Thời đại công nghệ 4.0 đang phát triển làm cho đời sống con người ngày càng được cải thiện. Việc giám sát các thông số, giá trị môi trường từ xa ngày càng được hiện thực hóa. Do đó việc giám sát công nghiệp trở thành một yêu cầu tất yếu hiện nay. Vì vậy đề tài “Hệ thống giám sát không khí trong công nghiệp sử dụng mạng LoRa” đã được nghiên cứu và thiết kế nhằm mục đích tạo ra được một hệ thống có thể lắp đặt sử dụng trong công nghiệp, giúp chúng ta có thể giám sát và điều kiển để năng cao cải thiện và quản lý trong công nghiệp. Đề tài bao gồm các phần:
Giớithiệuchương
Chương1 s ẽ t r ì n h b à y l à m r õ n h ữ n g p h ầ n s a u : T ổ n g q u a n v ề h ệ t h ố n g m ạ n g LoRa trong đó sẽ trình bày về khái niệm mạng LoRa và những ứng dụng của nó trongđời sống của con người Sau đó chương sẽ giới thiệu tổng quan về hệ thống mạngLoRa trong công nghiệp, một ứng dụng tiêu biểu của mạng LoRa, ưu và nhược điểm,cácnguyên tắchoạt động,xu hướng phát triển vàm ộ t s ố h ệ t h ố n g c ô n g n g h i ệ p s ử dụng mạngLoRa tiêu biểu hiện nay, từ đó sẽ đặt ra vấn đề cho đề tài này, đưa ra cácmụcđíchvàphương phápnghiên cứu,những giớihạncủađềtài.
TổngquanvềL o R a
KháiniệmL o R a
LoRa là viết tắt của Long Range Radio là một công nghệ truyền thông dữ liệukhông dây sử dụng kỹ thuật điều chế vô tuyến có thể được tạo ra bởi các chip thu phátSemtechLoRa.
Kỹ thuật điều chế này cho phép giao tiếp tầm xa với một lượng nhỏ dữ liệu (cónghĩa là băng thông thấp), khả năng chống nhiễu cao, đồng thời giảm thiểu mức tiêuthụ điện năng Vì vậy, nó cho phép giao tiếp đường dài với các yêu cầu công suất thấp.ĐiềunàyphùhợpvớicácthiếtbịIoT(internetofthings)vớidunglượngpinhạnchế.
Mỗi gateway LoRa có thể xử lý hàng triệu node Điều đó, cộng với thực tế là cáctínhiệucóthểkéodàikhoảng cáchđángkể,cónghĩalàcầnítcơsởhạtầngmạn ghơn, do đó làm cho việc xây dựng mạng LoRa rẻ hơn Các mạng LoRa có thể được đặtcùng với các thiết bị liên lạc khác, như các tháp điện thoại di động, làm giảm đáng kểcáchạnchếxâydựng.
Như vậy, đặc điểm nổi bật nhất của LoRa đó là khả năng truyền nhận dữ liệu ởkhoảng cách rất xa (có thể lên đến 10km tùy thiết kế anten và vật cản) và tiết kiệm pin.Đây là những đặc điểm mà kết nối Wifi hay 3G/4G không có và giá thành của cácchipsetLoracũngkhárẻ.
Sự phát triển của Internet of Things bị giới hạn bởi dung lượng của mạng, bởi khảnăng hoạt động của thiết bị mà không cần thay pin và bởi khả năng mã hóa truyền dẫnbímật.Các tínhnăngđượctíchhợptrongLoRacungcấptấtcảcáckhảnăngnàyvàsẽchophépsựphát triển rộngrãicủaIoT.
Với công nghệ Lora , chúng ta có thể truyền dữ liệu với khoảng cách lên hàng kmmà không cần các mạch khuếch đại công suất; từ đó giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụkhitruyền/nhậndữliệu.Dođó,LoRa cóthể được ápdụngrộngrãitrongcácứngdụng pin. thu thập dữ liệu như sensor network trong đó các sensor node có thể gửi giá trị đo đạcvề trung tâm cách xa hàng km và có thể hoạt động với battery trong thời gian dài trướckhicầnthay
NguyênlýhoạtđộngcủaLoRa
LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế gọi là Chirp Spread Spectrum Có thể hiểu nômna nguyên lý này là dữ liệu sẽ được băm bằng các xung cao tần để tạo ra tín hiệu códãy tần số cao hơn tần số của dữ liệu gốc (cái này gọi là chipped); sau đó tín hiệu caotần này tiếp tục được mã hoá theo các chuỗi chirp signal (là các tín hiệu hình sin có tầnsố thay đổi theo thời gian; có 2 loại chirp signal là up-chirp có tần số tăng theo thờigian và down-chirp có tần số giảm theo thời gian; và việc mã hoá theo nguyên tắc bit 1sẽ sử dụng up-chirp, và bit 0 sẽ sử dụng down- chirp) trước khi truyền ra anten để gửiđi.
Theo Semtech công bố thì nguyên lý này giúp giảm độ phức tạp và độ chính xáccần thiết của mạch nhận để có thể giải mã và điều chế lại dữ liệu; hơn nữa LoRa khôngcần công suất phát lớn mà vẫn có thể truyền xa vì tín hiệu Lora có thể được nhận ởkhoảngcáchxa ngaycả độmạnhtínhiệuthấphơncảnhiễumôitrườngxungquanh.
