Smart – garbage bin gửi dữ liệu lên firebase

- Nghiên cứu nguyên l hoý ạt động cảm biến siêu âm HC-SR04 - Thiết kế được một chiếc thùng rác c khả năng nhận biết được rác đầy trong thùng - Kết nối được cơ sở dữ liệu Firebase sử dụn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM K THUỸ ẬT THÀNH PH H CHÍ MINHỐ Ồ

KHOA ĐO TẠO CHT LƯNG CAO

LỜI CẢM ƠN

Em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy cô trong khoa Điện – Điện Tử và b ộ môn CNKT Điệ ử Viễn thông đã giản t - ng dạy và truyền đạt kiến thức chuyên ngành cho em trong thời gian v a qua ừ

Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới GVHD - Thầy Nguyễn Thanh Nghĩa vì sự tận tình hướng dẫn cũng như đã tạo những điều ki n thu n lệ ậ ợi nhất cho em để  c th thể ực hiện và hoàn thành tốt đề tài này trong b ộ môn “Thực tập thiết kế ệ thống hnhúng trong công nghiệp”

Em cũng không quên cảm ơn các bạn trong lớp đã trao đổi, gp ý để em hoàn thành đề tài này một cách tố ẹp và đúng thời gian t đ

Mặc dù đã c nhi u c g ng và n lề ố ắ ỗ ực th c hiự ện, nhưng do kiến thức cũng như khả năng bản thân còn nhi u h n ch nên trong quá trình thề ạ ế ực hiện đề tài không thể tránh khỏi nh ng sai phữ ạm, thiếu st…Rất mong nhận được sự góp ý, ch d n t ỉ ẫ ừ nơi quý th y cô và các b n sinh viên ầ ạ

Người thực hiện

1.4 B C C QUY N BÁO CÁO 1 Ố Ụ Ể Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

2.1 C M BIẢ ẾN SIÊU ÂM và ƯU NHƯC ĐIỂM CỦA SÓNG SIÊU ÂM 3

3.1.2 Sơ đồ khối và chức năng mỗi khối 14

3.1.2.1 Sơ đồ khối của hệ thống 14

3.1.2.2 Chức năng củ ừng khốa ti : 15

3.1.3 Hoạt động c a hủ ệ thống 15

3.2 M CH N I DÂY 15 Ạ Ố 3.3 THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN HỆ THỐNG 16

3.3.1 Khối cảm bi n (C m bi n siêu âm HC-ế ả ế SR04) 16

3.3.2 Khối xử lí trung tâm – Raspberry Pi 4 16

3.3.3 Khối hiển th (Firebase) 17 ị

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ 21

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN V HƯỚNG PHÁT TRIỂN 25 5.1 K T LU N 25 Ế Ậ

5.2 HƯỚNG PHÁT TRI N 25 Ể

TÀI LIỆU THAM KH O 26 Ả

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN : 1.1 GIỚI THI U Ệ

Một trong những mối quan tâm chính đố ới môi trười v ng của chúng ta là qu n lý ả chất th i rả ắn ảnh hưởng đến sức khỏe và môi trường c a xã hủ ội Việc phát hi n, giám ệ sát và quản lý ch t th i là m t trong nh ng vấ ả ộ ữ ấn đề chính c a thủ ời đại hi n nay ệ Phương thức cũ là giám sát thủ công chất thải trong các thùng chứa là một quá trình nặng nhọc, s dử ụng quá nhi u công sề ức, thời gian và chi phí của con người mà có thể dễ dàng tránh được với các công ngh hi n nay cệ ệ ủa chúng ta Mô hình thùng rác thông minh có thể đưa dữ liệu lên internet giúp con người có thể kiểm soát một cách hoàn toàn tự ng, tiđộ ết kiệm rất nhiều th i gian mà còn mang lờ ại hiệu qu rả ất cao Chính vì lí do này nhm chúng em đã chọn đề tài “ Smart-Garbage Bin ửi dữ liệ g u lên firebase”

- Nghiên cứu nguyên l hoý ạt động cảm biến siêu âm HC-SR04

- Thiết kế được một chiếc thùng rác c khả năng nhận biết được rác đầy trong thùng

- Kết nối được cơ sở dữ liệu Firebase sử dụng Raspberry Pi để người dùng c thể nắm bắt thông tin về lượng rác thải trong thùng

- Cảm biến siêu âm HC-SR04 (Ultrasonic Sensor) được sử dụng rất phổ biến để xác định khoảng cách vì RẺ và CHÍNH XÁC Cảm biến HC-SR04 sử dụng sng siêu âm và c thể đo khoảng cách trong khoảng từ 2 -> 300cm, với độ chính xác gần như chỉ phụ thuộc vào cách lập trình.

