Thiết kế và thi công hệ thống giám sát môi trường của tòa nhà chung cư

Khối cảm biến là nơi đặt cảm biến để thu thập dữ liệu, trong cáckhối cảm biến được thiết kế tích hợp các module cảm biến và các chip vi điềukhiển, module thu phát không dây sẽ nắm chức n

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG CỦA TÒA NHÀ CHUNG CƯ

Chuyên ngành: HỆ THỐNG NHÚNG

GVHD: Th.S HUỲNH BÁ CƯỜNG SVTH : LÊ ĐĂNG HÙNG

LỚP : K25 - EHT MSSV : 25211709138

Đà Nẵng, 2023

LỜI CAM ĐOAN

Những nội dung được trình bày trong luận văn là những kiến thức của riêng

cá nhân tôi tích luỹ trong quá trình học tập, nghiên cứu, không sao chép lại của mộtcông trình nghiên cứu hay luận văn của bất cứ tác giả nào

Trong nội dung của luận văn, những phần tôi nghiên cứu, trích dẫn đều đượcnêu trong các tài liệu tham khảo, có nguồn gốc, xuất xứ tên tuổi của các tác giả vànhà xuất bản rõ ràng

Những điều tôi cam kết hoàn toàn là sự thật, nếu sai, tôi xin chịu mọi hìnhthức kỷ luật theo quy định

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2023

Học viên thực hiện

Lê Đăng Hùng

LỜI CẢM ƠN

Đồ án tốt nghiệp là nhiệm vụ và yêu cầu của sinh viên để kết thúc khóa họctrước khi tốt nghiệp ra trường, đồng thời nó cũng giúp cho sinh viên tổng kết đượcnhững kiến thức đã học trong suốt quá trình học tập, cũng như phần nào xác địnhđược công việc mà mình sẽ làm trong tương lai khi tốt nghiệp

Với đề tài “ THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG

CỦA TÒA NHÀ CHUNG CƯ ”, sau khi tìm hiểu và tiến hành làm đồ án, cùng với

sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn và trực tiếp tham gia chế tạo thiết bị

và thí nghiệm đã đem lại cho em những kiến thức bổ ích và kinh nghiệm thực tế chosau này

Trong suốt quá trình làm đồ án với sự nổ lực, tìm hiểu của bản thân và hướngdẫn của Thầy ThS Huỳnh Bá Cường đến nay đồ án của em đã được hoàn thành.Trong quá trình thực hiện đồ án sẽ có những thiếu sót do hạn chế về chuyên môn,

về kiến thức lý thuyết lẫn kinh nghiệm thực tế Vì vậy em rất mong nhận được sựgiúp đỡ, các ý kiến của các thầy cô để hoàn thiện đồ án tốt nghiệp tốt nhất

Em cũng gởi lời cảm ơn đến Trường Đại học Duy Tân đã tạo điều kiện cơhội cho em thực hiện đồ án tốt nghiệp, kết thúc 4,5 năm học tại ghế nhà trườngtrang bị đủ kiến thức phục vụ cho công việc sắp tới

Xin chân thành cảm ơn!

