Sửdụng hệ thống cảm biến để điều chỉnh ánh sáng dựa trên mức độ tự nhiên của ánh sángtrong môi trường không chỉ giúp giảm lượng điện tiêu thụ một cách đáng kể mà còn tạo ramột môi trường
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚP Môn học: Mạng cảm biến Hà Nội – 2023 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN BẢNG PHÂN CÔNG ST T MSV Họ tên Nhiệm vụ B20DCDT050 Trần Huy Đạt Làm word, code, Thuyết trình B20DCDT051 Trần Mạnh Điệp Tìm tài liệu, làm nút cảm biến B20DCDT052 Nguyễn Thành Đô Tìm tài liệu, làm nút cảm biến B20DCDT053 Bùi Ngọc Đức Tìm tài liệu, làm sink nut B20DCDT001 Nguyễn Minh Đức Tìm tài liệu, làm sink nut, slide MỞ ĐẦU Hiện nay, việc bảo đảm tiết kiệm lượng ưu tiên quan trọng toàn cầu Việc tiêu tốn lượng lớn điện để chiếu sáng phòng học, phòng thư viện khu vực khác tạo thách thức đáng kể cho việc tiết kiệm lượng bảo vệ môi trường Sử dụng hệ thống cảm biến để điều chỉnh ánh sáng dựa mức độ tự nhiên ánh sáng môi trường không giúp giảm lượng điện tiêu thụ cách đáng kể mà cịn tạo mơi trường chiếu sáng tối ưu Ánh sáng tự nhiên nguồn tài ngun vơ có sẵn ngày, việc tận dụng cách hiệu đóng góp đáng kể vào mục tiêu bảo vệ môi trường giảm thiểu tác động tiêu cực đến hệ sinh thái Sử dụng hệ thống cảm biến để điều chỉnh ánh sáng dựa mức độ tự nhiên ánh sáng môi trường giúp giảm lượng điện tiêu thụ cách đáng kể Một mơi trường học tập thoải mái tối ưu tác động tích cực đến tập trung hiệu suất học tập học sinh sinh viên Mơi trường q tối q sáng gây mệt mỏi gây phân tâm Sử dụng cảm biến ánh sáng để điều chỉnh đèn theo cách thông minh giúp tạo môi trường học tập lý tưởng, thích hợp với hoạt động học tập tương tác giảng viên học sinh Điều cải thiện hiệu suất học tập, giảm căng thẳng cho học sinh giảng viên, tạo mơi trường học tập hấp dẫn Vì lý nên nhóm chúng em chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng mạng cảm biến cho hệ thống chiếu sáng thơng minh trường học” khơng tiết kiệm lượng ưu tiên quan trọng tồn cầu, mà cịn hiệu suất học tập phát triển học sinh yếu tố quan trọng bỏ qua Trường học không nơi để truyền đạt kiến thức, mà mơi trường hình thành tư duy, sáng tạo phát triển cá nhân Chúng em hy vọng thông qua nghiên cứu này, đóng góp vào việc xây dựng trường học thông minh, bảo vệ mơi trường, thúc đẩy phát triển tồn diện hệ trẻ Bài báo cáo trình bày sau: CHƯƠNG : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY CHƯƠNG : CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG THÔNG MINH TRONG TRƯỜNG HỌC CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG THÔNG MINH TRONG TRƯỜNG HỌC MỤC LỤC MỞ ĐẦU MỤC LỤC .6 DANH MỤC HÌNH ẢNH .8 CHƯƠNG : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu mạng cảm biến 1.2 Những ứng dụng bật mạng cảm biến 1.2.1 Giám sát điều khiển công nghiệp 1.2.2 Tự động hố gia đình điện dân dụng 10 1.2.2 Trong quân 10 1.2.4 Trong y tế giám sát sức khoẻ 10 1.2.5 Với môi trường ngành nông nghiệp 11 1.2.6 Ứng dụng hệ thống chiếu sáng thông minh trường học 11 1.3 Tiểu kết 12 CHƯƠNG : CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG THÔNG MINH TRONG TRƯỜNG HỌC 13 2.1 Giới thiệu linh