRlJDsUrnET7L9c9a09Or/view?u sp=sharing Bước 2: Sau hiển thị giao diện đăng nhập đăng kí Hình 24, người dùng chưa có tài khoản chọn mục sign up, cịn có tiến hành ghi thông tin log in để ứng dụng xác thực Bước 3: Sau đăng nhập xong, người dùng chọn tính muốn theo dõi nước Hình 27 Bao gồm tính theo dõi thơng tin nhiệt độ, mực nước, độ pH nước, lịch sử theo dõi nguồn nước thông qua cảm biến lưu lượng điều khiển máy bơm nước Hình 27 Các tính có giao diện giám sát nước 43 Bước 4: Người dùng thay đổi, chỉnh sửa thông tin cá nhân địa giám sát nước thơng qua profile Hình 28 Hình 28 Thơng tin cá nhân người dùng địa theo dõi nước Phụ lục 2: Mã nguồn giao diện theo dõi nước điện thoại lưu tại: Đường dẫn: https://github.com/duckiennguyen3105/Water-Monitoring 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh [1] Environment 2021 Competing for Clean Water Has Led to a Crisis [online] Available at:(https://www.nationalgeographic.com/environment/article/freshwater- crisis)[Accessed 12 March 2021] [2] Dunham Whitehead, Camilla & Melody, Moya Water Data Report: An Annotated Bibliography, report, May 1, 2007; Berkeley, California (https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc896685/: accessed March 21, 2021), University of North Texas Libraries, UNT Digital Library, https://digital.library.unt.edu; crediting UNT Libraries Government Documents Department [3] Vijayakumar, N., & Ramya, R (2015) The real time monitoring of water quality in IoT environment 2015 International Conference on Innovations in Information, Embedded and Communication Systems (ICIIECS), 1-5 [4] El Khaddar, M A., & Boulmalf, M (2017) Smartphone: the ultimate IoT and IoE device Smartphones from an applied research perspective, 137 [5] Egham, Gartner Says 8.4 Billion Connected ”Things” Will Be in Use in 2017, Up 31 Percent From 2016, [Available on line 30 March 2021], https://www.gartner.com/newsroom/id/3598917 [6] Sara, J J., Hossain, M S., Khan, W Z., & Aalsalem, M Y (2019) Survey on Internet of Things and 4G 2019 International Conference on Radar, Antenna, Microwave, Electronics, and Telecommunications (ICRAMET) doi:10.1109/icramet47453.2019.8980401 [7] Pasika, S., & Gandla, S T (2020) Smart water quality monitoring system with cost-effective using IoT Heliyon, 6(7), e04096 [8] Somayya Madakam, R Ramaswamy, Siddharth Tripathi (2015) Internet of Things (IoT): A Literature Review Journal of Computer and Communications,03,164-173 doi: 10.4236/jcc.2015.35021 45 [9] Weyrich, M., & Ebert, C (2016) Reference Architectures for the Internet of Things IEEE Software, 33(1), 112–116 doi:10.1109/ms.2016.20 [10] Somayya Madakam, R Ramaswamy, Siddharth Tripathi (2015) Internet of Things (IoT): A Literature Review Journal of Computer and Communications,03,164-173 doi: 10.4236/jcc.2015.35021 [11] Rajiv, Says, A., & Jain, A (2018, January 10) What are the major components of internet of things Retrieved April 18, 2021, from https://www.rfpage.com/what-are-the-major-components-of-internet-of-things/ [12] MQTT Version 3.1.1 Plus Errata 01 Edited by Andrew Banks and Rahul Gupta 10 December 2015 OASIS Standard Incorporating Approved Errata 01 http://docs.oasisopen.org/mqtt/mqtt/v3.1.1/mqtt-v3.1.1.html [13] : www.facebook.com/elprocus (2021, April 08) Types of wireless sensor networks Attacks & their applications Retrieved April 18, 2021, from https://www.elprocus.com/introduction-to-wireless-sensor-networks-types-andapplications/ [14] Pacelle, M (2014, April 4) topologies driving IoT networking standards Retrieved April 18, 2021, from http://radar.oreilly.com/2014/04/3-topologies-driving-iotnetworking-standards.html [15] Google Cloud, G (2020, November 17) Firebase realtime database Retrieved April 19, 2021, from https://firebase.google.com/docs/database [16] Shrestha, Bijay & Mali, Suman & Joseph, Asha & Singh, K & Raj, Kiran (2017) Web and Android based Automation using IoT International Journal of Latest Technology in Engineering, Management & Applied Science VI 23-26 [17] Statcounter (n.d.) Mobile operating system market share worldwide Retrieved April 19, 2021, from https://gs.statcounter.com/os-market-share/mobile/worldwide [18] Obradovic, N., Kelec, A., & Dujlovic, I (2019) Performance analysis on Android SQLite database 2019 18th International (INFOTEH) doi:10.1109/infoteh.2019.8717652 46 Symposium INFOTEH-JAHORINA [19] Features of sqlite (n.d.) Retrieved April 19, 2021, from https://www.sqlite.org/features.html [20] Singh, P (2017, December 25) Android OS ARCHITECTURE Retrieved April 20, 2021, from http://www.techplayon.com/android-os-architecture/ [21] Cloete, N A., Malekian, R., & Nair, L (2016) Design of Smart Sensors for Real- Time Water Quality Monitoring IEEE Access, 4, 3975–3990 doi:10.1109/access.2016.2592958 [22] Pasika, S., & Gandla, S (2020, July 01) Smart water quality monitoring system with cost-effective using iot Retrieved April 20, 2021, from https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405844020309403 [23] Lambrou, T P., Anastasiou, C C., Panayiotou, C G., & Polycarpou, M M (2014) A Low-Cost Sensor Network for Real-Time Monitoring and Contamination Detection in Drinking Water Distribution Systems IEEE Sensors Journal, 14(8), 2765– 2772 doi:10.1109/jsen.2014.2316414 [24] Hivemq MQTT (n.d.) Retrieved April 25, https://www.hivemq.com/docs/hivemq/4.5/user-guide/introduction.html 47 2021, from