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2023

Học viên thực hiện

Lê Đăng Hùng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC BẢNG BIỂU 6

DANH MỤC HÌNH ẢNH 7

GIỚI THIỆU 9

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 9

2 MỤC TIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 10

2.1 Mục tiêu 10

2.2 Nội dung 10

2.3 Phương pháp nghiên cứu 11

2.4 Cấu trúc đề tài 11

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG 12

1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 12

1.2 KHÁI QUÁT VỀ IOT 12

1.2.1 Giới thiệu 12

1.2.2 Kiến trúc IoT 13

1.2.3 Lợi ích của internet vạn vật (IoT) 13

1.2.4 Mô hình một hệ thống IoT 14

1.2.5 Ứng dụng IoT 16

1.3 TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI 16

1.3.1 Vi điều khiển: Module NODEMCU ESP8266 16

1.3.2 Module cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 18

1.3.3 Cảm biến khí gas MQ2 21

1.4 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP TRONG ĐỀ TÀI 23

1.4.1 Giao thức vận chuyển từ xa trong hàng đợi tin nhắn (MQTT) 23

1.4.2 Chuẩn giao tiếp wifi 25

1.5 GIỚI THIỆU APP LẬP TRÌNH APP MOBILE 27

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG 29

2.1 GIỚI THIỆU 29

2.2 GIỚI THIỆU VỀ FIREBASE 29

2.2.1 Firebase là gì? 29

2.2.2 Các tính năng chính của Firebase 30

2.3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 32

2.3.1 Sơ đồ khối hệ thống 32

2.3.2 Thiết kế mạch chính 33

2.3.3 Lưu đồ thuật toán mạch chính 35

2.3.4 Thiết lập App Mobile 36

2.4 THIẾT KẾ ĐỀ TÀI 37

2.4.1 Thiết kế khối Esp8266 37

2.4.2 Thiết lập kết nối với Firebase với Arduino IDE 38

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 40

3.1 DỮ LIỆU TRONG FIREBASE 40

3.2 GIAO DIỆN ĐĂNG NHẬP VÀO APP MOBILE 40

3.2.1 Giao diện chính admin 41

3.2.2 Giao diện theo dõi giá trị các cảm biến của Admin 42

3.3 NHẬN XÉT 44

3.3.1 kết quả kiểm thử 44

3.3.2 Nhận xét tổng quát 45

3.3.3 Nhận xét chi tiết mạch 45

3.3.4 Nhận xét App Mobile 45

3.4 KHÓ KHĂN VÀ HƯỚNG GIẢI QUYẾT 46

3.4.1 Khó khăn 46

3.4.2 Hướng giải quyết 46

3.5 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 46

KẾT LUẬN 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN CỦA ĐỀ TÀI 49

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

TT Viết tắt Giải trình

1 IoT Vạn vật kết nối

2 RFID Công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến

3 MCU Thiết bị điều khiển đa điểm

4 ID Nhận dạng

5 LNG Khí thiên nhiên hóa lỏng

6 LUA Ngôn ngữ lập trình mệnh lệnh

7 MQTT Tin nhắn xếp hàng vận chuyển từ xa

8 M2M Tương tác giữa máy với máy

9 TCP Giao thức điều khiển truyền vận

10 TLS Giao thức bảo mật tầng vận chuyển

11 QoS Chất lượng dịch vụ

12 CoAP Giao thức ứng dụng bị ràng buộc

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Kết quả kiểm thử 43

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1: Sơ đồ tổng quan về gửi nhận dữ liệu 11