Nhờ sử dụng chirps i g n a l m à c á c t í n h i ệ u L o R a v ớ i c á c c h i r p r a t e k h á c n h a u c ó thể hoạt động trong cùng 1 khu vực mà không gây nhiễu cho nhau Điều này cho phépnhiều thiết bị LoRa có thể trao đổi dữ liệu trên nhiều kênh đồng thời (mỗi kênh cho 1chirprate) LoRa sử dụng tần số không cần giấy phép có sẵn trên toàn thế giới, Băngtần làm việc của LoRa từ 430 MHz đến 915 MHz cho từng khu vực khác nhau trên thếgiới:
TổngquanvềLoRaWAN
KháiniệmvềLoRaWAN
LoRaWan( L o n g R a n g e W i r e l e s s A r e a N e t w o r k ) l à m ộ t k i ế n t r ú c h ệ t h ố n g v à giao thức truyền thông trong mạng dựa trên Lora LoRaWAN hoạt động trong phạm viphổ không được cấp phép dưới 1GHz. Trong khi, WiFi hoạt động ở tần số được cấpphép cao hơn là 2.4 GHz và 5 GHz và 4 G trong khoảng từ 2 đến 8 GHz Cấu trúc củaLoRaWAN bao gồm hai lớp: Lớp vô tuyến vật lý LoRa (Long Range – Tầm xa) và lớpmạngmànềntảng LoRaWAN tồntại.
Trong cấu trúc này thì LoRaWan bao gồm LoRa Mac (Class A, Class B, Class C)và hoạt động dựa trên lớp PHY là chip LoRa Ở mỗi khu vực khác nhau trên thế giớithì thiết bị LoRaWan phải được cấu hình cho chip Lora hoạt động ở dải băng tần chophép.
Class A - end - devices truyền nhận dữ liệu theo 2 hướng với đặc trưng chokhả năng tiêu thụ công suất thấp nhất Truyền thông với class A luôn đượckhởitạovbowircácend– devicestheocấutrúchoàntoànkhôngđồngbộ. mỗi một đường truyền dẫn “uplink” sẽ được theo sau bở hai đường nhận“downlink”
ClassB - end – devicest r u y ề n n h ậ n d ữ l i ệ u t h e o 2 h ư ớ n g v ớ i v i ệ c t i ế p nhận được thiết lập theo lịch trình Class B sẽ mở cửa sổ nhận theo thờigian được thiết lập, nó sẽ nhận được một tín hiệu báo đồng bộ từ gateway.ĐiềunàychophépServerbiếtđượckhinàoend- deviceđanglắngnghe.
ClassC - e n d – d e v i c e t r u y ề n n h ậ n d ữ l i ệ u t h e o 2 h ư ớ n g v ớ i t i ế n t r ì n h nhận tối đa, mang lại độ trễ nhỏ nhất Class C sẽ liên tục mở luồng nhận vàchỉ đóng khi thực hiện việc truyền dữ liệu Dựa vào điều này, Server có thẻkhởi tạo đường truyền “downlink” bất cứ lúc nào trên giả định là bộ thu dữliệu củacác end-deviceđang mở,do đóđộ trễđược tốiưuxuốngt h ấ p nhất.
MôhìnhmạngcủaLoRaWAN
End Devices(thiết bị cuối) hỗ trợ LoRaWAN: là một cảm biến hoặc thiết bịtruyền động được kết nối không dây với mạng LoRaWAN thông qua cácgateway sử dụng công nghệ điều chế LoRa Các thiết bị này phần lớn hoạtđộngbằngpinvàthựchiệncác chứcnăngsốhóacácthôngtinvậtlýhoặc môitrườngnhư:chiếusángđườngphố,khóacửa,ngắtvannước, ngănròrỉ
Gateway LoRaWAN(cổng LoRaWAN) : nhận các dữ liệu RF được điều chếLoRa từ các thiết bị cuối và chuyển tiếp dữ liệu này đến máy chủ ở mạngLoRaWAN Các cảm biến được kết nối với gateway thông qua mạng IPbackbone, đặc biệt cùng một cảm biến có thể gửi dữ liệu đến nhiều gatewaymiễn là có kết nối giữa chúng Điều này làm giảm đáng kể khả năng lỗi gói (vìkhả năng ít nhất một gateway sẽ nhận được thông báo là rất cao) đồng thờicũnggiảmchiphípincho cáccảmbiếndiđộng cótínhnăngxácđịnhvị trí.
Network server(máy chủ mạng): quản lý toàn bộ hệ thống mạng, các thôngsốthíchhợpđểđiềuchỉnhhệthốngvàthiếtlậpkếtnốiAES128- bitantoànđể truyền tải và kiểm soát dữ liệu Máy chủ mạng đảm bảo tính xác thực củamọi cảm biến trên mạng và tính toàn vẹn của các thông báo, tuy nhiên lạikhôngthểnhìnthấyhoặctruy cập vàodữ liệuứng dụng.
Application servers(máy chủ ứng dụng): chịu trách nhiệm xử lý, quản lý vàdiễn giải dữ liệu nhận được từ các cảm biến một cách an toàn, đồng thời tạo ramộtdownlink payloadstớicácthiết bịđầucuối.
Ưuvànhược điểmcủaLoRaWAN
Hoạtđộngtrêntầnsốmiễnphí(khôngcólicense),khôngcóchiphícấp phéptrảtrướcđểsửdụngcông nghệ
Côngsuấtthấpcónghĩalàtuổithọpindàichocácthiếtbị.Pincảmbiếncóth ểtồn tạitrong 2năm5năm (Lớp AvàLớp B)
Không giới hạn số lượng tin nhắn hàng ngày tối đa (so với giới hạn
BăngthôngthấplàmchonólýtưởngchoviệctriểnkhaiIoTthựctếvớiítdữliệuh ơnvà/hoặcvớiviệctruyềndữ liệukhông đổi.
