Trang 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT VIỆN KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CẢNH BÁO MÔI TRƯỜNG ỨNG DỤNG IOT CHO TRƯỜNG ĐH T
GIỚI THIỆU
Lý do chọn đề tài
Trong những thập niên gần đây, Việt Nam có nền kinh tế phát triển bùng nổ với nhiều khu công nghiệp được hình thành đã dẫn đến mức độ ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, trong đó gồm có ô nhiễm không khí Theo báo cáo của Bộ Tài Nguyên và Môi Trường về chỉ số năng lực môi trường (EPI) năm 2018, Việt Nam xếp hạng 161/180 quốc gia về ô nhiễm không khí, và xếp hạng 132/180 [1]
Theo thống kê của Tổ chức Thông tin về Chất lượng Không khí Toàn cầu IQAir AirVisual dựa trên mức đo về lượng bụi siêu mịn PM2.5/m3, Việt Nam đứng thứ 17 trong đó riêng Hà Nội và TP.HCM nằm trong top 10 thành phố ô nhiễm không khí nhất thế giới [2] Cũng theo số liệu của Tổ chức Y tế Thế giới WHO, Việt Nam nằm trong nhóm những quốc gia có tỷ lệ tử vong cao nhất do ô nhiễm không khí Tại Việt Nam, trong 10 bệnh có tỷ lệ tử vong cao nhất tại Việt Nam có 6 bệnh liên quan đến đường hô hấp có nguyên nhân từ ô nhiễm không khí và chất lượng không khí Trong cơ cấu bệnh tật, các bệnh về đường hô hấp cũng là 1 trong 5 nhóm bệnh bị mắc phải cao nhất Theo số liệu của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) năm 2016, hơn 60.000 người tử vong do bệnh tim, đột quỵ, ung thư phổi, bệnh phổi tắc nghẽn mãn tính và viêm phổi ở Việt Nam đều có liên quan tới ô nhiễm không khí [3]
Theo báo cáo của Ngân hàng Thế giới (WB), thiệt hại kinh tế toàn cầu do ô nhiễm không khí là khoảng 225 tỷ USD Đối với Việt Nam, ô nhiễm không khí gây thiệt hại về kinh tế khoảng 10 tỷ đô la mỗi năm (chiếm từ 5 – 7% GDP) [4]
Hậu quả của ô nhiễm môi trường không khí đối với con người là rất nghiêm trọng và ngày càng tăng Vì vậy, việc kiểm soát ô nhiễm không khí một cách hiệu quả cần được quan tâm đích đáng Để kiểm soát được vấn đề ô nhiễm không khí trước hết cần có thiết bị thu thập dữ liệu về không khí tại từng khu vực Tuy nhiên, hiện nay số điểm đo chất lượng không khí ở nước ta còn hạn chế, chúng ta phải lấy số liệu đo từ các ứng dụng của nước ngoài
Xuất phát từ thực tế trên và mong muốn góp phần thực hiện chương trình “Đại học Xanh - Vì sự phát triển bền vững”, nhóm tác giả đưa ra giải pháp ứng dụng IoT thu thập dữ liệu môi trường tại Trường Đại Học Thủ Dầu Một.
Mục tiêu nghiên cứu
Đề tài này chúng tôi thực hiện 2 phần chính sau đây:
2 Thiết kế và thử nghiệm hệ thống giám sát và cảnh báo môi trường ứng dụng IoT có các tính năng:
+ Quan trắc nồng độ bụi mịn PM2.5 và PM10
+ Quan trắc một số yếu tố không khí khác: nhiệt độ, độ ẩm
+ Truyền tải dữ liệu qua mạng WIFI thời gian thực về Firebase và Google Sheet, Google Data Studio để lưu trữ
+ Hiển thị các dữ liệu thu thập được lên LCD tại trạm quan trắc để quan sát trực tiếp
Xây dựng ứng dụng kết nối trên điện thoại di động (EM App) hiển thị kết quả quan trắc bụi và các thông số không khí khác.
Phương pháp nghiên cứu
Đề tài được chia làm hai phần chính:
Phần 1: Thiết kế, kết nối phần cứng; thu thập dữ liệu đưa lên đám mây (Firebase); xuất dữ liệu Google Sheet liên kết với Google Data Studio để phân tích, vẽ các biểu đồ để theo dõi và đánh giá
Phần 2: Thiết kế ứng dụng điện thoại theo dõi các thông số môi trường, ứng dụng có tên EM App.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Thiết bị giám sát và cảnh báo chất lượng không khí
- Thu thập được như nhiệt độ, độ ẩm, chất lượng không khí, bụi mịn PM2.5 và
- Hiển thị số liệu thu thập được trên ứng dụng điện thoại, Google Excel, Google
- Thiết bị giám sát và cảnh báo môi trường sử dụng các cảm biến DHT22, cảm biến bụi PMS7003
- Thiết kế, thi công một trạm quan trắc đầu tiên để thử nghiệm tại Trường ĐH Thủ Dầu Một
Viết ứng dụng điện thoại để theo dõi các chỉ số môi trường thu thập được từ hệ thống
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Hệ thống IoT
Hệ thống IoT là gì?