Hình 1 2: Internet of Things 11

Hình 1 3: Hệ thống hoạt động của IoT 12

Hình 1 4: Mô hình của một hệ thống IoT 14

Hình 1 5: Bo mạch NodeMCU ESP8266 16

Hình 1 6: Sơ đồ cảm chân DHT11 17

Hình 1 7: Cấu tạo của cảm biến độ ẩm 18

Hình 1 8: Cấu tạo của biến trở nhiệt độ 18

Hình 1 9: Quá trình truyền dữ liệu của cảm biến DHT22 19

Hình 1 10: Start Signal 19

Hình 1 11: Tín hiệu phải hồi 19

Hình 1 12: Các bit dữ liệu truyền nhận trong DHT11 20

Hình 1 13: Dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm 20

Hình 1 14: Cảm biến khí gas MQ2 21

Hình 1 15: Sơ đồ mạch cảm biến MQ2 21

Hình 1 16: 6 chân của cảm biến MQ2 22

Hình 1 17: MQTT – Xuất bản/Đăng ký dựa trên môi giới 23

Hình 1 18: Chuẩn giao tiếp Wifi 25

Hình 1 19: Một số chuẩn giao thức wifi 26

Hình 1 20: Các tệp dự án trong khung hiển thị dự án của Android 27

Hình 2.1: firebase và sự kết hợp với google 28

Hình 2.2: Realtime Database 29

Hình 2.3: Cloud Storage 30

Hình 2.4: Hosting 30

Hình 2.5: Analytics 31

Hình 2.6: Sơ đồ khối hệ thống 31

Hình 2.7: Khối nguồn 32

Hình 2.8: Khối cảm biến 32

Hình 2.9: Sơ đồ kết nối chân giữa ESP8266 với cảm biến DHT11 33

Hình 2.10: Sơ đồ nối chân của ESP8266 với cảm biến MQ2 33

Hình 2.11: Lưu đồ thuật toán mạch chính 34

Hình 2.12: Lưu đồ thuật toán hiển thị App Mobile 36

Hình 2.13: Sơ đồ kết nối chân các cảm biến với Esp8266 37

Hình 2.14: Truy xuất mã trên Firebase 37

Hình 2.15: Thiết lập kết nối Arduino với Firebase 38

Hình 3.1: Dữ liệu nhiệt độ được gửi lên firebase 40

Hình 3.2: Dữ liệu độ ẩm được gửi lên firebase 40

Hình 3.3: Giao diện để đăng nhập vào hệ thống 41

Hình 3.4: Giao diện Admin 41

Hình 3.5: Giao diện hiển thị các thông số cảm biến đo được 42

Hình 3.6: Cảnh báo khi giá trị vượt ngưỡng an toàn 42

Hình 3.7: Mô hình sau khi hoàn thiện 43

Hình 3.8: Các thiết bị được bật 43

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Đà Nẵng, ngày … tháng năm 2022

Giảng viên hướng dẫn

Th.S Huỳnh Bá Cường

GIỚI THIỆU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Cùng với sự phát triển mọi mặt của xã hội, những cuộc cách mạng khoa học

kỹ thuật luôn đóng vai trò vô cùng quan trọng chúng đang từng bước làm thay đổi

cuộc sống của con người theo hướng phát triển tốt đẹp và hiện đại hơn Việc ápdụng các ngành khoa học kỹ thuật như các ngành công nghệ thông tin, điện tử, tựđộng hóa,…vào cuộc sống trở nên vô cùng quan trọng Cụm từ "Internet of Things"(IoT) này được đưa ra bởi Kevin Ashton vào năm 1999 Hiện tại IoT dần đã trởthành một thuật ngữ quen thuộc và phổ biến ở nhiều nơi trên thế giới mạng lại nhiềulợi ích to lớn Ứng dụng IoT là một xu hướng hiện đại phù hợp với yêu cầu củacuộc cách mạng công nghiệp 4.0 IoT giúp ta có thể dễ dàng trao đổi dữ liệu, giámsát và điều khiển từ xa một cách dễ dàng Trong các hệ thống nhà máy như sản xuất,

hệ thống quản lý, xây dựng, hệ thống công nghiệp, …thì việc điều khiển từ xa cũngnhư việc thu thập dữ liệu là vô cùng quan trọng và giải pháp tích hợp IoT thườngđược đưa ra nhằm giải quyết bài toán kết nối các hệ thống tới mạng Internet, thamgia vào hệ sinh thái IoT giúp cho cuộc sống cải thiện tốt hơn

Mặc dù có những thay đổi tích cực do các hệ thống thông minh mang lại nhiềulợi ích cho cuộc sống đã xuất hiện, tuy vậy vẫn cần thêm những hệ thống thôngminh khác để có thể giám sát, theo dõi sự thay đổi các yếu tố môi trường như ônhiễm môi trường, biến đổi khí hậu,… Mặt khác việc dân số tăng khiến cho các khuvực thành phố ngày càng trở nên đất chật người đông, vì vậy các tòa nhà chung cưmọc lên rất nhiều nếu khi xảy ra hỏa hoạn thì sẽ gây tổn thất rất lớn về người và tài

sản Vì lý do đó em đã quyết định làm đồ án “ THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG CỦA TÒA NHÀ CHUNG CƯ” khi dự án

thành công và được áp dụng rộng rãi sẽ hạn chế được rất nhiều những rủi ro về cháy

nổ gây nên làm giảm đáng kể những thiệt hại điều này cũng giúp cho đất nước tangày càng phát triển

2 MỤC TIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 MỤC TIÊU

 Xây dựng thành công hệ thống quản lý gồm có:

- Module truyền và nhận dữ liệu

- Module cảm biến

- Module cảnh báo khi thông số vượt quá ngưỡng cho phép

 Xây dựng phần mềm thu thập, hiển thị và cảnh báo thông số giám sát vượtngưỡng

2.2 NỘI DUNG

Dùng phương pháp thu thập số liệu từ các cảm biến, phương pháp thựcnghiệm tại các tòa nhà, khu chung cư, phương pháp xử lý thông tin và một sốphương pháp khác để làm phương pháp nghiên cứu chung, xuyên suốt trong quá

trình xem xét vấn đề Trong quá trình nghiên cứu, vận dụng các lý luận liên quankết hợp với tổng hợp, phân tích, đánh giá các số liệu, luận chứng các ưu, nhượcđiểm, thuận lợi và khó khăn để xây dựng hệ thống.