Được hỗ trợ bởi những người như CISCO, IBM và 500 công ty thành viênkhác củaLiên minh LoRa.
Không phải là ứng cử viên lý tưởng cho các ứng dụng thời gian thực đòihỏiđộ trễthấp hơnvàyêucầuthiếtbịràngbuộc.
TăngcườngmạnglướiLoRaWAN:SựpháttriểncủacáccôngnghệLPWAN, và đặc biệt là LoRaWAN, đặt ra những thách thức cùng tồn tạikhiviệctriển khaicácgatewayvàokhu vựcđô thị.
Nhược điểm của tần số mở là bạn có thể bị nhiễu tần số đó và tốc độ dữliệu có thể thấp (Đối với GSM hoặc tần số được cấp phép, bạn có thểtruyền trên tần số đó mà không bị nhiễu Các nhà khai thác GSM sử dụngtầnsốnhấtđịnhphảitrả phícấpphéplớn chochínhphủđể sửdụng cáctầnsốđó.LoRahoạtđộngtrêncác tầnsốmở vàkhôngcầntrạngtháilicense).
Mộtsốhệthốngsửdụngcủa mạngLoRa
Quảnlý n ă n g l ư ợ n g:Lo RaW AN tậphợ pt ấ t cả các hệ t h ố n g liênq ua nđến năng lượng để quả lý tòa nhà thông minh: chiếu sáng, sưởi ấm, làmmát, an toàn cháy nổ Giao thức truyền thông LoRaWAN kết nối chúngmộtcáchhiệuquảđể giúpkiểmsoátvàgiảmmứctiêuthụđiện năng.
An ninhtoànnhà thông minh: Văn phòng, nhà máy, tổ chưc hành chínhvà tất cả các tòa nhà thông minh khác cần được bảo vệ chống cháy,thiêntaivàlốivàotráiphép Sử dụngLoRaWAN, cửasổ,cửa ravàoch uôngbáo cháy, cảm biến phát hiện chuyển động và các nút khẩn cấp có thể đượctổchứcthànhmột hệthốngbáo độngantoàn.
Tối ưu hóa không gian: Dữ liệu được thi thập bở các thiết bị hổ trợ
LoRagiúp tối ưu hóa mặt bằng văn phòng Môi trường văn phòng có thể đượcđịnhhìnhlại Điều nàygiúpnăng caosựhàilòngcủa nhânviên.
Định vị địa lý:Công nghệ LoRa sử dụng công nghệ định vị địa lý khôngcóGPS màkhông cần nguồnđiệnbổ sung.
phí kết nối thấp:Chi Công nghệ LoRa hoạt động trong dải ISM khôngđượccấpphép, có nghĩalàkhông cóhoặc phổrất thấp.
Tận dụng các tài sản được triển khai:Tín hiệu mạnh mẽ của công nghệLoRa có thể thâm nhập vào phạm vi phủ sóng rộng ngay cả trong vùngnôngthôn.
TổngquanvềhệthốngmạngLoRacủađềtài
1.3.5.1 Đặt vấn đề(Vị trí và nội dung không phù hợp Đặt vấn đề là mô tả vấn đềchuẩn bị nghiên cứu là gì, tầm quan trọng, ứng dụng,… Sau đó đi đếnnghiên cứu tổng quan Sau đó đến đặt ra mục tiêu dựa trên việc nghiêncứu tổng quan Xem xét đưa lên trên và điều chỉnh nội dung Tham khảobàicủa NVPhong)
Với sự phát triền nhanh chóng của ngành Khoa học Kỹ thuật, công nghệ kỹ thuậtđiệntử-viễnthôngmàtrongđókỹthuậttựđộngđiềukhiểnđóngvaitròquantrọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lý công nghiệp,… Để có thể nắm bắt tíchlũykiếnthứcngànhtốthơn, chúngtaphảivận dụngnó hiệuquảvàothựctế
Lấy đề tài nghiên cứu là xây dựng một hệ thống giám sát không khí trong côngnghiệp sử dụng mạng LoRa, hệ thống này được sử dể giúp chúng ta nắm bắt được cácgiátrịđođượctrongkhucôngnghiệpmàkhôngcầnđếntrựctiếptạinơiđó.Việcđósẽ giúpconngườitiết kiệm thờigianvàcông sức.
Do đó, chúng em quyết định nghiên cứu, thiết kế xây dựng một hệ thống giám sátkhông khí trong công nghiệp sử dụng mạng LoRA, với trung tâm điều khiển sẽ là viđiều khiển Heltec ESP32 LoRa có thể kết nối LoRa để truyền tải dữ liệu và các cảmbiến nhiệt độ, độ ẩm, bụi và khí Gas để thu thập các thông số môi trường quanh xưởngcôngnghiệp.
1.3.5.2 Mục đích và yêu cầu hệ thốngMục đích: Đồ án được nghiên cứu, khảo sát và thực hiện với mục đích áp dụng những kiếnthức đã học được ở nhà trường để thiết kế, tạo ra một hệ thống công nghiệp minh sửdụng LoRa để kết nối các thiết bị nhầm giúp đở con người tối ưu hiệu quả trong côngviệc.
