Đồ án tốt nghiệp này tập trung vào thiết kế hệ thống quan trắc môi trường trongSmart City. Vấn đề chính mà đồ án giải quyết là sự cần thiết của việc đo lường vàtheo dõi chất lượng môi trường trong thành phố thông minh, từ đó cung cấp số liệunày đến cư dân và những người quản lý, điều hành của thành phố. Trong đồ ánnày, nhóm sử dụng các cảm biến phù hợp để thu thập dữ liệu các thông số môitrường có nhiều ảnh hưởng đến con người bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, CO2, PM2.5,UV. Các cảm biến này được tích hợp với vi điều khiển thành node cảm biến, sửdụng 4G kết nối Internet và giao thức MQTT để truyền dữ liệu lên server. Đồngthời đồ án sử dụng cơ sở dữ liệu để lưu trữ và thiết kế web để hiển thị dữ liệu quantrắc một cách hiệu quả. Các kết quả này có thể được sử dụng để đánh giá chấtlượng môi trường, đưa ra cảnh báo và đề xuất các biện pháp cải thiện. Đồ án cótính thực tế và ứng dụng cao trong các dự án Smart City, nó tạo ra cơ sở để mởrộng và phát triển hệ thống quan trắc môi trường, bao gồm việc tích hợp công nghệIoT, phân tích dữ liệu và ứng dụng AI để đưa ra dự báo, giải pháp tối ưu cho vấnđề môi trường trong Smart City
LỜI CẢM ƠN Trước hết em xin gửi lời tri ân sâu sắc tới ThS Lê Công Cường, người trực tiếp hướng dẫn giúp đỡ em nhiều suốt q trình hồn thành đồ án tốt nghiệp Em xin cảm ơn thầy cô giảng dạy Đại học Bách Khoa Hà Nội khoa Tự động hóa, tạo cho em môi trường học tập động, giúp em trang bị kiến thức, kỹ cần thiết cho trình học tâp làm việc Cuối em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình bạn bè, người đồng hành, quan tâm giúp đỡ em suốt trình học tập hồn thành đồ án Vì thời gian kiến thức thân em nhiều hạn chế nên đồ án khơng tránh khỏi thiếu sót định Em mong nhận ý kiến đóng góp chân thành thầy Em xin chân thành cảm ơn! TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN Đồ án tốt nghiệp tập trung vào thiết kế hệ thống quan trắc môi trường Smart City Vấn đề mà đồ án giải cần thiết việc đo lường theo dõi chất lượng mơi trường thành phố thơng minh, từ cung cấp số liệu đến cư dân người quản lý, điều hành thành phố Trong đồ án này, nhóm sử dụng cảm biến phù hợp để thu thập liệu thơng số mơi trường có nhiều ảnh hưởng đến người bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, CO2, PM2.5, UV Các cảm biến tích hợp với vi điều khiển thành node cảm biến, sử dụng 4G kết nối Internet giao thức MQTT để truyền liệu lên server Đồng thời đồ án sử dụng sở liệu để lưu trữ thiết kế web để hiển thị liệu quan trắc cách hiệu Các kết sử dụng để đánh giá chất lượng môi trường, đưa cảnh báo đề xuất biện pháp cải thiện Đồ án có tính thực tế ứng dụng cao dự án Smart City, tạo sở để mở rộng phát triển hệ thống quan trắc mơi trường, bao gồm việc tích hợp cơng nghệ IoT, phân tích liệu ứng dụng AI để đưa dự báo, giải pháp tối ưu cho vấn đề môi trường Smart City Sinh viên thực Ký ghi rõ họ tên MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Các giải pháp Trạm quan trắc môi trường Sử dụng thiết bị đo chất lượng môi trường cầm tay Mạng cảm biến không dây 1.3 Lý chọn đề tài 1.4 Phạm vi đồ án 1.5 Nhiệm vụ đồ án CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan Smart City Đặc điểm Smart City Cách Smart City hoạt động Lợi ích Smart City Thách thức Smart City 2.2 Công nghệ truyền thông 4G Lịch sử hình thành phát triển Tổng quan mạng 4G 11 2.3 Giao thức truyền thông MQTT 12 Lịch sử hình thành 13 Mơ hình publish/subscribe 13 Cơ chế hoạt động MQTT theo mơ hình publish/subscribe 14 Các đặc trưng giao thức 16 Định dạng message 17 Bảo mật 23 MQTT bridge 24 Các broker miễn phí tiếng 24 2.4 Giao thức truyền thông WebSocket 25 Socket