Hệ thống IoT là một hệ thống bao gồm các thiết bị tính toán, máy móc cơ khí hoặc kỹ thuật số và con người có sự liên quan mật thiết với nhau Thiết bị, máy móc có khả năng kết nối, truyền dữ liệu qua mạng cho nhau mà không cần đến sự tương tác của con người
IoT ra đời khi nào?
- Ý tưởng về mạng lưới công nghệ bao gồm những thiết bị thông minh được ra đời vào năm 1982 Thời điểm này cũng là cột mốc đánh dấu sự ra đời của máy bán nước – thiết bị kết nối internet đầu tiên trên thế giới có thể báo cáo kiểm kho và theo dõi nhiệt độ của những chai Coca-Cola chứa bên trong
- Đến năm 1999, khái niệm về hệ thống IoT mới nhận được nhiều chú ý về tiền năng phát triển trong tương lai Kevin Ashton – Người đồng sáng lập Trung tâm Auto- ID tại Viện Công nghệ Massachusetts lần đầu đề cập đến khái niệm này tại buổi thuyết trình của công ty Procter & Gamble
- Giai đoạn từ 2000 – 2013, IoT được chú trọng nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi vào nhiều lĩnh vực đời sống như: dịch vụ vận chuyển hàng không, đồng hồ theo dõi sức khỏe,…
- Từ năm 2015 đến nay, hàng loại thiết bị thông minh, mô hình robot, trang trại IoT, nhà máy thông minh,… được ra đời với tổng số lượng vượt qua dân số thế giới
Cấu trúc, đặc trưng và lợi ích hệ thống IoT mang lại
Cấu trúc hệ thống IoT
Một hệ thống IoT sẽ có 4 thành phần chính như sau:
- Hạ tầng mạng (Network and Cloud)
- Bộ phân tích và xử lý dữ liệu (Services-creation and Solution Layers)
Các đặc trưng cơ bản của hệ thống IoT
Một hệ thống IoT hoàn chỉnh sẽ bao gồm các đặc trưng sau:
– Khả năng định danh: bất kỳ đối tượng nào tham gia vào hệ thống IoT bao gồm cả máy móc vào con người đều được định danh Điều này giúp hệ thống phân loại được
7 nhóm đối tượng nhờ đó quá trình xử lý thông tin và chia sẻ dữ liệu được tiến hành chính xác, hiệu quả Có thể kể đến một vài hình thức định danh phổ biến của hệ thống IoT như: mã vạch, QR code, địa chỉ IP,…
– Thông minh: Trí thông minh nhân tạo ngày nay đã được đưa vào hệ thống IoT để tạo ra các thiết bị thông minh với đầy đủ chức năng, có thể thực hiện tốt các nhiệm vụ được giao dựa trên tình huống và điều kiện môi trường thực tế
– Kết nối liên thông: Trong mạng lưới IoT, tất cả vật dụng, thiết bị, máy móc đều có thể kết nối liên thông với nhau thông qua mạng lưới thông tin
– Thay đổi linh hoạt: Trạng thái của các tất cả máy móc, thiết bị có thể thay đổi linh hoạt và tự động như: bật/tắt, kết nối/ngắt kết nối, truy xuất vị trí,…
– Quy mô kích thước lớn: Hệ thống IoT sở hữu máy móc, thiết bị với số lượng cực lớn Tất cả đều được quản lý và giao tiếp với nhau và khối lượng thông tin truyền đi giữa chúng thực tế lớn hơn gấp nhiều lần so với tưởng tượng Theo Gartner, Inc (Công ty nghiên cứu và tư vấn công nghệ), trong năm 2020 có khoảng 26 tỷ thiết bị tham gia vào hệ thống IoT và con số này chắc chắn còn tiếp tục tăng trưởng nhanh chóng trong thời đại số hiện nay
- Nâng cao hiệu quả công việc - Hệ thống IoT giúp đẩy nhanh việc khai thác, trao đổi và sử dụng dữ liệu trong hệ thống điều hành và quy trình làm việc của công ty Qua đó tạo nên nhiều tích cực trong công tác quản trị, nghiên cứu chế tạo sản phẩm mới, cải thiện chất lượng dịch vụ đáp ứng sự hài lòng của người dùng
- Bên cạnh đó, hệ thống IoT còn giúp nhà máy tự động hóa quy trình sản xuất, giảm chi phí nhân công, tăng nhanh thời gian sản xuất, đảm bảo chất lượng và giảm giá thành sản phẩm
- Nâng cao chất lượng cuộc sống - Ngoài ứng dụng nhiều trong doanh nghiệp, nhà máy sản xuất, hệ thống IoT còn có mặt ở những lĩnh vực khác như: đồ dùng gia dụng tiện ích, thiết bị chăm sóc sức khỏe thông minh,… trong cuộc sống Nhờ đó, chất lượng và điều kiện sống của con người ngày càng được cải thiện góp phần hình thành thói quen sống hiện đại ngày nay