Hệthốngsẽđặtcácthiếtbịđovàđiềukhiểntrongphânxưởngvớidiệntích300 m 2 của khucôngnghiệp và đượcđặtgầnnhững khuvực côngnhânlàmviệc.
Ngoàira,đềtàicònthiếtkếmộtWebsiteđểgiúpchongườidùngdễdàngtruyc ậpvà theodỏicácthôngsốmôitrườnghoặcđể điềuchỉnhcác thiếtbị.
Vì đặt ở phân xưởng nên cần có thiết bị có thể truyền dữ liệu đi xa và kết nối giữacác thiết bị phải ổn định Đối với các thiết bị đo thì phải có độ chính xác cao sai sốkhôngquálớn,cònđốivớicácthiếtbị điềukhiểnthì cầnphảicóđộ trễthấp. Đểthực hiệnđượcviệcgiámsátcácgiátrịkhôngkhívàđiềukhiểnđượccác thiếtbị chúng ta sẽ thiết kế hệ thống cần có những khối chức năng như khối cảm biến vàkhối điều khiển hai khối này sẽ được thiết kế mạch riêng, sử dụng các linh kiện điện tửriênglẻ.
Ngoàir a h ệ t h ố n g c ò n p h ả i c ó t h ể l ư u t r ữ v à l ấ y d ữ l i ệ u đ ể h i ể n t h ị g i ú p c h o người vận hành có thể truy cập từ bất cứ đâu để theo dõi nên chúng ta sẽ cần thiết kếthêm2 khốilàkhối lưu trữdữliệu vàkhốihiển thị.
Kếtluậnchương
Chương 1 đã trình bày ra được tổng quan về mạng loRa Sau khi đã nêu lên đượcnhững khái niệm, nguyên tắc hoạt động, tiêu chuẩn xây dựng một hệ thống giám sátkhông khí trong công nghiệp, chương đã đặt ra được vấn đề cần thiết, từ đó cũng đưarađược những mục đích,phươngpháp nghiêncứuvà giới hạncủađềtài
Giớithiệuchương
Chương 2 sẽ trình bày những cơ sở lý thuyết liên quan đến hệ thống nhà thôngminh trong đó là Chỉ tiêu nhiệt độ, độ ẩm trong nhà và Chỉ tiêu chiếu sáng trong nhà.Sau đó sẽ đưa ra một số linh kiện thiết bị, những phần mềm nền tảng có thể được sửdụng để thiết kế xây dựng nên đề tài này Những cơ sở lý thuyết này sẽ là nền tảng đểphântíchtínhtoánthiếtkếxây dựngởChương3vàChương4
Cơsởlýthuyết
Để có thể xây dựng hoàn thiện hệ thống giám sát không khí trong công nghiệp sửdụng mạng LoRa việc tìm hiểu về những tiêu chuẩn, chỉ tiêu về thông số môi trườngnhư nhiệt độ, độ ẩm để hệ thống có thể hoạt động chính xác, giúp con người cảm thấythoảimáidễ chịu nhấtkhi làmviệc,chúngtacónhững chỉtiêu nhưsau:
Loạilaođộng Nhiệt độ không khí(độC) Độ ẩm không khí(%) Tốiđa Tốithiểu
Môhìnhđề tài
Ở đề tài này chúng ta sẽ thực hiện việc giám sát môi trường không khí trong côngnghiệp thông qua mạng LoRa Từ mô tả đề tài ở chương 1 dựa trên mục đích và yêucầuhệthốngchúng tasẽ thiết kếmôhìnhđềtài như sau:
Sinhv i ê n t h ự c h i ệ n : V ũ Đ ì n h H u y 11 Hướngd ẫ n : T S P h a n T r ầ n Đ ă n g K h o a Ởđâysơđồ đượcchialàm4 phầnchính:
Cácnodesẽđượckếtnốivớiserverthôngquagateway(draginoLPS8).Đồivới khốicảmbiến(node1):
Khối cảm biến sẽ bao gồm khối xử lý cảm biến kết nối với 3 cảm biếnriêngbiệt.
Thiết bị cảm biến sẽ đo giá trị từ các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, bui và cảmbiến chất lượng không khí sau đó sẽ gửi các giá trị đó về khối xử lý cảmbiến.
Khối xử lý cảm biến sau khi nhận dữ liệu thì sẽ tính toán và đưa ra các giátrị nhiệt độ, độ ẩm, mật độ bụi và chất lượng không khí Sau đó khối xử lýcảm biến sẽ kết nối với Gateway thông qua Class A để gửi dữ liệu lên khốilưu trữ dữ liệu, ngoài ra trên khối xử lý cảm biến còn có màn hình OLEDđể hiển thị các giá trị đã đo được lên màn hình giúp chúng ta tiện theo dõitạichổ. Đốivớikhốiđiềukhiển (node2):
Khối điều khiển sẽ bao gồm khối xử lý điều khiển được kết nối với quạt vàđèn
Khối xử lý điều khiển sẽ kết nối với khối lưu trữ dữ liệu theo chuẩn LoRaclass C Class C truyền nhân dữ liệu liên tục theo 2 hướng với tiến trìnhnhậntối đamanglạiđộ trễnhỏ nhất.
Khin hậ n t í n h i ệ u t ừ k h ố i l ư u t r ữ d ữ l i ệ u t h i ế t b ị s ẽ b ậ t h oặ c t ắ t đ è n và quạt.
