(Tiểu luận) đề tài nghiên cứu ứng dụngmạng cảm biến cho hệ thống chiếu sáng thông minh trong trường học

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚP Môn học: Mạng cảm biến Họ tên : Trần Huy Đạt - B20DCDT050 : Trần Mạnh Điệp - B20DCDT051 : Nguyễn Thành Đô - B20DCDT052 : Bùi Ngọc Đức - B20DCDT053 : Nguyễn Minh Đức - B20DCDT001 Nhóm tập : 03 Nhóm lớp : 02 Giảng viên : ThS Trần Thị Thanh Thuỷ Hà Nội – 2023 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN 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 nguyên vô 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 môi trường học tập thoải mái tối ưu tác động tích cực đến tập trung hiệu suất học tập học sinh sinh viên Môi trường tối sáng gây mệt mỏi gây phân tâm Sử dụng cảm biến ánh sáng để điều chỉnh đèn theo cách thông minh giúp tạo mơi 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 môi 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 thông 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 cịn 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 môi trường, thúc đẩy phát triển toàn diện hệ trẻ MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH Document continues below Discover more from: máy tính Mang INT1336 Học viện Cơng ng… 266 documents Go to course Luận văn nghiên cứu 59 ứng dụng Blockchain Mang máy tính 100% (12) NHDT MMT - Đề ơn 42 thi trắc nghiệm… Mang máy tính 92% (26) De tai iot su dung 84 esp - hệ thống cảm… Mang máy tính 100% (7) Bai giang Computer 193 Network 2012 1118 Mang máy tính 93% (14) DE-thi kì tin học sở Mang máy tính 100% (5) 300 cau hoi trac nghiem kien truc… CHƯƠNG : GIỚI THIỆU CHUNG 53 VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY 1.1 Mang máy tính 100% (5) 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 a 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 b Tự động hố gia đình điện dân dụng Mục đích lớn mạng cảm biến khơng dây gia đình mong chờ mức tiêu thụ điện thấp Ứng dụng khác gia đình việc hỗ trợ dịch vụ gia đình ơtơ: ổ khố khơng dây, cảm biến cửa vào cửa sổ, điều khiển bóng đèn khơng dây, chủ nhà có thiết bị tương tự key-fob với nút bấm Khi bấm nút, thiết bị khoá tất cửa vào cửa sổ nhà, tắt hầu hết bóng đèn nhà (trừ vài bóng đèn ngủ), bật bóng đèn an tồn ngồi nhà, thiết lập hệ thống HVAC đến chế độ ngủ Người sử dụng nhận tiếng beep đáp thể tất thực thành công, nghỉ ngơi hồn tồn, ngơi nhà an tồn Khi cánh cửa hỏng mở, vấn đề tồn tại, hình hiển thị thiết bị thị nơi bị hỏng c Trong quân Vì mạng cảm biến dựa sở triển khai dày đặc với nút giá rẻ dùng lần, việc bị địch phá huỷ số nút không ảnh hưởng tới hoạt động chung cảm biến truyền thống nên chúng tiếp cận chiến trường tốt Một số ứng dụng mạng cảm biến là: kiểm tra lực lượng, trang bị, đạn dược, giám sát chiến trường, trinh sát vùng lực lượng địch, tìm mục tiêu, đánh giá thiệt hại trận đánh, trinh sát phát vũ khí hóa học - sinh học - hạt nhân d Trong y tế giám sát sức khoẻ Một số ứng dụng y tế mạng cảm biến không dây cung cấp khả giao tiếp cho người khuyết tật; kiểm tra tình trạng bệnh nhân; chẩn đoán; quản lý dược phẩm bệnh viện; kiểm tra di chuyển chế sinh học bên côn trùng loài sinh vật nhỏ khác; kiểm tra từ xa số liệu sinh lý người; giám sát, kiểm tra bác sĩ bệnh nhân bên bệnh viện e Với môi trường ngành nông nghiệp Theo dõi di chuyển loài chim, lồi thú nhỏ, trùng; kiểm tra điều kiện môi trường ảnh