kiện 13 2.1.1 Vi điều khiển ESP 32 WROOM 32U 13 2.1.2 Giới thiệu ANTEN 2.4G Wifi PIEX SMA 16 2.1.3 Cảm biến ánh sáng(có đầu analog) 17 2.1.4 Đèn Led 19 2.1.5 Nguồn 20 2.2 Giao thức 21 2.2.1 Giới thiệu giao thức .21 Document continues below Discover more from:viện Công Học nghệ Bưu chín… CCC1 Học viện Cơng ng… 63 documents Go to course Phân tích Kịch 11 Iron Man Học viện Công nghệ… None Gigabyte G27F UM 40 EN 0410 Học viện Công nghệ… None Phan Tich Thiet Ke 11 124 Học viện Công nghệ… Học viện Công nghệ… None DC3DT34 - Bài giảng -Cơ sở truyền số liệ… Học viện Cơng nghệ… None Bìa thi cuối kỳ none 2.2.2 Mục đích sử dụng giao thức ứng dụng 24 Học viện Công nghệ… None 2.3 Điều chế PWM 24 2.3.1 Giới thiệu điều chế xung PWM .24 Dự đoán diễn biến 2.3.2 Ứng dụng PWM 24 phim Moving ep 10… 2.4 Phần mềm Arduino IDE 25 Học viện Cơng nghệ… None CHƯƠNG 3: MƠ PHỎNG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG THÔNG MINH TRONG TRƯỜNG HỌC 30 3.1 Kịch ứng dụng 30 3.1.1 Mục tiêu .30 3.1.2 Phương pháp 30 3.2 Thiết kế phần cứng 31 3.2.1 Mơ hình mạng cảm biến 31 3.2.2 Nút cảm biến 32 3.2.3 Sink nút 32 3.3 Thiết kế phần mềm 33 3.3.1 Phần mềm thu thập truyền tải liệu từ nút cảm biến sink nút 33 3.3.2 Phần mềm điều khiển thiết bị .36 3.4 Kết nghiên cứu .38 3.4.1 Ưu nhược điểm hệ thống .38 3.4.2 Khả mở rộng hệ thống 39 3.5 kết luận 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Mạng cảm biến (Sensor Network) Hình 2.1: Kit ESP32 WROOM 32u .12 Hình 2.2 : chíp ESP32 13 Hình 2.3 : ANTEN 2.4G Wifi PIEX SMA 15 Hình 2.4: Mơ-đun cảm biến ánh sáng 17 Hình 2.5: sơ đồ chân cảm biến ánh sáng 17 Hình 2.5: Led đơn 18 Hình 2.6: nguồn 5V-2A microusb 20 Hình 2.7: mơ hình ESP-NOW 22 Hình 2.8: Điều chế xung PWM 23 Hình 3.1: Mơ hình mạng .30 Hình 3.2: Sơ đồ nối chân nút cảm biến 31 Hình 3.3: Sơ đồ nối chân sink nút 31 Hình 3.4: Lưu đồ thuật tốn nút cảm biến .32 Hình 3.5: Lưu đồ thuật tốn Sink nút 35 CHƯƠNG : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu mạng cảm biến Mạng cảm biến (Sensor Network) hệ thống gồm nhiều thiết bị cảm biến phân bố khu vực môi trường cụ thể để thu thập, ghi nhận truyền tải thông tin môi trường xung quanh Mạng cảm biến thiết kế để tự động thu thập liệu gửi chúng trạm sở điểm tập trung để xử lý, phân tích hiển thị Hình 1.1: Mạng cảm biến (Sensor Network) 1.2 Những ứng dụng bật mạng cảm biến 1.2.1 Giám sát điều khiển công nghiệp Phục vụ việc thu thập thông tin, giám sát trạng thái hoạt động hệ thống, trạng thái van, trạng thái thiết bị, nhiệt độ áp suất nguyên liệu lưu trữ; hệ thống điều khiển không dây ánh sáng quảng cáo Thử chương trình với ESP32 Tìm đến Example Blink Arduino Chọn Board ESP32 Dev Module chọn DOIT ESP32 DEVKIT V1 Chọn Port, cắm ESP32 vào máy tính mà khơng thấy cổng COM Arduino IDE cài CP210x USB to UART Bridge VCP Driver Up load chương trình chạy, quan sát LED xanh Board CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG THÔNG MINH TRONG TRƯỜNG HỌC 3.1 Kịch ứng dụng 3.1.1 Mục tiêu Mục tiêu nghiên cứu ứng dụng mạng cảm biến cho hệ thống chiếu sáng thông minh trường học bao gồm yếu tố sau: Tiết kiệm lượng: Một mục tiêu quan