Server sẽ nhận trực tiếp dữ liệu được gửi lên từ khối cảm biến và được kếtnốiđườngtruyềnxuốngvớikhốiđiềukhiển,Serversaukhinhậndữli ệusẽ tiến hành giải mã dữ liệu đó để đưa về đúng với giá trị đo được tiếp đóServersẽgửicác dữliệuđãgiảimã đólênFirebaseđể lưutrữdữliệu
Firebase ở đây chúng ta sẽ sử dụng Firebase Realtime Database để lưu trữvà đồng bộ dữ liệu được gửi lên từ Server, nó sẽ tự động cập nhập dữ liệumớinhấttheo thờigianthực vớiđộ trễthấp.
Khốihiểnthị(client)làmộtWebsitesẽlấycácdữliệuđượclưutrữtrongfirebaseđể hiển thị các giá trị đọc từ khối cảm biến cho người dùng theo dõi ngoài ra Web còncónút nhấnđểcóthểđiều khiểncácthiếtbịtừkhối điềukhiển.
Giớithiệutổngquanmộtsốlinhkiện
ModuleviđiềukhiểnHeltecESP32LoRaV2
Là bản phát triển của ESP32 với 8MB flash sử dụng trực tiếp chip ESP32 nó tíchhợp thêm SX1276 để kết nối LoRaWAN Ngoài ra còn có một màn hình OLED126x640,96in đượckết nốiquaI2C
Khoảncáchliênlạc 3km Điệnáplàmviệc 3.3V– 7V Độnhạymáythu -139dbm
Cảmbiếnnhiệtđộ,độ ẩmDHT11
Cảmbiếnnhiệtđộ, độẩmDHT11là cảmbiếntíchhợpnhiệtđộvà độẩmvới c hântínhiệusốđượccânchỉnh.Bằngcáchsửdụngcôngnghệdigital-signal- accquistionđộcquyềnvàcôngnghệđonhiệtđộvàđộẩm,DHT11cóđộtincậycaovà độ ổn định lâu dài Cảm biến bao gồm một vật liệu điện trở nhạy với độ ẩm và mộtnhiệt trở NTC, kết nối với một vi điều khiển 8-bit tốc độ cao, cho nên chất lượng xuấtsắc, phản hổinhanh vàgiáthànhrẻ
Mỗi phần tử DHT11 đều được cân chỉnh chính xác trong một phòng thí nghiệmvới độ chính xác tối đa trong việc cân chỉnh độ ẩm Hệ số cân chỉnh được lưu trữ trongbộ nhớ OTP, mà cảm biến sẽ sử dụng xử lý Giao tiếp 1-dây làm hệ thống tích hợpnhanh và dễ dàng Kích thước nhỏ, tiêu thụ công suất thấp và đạt đến 20m tín hiệutruyềndẫnlàm DHT11trởthànhmộtsựlựachọn tốtchonhiều ứngdụng.
Cảmchất lượng khôngkhí MQ -135
Cảm biến chất lượng không khí MQ – 135 dùng để kiểm tra chất lượng không khícủa môi trường có các khi nhà ở, văn phòng hoặc xưởng công nghiệp Cảm biến có thểnhậnbiếtđược cácchấtnhưNH3, Nox, Ancol, Benzen,khói,CO2,Gas….
Hình2.4:CảmbiếnchấtlượngkhôngkhíMQ-135 Đa số khí cảm biến nhận biết được đều là khí không có lợi cho sức khỏe chính vìvậyngười tagọi nólàcảmbiến chấtlượngkhông khí.
Bảng 2.2:ThôngsốkỹthuậtMQ-135 Điệnápnguồn 5VDC Điệnapheater 5V±0.1AC/DC Điệntrởtải thayđổiđược (2kΩ-47kΩ) Điệntrở củaheater 33Ω±5%
Khoảngpháthiện 10-300ppm NH3,10-1000ppmBenzene,10-300Alcol
Cảm biến MQ – 135 sử dụng SnO2 có điện trở cao hơn trong không khí làm vậtliệu cảm biến khí Khi có sự gia tăng các khí gây ô nhiễm điện trở của cảm biến khí sẽgiảm cùng với đó Để đo ppm bằng cảm biến MQ – 135 chúng ta cần xem xét biểu đồppm(Rs/Ro) lấy từdữ liệuMQ– 135.
Hình trên cho thấy các đặc tính nhậy cảm điển hình của MQ – 135 đối với một sốloạikhí.GiátrịRolàgiátrịđiệntrởcủacảmbiếnở100ppmcủaNH3trongkhôngkhí sạch,Rslàđiệntrởcủacảm biếnởcácnồngđộkhí khácnhau.
Trước tiên chúng ta nên hiệu chỉnh cảm biến bằng cách tìm các giá trị của Rotrongkhôngkhítronglànhvà sauđósửdụnggiátrịđóđểtìmRs theocôngthức:
Rs=(Vc/VRL-1) xRL Khichúngtađãtính đượcRsvàRo,chúngtacóthểtìmratỷlệvàsửdụng đồthịởtrênchúng ta cóthểtínhgiátrịtươngđương ppmcủaloại khícụthể đó.
Cảmbiếnbụi SharpGP2Y10
CảmbiếnbụiSharpGP2Y10đượcsảnxuấtbởihãngSHARP,đượcsửdụngđểnh ậnbiếtnồng độbui PM2.5 trong khôngkhí.