hưởng tới mùa màng vật nuôi; tình trạng nước tưới; cơng cụ vĩ mơ cho việc giám sát mặt đất phạm vi rộng thám hiểm hành tinh; phát hóa học, sinh học; tính tốn nơng nghiệp; kiểm tra mơi trường khơng khí, đất trồng, biển; phát cháy rừng; nghiên cứu khí tượng địa lý; phát lũ lụt; vẽ đồ sinh học phức tạp môi trường nghiên cứu ô nhiễm môi trường Các ứng dụng mạng cảm biến không dây sử dụng trang trại chăn nuôi 1.3 Ứng dụng hệ thống chiếu sáng thông minh trường học Hệ thống chiếu sáng thơng minh trường học nâng cấp tối ưu hóa thơng qua việc ứng dụng mạng cảm biến Dưới số cách mà mạng cảm biến áp dụng lĩnh vực này:  Điều chỉnh ánh sáng tự động: Mạng cảm biến sử dụng để theo dõi mức độ tự nhiên ánh sáng phòng học điều chỉnh đèn theo cách thông minh Khi ánh sáng tự nhiên đủ, hệ thống tắt giảm ánh sáng điện để tiết kiệm lượng Ngược lại, cần thêm ánh sáng, hệ thống tăng cường đèn  Tạo cài đặt ánh sáng tùy chỉnh: Hệ thống cho phép giảng viên quản lý trường học tạo cài đặt ánh sáng tùy chỉnh cho phòng học Một phịng có cài đặt ánh sáng phù hợp cho giảng dạy buổi sáng cài đặt khác cho buổi tối  Giảm căng thẳng tạo môi trường học tập tốt hơn: Ánh sáng ảnh hưởng đến tâm trạng hiệu suất học tập học sinh Mạng cảm biến sử dụng để cân nhắc mức độ ánh sáng thích hợp cho hoạt động học tập, giúp giảm căng thẳng tạo môi trường học tập tối ưu  Tích hợp với hệ thống quản lý tịa nhà thơng minh: Mạng cảm biến tích hợp với hệ thống quản lý tịa nhà thơng minh để tối ưu hóa việc sử dụng lượng quản lý thiết bị khác tòa nhà 2.2.2 Mục đích sử dụng giao thức ứng dụng Việc sử dụng giao thức ứng dụng chiếu sáng thơng minh trường học nhằm mục đính truyền tải liệu nút nút sink nút Giúp cho việc xác định điểm đến liệu 2.3 Điều chế PWM 2.3.1 Giới thiệu điều chế xung PWM Xung PWM (Pulse Width Modulation) phương pháp điều chỉnh điện áp đầu ra, phương pháp điều chế dựa thay đổi độ rộng chuỗi xung vuông, dẫn đến thay đổi điện áp đầu 2.3.2 Ứng dụng PWM PWM ứng dụng nhiều điều khiển điển hình mad thường gặp điều khiển động … Sử dụng PWM điều khiển độ nhanh chậm động hay cao cịn dùng để điều khiển ổn định tốc độ động Với ESP32 thơng thường xuất tín hiệu pin, dạng tín hiệu mà sử dụng để bật/tắt đèn LED Tín hiệu xuất dạng 3.3V Bây PWM ứng dụng để tăng giảm điện áp đầu chân pin Tạo hiệu ứng sáng mờ cho đèn LED 2.4 Phần mềm Arduino IDE Arduino tảng phát triển phổ biến cho ứng dụng nhúng, bao gồm mạng cảm biến Có biến thể Arduino chạy nhiều loại vi điều khiển sử dụng cho việc thu thập truyền liệu Cách cài đặt sử dụng Arduino IDE: cài Arduino tại: https://www.arduino.cc/en/Main/Software Cài đặt bổ sung ESP32 board cho Arduino IDE Mở Arduino IDE, chọn File > Preferences Nhập https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json vào trường “Additional Board Manager URLs” hình sau nhấn “OK” Mở Boards Manager > Tools > Board > Boards Manager… Tìm ESP32 nhấn cài đặt cho “ESP32 by Espressif” 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 khơng 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 3.3.2 Phần mềm điều khiển thiết bị a Lưu đồ thuật tốn Hình 3.5: Lưu đồ thuật tốn 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 3.4 Kết nghiên cứu 3.4.1 Đánh giá hiệu hệ thống Hệ thống hoạt động ổn định 3.4.2 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 3.4.3 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 TÀI LIỆU THAM KHẢO