gì? 25 Tổng quan WebSocket 26 2.5 Phương pháp đo thông số môi trường 31 Đo nhiệt độ 31 Đo độ ẩm 32 Đo CO2 34 Đo bụi 35 Đo UV 36 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG 38 3.1 Tổng quan hệ thống 38 3.2 Thiết kế node quan trắc môi trường 38 Lựa chọn linh kiện 39 Thiết sơ đồ nguyên lý 48 3.3 Thiết kế phần mềm cho node 51 Các công cụ thư viện sử dụng 51 Lập trình cho node 53 3.4 Thiết kế webserver 62 Các công cụ thư viện sử dụng 62 Thiết kế server 64 Thiết kế giao diện web 68 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 73 4.1 Kết đạt 73 Mạch PCB node 73 Giao diện web 73 Đánh giá kết đo 76 4.2 Hướng phát triển đồ án tương lai 76 KẾT LUẬN 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các loại message MQTT 17 Bảng 2.2 Giá trị Remaining Length 20 Bảng 2.3 Bảng trạng thái header thay đổi gói MQTT 20 Bảng 2.4 Bảng trạng thái Payload gói tin MQTT 22 Bảng 2.5 Các Public Broker miễn phí 24 Bảng 2.6 Các Private Broker 25 Bảng 2.7 Bảng giá trị mã hóa opcode 29 Bảng 3.1 Bảng tiêu thụ lượng linh kiện node 46 Bảng 3.2 Các lệnh AT sử dụng chương trình 55 Bảng 3.3 Khung liệu DHT11 56 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Một trạm quan trắc môi trường Hà Nội Hình 1.2 Thiết bị đo chất lượng mơi trường cầm tay Hình 1.3 Mạng cảm biến quan trắc mơi trường Hình 2.1 Các công nghệ sử dụng Smart City Hình 2.2 Mơ hình tầng Smart City Hình 2.3 Lợi ích Smart City (nguồn MGI, TM forum) Hình 2.4 Các lĩnh vực cần quản lý phát triển Smart City Hình 2.5 Mạng di động tế bào Hình 2.6 Quá trình chuyển giao radio cell Hình 2.7 Các hệ mạng di động tương lai Hình 2.8 Mơ hình publish/subscribe 13 Hình 2.9 Giao thức MQTT 14 Hình 2.10 Các thành phần MQTT 15 Hình 2.11 Quá trình tạo kết nối client/server MQTT 16 Hình 2.12 Cấu trúc gói tin MQTT 17 Hình 2.13 Q trình gửi nhận gói tin kết nối client/server 18 Hình 2.14 QoS mức 18 Hình 2.15 QoS mức 19 Hình 2.16 QoS mức 19 Hình 2.17 Connect Flags bits 21 Hình 2.18 MQTT Bridge 24 Hình 2.19 Vị trí socket mơ hình OSI giao thức mạng 26 Hình 2.20 Cách thức hoạt động Websocket 27 Hình 2.21 Client request 28 Hình 2.22 Server response 28 Hình 2.23 Cấu trúc frame đưa RFC 6455 29 Hình 2.24 Cấu trúc cảm biến SAW 32 Hình 2.25 Cấu tạo cảm biến độ ẩm điện dung 32 Hình 2.26 Cấu tạo cảm biến độ ẩm nhiệt dẫn 33 Hình 2.27 Cấu tạo cảm biến điện hóa đo CO2 34 Hình 2.28 Cảm biến NDIR 35 Hình 2.29 Cấu tạo cảm biến bán dẫn oxit kim loại đo CO2 35 Hình 3.1 Tổng quan hệ thống 38 Hình 3.2 Sơ đồ khối node 38 Hình 3.3 Cảm biến DHT11 39 Hình 3.3.4: Cảm biến MQ135 40 Hình 3.5 Module cảm biến UV ML8511 40 Hình 3.6 Module cảm biến ZH03B 41 Hình 3.7 IC DS3231 42 Hình 3.8 EEPROM AT24C32D 42 Hình 3.9 Module SIM A7670 43 Hình 3.10 MCU STM32F103C8T6 44 Hình 3.11 Sơ đồ chân MCU STM32F103C8T6 45 Hình 3.12 Adapter 12V 2A 47 Hình 3.13 IC LM2596 47 Hình 3.14 AMS1117 48 Hình 3.15 Mạch nguyên lý MCU 48 Hình 3.16 Mạch nguyên lý DHT11 49 Hình 3.17 Mạch nguyên lý MQ135 49 Hình 3.18 Mạch nguyên lý ZH03B ML8511 50 Hình 3.19 Mạch nguyên lý DS3231 50 Hình 3.20 Mạch nguyên lý SIM 7670 51 Hình 3.21 Mạch nguyên lý nguồn 51 Hình 3.22 MQTT WebSocket Client 53 Hình 3.23 Sơ đồ giao thức kết nối ngoại vi tới vi điều khiển node 53 Hình 3.24 Cấu hình chân SMT32F103C8T6 54 Hình 3.25 Lưu đồ thuật toán tổng quát node 54 Hình 3.26 Quá trình lấy liệu từ cảm biến DHT11 56 Hình 3.27 Quá trình lấy liệu từ cảm biến MQ135 57 Hình 3.28 Đồ thị đường đặc tính nồng độ khí khí vào tỷ số Rs/R0 58 Hình 3.29 Đồ thị trích mẫu phụ thuộc nồng độ khí CO2 vào tỷ số Rs/R0 58 Hình 3.30 Đồ thị phụ thuộc Rs/R0 100ppm vào nhiệt độ độ ẩm 58 Hình 3.31 Quá trình lấy liệu từ module cảm biến ML8511 59 Hình 