Hình 2.7: Mối quan hệ điện áp và nồng độ bụi
Nguyênlýhoạtđộng Ởđâychúngtacó2bộphậnđềtruyềnvànhậnhồngngoại(IRLEDvàPhototransistor) 2 bộ phận này được đặt lệch góc với nhau Lúc hoạt động cảm biến sẽkích hoạt các diot hồng ngoại bằng các pin LED ở mức HIGH, khi có bụi bay vào tiahồng ngoại từ IR LED sẽ bị dội vào Phototransistor, lúc này điện áp từ Phototransistorsẽ được đưa lênmạch khuếchđại(Amplifier) vàxuấtrachân Vo.
Theodatasheet,mộtlầnđocủacảmbiếnsẽmấtkhoảng10msđểđo.Trong10mssẽ có:
0.32 ms: Trong khoảng thời gian này, IR LED sẽ được bật lên va chúng tatiếnhànhđọc g i á t r ị T uy n h i ê n , c h ỉ đ ư ợ c p hé p đ ọ c g i á t rị s a u 0 2 8 ms Vậynhững việcchúngtacầnlàmtrong 0.32msnày đólà: o BậtIRLED. o Delay0.28ms. o TắtIRLED. o Delay0.04ms.
9.680 ms: Thời gian này cảm biến sẽ không làm gì cả Vì thế ta chỉ cầndelay9.680 ms.
OPTOTRIACMOC3020
Để điều khiển được góc mở TRIAC, ta cần sử dụng OPTO TRIAC MOC3020 đểkíchTRIAC
MOC3020 là một thiết bị OPTOc á c h l y T R I A C T h i ế t b ị n à y c h ứ a m ộ t L E D hồng ngoại GaAs và một công tắc bán dẫn kích hoạt bằng ánh sáng hoạt động giốngnhư một TRIAC MOC3020 được thiết kế để giao tiếp giữa việc điều khiển và kíchhoạtTRIACđể điềukhiểncác tảitrở vàtảicảmởđiệnáp AC
Giớithiệutổngquanphầnmềm,nềntảng cóthểsửdụng
ArduinoIDE
ArduinoIDElàmộtmôitrườnglậptrìnhtíchhợpđanềntảng( W i n d o w s , MacOS, Linux) được viết dựa trên ngôn ngữ C và C++ Sử dụng để lập trình và nạpchương trình vào các board Arduino thích hợp, nhưng với sự trợ giúp từ các nhà pháttriểnbên thứba,nhiềuloại boardphát triểnkháccũngđãđược hỗtrợ.
Mã nguồn của IDE được phát hành dựa trên GNU General Public License, phiênbản thứ 2 Arduino IDE hỗ trợ ngôn ngữ C và C++, sử dụng các cú pháp đặc trưng củamình Arduino IDE cung cấp một bộ thư viện phần mềm từ các dự án Wiring, nhờ đócung cấp nhiều thục tục đầu vào và đầu ra cơ bản Người dùng khi viết code chỉ cần sửdụng hai hàm đơn giản: một hàm khi khởi động chương trình và một hàm lặp vô hạnđược biên dịch và liên kết tới chương trình chính. Arduino IDE triển khai chương trìnhavrdude bằng cách chuyển đổi code thực thi thành một file text ở dạng mã hóahexadecimalmàđược tải vàofirmwarecủacácboard. Để đơn giản hóa việc lập trình nhúng cho các vi điều khiển, Arduino IDE đượclựa chọn sử dụng để lập trình cho vi điều khiển ESP-12E và STM32F103C8T6 bằngcáchsửdụngthưviệnboardtíchhợpcủabênthứ3.Boardtíchhợpsẽkhaibáosẵ ncácchânI/Otùytheo chức năngđểtừđóchúngtacó thể lậptrìnhdựa trênđó.
DịchvụFirebase–RealtimeDatabase
Firebase là một 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 làgiúp người dùng lập trình ứng dụng bằng cách đơn giản hóa các thao tác với cơ sở dữliệu
Cụ thể là những giao diện lập trình ứng dụng API đơn giản Mục đích nhằm tăngsốlượngngườidùngvàthulạinhiềulợi nhuậnhơn, cáclý dosửdụngFirebase:
Firebase quản lý cơ sở dữ liệu theo thời gian thực Do đó, chúng ta có thể dễ dàngvà nhanh chóng chuyển tiếp dữ liệu đến và đi từ cơ sở dữ liệu, để phát triển cácứng dụng di động cần tốc độ nhanh như live stream, chat,… Firebase cực kỳ thíchhợp
Firebase cho phép đồng bộ dữ liệu thời gian thực qua tất cả các thiết bị - Android,IOSvàWebmàkhôngcần làmmới màn hình
Firebase cung cấp tích hợp các dịch vụ Google Advertising, AdMob, Data Studio,BigQuery DoubleClick, Play Store, và Slack để phát triển ứng dụng với hiệu suấtvàđộ chínhxáctrong quảnlý vàduytrì
Mọi thứ từ cơ sở dữ liệu, phân tích, đánh giá đều được bao gồm trongF i r e b a s e Do đó, nhà phát triển ứng dụng có thể tập trung vào phát triển trải nghiệm ngườidùng
Ứng dụng Firebase có thể triển khai qua một mạng lưới bảo mật đến Firebaseserver
FirebaseRealtimeDatabaselàmộtcơsở dữliệuđượclưutrữ đámmâymàdữl iệu được lưu dưới dạng JSON Dữ liệu được đồng bộ theo thời gian thực mỗi khi kếtnối với thiết bị đầu cuối Các thiết bị đều chia sẻ chung một kết nối với cơ sở dữ liệuthời gian thực và tự động được cập nhật dữ liệu mới nhất, nếu chúng ta xây dựng mộtứngdụngđanền tảng vớiiOS,AndroidvàJavascript SDKs