2.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Thiết kế, lập trình cho hệ thống điều khiển, chạy thử nghiệm

- Thiết kế, xây dựng giao diện trên điện thoại di động

- Thiết kế mô hình, chỉnh sửa và cải tiến từ những phương án đã chọn

- Xây dựng các lưu đồ thuật toán để lập trình cho cả hệ thống

- Giới thiệu phần thi công mạch, đóng gói bộ điều khiển, các bước thi công

mô hình hoàn chỉnh

 Chương 3: Kết quả và hướng phát triển

- Hình ảnh hoàn thiện của từng mạch trong hệ thống

- Kịch bản kiểm tra vận hành của hệ thống và kết quả thu được

- Đánh giá kết quả

- Nêu những khó khăn và hướng khắc phục khó khăn

- Đề ra những hướng phát triển mới cho đề tài

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG 1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

Mô hình là nơi các cảm biến sẽ thu thập những dữ liệu như: Nhiệt độ, độ

ẩm, khí gas Khối cảm biến là nơi đặt cảm biến để thu thập dữ liệu, trong cáckhối cảm biến được thiết kế tích hợp các module cảm biến và các chip vi điềukhiển, module thu phát không dây sẽ nắm chức năng để truyền dữ liệu đã thuthập trước đó đến trạm trung tâm dữ liệu Firebase, khi dữ liệu đến trung tâm sẽđược xử lý và phân tích nếu đúng với yêu cầu thì dữ liệu sẽ được gửi đến trungtâm dữ liệu và tiến hành hiển thị, đưa lên app Tại đây người dùng và các nhàquản lý có thể quan sát, theo dõi được dữ liệu thông qua các thiết bị có kết nốimạng

Hình 1.1: Sơ đồ tổng quan về gửi nhận dữ liệu.

1.2 KHÁI QUÁT VỀ IOT

1.2.1. Giới thiệu

Internet of Things[1] hay còn gọi là IoT là thuật ngữ do Kevin Ashton ngườiAnh nghĩ ra, là mạng lưới các thiết bị vật lý, chẳng hạn như thiết bị, điện thoạithông minh, xe cộ, đèn đường, các yếu tố cơ sở hạ tầng, máy móc công nghiệp,v.v., còn được gọi là vạn vật (chữ T trong IoT) Được kết nối với nhau qua mạnginternet

- Hạ tầng mạng (Network and Cloud)

- Bộ phân tích và xử lý dữ liệu (Services-creation and Solution Layers) Các cảm biến sẽ cảm nhận các tín hiệu từ môi trường Bao gồm: ánh sáng, nhiệt

độ, áp suất… Và chuyển thành các dạng dữ liệu trong Internet Tiếp đó các tín hiệu

sẽ được xử lý và đưa ra các thay đổi theo ý của người dùng

Hình 1.3: Hệ thống hoạt động của IoT.

1.2 3 Lợi ích của internet vạn vật (IoT)

Nhờ sự ra đời của chip máy tính giá rẻ và công nghệ viễn thông băng thôngcao, ngày nay, chúng ta có hàng tỷ thiết bị được kết nối với internet Điều này nghĩa

là các thiết bị hàng ngày như bàn chải đánh răng, máy hút bụi, ô tô và máy móc cóthể sử dụng cảm biến để thu thập dữ liệu và phản hồi lại người dùng một cách thôngminh

Internet vạn vật tích hợp “vạn vật” với Internet mỗi ngày Các kỹ sư máy tính

đã và đang thêm các cảm biến và bộ xử lý vào các vật dụng hàng ngày kể từ nhữngnăm 90 Tuy nhiên, tiến độ ban đầu rất chậm vì các con chip còn to và cồng kềnh.Loại chip máy tính công suất thấp gọi là thẻ tag RFID, lần đầu tiên được sử dụng đểtheo dõi các thiết bị đắt đỏ Khi kích cỡ của các thiết bị điện toán dần nhỏ lại, nhữngcon chip này cũng trở nên nhỏ hơn, nhanh hơn và thông minh hơn theo thời gian