- Firebase Realtime Database

Nội dung quyển báo cáo được chia thành 5 chương : Chương 1: T ng quan: Trình bày t ng quan vổ ổ ề đề tài

Chương 2: Cơ sở lý thuyết: Trình bày v c m bi n HC-SR04, Raspberry Pi 4 ề ả ế Chương 3: Thiết kế ệ thố h ng : Sơ đồ khối, chức năng từng khối, lưu đồ ải thu t, gi ậ code lập trình

Chương 4: Kết quả : Kết quả thi công c a hủ ệ thống

Chương 5: Kết luận và hướng phát triền : Ưu nhược điểm của hệ thống, hướng phát triển đề tài

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Cảm biến siêu âm là thiế ị điện tt b ử đo khoảng cách của một đ i tưố ợng mục tiêu bằng cách phát ra sng siêu âm, sau đ âm thanh phản xạ được chuyển đổi thành tín hiệu điện Theo đ, bộ phát c a củ ảm biến có khả năng tạo ra âm thanh nh s d ng ờ ử ụ tinh thể áp điện Còn bộ thu có vai trò tiếp nhận âm thanh đến và đi từ các vịtrí khác nhau

Cảm biến siêu âm có nguyên lý hoạt động d a trên quá trình cho và nh n, có ự ậ nghĩa là hệ thống cảm biến sẽ liên tục phát ra các sóng âm thanh ngắn với tần số cao hơn mức mà con người có thể nghe và có tốc độ lan truyền mạnh Khi các sóng âm này g p phặ ải v t cậ ản là chất rắn hay chất lỏng thì s tẽ ạo ra các bước sóng ph n hả ồi Sau cùng, thiết bị ả c m bi n sế ẽ tiếp nhận, phân tích và xác định chính xác kho ng cách ả từ cảm biến đến vật cản

• Ưu điểm:

Sng siêu âm giúp người sử dụng c thể đo khoảng cách từ điểm phát đến vật thể mà không cần phải tiếp xúc Do đ, thiết bị này rất hữu dụng, dùng để đo các chất lỏng c độ ăn mòn cao, nguy cơ gây hại đến cơ thể

Ngoài chất lỏng, các sng siêu âm còn c thể lan truyền trong nhiều môi trường khác như: không khí, chất rắn, để phát hiện và đo khoảng cách giữa các vật thể

Hệ thống cảm biến siêu âm còn c độ nhạy cao nên thời gian phản hồi nhanh, độ chính xác gần như tuyệt đối khi sai số chỉ rơi vào khoảng trung bình là 0,15% trong khoảng cách 2m

• Nhược điểm:

Hệ thống cảm biến siêu âm c thể bị nhiễu tín hiệu nếu không được lắp đặt đúng cách Do đ, người dùng nên đọc kỹ hướng dẫn của nhà sản xuất để lắp đặt chính xác Ngoài ra, chi phí cho một thiết bị cảm biến thường khá cao

Bộ phát và bộ thu là hai bộ phận chính của cảm biến, bộ phát chuyển đổi tín hiệu điện thành sóng siêu âm, còn bộ thu chuyển đổi tín hiệu siêu âm đ trở lại thành tín hiệu điện

Các sng siêu âm này là các tín hiệu âm thanh c thể được đo và hiển thị ở đầu nhận N cung cấp các chi tiết đo lường chính xác và đi kèm với độ phân giải khoảng 3mm, c thể c sự khác biệt nhỏ về khoảng cách tính toán từ đối tượng và khoảng cách thực

1 Vcc Chân Vcc cấp nguồn cho cảm biến, thường là + 5V

2 Trigger Chân trigger là chân đầu vào Chân này phải được giữ ở mức cao trong 10us để khởi tạo phép đo bằng cách gửi sng siêu âm

3 Echo Chân Echo là chân đầu ra Chân này tăng cao trong một khoảng thời gian bằng với thời gian để sng siêu âm quay trở lại cảm biến

4 Ground Chân này được nối đất

Nguyên lý hoạt động:

Cảm biến HC-SR04 là module 4 chân, c tên chân tương ứng là Vcc, Trigger, Echo và Ground Cảm biến này là một cảm biến rất phổ biến được sử dụng trong nhiều ứng dụng cần đo khoảng cách hoặc cảm biến đối tượng Module c hai mắt ở phía trước tạo thành bộ phát siêu âm và bộ thu Cảm biến hoạt động với công thức đơn giản

Khoảng cách = Tốc độ × Thời gian

Bộ phát sng siêu âm truyền một sng siêu âm, sng này truyền trong không khí và khi n bị bất kỳ vật liệu nào cản trở n sẽ bị phản xạ trở lại cảm biến, sng phản xạ này được quan sát bởi module bộ thu siêu âm như hình bên dưới

Bây giờ, để tính khoảng cách bằng cách sử dụng các công thức trên cần biết tốc độ và thời gian Vì chúng ta đang sử dụng sng siêu âm nên tốc độ phổ quát của sng siêu âm ở điều kiện phòng là 330m / s Mạch điện tích hợp sẵn trên module sẽ tính toán thời gian cần thiết để sng siêu âm quay trở lại và bật chân echo ở mức cao trong cùng một khoảng thời gian cụ thể, bằng cách này chúng ta cũng c thể biết được thời gian đã thực hiện Bây giờ chỉ cần tính toán khoảng cách bằng vi điều khiển hoặc bộ vi xử lý

Cách sử dụng cảm biến siêu âm HC-SR04

Cảm biến khoảng cách HC SR04 thường được sử dụng với cả nền tảng vi điều -khiển và vi xử lý như Arduino, ARM, PIC, Raspberry Pie, Hướng dẫn sau sẽ dùng chung cho bất kể loại thiết bị tính toán nào được sử dụng

Cấp nguồn cho cảm biến bằng cách sử dụng nguồn + 5V được điều chỉnh thông qua các chân nối đất và Vcc của cảm biến Dòng điện được tiêu thụ bởi cảm biến nhỏ hơn 15mA và do đ c thể được cấp nguồn trực tiếp bằng các chân 5V trên bo mạch (nếu c) Các chân Trigger và Echo đều là các chân I / O và do đ c thể được kết nối với các chân I / O của vi điều khiển Để bắt đầu đo, chân trigger phải được đặt ở mức cao 10uS và sau đ tắt Hoạt động này sẽ kích hoạt một sng siêu âm ở tần số 40Hz từ bộ phát và bộ thu sẽ đợi sng quay trở lại Khi sng được trả lại sau khi n bị phản xạ bởi bất kỳ đối tượng nào, chân Echo sẽ tăng cao trong một khoảng thời gian cụ thể bằng với thời gian cần thiết để sng quay trở lại cảm biến

Khoảng thời gian mà chân Echo vẫn ở mức cao được đo bởi vi xử lý hoặc vi điều khiển vì n cung cấp thông tin về thời gian cần thiết để sng quay trở lại cảm biến Sử dụng thông tin này để tính khoảng cách được đo

2.3 Raspberry Pi 4

Hình 0b Raspberry Pi 4

Raspberry Pi 4 là m t máy tính bộ ảng đơn, màn hình kép (được giới thi u vào ngày ệ 24 tháng 6 năm 2019) và được sử dụng rộng rãi trong tự động hóa và robot Nó có tính kinh t ế cao và vượt trội so v i các mô-ớ đun trước đ về ốc độ t và hi u suệ ất Mô-đun này rất nhỏ, m nh m và có th phù h p vạ ẽ ể ợ ới những nơi kh tiếp c n ậ N được gắn với các chân GPIO và có thể đượ ử d ng cho mc s ụ ột số hoạt động máy tính điển hình, tức là lướt web, viết chương trình và soạn tài liệu, v.v Raspberry Pi 4 có Gigabit Ethernet, kết hợp v i Bluetooth và m ng không dây tích h p Thiớ ạ ợ ế ị t b này được tích hợp bộ vi x ử lý lõi tứ 1.5GHz m nh m và hi u quạ ẽ ệ ả được coi là b não cộ ủa thiết b ị này Nó có mọi thứ ầ c n thiế ểt đ x lý tử hông tin đầu vào và lưu trữ CPU này thực hiện một số l nh bao gệ ồm một chương trình máy tính.

Mô-đun này c sẵn với các biến thể RAM bao gồm 1GB, 2GB, 4GB và 8GB mà bạn có th l a chể ự ọn dựa trên yêu cầu của mình RAM tạm thời lưu trữ thông tin và với việc l ại bo ỏ nguồn điện khỏi mô-đun, bộ nhớ này cũng bị xóa sạch, lý do n được gọi là bộ nh dớ ễ bay hơi.