trọng hệ thống chiếu sáng thông minh trường học tiết kiệm lượng Nghiên cứu tập trung vào cách sử dụng mạng cảm biến để theo dõi môi trường, ánh sáng tự nhiên, số lượng học sinh lớp học, yếu tố khác để điều chỉnh độ sáng sử dụng lượng hiệu Tạo trải nghiệm học tập tốt hơn: Hệ thống chiếu sáng thơng minh tạo môi trường học tập tốt cách điều chỉnh ánh sáng theo nhu cầu cụ thể hoạt động học tập, chẳng hạn giảng dạy, đọc sách, làm việc nhóm Mục tiêu nghiên cứu tạo mơ hình hệ thống chiếu sáng thông minh sử dụng mạng cảm biến hiệu có lợi ích cho học sinh, giáo viên, trường học việc cải thiện hiệu suất học tập, tiết kiệm lượng cải thiện môi trường làm việc học tập 3.1.2 Phương pháp Lắp đặt mạng cảm biến: Xác định nơi cần lắp đặt cảm biến ánh sáng Điều để đảm bảo giám sát hiệu môi trường học tập Thu thập liệu: cảm biến thu thập liệu liên tục môi trường ánh sáng, liệu sau truyền cho hệ thống quản lý xử lý Điều khiển chiếu sáng: Dựa liệu thu thập từ cảm biến, phát triển hệ thống điều khiển ánh sáng thông minh dựa phương pháp điều chế xung PWM Tối ưu hoá lượng: Mục tiêu tối ưu hoá lượng đạt cách điều khiển ánh sáng để tiết kiệm lượng mà đảm bảo môi trường học tập đủ sáng cho mực tiêu học tập 3.2 Thiết kế phần cứng 3.2.1 Mơ hình mạng cảm biến Hình 3.1: Mơ hình mạng Mơ hình mạng cảm biến gồm nút cảm biết dùng kit ESP32 để thu thập liệu ánh sáng từ cảm biến Từ nút truyền liệu đến sink nút sử dụng giao thức ESP-NOW Sink nút sử dụng kit ESP32 để nhận liệu truyền từ nút cảm biến xử lý, phân tích để điều khiển cường độ ánh sáng đèn LED theo liệu nhận 3.2.2 Nút cảm biến Hình 3.2: Sơ đồ nối chân nút cảm biến Kit ESP32 dùng để đọc cảm biến ánh sánh LDR , lưu trữ liệu để kết nối với với sink nút để truyền liệu 3.2.3 Sink nút Hình 3.3: Sơ đồ nối chân sink nút Kit ESP32 dùng để nhận liệu từ nút cảm biến, xử lý điều chế liệu phương pháp điều chế xung PWM để điều khiển đèn LED 3.3 Thiết kế phần mềm 3.3.1 Phần mềm thu thập truyền tải liệu từ nút cảm biến sink nút a Lưu đồ thuật tốn Hình 3.4: Lưu đồ thuật toán nút cảm biến Khi hệ thống bật kit ESP32 khởi tạo ESP-NOW tự động kết nối với sink nút thông qua địa MAC Nếu kết nối với sink nút không thành cơng quay lại khỏi tạo Nếu kết nối thành cơng chuyển đến đọc liệu từ cảm biến bắt đầu truyền liệu đến sink nút Nếu gửi liệu thành cơng tiếp tục vịng lặp đọc liệu từ cảm biến gửi Nếu gửi liệu khơng thành cơng quay lại kết nối b Mã nguồn 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 #include #include #define LIGHT_SENSOR_PIN 34 // Định nghĩa chân sử dụng cho cảm biến ánh sáng int light; // Biến lưu trữ giá trị ánh sáng đọc từ cảm biến int ident = 1; // Biến định danh cho thiết bị gửi // Đây địa MAC thiết bị nhận liệu Dữ liệu gửi đến địa uint8_t broadcastAddress[] = {0x24, 0xDC, 0xC3, 0xC1, 0xFE, 0x68}; // Định nghĩa cấu trúc liệu để chứa thông tin ánh sáng định danh typedef struct struct_message { int light; int ident; } struct_message; // Biến dùng để đóng gói liệu ánh sáng định danh struct_message myData; // Cấu trúc lưu trữ thông tin thiết bị nhận liệu esp_now_peer_info_t peerInfo; // Hàm callback gọi liệu gửi void