Chi phí tích hợp công suất điện toán vào trong các vật dụng nhỏ bé hiện nay

đã giảm đáng kể Ví dụ: bạn có thể thêm khả năng kết nối với các tính năng củadịch vụ giọng thoại Alexa vào các MCU tích hợp sẵn RAM chưa đến 1 MB, chẳng

hạn như cho công tắc đèn Nguyên cả một ngành công nghiệp đã bất ngờ xuất hiệnvới trọng tâm xoay quanh việc trang bị các thiết bị IoT khắp mọi ngóc ngách cănnhà, doanh nghiệp và văn phòng của chúng ta Những vật dụng thông minh này cóthể tự động truyền và nhận dữ liệu qua Internet.

1.2.4 Mô hình một hệ thống IoT

 Đặc điểm cơ bản và yêu cầu một hệ thống IoT

Một hệ thống IoT sẽ bao gồm các đặc điểm cơ bản sau:

- Tính kết nối liên thông: với những hệ thống IoT thì bất cứ thứ gì từ các thiết

bị, máy móc, mọi thứ đều có thể kết nối với nhau thông qua mạng lưới thông tin

và cơ sở hạ tầng liên lạc tổng thể

- Tính không đồng nhất: các thiết bị trong IoT là không đồng nhất bởi các thiết

bị IoT có thể có những phần cứng khác nhau, cũng như các mô hình kết nối IoTkhác nhau Các thiết bị với mô hình kết nối IoT khác nhau này sẽ có thể tương tácvới nhau thông qua các chuẩn giao thức

- Những dịch vụ liên quan đến “Things”: hệ thống IoT có khả năng cung cấpcác dịch vụ liên quan đến “Things” chẳng hạn như việc bảo vệ riêng tư và nhất quangiữa Physical Thing và Virtual Thing Để cung cấp các được các dịch vụ này, cảcông nghệ phần cứng và công nghệ phần mềm sẽ phải thay đổi

- Thay đổi linh hoạt: Các trạng thái của thiết bị có thể tự động thay đổi đượcchẳng hạn như việc kết nối hoặc bị ngắt quãng do yếu tố bên ngoài, vị trí các thiết

bị đã thay đổi,… Hơn nữa, số lượng thiết bị có thể tự động thay đổi

- Quy mô lớn: Sẽ có một số lượng rất lớn và các thiết bị có thể được quản lýcũng như là giao tiếp với nhau Số lượng này lớn hơn rất nhiều so với số lượng máytính kết nối Internet hiện nay Số lượng các thông tin được truyền bởi các thiết bị sẽlớn hơn nhiều so với được truyền bỏi con người

 Yêu cầu đối với hệ thống IoT:

Một hệ thống IoT phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Kết nối dựa vào định hình danh tính: Các thiết bị, máy móc, hay được gọi là

“things”, thường sẽ có tên hoặc ID duy nhất Với một hệ thống IoT thì để kết nốigiữa các “things” với nhau thì các kết nối sẽ được thiết lập dựa trên ID duy nhất của

“things”

- Khả năng quản lý: hệ thống IoT cần phải hỗ trợ tính năng quản lý các

“Things” để đảm bảo việc các thiết bị kết nối với nhau hoạt động một cách bìnhthường Các ứng dụng IoT thường làm việc tự động mà không cần sự tham gia củangười, nhưng toàn bộ quá trình hoạt động của họ nên được quản lý bởi các bên liênquan

Khả năng bảo mật: Trong các ứng ứng IoT, rất nhiều các thiết bị được kết nối vớinhau, chính vì điều này mà đã làm tăng mối nguy hiểm ví dụ như dữ liệu đột nhiên

bị thay đổi hay làm giả, các thông tin bí mật bị tiết lộ,… Hơn nữa tất cả các thiết bị

có thể chứa thông tin cá nhân liên quan đến chủ sở hữu hoặc người sử dụng nó

- Dịch vụ thỏa thuận: Các dịch vụ có thể được cung cấp bằng việc thu thập,giao tiếp hoặc xử lý một cách tự động các dữ liệu giữa các thiết bị dựa trên các quytắc được thiết lập bởi người vận hành hoặc tùy chỉnh bởi người dùng