Hai cổng HDMI mini có s n trên bo m ch Các cẵ ạ ổng này được sử ụng để truyề d n tín hiệu âm thanh và hình nh gi a các thiả ữ ế ị t b

Máy này hỗ trợ các giao thức truyền thông khác nhau bao g m I2C, SPI và UART ồ được sử dụng để ố trí giao tiếp v i các thiết b bên ngoài b ớ ị

Raspberry Pi 4 đi kèm với ba cổng USB, trong đ một cổng là cổng nguồn USB-C được sử dụng để ấp nguồ c n cho mô-đun Trong khi các loại khác là cổng USB 2.0 và USB 3.0

Trong các cổng USB này, b n có th kạ ể ết nối các thiết bị ngoại vi bên ngoài như chuột, webcam và bàn phím để có thêm chức năng.

Sử d ng máy tính nh bé này, b n có th ụ ỏ ạ ể thực hiện m t loộ ạt các dự án nhúng Chỉ cần kết nối mô-đun này với máy tính thông qua c ng USB và bổ ắt đầu chơi với nó tùy thích

Raspberry Pi 4 thường được sử dụng trong các dự án Robotics, IoT và Embedded

Thông số k ỹ thu t:ậ

- Đi kèm với bộ xử lý Broadcom BCM2711, Quad-core Cortex-A72 (ARM v8) 64-bit SoC 1.5GHz

- 4 GHz và 5,0 GHz IEEE 802.11ac không dây, Bluetooth 5.0, BLE - Mang Gigabit Ethernet để kết nối các máy tính trong không gian vật lý - RAM c sẵn với các bộ nhớ khác nhau Chọn từ 2GB, 4GB hoặc 8GB

LPDDR4-3200 SDRAM (tùy thuộc vào kiểu máy) - Cổng hiển thị MIPI DSI 2 làn

- Cổng camera MIPI CSI 2 làn

- Một cổng USB 3.0; Một cổng USB 2.0 và một cổng nguồn USB C 2 cổng micro HDMI c thể hỗ trợ hiển thị 4K

Cổng video tổng hợp và âm thanh stereo 4 cực

- H264 (giải mã 1080p60, mã ha 1080p30), H.265 (giải mã 4kp60) - Đồ họa OpenGL ES 3.0

- Đầu cắm GPIO 40 chân tiêu chuẩn Raspberry Pi (tương thích với các mô-đun trước đ)

- Chứa khe cắm thẻ nhớ Micro SD để tải hệ điều hành và lưu trữ dữ liệu 5V DC qua đầu cắm GPIO (tối thiểu 3A *)

- Bật nguồn qua Ethernet (PoE) (yêu cầu PoE HAT riêng biệt) - Nhiệt độ hoạt động: 0-50 độ C môi trường xung quanh - 5V DC qua đầu nối USB-C (tối thiểu 3A *)

Hình 2c Sơ đồ chân Raspberry Pi 4

• Bảo v : ệ

• Bảo v ng n mệ ắ ạch

• Bảo v quá dòng ệ

• Bảo v quá nhi t ệ ệ

• Hiệu quả: t i thiố ểu 81%(dòng đầu ra t 100%, 75%, 50%, 25%) từ ối thiểu

• Current: 0.5A maximum

• Công suất tiêu th (không tụ ải): tối đa 0.075W

Môi trường hoạt động

• Nhiệt độ hoạ ột đ ng 0 40°C (32 to 104°F) –

2.5 FIREBASE FIREBASE REALTIME DATABASE –

2.5.1 Firebase

Firebase của Google cung cấp hai loại cơ sở dữ liệu NoSQL cho người dùng c thể lưu trữ cơ sở dữ liệu đám mây và là giải pháp cho các ứng dụng di động với dữ liệu được đồng bộ hoá theo thời gian thực - Realtime Database và Cloud Firestore

Giải pháp cho xây dựng ứng dụng không Server

2.5.2 Firebase Realtime Database

Tính năng chính:

• Realtime : Firebase sử dụng đồng bộ hoá dữ liệu ,mỗi khi dữ liệu thay đổi mọi thiết bị kết nối sẽ nhận được thay đổi lập tức

• Offline : Ứng dụng sử dụng Firebase vẫn khả dụng khi ngoại tuyến vì Firebase Realtime Database SDK vẫn lưu dữ liệu của bạn trên local Khi kết nối được thiết lập lại, thiết bị sẽ được cập nhật thay đổi nào đã bỏ lỡ và đồng bộ ha dữ liệu hiện tại với máy chủ