8 Ưu và nhược điểm của hệ thống IoT Ưu điểm
- Truy cập thông tin mọi lúc, mọi nơi trên mọi thiết bị thông minh có kết nối internet
- Hệ thống IoT cải thiện khả năng giao tiếp giữa các thiết bị điện tử
- Chuyển dữ liệu nhanh chóng qua Internet giúp tiết kiệm thời gian và tiền bạc
- Tự động hóa nhiệm vụ được giao giúp cải thiện chất lượng dịch vụ của doanh nghiệp
- Thông tin được chia sẻ giữa nhiều thiết bị có thể bị đánh cắp Do đó, cần có giải pháp ngăn ngừa, phòng chống nguy cơ
- Khi hệ thống xảy ra lỗi, nếu không có biện pháp khắc phục kịp thời có khả năng gây hư hại nhiều thiết bị Ứng dụng tiêu biểu của hệ thống IoT trong một số lĩnh vực
Các chỉ số môi trường
- Nhiệt độ của môi trường:
Nhiệt độ không khí là một trong những thuật ngữ được đề cập thường xuyên bởi các nhà nghiên cứu môi trường và dự báo thời tiết Bởi vì con người cũng như hàng hóa và sản phẩm đôi khi phản ứng rất nhạy cảm với các giá trị nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp
- Độ ẩm của môi trường:
10 Độ ẩm là lượng hơi nước có trong không khí, hơi nước chính là dạng khí của nước và vô hình với mắt người Độ ẩm là thước đo cho thấy được khả năng về lượng mưa hoặc sương mù Độ ẩm càng cao thì việc đổ mồ hôi làm mát cơ thể càng kém hiệu quả
Các loại độ ẩm khác trong không khí như độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm tương đối, độ ẩm không khí cao,…
Hình 3.1: Độ ẩm trong khí tại nước ta ở mức cao trên 80%
Mức độ ẩm lý tưởng nhất đối với con người trong khoảng từ 60%-65% Độ ẩm khô khi giảm xuống dưới 50%-55% , còn độ ẩm cao là từ 75%-80% trở lên
Chỉ số ô nhiễm không khí là một thước đo đánh giá chất lượng không khí hằng ngày Chỉ số ô nhiễm không khí Hà Nội những ngày gần đây đang ở mức cao báo động, có thể gây nhiều hậu quả xấu đến sức khỏe con người
AQI (Air Quality Index) là một chỉ số báo cáo chất lượng không khí hàng ngày Đây được coi là một thước đo đơn giản hóa mức độ ô nhiễm không khí, cho biết không khí xung quanh ta là sạch hay ô nhiễm, ô nhiễm đến mức độ nào Rủi ro đối với sức khỏe cộng đồng càng cao khi chỉ số AQI càng lớn Chỉ số AQI tập trung vào sự ảnh hưởng tới sức khỏe người dân có thể gặp trong vòng vài giờ hoặc vài ngày sau khi hít thở không khí ô nhiễm
Hình 3.2: Chỉ số ô nhiễm không khí
11 - Bụi mịn PM2.5 trong không khí:
Bụi là một hỗn hợp phức tạp chứa các hạt vô cơ và hữu cơ ở dạng lỏng hoặc rắn bay lơ lửng trong không khí; bao gồm sulfate, nitrat, amoniac, natri clorua, cacbon đen, bụi khoáng và nước Bụi hay hợp chất có trong bụi được gọi chung là Particulate Matter – ký hiệu PM
Bụi mịn là bụi có kích thước nhỏ và siêu nhỏ có trong không khí
Hiện nay, có ba loại bụi mịn mà chúng ta cần quan tâm, đó là:
- PM 10: Cỏc hạt bụi cú kớch thước đường kớnh từ 2.5 tới 10 àm
- PM 2.5: Cỏc hạt bụi cú kớch thước đường kớnh nhỏ hơn hoặc bằng 2.5 àm
- PM 1.0: là những hạt bụi dạng lỏng; hoặc rắn trôi nổi ngoài không khí, có đường kính nhỏ hơn hoặc bằng 1 micromet [17]
Bảng 3.1: Thang đo bụi mịn PM2.5 và PM10
Trích dẫn: US Air Quality Index: Lahore is world’s most polluted city
Các công nghệ giám sát môi trường hiện nay
Hiện tại, công nghệ quan trắc môi trường không khí tự động như công nghệ quan trắc bằng các Module phân tích khí, công nghệ Diod quang, Lazer quang.v.v đang từng bước được ứng dụng vào thực tiễn phục vụ hoạt động quan trắc môi trường a Hệ thống quan trắc sử dụng công nghệ Module phân tích khí