- Khả năng cộng tác: Khả năng cho phép hệ thống IoT tương tác giữa các thiết

bị với thiết bị một cách dễ dàng

- Plug and Play: Hệ thống IoT bắt buộc các thiết bị, máy móc,… phải đượcplug = and – play một cách dễ dàng và tiện dụng Điều này tiện lợi cho những ngườimới bắt đầu

- Các khả năng dựa vào vị trí: Các thông tin liên lạc và các dịch vụ liên quanđến một cái gì đó sẽ phụ thuộc vào thông tin vị trí của các thiết bị, máy móc,… vàcủa người sử dụng Hệ thống IoT có thể biết và theo dõi một cách tự động Các dịch

vụ sẽ dựa trên vị trí có thể bị hạn chế bởi luật pháp hay quy định và phải tuân thủtheo các yêu cầu quy định

- Khả năng tự quản của mạng: bao gồm tự quản lý, tự cấu hình, tự tối ưu hóa

và tự tạo cơ chế bảo mật Điều này cần thiết để mạng có thể thích ứng với các ứngdụng khác nhau, môi trường truyền thông khác nhau và các loại thiết bị khác nhau

Mô hình của một hệ thống IoT bao gồm bốn lớp cũng như khả năng quản lý và bảomật được liên kết với bốn lớp:

Hình 1.4: Mô hình của một hệ thống IoT.

- Khả năng hỗ trợ chung: Chẳng hạn như xử lý dữ liệu hoặc lưu trữ dữ liệu

- Khả năng hỗ trợ cụ thể: Phục vụ cho các yêu cầu của các ứng dụng đa dạng

và kiểm soát thông tin liên quan đến IoT

 Device layer (Lớp thiết bị)

Bao gồm tương tác thiết bị trực tiếp / gián tiếp với cổng và mạng truyềnthông

1.2.5 Ứng dụng IoT

Các tiềm năng do IoT cung cấp có thể giúp phát triển một số lượng lớn cácứng dụng, trong đó chỉ có một phần rất nhỏ hiện nay được cung cấp cho xã hội củachúng ta Nhiều lĩnh vực và môi trường trong đó các ứng dụng mới có thể sẽ cảithiện chất lượng cuộc sống của chúng ta: tại nhà, trong khi đi du lịch, khi bị ốm, tạinơi làm việc, khi chạy bộ và tại phòng tập thể dục, chỉ để trích dẫn một vài điều.Này môi trường bây giờ được trang bị với các đối tượng chỉ có trí thông minh sơkhai, hầu hết các lần không có bất kỳ khả năng giao tiếp nào Cung cấp cho các đốitượng này khả năng giao tiếp với tầng khác và để xây dựng thông tin nhận được từmôi trường xung quanh ngụ ý có môi trường nơi một loạt các ứng dụng có thể đượctriển khai Chúng có thể được nhóm lại thành các miền sau:

- Lĩnh vực vận tải hậu cần

- Lĩnh vực chăm sóc sức khỏe

- Miền môi trường thông minh (nhà, văn phòng, nhà máy)

- Miền cá nhân và xã hội

1.3 TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI

1.3.1 Vi điều khiển: Module NODEMCU ESP8266

ESP8266 là một module Wi-Fi với khả năng kết nối Internet và được tích hợpsẵn trên một số board nhúng như NodeMCU, Wemos, và ESP-01 ESP8266 có thểhoạt động như một điểm truy cập (access point), một client kết nối đến một điểm

truy cập khác, hoặc cả hai đều được Nó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụngIoT (Internet of Things) như cảm biến thông minh, hệ thống kiểm soát thiết bị, hoặccác ứng dụng điều khiển từ xa Module này có giá thành rẻ và rất dễ sử dụng, cùngvới đó là khả năng tương thích với nhiều loại vi điều khiển khác nhau.

 ESP8266 NodeMCU

NodeMCU[2] là một phần mềm nguồn mở dựa trên Lua và bảng phát triển đượcnhắm mục tiêu đặc biệt cho các Ứng dụng dựa trên IoT Nó bao gồm phần sụn chạytrên ESP8266 Wi-Fi SoC của Espressif Systems và phần cứng dựa trên mô-đunESP-12

Hình 1.5: Bo mạch NodeMCU ESP8266.