• Sử dụng cho nhiều thiết bị : Firebase Realtime Database c thể được truy cập trực tiếp từ thiết bị di động hoặc trình duyệt web

• Khả năng mở rộng thông qua kết hợp cơ sở dữ liệu : Với Firebase Realtime Database trên gi Blaze (bản trả phí) cho phép mở rộng qua việc sử dụng kết hợp nhiều database trong cùng một Firebase project

Cách hoạt động

Firebase Realtime Database cho phép bạn xây dựng các ứng dụng dễ dàng, đa dạng ,an toàn với cơ sở dữ liệu trực tiếp từ client Dữ liệu được duy trì cục bộ và ngay cả khi offline, các sự kiện thời gian thực vẫn sẽ được tiếp tục khi thiết bị lấy lại kết nối, Realtime Database sẽ đồng bộ ha các thay đổi dữ liệu cục bộ với các dữ liệu từ máy chủ và tự động hợp nhất mọi xung đột

Firebase Realtime database còn cung cấp một quy tắc bảo mật để xác định cách cấu trúc dữ liệu và quyền đọc ghi dữ liệu thường kết hợp với Authentication Firebase

Realtime Database là một cơ sở dữ liệu NoQuery và do đ c các tối ưu ha chức năng so với cơ sở dữ liệu quan hệ Realtime Database được thiết kế cho việc thực hiện nhanh chng Điều này cho phép bạn xây dựng trải nghiệm thời gian thực tuyệt vời c thể phục vụ hàng triệu người dùng mà không cần suy nghĩ đến khả năng đáp ứng

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3.1 SƠ ĐỒ KHỐI C A H Ủ Ệ THỐNG

H ệ thống có các chức năng sau :

- o khoĐ ảng cách để xác định lượng rác trong thùng - Hiển th d ị ữ liệu lên web firebase

Thông qua việc gửi dữ liệu t Raspberry Pi 4 vừ ới cơ sở ữ liệ d u th i gian thờ ực Firebase mà người dùng sẽ biết được lượng rác trong thùng để xử lý một cách nhanh chóng

3.1.2 Sơ đồ khối và chức năng mỗi khối 3.1.2.1 Sơ đồ khối của hệ thống

3.1.2.2 Chức năng của từng khối :

- Khối xử lí trung tâm (Rasberry Pi 4): là vi điều khiển để ử lý code giao tiế x p giữa cảm biến siêu âm HC-SR04 và gử ữ liệu lên Firebase i d

- Khối cảm bi n (c m bi n siêu âm HC-SR04): S d ng nguyên lý ph n x sóng ế ả ế ử ụ ả ạ siêu âm để đo khoảng cách từ c m biến để chướng ng i v t ả ạ ậ

- Khối hiển th ị (Firebase): Đng vai trò hiển thị thông tin về thời gian, ngày giờ, cũng như lượng rác trong thùng để người dùng dễ dàng xử lý thay vì giám sát một cách thủ công

- Khối nguồn: C p ngu n cho toàn b h ấ ồ ộ ệ thống thực hiện quá trình

Khi cấp ngu n cho hồ ệ thống , c m bi n siêu âm HC-SR04 s ả ế ẽ thực hi n quá ệ trình sử d ng nguyên lý ph n x sóng siêu âm ụ ả ạ Cảm biến g m 2 module.1 module ồ phát ra sóng siêu âm và 1 module thu sóng siêu âm ph n x v ả ạ ề Đầu tiên cảm biến s ẽ phát ra 1 sóng siêu âm với tần s 40khz Nố ếu c chướng ngại vật trên đường đi, sng siêu âm sẽ ph n x lả ạ ại và tác động lên module nh n sóng ậ Tín hiệu này sẽ được sử lý bởi khối xử lý trung tâm là Raspberry Pi 4 thông qua lập trình Sau khi x lý xong , s ử ố liệu s ẽ được Raspberry Pi 4 g i lên Firebase cử ủa google thông qua địa chỉ ủa dự án c cá nhân mà chúng ta đã tạo trên firebase (URL sẽ là url của dự án b n t o và tên của ạ ạ tệp JSON s s dẽ ử ụng để lưu trữ.)

3.2 M CH N I DÂYẠ Ố

Từ sơ đồ khối và các linh kiện đã chọn, ta tiến hành nối các linh kiện lạ ới nhau: i v