Loại công nghệ này thường được sử dụng tại những trạm quan trắc môi trường nền cơ bản, đòi hỏi giám sát thường xuyên liên tục trong một thời gian dài
Hệ thống này gồm các hợp phần như sau:
- Các Module phân tích không khí tự động (SO2, CO, NOx, O3, PM10/PM2.5, ) có công nghệ đo mới nhất (có thể quan trắc được giá trị thấp cỡ ppb đối với chất khí và dưới 1 àg/m3 đối với bụi) và đang được cỏc nước phỏt triển ỏp dụng hiện nay
12 - Công nghệ truyền dữ liệu bằng được truyền internet hoặc 3G/4G, có cổng kết nối USB và có thể điều khiển thiết bị từ xa qua TCP/IP với giao diện sống động, đa ngôn ngữ
- Hệ thống quản lý dữ liệu mới:
+ Bao gồm truy hồi dữ liệu, cơ sở dữ liệu, công cụ trình bày dữ liệu, mô hình hóa, ước tính phơi nhiễm và đánh giá như một hệ thống quản lý chất lượng không khí hoàn chỉnh;
+ Tự động so sánh với các giá trị giới hạn bắt buộc;
+ Tự động nạp dữ liệu về môi trường trên các trang website của khách hàng;
+ Tích hợp hệ thống bản đồ AQMS cung cấp công cụ để hình dung, khám phá và truy vấn dữ liệu, địa lý;
+ Báo động hiển thị dữ liệu thô, trung bình, dự đoán, bảo trì ;
+ Chuẩn đoán từ xa và hỗ trợ, đường dây nóng và dữ liệu bảo đảm lưu trữ
Hệ thống này có ưu điểm độ chính xác rất cao, có thể đo được nồng độ khí rất nhỏ, dữ liệu được truyền liên tục về trung tâm bằng công nghệ truyền tin mới, có giao diện hiển thị kết quả quan trắc bằng biểu đồ Tuy nhiên hệ thống này có giá thành cao, cần phải có diện tích để xây dựng nhà trạm hoặc đặt thùng Contener việc bảo trì bảo dưỡng hệ thống khá tốn kém và mất nhiều thời gian, đòi hỏi phải có nguồn điện lưới ổn định, quan trắc viên cần có kiến thức tổng hợp về môi trường, điện tử, tự động hóa b Hệ thống quan trắc sử dụng công nghệ Diod quang và Lazer quang
Hệ thống đo bụi tự động PM1/PM2.5/PM10 bằng công nghệ Lazer, Diod quang
Loại công nghệ này phù hợp với những vị trí quan trắc môi trường tác động, có mức độ ô nhiễm cao, độ chính xác tương đối cao, thiết bị gọn nhẹ không tốn diện tích (chỉ cần gắn toàn bộ hệ thống trên cột), có thể sử dụng năng lượng pin mặt trời
Một số tớnh năng kỹ thuật chớnh của hệ thống: đơn vị tớnh nồng độ bụi àg/m3; giới hạn phát hiện 0.3μm/m3, tần suất cập nhật mỗi 5 phút, nguồn điện: 5V, 100mA / AC100~240V (DC5V 3A), tiêu hao điện năng 2,5W, kích thước đầu đo: 37x37x12 mm, kích thước: hộp chống nước 300x200x180mm, trọng lượng 1kg, nhiệt độ làm việc: từ 00C ÷ 500C Đối với quan trắc môi trường nước a Hệ thống quan trắc tự động bằng phao nổi đo trực tiếp dòng chảy (QLYT-3S)
13 Bộ điều khiển thu nhận xử lý dữ liệu (Dataloger) và các đầu đo được gắn trực tiếp trên phao Các đầu đo được thả xuống nước ở một độ sâu nhất định và đo các thông số pH, nhiệt độ, DO, độ dẫn điện, độ mặn… Số liệu đo được truyền vào Dataloger được xử lý và sau đó truyền về trung tâm giám sát hoặc máy tính cá nhân hoặc điện thoại thông minh
Hệ thống quan trắc này phù hợp với những trạm nước sông có dòng chảy yếu, trạm nước hồ và trạm nước biển b Hệ thống thiết bị quan trắc tự động cố định bằng phương pháp đo gián tiếp trong nhà trạm
Nước sông được bơm liên tục tới bể điều hòa trong nhà trạm thông qua bơm hút nước, hệ phao nổi và đường ống, vị trí bơm hút lấy mẫu luôn cách mặt nước sông là 0,5m Đầu đo các thông số quan trắc được đặt trong bể điều hòa chứa mẫu nước sông được bơm lên Các giá trị đo được phần mềm quan trắc tự động cập nhật liên tục với tần suất 5 phút/1 kết quả đo và truyền về Cơ sở dữ liệu của Trung tâm điều hành
Hệ thống này có cấu trúc như sau:
- Bộ đầu đo (Sensor) đo các thông số cơ bản: pH, nhiệt độ, độ dẫn điện/độ mặn/tổng chất rắn hòa tan (TDS), độ mặn, DO, độ đục, nitrat Ngoài ra còn có thể đo một số yếu tố khác như BODeq, CODeq
- Bộ truyền tín hiệu qua mạng 3G/4G hoặc internet (kèm bộ pin mặt trời và bộ xạc pin dự phòng) kết nối với bộ đầu đo 6 thông số nói trên Thông số độ mặn và TDS đổi bằng phần mềm
- Cập nhật các thông số môi trường đồng thời khoảng 5 – 10 phút/lần Có thể điều khiển thu nhận dữ liệu từ trung tâm điều hành
- Hệ thống báo động chống trộm
- Chuyển giao công nghệ, hướng dẫn sử dụng, truyền số liệu và bảo trì bảo dưỡng
- Xây dựng trạm quan trắc, hệ thống giá đỡ và lồng bảo vệ (chưa bao gồm hệ thống lưới điện cung cấp cho hoạt động của trạm) [18].
Firebase là gì
Firebase là dịch vụ cơ sở dữ liệu hoạt động trên nền tảng đám mây – cloud Kèm theo đó là hệ thống máy chủ cực kỳ mạnh mẽ của Google Chức năng chính là giúp người dùng lập trình ứng dụng bằng cách đơn giản hóa các thao tác với cơ sở dữ liệu [19]
Các giao thức truyền thông
Có 5 giao thức truyền tải dữ liệu phổ biến có thể được sử dụng trong các mô hình Internet of Things:
- MQTT (Message Queue Telemetry Transport)
- AMQP (Advanced Message Queue Protocol)
- XMPP (Extensible Messaging và Presence Protocol)
MQTT (Message Queue Telemetry Transport)
Hình 3.3: Giao thức truyền tải dữ liệu MQTT
MQTT là một giao thức mã nguồn mở để truyền các messages giữa nhiều Client (Publisher và Subscriber) thông qua một Broker trung gian, được thiết kế để đơn giản và dễ dàng triễn khai Kiến trúc MQTT dựa trên Broker trung gian và sử dụng kết nối TCP long-lived từ các Client đến Broker
MQTT hỗ trợ tổ chức hệ thống theo các Topics có tính phân cấp, như một hệ thống tập tin (vd: /Home/kitchen/humidity), cung cấp nhiều lựa chọn điều khiển và QoS (Quality of Service)
15 MQTT là một giao thức khá nhẹ nên có thể được sử dụng cho truyền thông 2 chiều thông qua các mạng có độ trễ cao và độ tin cậy thấp, nó cũng tương thích với các thiết bị tiêu thụ điện năng thấp
CoAP là một giao thức truyền tải tài liệu theo mô hình client/server dự trên internet tương tự như giao thức HTTP nhưng được thiết kế cho các thiết bị ràng buộc Giao thức này hỗ trợ một giao thức one-to-one để chuyển đổi trạng thái thông tin giữa client và server
CoAP sử dụng UDP (User Datagram Protocol), không hỗ trợ TCP, ngoài ra còn hỗ trợ địa chỉ broadcast và multicast, truyền thông CoAP thông qua các datagram phi kết nối (connectionless) có thể được sử dụng trên các giao thức truyền thông dựa trên các gói
UDP có thể dễ dàng triển khai trên các vi điều khiển hơn TCP nhưng các công cụ bảo mật như SSL/TSL không có sẵn, tuy nhiên ta có thể sử dụng Datagram Transport Layer Security (DTLS) để thay thế
Hình 3.4: Giao thức truyền tải dữ liệu CoAp
AMQP (Advanced Message Queue Protocol)
Hình 3.5: Giao thức truyền tải dữ liệu AMQP
AMQP là một giao thức làm trung gian cho các gói tin trên lớp ứng dụng với mục đích thay thế các hệ thống truyền tin độc quyền và không tương thích Các tính năng chính của AMQP là định hướng message, hàng đợi, định tuyến (bao gồm point-to-point và publish-subscribe) có độ tin cậy và bảo mật cao Các hoạt động sẽ được thực hiện thông qua broker, nó cung cấp khả năng điều khiển luồng (Flow Control)
Một trong các Message Broker phổ biến là RabbitMQ, được lập trình bằng ngôn ngữ Erlang, RabbitMQ cung cấp cho lập trình viên một phương tiện trung gian để giao tiếp giữa nhiều thành phần trong một hệ thống lớn
Không giống như các giao thức khác, AMQP là một giao thức có dây (wire- protocol), có khả năng diễn tả các message phù hợp với định dạng dữ liệu, có thể triển khai với rất nhiều loại ngôn ngữ lập trình