 Thông số kỹ thuật và tính năng NodeMCU ESP8266

- Bộ vi điều khiển: CPU RISC 32-bit Tensilica Xtensa LX106

- Điện áp hoạt động: 3.3V

- Điện áp đầu vào: 7-12V

- Chân I / O kỹ thuật số (DIO): 16

- Chân đầu vào tương tự (ADC): 1

- UARTs: 1

Mô-đun có kích thước nhỏ để phù hợp thông minh bên trong các dự án IoT của bạn.

1.3.2 Module cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11

DHT11 là cảm biến nhiệt độ, độ ẩm được tích hợp trong một mạch duy nhất.DHT11 có giá thành rẻ, dễ sử dụng, thích hợp trong các ứng dụng yêu cầu độ chínhxác không cao, môi trường không khắc nghiệt Cảm biến được tích hợp bộ tiền xử

lý tín hiệu giúp dữ liệu nhận về được chính xác mà không cần phải qua bất kỳ tínhtoán nào

 Thông số kỹ thuật:

- Điện áp hoạt động: 3V - 5V (DC)

- Dòng điện sử dụng: 2.5mA max khi truyền dữ liệu

- Dải độ ẩm hoạt động: 0% - 100% RH, sai số 2-5%RH

- Dải nhiệt độ hoạt động: -40°C ~ 80°C, sai số ±0.5°C

- Tần số lấy mẫu tối đa 0.5Hz (2 giây 1 lần)

- Kích thước 27mm x 59mm x 13.5mm (1.05" x 2.32" x 0.53")

- Khoảng cách truyển tối đa: 20m

 Sơ đồ chân:

Hình 1.6: Sơ đồ cảm chân DHT11.

 Cấu tạo cảm biến DHT11:

DHT11 được tích hợp hai cảm biến nhiệt độ và độ ẩm

- Cảm biến độ ẩm:

Hình 1.7: Cấu tạo của cảm biến độ ẩm.

Cảm biến độ ẩm được cấu tạo bởi 2 lớp điện cực và nằm ở giữa là một lớppolime giữ ẩm, dẫn điện Khi độ ẩm tăng các ion trong lớp polime được giải phónglàm tăng độ dẫn điện giữa các điện cực Điện trở giữa hai cực tỉ lệ nghịch với độẩm

Hình 1.8: Cấu tạo của biến trở nhiệt độ.

Bên trong DHT11 còn có một nhiệt điện trở NTC Giá trị điện trở NTC tỉ lệthuận với nhiệt độ (100 Ôm /1 độ C) Ngoài ra bên trong nó còn có 1 IC chuyển đổitín hiệu tương tự sang tín hiệu số

 DHT11 hoạt động như thế nào?

Khi cấp nguồn cảm biến cần 2 giây để ổn định Trong giai đoạn này cảm biếnkiểm tra giá trị nhiệt độ, độ ẩm môi trường và chuyển sang chế độ ngủ Khi MCUgửi tín hiệu bắt đầu, cảm biến chuyển sang chế độ tốc độ cao và gửi tín hiệu phản

hồi Theo đó nó sẽ gửi một chuỗi dữ liệu gồm 40bit gồm các giá trị nhiệt độ, độ ẩmtương đối Sau khi kết thúc cảm biến sẽ tự trở về chế độ ngủ

Hình 1.9: Quá trình truyền dữ liệu của cảm biến DHT22.

và sẵn sàng cho việc truyền dữ liệu

Hình 1.11: Tín hiệu phải hồi.

 40bit Data:

Hình 1 12: Các bit dữ liệu truyền nhận trong DHT11.

Khi tín hiệu phản hồi kết thúc, cảm biến bắt đầu suất dữ liệu nối tiếp 40 bit liêntục Trước khi gửi dữ liệu cảm biến sẽ kéo dòng xuống mức thấp Bit dữ liệu 0 hay

1 tùy thuộc vào khoảng thời gian kéo dòng ở mức cao Với 26µs là mức data 0 còn70µs là mức data 1 Khi tất cả 40 bit được truyền đi cảm biến sẽ kéo dòng xuốngmức thấp trong khoảng thời gian 50µs và chuyển sang chế độ ngủ

 Cách đọc nhiệt độ, độ ẩm từ dữ liệu 40 bit

Hình 1.13: Dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm.