OnDataSent(const uint8_t *macAddr, esp_now_send_status_t status) { Serial.print("Last Packet Send Status: "); Serial.println(status == ESP_NOW_SEND_SUCCESS ? "Delivery Success" : "Delivery Fail"); } void setup(){ Serial.begin(115200); delay(100); // Đặt chế độ WiFi ESP32 thành Station (client) WiFi.mode(WIFI_STA); // Khởi tạo ESP-NOW Nếu không thành công, hiển thị thông báo lỗi if(esp_now_init() != 0){ Serial.println("Error initializing ESP-NOW"); return; } // Đăng ký hàm callback để theo dõi trạng thái gửi liệu esp_now_register_send_cb(OnDataSent); // Sao chép địa MAC thiết bị nhận vào peerInfo 49 memcpy(peerInfo.peer_addr, broadcastAddress, 6); 50 peerInfo.channel = 0; 51 peerInfo.encrypt = false; 52 53 54 if (esp_now_add_peer(&peerInfo) != ESP_OK) { 55 Serial.println("Failed to add peer"); 56 return; 57 } 58 // Đặt độ phân giải cho đọc ghi tín hiệu analog bit 59 analogWriteResolution(8); 60 analogReadResolution(8); 61 } 62 void loop(){ 63 // Đọc giá trị từ cảm biến ánh sáng kết nối với chân 64 light = analogRead(LIGHT_SENSOR_PIN); 65 66 Serial.print("Light: "); 67 Serial.println(light); 68 //Gói liệu ánh sáng định danh vào biến 69 myData.light = light; 70 myData.ident = ident; 71 72 // Gửi liệu đến địa MAC 73 esp_now_send(broadcastAddress, (uint8_t *) &myData, sizeof(myData)); 74 75 delay(2000); 76 } 3.3.2 Phần mềm điều khiển thiết bị a Lưu đồ thuật tốn Hình 3.5: Lưu đồ thuật toán Sink nút Khi hệ thống bật Kit ESP32 khởi động ESP-NOW bắt đầu nhận liệu truyền đến từ nút cảm biến Sau nhận dự liệu đưa vào lưu trữ biến Data Gọi hàm lấy liệu Nếu nhận liệu xử lý liệu để điều khiển đèn LED Nếu khơng lấy liệu quay lại chờ nhận liệu gửi đến b Mã nguồn 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 #include #include typedef struct struct_message { int light; int ident; } struct_message; struct_message myData; // Chân kết nối với đèn LED #define LED1_PIN #define LED2_PIN // Định nghĩa kênh cho LED #define LED1_CHANNEL #define LED2_CHANNEL void OnDataRecv(const uint8_t * mac, const uint8_t *incomingData, int len) { // Nhận liệu đến memcpy(&myData, incomingData, sizeof(myData)); // In hình Serial Monitor Serial.print("V "); Serial.print(myData.ident); Serial.print(": "); Serial.println(myData.light); Serial.println(""); // Kiểm tra giá trị ident điều chỉnh độ sáng đèn tương ứng if (myData.ident == 1) { ledcWrite(LED1_CHANNEL, myData.light); } else if (myData.ident == 2) { ledcWrite(LED2_CHANNEL, myData.light); } } void setup() { Serial.begin(115200); // Khởi động ESP32 chế độ Station WiFi.mode(WIFI_STA); // Khởi tạo ESP-NOW if (esp_now_init() != 0) { Serial.println("Error initializing ESP-NOW"); return; } // Đăng ký chức gọi lại esp_now_register_recv_cb(OnDataRecv); 54 55 // Cấu hình chức PWM cho đèn LED 56 ledcSetup(LED1_CHANNEL, 5000, 8); 57 ledcSetup(LED2_CHANNEL, 5000, 8); 58 59 // Gắn kênh với GPIO để kiểm soát 60 ledcAttachPin(LED1_PIN, LED1_CHANNEL); 61 ledcAttachPin(LED2_PIN, LED2_CHANNEL); 62 } 63 64 void loop() { 65 } 3.4 Kết nghiên cứu 3.4.1 Ưu nhược điểm hệ thống a Ưu điểm Tạo Ra Môi Trường Học Tập Tốt: Hệ thống chiếu sáng sáng đẹp hiệu giúp