Hình 3.6: Giao thức truyền tải dữ liệu DDS
DDS là một ngôn ngữ trung gian dựa vào dữ liệu tập trung được sử dụng để cho phép khả năng mở rộng, thời gian thực, độ tin cậy cao và trao đổi dữ liệu tương tác
17 Đây là một giao thức phi tập trung (broker-less) với truyền thông ngang hàng trực tiếp theo kiểu peer-to-peer giữa các publishers và subscribers và được thiết kế để trở thành một ngôn ngữ và hệ điều hành độc lập DDS gửi và nhận dữ liệu, sự kiện, và thông tin lệnh trên UDP nhưng cũng có thể chạy trên các giao thức truyền tải khác như IP Multicast, TCP/IP, bộ nhớ chia sẻ,… DDS hỗ trợ các kết nối được quản lý many-to- many theo thời gian thực và ngoài ra còn hỗ trợ dò tìm tự động (automatic discovery)
Các ứng dụng sử dụng DDS cho truyền thông được tách riêng và không yêu cầu sự can thiệp từ các ứng dụng của người dùng, có thể đơn giản hóa việc lập trình mạng phức tạp Các tham số QoS được sử dụng để xác định các cơ chế tự dò tìm của nó được thiết lập một lần
XMPP (Extensible Messaging và Presence Protocol)
XMPP (trước đây gọi là “Jabber”) là giao thức truyền thông dùng cho định hướng tin nhắn trung gian dựa trên ngôn ngữ XML
XMPP là mô hình phân quyền client-server phi tập trung, được sử dụng cho các ứng dụng nhắn tin văn bản Có thể nói XMPP gần như là thời gian thực và có thể mở rộng đến hàng trăm hàng nghìn nút Dữ liệu nhị phân phải được mã hóa base64 trước khi nó được truyền đi trong băng tần XMPP tương tự như MQTT, có thể chạy trên nền tảng TCP [20]
Hình 3.7: Giao thức truyền tải dữ liệu XMPP
Theo các cơ sở lý thuyết trên, nhóm tác giả đã lựa chọn như sau:
- Hệ thống giám sát môi trường của nhóm sẽ sử dụng hệ thống IoT (Internet Of Things) để kết nối và truyền dữ liệu thông qua mạng
- Các chỉ số môi trường: theo nhóm tác giả tìm hiểu có rất nhiều nhân tố môi trường làm ảnh hưởng đến chất lượng môi trường không khí hiện nay, nhưng nhóm tác giả đã
18 lựa chọn 4 nhân tố quan trọng cần giám sát trong bối cảnh ô nhiễm không khí ngày càng nghiệm trọng như hiện nay đó là 4 nhân tố: nhiệt độ, độ ẩm, bụi mịn PM2.5, bụi mịn PM10
- Các công nghệ giám sát môi trường hiện nay gồm có:
+ Quan trắc môi trường không khí: công nghệ quan trắc môi trường không khí hiện nay sử dụng các module phân tích khí, công nghệ Diod quang, Lazer quang,…
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
Các linh kiện
4.2.1 Kit RF thu phát Wi-Fi Bluetooth esp32:
Kit RF thu phát Wi-Fi Bluetooth ESP32 được tích hợp an ten và RF, hoạt động tiết kiệm năng lượng, ổn định, chống nhiễu tốt, đây là giải pháp chi phí thấp nhất cho 1 dự án với một mạch sử dụng Wi-Fi 2.4Ghz và Bluetooth TSMC công nghệ 40nm năng lượng thấp
Hình 4.2: Kit RF thu phát Wi-Fi Bluetooth ESP32
Hình 4.3: Sơ đồ chân Kit RF thu phát Wi-Fi Bluetooth ESP32
Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật của Kit RF thu phát Wi-Fi Bluetooth ESP32
Sơ đồ chân 38 chân Điện áp nguồn 5V DC Đầu vào/Đầu ra điện áp 3.3V DC Công suất tiêu thụ 5μA trong hệ thống treo chế độ
Hiệu suất Lên đến 600 DMIPS
Tần số lên đến 240MHz
Mbit/S) Bluetooth 4.2 BR/EDR BLE 2 chế độ điều khiển
Bộ nhớ 448 Kbyte ROM, 520 Kbyte SRAM, 6 Kbyte SRAM trên RTC và QSPI Hỗ trợ đèn flash / SRAM chip
Chip USB-Serial CP2102 Ăng ten PCB
GPIO kỹ thuật số 24 chân (một số chân chỉ làm đầu vào) Kỹ thuật số Analog
12bit SAR loại ADC, hỗ trợ các phép đo trên lên đến 18 kênh, một số chân hỗ trợ một bộ khuếch đại với lập trình tăng
Bảo mật IEEE 802.11, bao gồm cả WFA, WPA/WPA2 và WAPI Phần cứng tăng tốc mật mã học
AES, SHA-2, RSA, hình elip mật mã Đường Cong (ECC), số ngẫu nhiên Máy phát điện (RNG)