3.32 Đồ thị phụ thuộc cường độ tia UV vào điện áp đầu 60 Hình 3.33 Quá trình lấy liệu từ module cảm biến ZH03B 60 Hình 3.34 Quá trình đọc liệu từ DS3231 61 Hình 3.35 Các ghi DS3231 chức chúng 62 Hình 3.36 Các thư viện sử dụng để xây dựng webserver 63 Hình 3.37 Cách thức hoạt động localhost 65 Hình 3.38 Cấu trúc thư mục dự án 66 Hình 3.39 Server kết nối đến HiveMQ MongoDB 66 Hình 3.40 Server nhận lưu liệu vào MongoDB 67 Hình 3.41 Các bảng liệu MongoDB 67 Hình 3.42 Dữ liệu lưu bảng 67 Hình 3.43 Client server trao đổi liệu qua giao thức WebSocket 68 Hình 3.44 Các trang giao diện hiển thị lên web 69 Hình 3.45 Sơ đồ hoạt động trang giám sát web 69 Hình 3.46 Test liệu OpenWeatherMap trả qua Postman 70 Hình 3.47 Sơ đồ hoạt động trang dự báo thời tiết 71 Hình 3.48 Sơ đồ hoạt động trang đồ 72 Hình 4.1 Demo mạch PCB node cảm biến 73 Hình 4.2 Giao diện trang giới thiệu 74 Hình 4.3 Giao diện trang giám sát chất lượng mơi trường 74 Hình 4.4 Giao diện trang dự báo thời tiết 75 Hình 4.5 Giao diện đồ 75 Hình 4.6 Dữ liệu file excel xuất 76 CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề Ngày nay, thời đại công nghệ phát triển, nhu cầu sinh sống làm việc người mơi trường đại với nhiều tiện ích ngày tăng cao, Smart City trở thành xu hướng phổ biến Một yếu tố quan trọng việc xây dựng Smart City việc ứng dụng công nghệ vào quản lý phát triển bền vững mơi trường, mơi trường có nhiều ảnh hưởng đến sức khỏe chất lượng sống cư dân Điều cần coi trọng bối cảnh nhiều nơi giới chịu tác động mạnh mẽ biến đổi khí hậu Do việc xây dựng hệ thống quan trắc để đo lường, theo dõi quản lý chất lượng môi trường cần thiết Điều giúp cung cấp liệu liên tục, đáng tin cậy cách nhanh chóng hiệu đến người dân nhà điều hành, quản lý thành phố Từ giúp họ đưa định thơng minh để bảo vệ sức khỏe biện pháp cải thiện chất lượng môi trường 1.2 Các giải pháp Hiện nay, việc quan trắc môi trường thành phố có nhiều giải pháp đưa triển khai thực tế Dưới số giải pháp quan trắc môi trường phổ biến Trạm quan trắc môi trường Các trạm quan trắc môi trường đặt cố định vị trí chiến lược thành phố, thường thu thập liệu xác thời gian dài Dữ liệu truyền liên tục trực tiếp trung tâm quản lý Ngoài ra, số trang web AccuWeather, IQAir… lấy liệu từ trạm giới để cung cấp thông tin tới người dùng Tuy nhiên giải pháp có nhược điểm chi phí đầu tư lớn, khơng có tính di động giám sát phạm vi định xung quanh điểm đặt, khó phủ sóng tồn thành phố Hình 1.1 Một trạm quan trắc mơi trường Hà Nội Sử dụng thiết bị đo chất lượng môi trường cầm tay Thiết bị đo chất lượng môi trường cầm tay cho phép người dùng tự thu thập liệu chất lượng môi trường cách dễ dàng nhanh chóng Người dùng di chuyển đặt thiết bị nơi thành phố để thu thập liệu Tuy nhiên, giải pháp thiết bị cầm tay nên thường bị giới hạn số lượng cảm biến tích hợp bên trong, nên cung cấp thơng số mơi trường Ngồi ra, bị giới hạn khả thu thập liệu quy mơ lớn, khơng đảm bảo tính liên tục đáng tin cậy liệu Hình 1.2 Thiết bị đo chất lượng môi trường cầm tay Mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây cung cấp giải pháp linh hoạt tiết kiệm chi phí cho quan trắc môi trường thành phố Các node cảm biến khơng dây triển khai nhiều vị trí, có tính di động cao thu thập liệu theo thời gian thực Các node cảm biến giao tiếp truyền liệu qua giao thức truyền thông không dây Wifi, Bluetooth, Lora, 4G,… tạo thành hệ thống quan trắc phân tán Dữ liệu từ node cảm biến gửi trung tâm quản lý để xử lý đánh giá chất lượng môi trường Mạng cảm biến không dây giúp cung cấp hình ảnh tồn diện chất lượng môi trường thành phố hỗ trợ định quản lý mơi trường Hình 1.3 Mạng cảm biến quan trắc môi trường