Firebase Realtime Database là cơ sở dữ liệu dạng noSQL mà chúng ta có thể lưutrữ và đồng bộ dữ liệu giữa các người dùng theo thời gian thực Nó là một phần tửJSON lớn được nhà phát triển quản lý theo thời gian Bằng cách sử dụng một API duynhất, Firebase database cung cấp ứng dụng với các giá trị hiện tại của dữ liệu và cậpnhật dữ liệu đó Đồng bộ theo thời gian thực làm cho công việc trở nên dễ dàng khingười dùng truy cập dữ liệu của họ từ bất kỳ thiết bị nào, có thể là trang web hoặc diđộng
Dữ liệu thời gian thực giúp người dùng dễ dàng liên kết với nhau Bằng cách sửdụng di động hoặc web SDKs, giúp chúng ta có thể xây dựng một ứng dụng nhanhchóng mà không cần đến servers Khi người dùng offline, Realtime Database SDKs sửdụng bộ nhớ đệm cục bộ trên thiết bị để lưu trữ dữ liệu Dữ liệu sẽ được tự động đồngbộtrởlạikhi thiếtbị online Cáckhảnăngchính:
Realtime: Firebase Realtime Database sử dụng công nghệ động bộ dữ liệuthayvìHTTPrequest.Mỗithiếtbịkếtnốisẽđượccậpnhậttrongmiligiây
Offline: Firebase Database SDK lưu trữ dữ liệu vào bộ nhớ, nhờ đó, ứngdụng Firebase giữ kết nối kể cả khi offline Thiết bị sẽ tự nhận các thay đổibịnhỡmộtkhi kếtnối đượcthiết lập lại
Khả năng truy cập từ thiết bị khách: Không cần một ứng dụng server đểtruy cập vào cơ sở dữ liệu Firebase Chúng ta có thể truy cập trực tiếp từmột thiết bị di động hoặc trang web Xác thực dữ liệu và bảo mật đượccung cấp thông qua Firebase Realtime Database Security Rules, có thểđượcthayđổi vàthựcthi khidữ liệu đọc hoặcghi
Nhiều gói cơ sở dữ liệu: Với Firebase Realtime Database trên gói BlazePricingP l a n , c h ú n g t a c ó t h ể c u n g c ấ p n h ữ n g d ữ l i ệ u c ầ n t h i ế t c ủ a ứ n g dụng bằng cách chia dữ liệu thành nhiều cơ sở dữ liệu trong một dự ánFirebase Hợp lý hóa việc xác thực bằng Firebase authentication trong dựán và xácthựcn g ư ờ i d ù n g t r o n g c ơ s ở d ữ l i ệ u
K i ể m s o á t d ữ l i ệ u t r o n g mỗicơsởdữliệuvới cácrulesthủ côngtrongmỗi cơ sởdữ liệu
TheThingsNetwork
TTN (The Things Network) là một cơ sở hạ tầng nguồn mở nhầm cung cấp mộtlớp phủ mạng LoRaWAN miễn phí Trang Web cho phép mọi người triển khai cáccổngtrong thànhphốcủahọ đểpháttriển mạnglưới LoRa ỨngdụngTTNcungcấpchomọingườiquyềntruycậpvàomộtsốthamsố:
Kếtluậnchương
Chương 2 đã nêu ra được những cơ sở lý thuyết về chỉ tiêu các giá trị nhiệt độ, độẩm và ánh sáng trong nhà, từ đó chúng ta có thể rút ra được các yêu cầu cần thiết đểthực hiện việc thiết kế phần cứng của đề tài xây dựng hệ thống nhà thông minh này.Ngoài ra, chương 2 còn đưa ra những giới thiệu sơ bộ về một số linh kiện điện tử,những phần mềm, nền tảng có thể sử dụng được, đưa ra những ưu, nhược điểm củatừng linh kiện, phần mềm để từ đó chúng ta có thể có được sự lựa chọn đúng đắn khithiếtkế,tínhtoánphần cứng,phầnmềmởChương3vàChương4.
Giớithiệuchương
Từ những thông tin rút ra được từ Chương 2, Chương 3 sẽ trình bày những yêucầuđặtracủahệthốnggiámsátchấtlượngkhôngkhítrongcôngnghiệp,từnh ữngyêu cầu đó chúng ta sẽ xây dựngnên sơ đồ khối chứcnăng từngphần, rồi lựac h ọ n linh kiện phù hợp với từng khối chức năng Sau khi đã chọn được những linh kiệnchính chúng ta sẽ lựa chọn các sơ đồ mạch phù hợp của từng khối rồi sẽ phân tích tínhtoán thiết kế từng phần Cuối cùng thì chúng ta sẽ mô phỏng mạch nếu có thể rồi sẽ vẽmạchPCBvàhoànthiệnmạch trongthựctế.
Yêucầu đặt rachohệthống
Từ những thông tin của Chương 1 và Chương 2, chúng ta có những yêu cầu đặt rachoHệthống giám sátcông nghiệpnhư sau:
Phần cứng của hệ thống sẽ bao gồm 3 phần chính: phần điều khiển thiết bị,phầncảmbiếncácgiá trịmôitrườngvà phầnxửlýtrungtâm.
Phần điều khiển thiết bị sẽ dùng để điều khiển bật tắt đèn sử dụng điện áp220V AC và điều khiển quạt 12V, tín hiệu điều khiển có thể nhận được khingườidùngnhắnnút trênWeb
Phần cảm biến các giá trị môi trường sẽ sử dụng 3 loại cảm biến là: nhiệt độ,độ ẩm, bui và cảm biến chất lượng không khí Các cảm biến này sẽ gửi giá trịcho phần xử lý trung tâm để người dùng có thể giám sát các thông số này trênthiếtbị hoặcWeb.