4.2.2 Module Cảm Biến Độ Ẩm, Nhiệt Độ DHT22:
Cảm biến độ ẩm nhiệt độ DHT22 là cảm biến thông dụng tích hợp vừa đo được nhiệt độ và độ ẩm, độ chính xác khá cao Giao tiếp với vi điều khiển qua chuẩn giao tiếp 1 dây
Bảng 4.2: Thông số kỹ thuật của DHT22 Điện áp hoạt động 5V
Khoảng đo độ ẩm 0% – 100% RH sai số 2% RH
Khoảng đo nhiệt độ -40 ~ 80 độ C sai số 0.5% độ C Tần số lấy mẫu tối đa 0.5Hz (2 giây/lần)
Kích thước 28mm x 12mm x 10mm
Hình 4.4: Module cảm biến độ ẩm nhiệt độ DHT22 4.2.3 LCD 20x4
Màn hình text LCD 20x04 sử dụng driver HD44780, có khả năng hiển thị 4 dòng với mỗi dòng 20 ký tự, màn hình có độ bền cao, rất phổ biến, nhiều code mẫu và dễ sử dụng thích hợp cho những người mới học và làm dự án
Bảng 4.3: Bảng thông số kỹ thuật của LCD 20x4 Điện áp hoạt động 5V Màn hình 20 từ trên 4 dòng
Màu Xanh dương, xanh lá
Chức năng các chân của LCD
Chân 1 (Vss) Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với GND của mạch điều khiển
Chân 2 VDD Là chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với VCC = 5V của mạch điều khiển
Chân 3 V0 là chân điều chỉnh độ tương phản của LCD
RS Là chân chọn thanh ghi (Register select) Nối chân RS với logic “0” (GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi
22 - Logic “0”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ “đọc” - read)
- Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD
R/W là chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write) Nối chân R/W với logic “0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD ở chế độ đọc
E Là chân cho phép (Enable) Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân E
- Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào(chấp nhận) thanh ghi bên trong nó khi phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệu chân E
- Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0- DB7 khi phát hiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp
DB0 - DB7 - Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này:
- Chế độ 8 bit: Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7
- Chế độ 4 bit: Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7
Chân 15 Nguồn dương cho đèn nền
Chân 16 GND cho đèn nền
LCD có quá nhiều chân gây khó khăn trong quá trình đấu nối và chiếm dụng nhiều chân trên vi điều khiển
Module I2C LCD ra đời và giải quyết vấn để này cho bạn
23 Thay vì phải mất 6 chân vi điều khiển để kết nối với LCD 16×2 (RS, EN, D7, D6,
D5 và D4) thì module IC2 bạn chỉ cần tốn 2 chân (SCL, SDA) để kết nối
Module I2C hỗ trợ các loại LCD sử dụng driver HD44780(LCD 16×2, LCD 20×4,
…) và tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện nay
Hình 4.6: I2C Thông số kỹ thuật của I2C
- Điện áp hoạt động: 2.5-6V DC
- Hỗ trợ màn hình: LCD1602,1604,2004 (driver HD44780)
- Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2)
- Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt
- Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD
4.2.5 Cảm biến bụi Laser Optical Dust Sensor PM2.5 Plantower PMS7003
Cảm biến bụi Laser Optical Dust Sensor PM2.5 Plantower PMS7003 được sử dụng để đo nồng độ bụi trong không khí, đặc biệt cảm biến sử dụng tia laser nên có thể xác định nồng độ bụi mịn PM2.5 một cách chính xác, cảm biến có bộ tiền xử lý tích hợp nên dữ liệu trả ra không cần phải qua các bước căn chỉnh mà có thể sử dụng ngay, cảm biến sử dụng giao tiếp UART nên rất dễ giao tiếp với Vi điều khiển, thích hợp với các ứng dụng đo chất lượng, quan trắc không khí
Hình 4.7: Cảm biến bụi Laser Optical Dust Sensor PM2.5 Plantower PMS7003