tăng cường tập trung suất học sinh giáo viên Tiết kiệm lượng: Hệ thống sử dụng phương pháp điều chế PWM giúp thay đổi cường độ sáng bóng đèn cân với với ánh sáng mơi trường để có mơi trường ánh sáng thích hợp để học tập.và đồng thời việc điều chế ánh sáng góp phần tiết kiệm lượng b Nhược điểm Chi Phí Khởi Đầu Cao: Cài đặt hệ thống chiếu sáng đại hiệu ban đầu đắt đỏ, đặc biệt trường học cần phải thay đổi cấu trúc điện để hỗ trợ hệ thống 3.4.2 Khả mở rộng hệ thống Cảm biến nhiều hơn: Mở rộng hệ thống cách thêm loại cảm biến mới, chẳng hạn cảm biến chất lượng khơng khí, cảm biến tiếng ồn, cảm biến chất lượng nước uống, cảm biến khí thải, để theo dõi cải thiện môi trường học tập sức kháng học sinh Mở rộng kiểm soát từ xa: Cho phép kiểm sốt hệ thống chiếu sáng thơng qua ứng dụng di động từ xa, giúp người quản lý trường học có khả điều khiển hệ thống từ đâu, cải thiện tiện ích quản lý hiệu suất Thiết kế tùy chỉnh: Cho phép trường học tùy chỉnh hệ thống chiếu sáng dựa yêu cầu cụ thể họ, bao gồm tùy chỉnh thiết kế ánh sáng, màu sắc, kiểu ánh sáng 3.5 kết luận Nghiên cứu có mục tiêu khơng cải thiện mơi trường học tập mà cịn góp phần vào việc tiết kiệm lượng Chúng em hy vọng kết đề tài áp dụng rộng rãi lĩnh vực giáo dục hệ thống chiếu sáng thông minh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] T T T Thủy, Bài giảng môn mạng cảm biến, Hà Nội: Học viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng, 2023 [2] ESPRESSIF, "Espressif Systems," Espressif Systems , 2023 [Online] Available: https://www.espressif.com/en/products/socs/esp32 [Accessed 16 10 2023] [3] "EMIN," EMIN GROUP, 14 07 2014 [Online] Available: https://emin.vn/gioithieu-ve-mang-cam-bien-khong-day-330/ne.html [Accessed 16 10 2023] [4] Arduino, "Arduino," Arduino.vn, 28 05 2014 [Online] Available: http://arduino.vn/reference [Accessed 16 10 2023] [5] E Systems, "ESP-NOW," Espressif Systems, 2023 [Online] Available: https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/en/latest/esp32/apireference/network/esp_now.html [Accessed 16 10 2023] Lời cảm ơn Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc lòng biết ơn đến Cô Trần Thị Thanh Thuỷ hướng dẫn ủng hộ quý báu suốt trình nghiên cứu thực dự án lĩnh vực mạng cảm biến Dự án " Nghiên cứu ứng dụng mạng cảm biến cho hệ thống chiếu sáng thông minh trường học " mang lại cho chúng em trải nghiệm học tập nghiên cứu sâu sắc mạng cảm biến ứng dụng tình thực tế Sự hỗ trợ từ Cơ, khơng qua buổi giảng mà cịn qua thảo luận hỏi đáp, giúp chúng em hiểu rõ khía cạnh lý thuyết thực tiễn lĩnh vực Những kỹ kiến thức mà chúng em tích luỹ từ dự án vô giá Chúng em biết nỗ lực mà Cô đầu tư để hướng dẫn hỗ trợ chúng em không giúp chúng em hồn thành dự án cách thành cơng mà cịn giúp chúng em phát triển kỹ quý báu lĩnh vực mạng cảm biến Cuối cùng, chúng em xin kết thúc lời lòng biết ơn sâu sắc Chúng em hy vọng hợp tác học hỏi từ Cô tiếp tục tương lai Lĩnh vực mạng cảm biến lĩnh vực đầy tiềm chúng em mong muốn tiếp tục khám phá phát triển hướng dẫn Cô Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn Cô Trần Thị Thanh Thuỷ hỗ trợ đóng góp q báu Cơ