Trong 40 bit dữ liệu cảm cảm biến DHT gửi đi chứa 16 bit độ ẩm, 16 bit nhiệt

độ và 8 bit cuối cùng có chức năng kiểm tra:

0000 0010 1001 0010 0000 0001 0000 1101 1010 0010

Relative Humidity Relative Temperature Checksum

Giá trị của bit kiểm tra là tổng của 4 byte đầu tiên, điều này chỉ ra rằng dữ liệu

đã nhận là hợp lệ

0000 0010 + 1001 0010 + 0000 0001 + 0000 1101 = 1010 0010

Để có được giá trị nhiệt độ, độ ẩm tương đối ta cần chuyển số nhị phân 16 bitthành thập phân Ví dụ như sau:

Relative Humidity => 0000 0010 1001 0010 (BIN) => 65.8 (% RH)

Relative Temperature => 0000 0001 0000 1101 (BIN) => 26.9 (°C)

1.3.3 Cảm biến khí gas MQ2

MQ2 là mạch cảm biến khí gas được sử dụng trong các thiết bị phát hiện rò

rỉ khí gas trong gia đình Cảm biến khí gas MQ2 và công nghiệp, có độ nhạy cao

với LPG, iso-butan, propan và LNG Nó cũng có thể được sử dụng để phát hiện

sự hiện diện của rượu, khói nấu ăn và khói thuốc lá

Cảm biến có độ nhạy cao, khả năng phản hồi nhanh, độ nhạy có thể điềuchỉnh bằng biến trở

- A0: Đầu ra Analog (tín hiệu tương tự).

- Cấu tạo từ chất bán dẫn Sno2.

- Có 2 dạng tín hiệu Analog (A0) và Digital (D0)

- Dạng tín hiệu: TTL đầu ra 100mA (có thể sử dụng trực tiếp Relay, còi công

suất nhỏ…)

- Điều chỉnh độ nhạy bằng biến trở.

- Sử dụng LM393 để chuyển A0→D0.

 Cấu tạo của cảm biến khí gas MQ2.

MQ là một cảm biến “Heater – Driven” được hiểu như là nó hoạt động bằngcách làm nóng chính nó cho nên nó cần được bao bọc bởi lớp lưới thép để đảm bộphận làm nóng bên trong cảm biến không gây cháy nổ

 MQ2 có 6 chân trong đó có :

Hai chân H là Heater Coil làm bằng “ hợp kim Ni-Cr ” có chức năng làmnóng bộ phận “Sensing Element”

Hai chân A và chân B chỉ là dây dẫn làm bằng “Platinum” được kết nối vào

“Sensing Element” có chức năng truyền Output, dựa vào những thay đổi nhỏ đi quaphần tử cảm biến

Hình 1.16: 6 chân của cảm biến MQ2.

 Nguyên lý làm việc của MQ2:

Ban đầu lớp SnO2 cần được nung nóng ở nhiệt độ cao bộ phận làm nóngchịu trách nhiệm việc này, khi mới cấp nguồn thường cần đợi khoảng xấp xỉ 20s.Sau đó, nếu tiếp xúc với không khí thường, các phần tử trên bề mặt lớp SnO2 bị cácphân tử Oxygen giữa lại tạo 1 lớp rào cản có điện trở cao, ngăn cản dòng điện chạyqua giữa 2 chân A và B Tuy nhiên khi có xuất hiện các loại khí khác, mật độ cácphân tử Oxygen sẽ giảm do phản ứng với chúng, các phân tử lớp (SnO2) không bịgiữ lại dẫn đến lớp rào cản có điện trở thấp, dòng điện chạy qua giữa 2 chân A và B

dễ hơn Vậy với nồng độ khí càng cao, thì điện trở cảm biến càng giảm và ngượclại

1.4 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP TRONG ĐỀ TÀI

1.4.1 Giao thức vận chuyển từ xa trong hàng đợi tin nhắn (MQTT)

Giao thức MQTT[3] là một trong những giao thức lớp ứng dụng được sử dụngrộng rãi nhất trong IoT Đây là một giao thức M2M nhẹ, dựa trên cách tiếp cận đăng