Thông số kỹ thuật của cảm biến bụi Laser Optical Dust Sensor PM2.5 Plantower PMS7003
- Điện áp sử dụng: 4.5~5.5VDC
24 - Dòng tiêu thụ: ≤100 Milliampere（mA）
- Dòng nghỉ: ≤200 Microampere（μ A） - Chuẩn giao tiếp: Serial UART
- Điện áp giao tiếp: TTL 3.3VDC - Range of measurement: 0.3~1.0 / 1.0~2.5 / 2.5~10 Micrometer（μm） - Counting Efficiency: 50%@0.3μm / 98%@>=0.5μm
- Effective Range (PM2.5 standard): 0~500 μg/m³ - Maximum Range (PM2.5 standard): ≥1000 μg/m³ - Resolution: 1 μg/m³
- Maximum Consistency Error (PM2.5 standard data):
• ±10μ g/m³@0~100μ g/m³ - Standard Volume: 0.1 Litre（L) - Single Response Time: ＜1 Second（s）
- Total Response Time: ≤10 Second（s） - Working Temperature Range: -10~+60 ℃ - Working Humidity Range: 0~99%
- Storage Temperature Range: -40~+80 ℃ - Physical Size: 48×37×12 Millimeter（mm）
Thiết kế mạch trên proteus tốn ít thời gian hơn so với việc xây dựng mạch trên thực tế
Khả năng xảy ra lỗi ít hơn trong mô phỏng phần mềm chẳng hạn như kết nối lỏng lẻo, mất nhiều thời gian để tìm ra các vấn đề kết nối trong một mạch thực tế
Mô phỏng mạch cung cấp tính năng chính mà một số linh kiện của mạch không thực tế thì bạn có thể xây dựng mạch của mình trên proteus
Bên cạnh đó, việc mô phỏng mạch trên phần mềm sẽ giúp cho nhóm tác giả kiểm tra được tính chính xác cũng như sửa lỗi khi các linh kiện của mạch chạy chưa ổn định để sau khi mạch chạy mô phỏng đã ổn định sẽ tiến hành thi công mạch thực tế để cho ra một mạch hoàn chỉnh
Kết quả thi công mạch
Hình 4.9: Kết quả thi công mạch
Kết quả thi công mạch của hệ thống:
- Thi công đúng với thiết kế mạch in đã đưa ra.
- Thông qua chạy thử nghiệm cũng như kiểm tra các thông số giám sát được của các cảm biến có trong mạch đều hoạt động tốt với mục tiêu đề tài đưa ra.
- Nguồn cấp cho mạch của hệ thống giám sát môi trường để mạch hoạt động tốt được sử dụng từ nguồn trạm năng lượng mặt trời của đề tài khoá trước.
- Hệ thống gửi các thông số theo thời gian thực lên Google Sheet, Google Data Studio, Firebase ổn định, ít bị nhiễu.
THIẾT KẾ PHẦN MỀM
Lưu đồ giải thuật
Hình 5.1: Lưu đồ giải thuật hệ thống
Nguyên lý hoạt động của hệ thống
- Thiết bị giám sát được đặt ở trạm sạc sử dụng nguồn điện từ năng lượng mặt trời cấp nguồn cho thiết bị giám sát để hoạt động
- Thiết bị sẽ bắt đầu thu thập các chỉ số về môi trường như: nhiệt độ, độ ẩm, PM2.5, PM10 xung quanh nơi đặt trạm quan trắc môi trường
- Truyền tải dữ liệu qua mạng WIFI thời gian thực về Firebase và Google Sheet,
Google Data Studio để lưu trữ
- Hiển thị các dữ liệu thu thập được lên LCD tại trạm quan trắc để quan sát trực tiếp
- Các chỉ số sẽ được đưa lên Firebase để lưu trữ và từ Firebase sẽ được đưa về EM App để hiển thị và cảnh báo cho người dùng
Kết quả thiết kế phần mềm
Hình 5.2: Giao diện đăng nhập của App
Hình 5.3: Thông tin cá nhân của người dùng
Hình 5.4: Thể hiện các chỉ số môi trường lên App
Hình 5.5: So sánh dữ liệu với bên thứ 3
THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
Kết quả thử nghiệm và đánh giá
Bảng 6.1: Kết quả thử nghiệm và đánh giá vào ngày 24/03/2022
Thời gian Thông số môi trường Thiết bị giám sát IQ Air Sai số (%)
Nhận xét đánh giá số liệu: Hệ thống giám sát và cảnh báo môi trường ứng dụng IoT cho Trường ĐH Thủ Dầu Một giám sát được các thông số môi trường như: nhiệt độ, độ ẩm, PM2.5 và PM10 so với IQ Air (Website về các trạm quan trắc môi trường) có sai số không quá 10% (Theo tiêu chuẩn sai số của phép đo)
Hình 6.2: Đồ thị các thông số của hệ thống trên Google Data Studio
Hình 6.3: Đồ thị các thông số của hệ thống trên Google Data Studio
Hình 6.4: Kết quả thử nghiệm