Phần xử lý trung tâm sẽ là phần xử lý chính của hệ thống, có khả năng kết nốivới server thông qua gateway để truyền các giá trịn h ậ n đ ư ợ c t ừ p h ầ n c ả m biếnlên cơ sở dữ liệu hoặc nhận các tín hiệu điều khiển từWeb, ngoài ra còncóthểhiểnthịcácgiá trịđọc đượctừcảmbiếnlên mànhìnhOLED
Xâydựngsơđồkhốivàchọnlựalinhkiệncho từngkhối
Sơđồ khốiphần cứng
Dựa vào mục đích, phương pháp nghiên cứu và giới hạn của đề tài như trên,chúngemsẽxâydựngđềtài này vớicácnộidung chính sau
Khốicảmbiếntrungtâmsẽbaogồm3khốinhỏlà: o KhốicảmbiếnDHT11cóchứcnăngthuthậpdữliệuvềnhiệtđộvàđộẩmcủam ôi trường xungquanh. o Khốicảmbiếnbui kiểmtra mậtđộbụitrongphòng. o Khốic ả m b i ế n M Q –
1 3 5 c ó c h ứ c n ă n g t h u t h ậ p d ữ l i ệ u c h ấ t l ư ợ n g khôngkhí. o Khốixửlýcảmbiếnt h ự c hiệnviệcgomdữliệu3khốiđólạigửivềchos erver.
KhốichấphànhđiềukhiểnthiếtbịsẽcóchứcnăngnhậndữliệuđiềukhiểntừWebvàđi ềukhiểncácthiếtbị o Đènsẽ cóthểđiềukhiểnbật,tắtnhưbìnhthường o Quạtcũngsẽđượcđiềukhiểnbật,tắtkhinhậnđượctínhiệu. o Khốixửlýđiềukhiểnsẽnhậntínhiệutừservervàđiềukhiểncácthiếtbị.
Chọnlựalinhkiện cho từng khối
Vớichứcnăngtổngquátđãtrìnhbàynhưtrên,chúngtalựachọnlinhkiệnthíchhợpch otừngkhốidựavàonhữnglinhkiện đã giớithiệutrongChương 2nhưsau:
Khối xử lý: Để thực hiện việc kết nối và xử lý LoRa và hiển thị, chúng ta cóthể sửdụng viđiềukhiểnHeltecESP32LoRaV2
Khối cảm biến nhiệt độ, độ ẩm có chức năng thu thập dữ liệu về nhiệt độ,độẩm xung quanh trong môi trường, chúng ta có thể sử dụng các linh kiện chínhsau: o DHT11:C ả m b i ế n n h i ệ t đ ộ đ ộ ẩ m D H T 1 1 c ó g i á t h à n h r ẻ b ù l ạ i khoảng nhiệt độ độ ẩm đo được chỉ nằm trong khoảng 0 – 50 o C và 20 –80% RH, và sai số thấp, nhưng chuẩn sử dụng chuẩn giao tiếp 1-Wiredễkết nối o DHT22: Cảm biến DHT22 là bản nâng cấp của DHT11 với khoảng đorộng hơn, vẫn giữ được chuẩn giao tiếp 1-Wire mặc dù giá thành caohơn một chút Để có thể có khoảng đo rộng hơn, độ chính xác cao hơntrong việc đo đạc, chúng ta sẽ lựa chọn DHT11 làm linh kiện chính, vìgiá thành DHT11 thấp hơn.
Khối cảm biến chất lượng không khí: có nhiệm vụ đo kiểm tra chất lượngkhôngkhí.Tachọn MQ-135
Khối cảm biến bụi: có thể xác định mật độ bui trong xưởng Ta chọn SharpGP2Y10
Khốinguồn:Khốinguồncóchức năngcungcấpnguồnđiệnápchomạch. o Điệnápngõvào:180Vac–230Vac o Điệnápngõra5VDC o Sailệchđiệnápngõra±0.2v o Dòng tải cực đai
Vìcầnđiệnápđầuraổnđịnh5VDCdòngtảicựcđại0,42Athìcóthểlựachọncáclinh kiệnnhư: IC LM317,ICLM2576,IC AMS117,LM7805.
Vì vậysau khi liệt kê các IC ổn áp trên thì thấy IC LM317 không cần thiết vì ICnày có thể điều chỉnh điện áp đầu ra, IC LM 2576 cho dòng ra 3A gây lãng phí,AMS117 không thông dụng như LM7805 Vậy chọn IC LM7805 cho ra điện áp 5V –1Achiphí rẻdễtìmkiếm trênthị trường.
Vì IC LM7805 chỉ cho dòng ra 0.4A đến 0.5A nên ta cần thêm một BJT để nângdòngra củanguồn, sửdụng BJTPNP TIP41đểnângdòngrachoICLM7805, dòngrasẽlênđến1.65A.
Vì IC LM7805 cần điện áp 0-35VDC Để cung cấp điện áp cho IC LM7805 từnguồnđiện 220VAC,tacầnhạápxuống12VACvàchuyểnquađiệnáp DC.
Nhưvậyviệc hạápbằngbiếnáp220vACxuống12vAClà phươngpháphiệuquảnhất.
Khiđãhạ ápxuống12vACta cầnphảibiếnđổiđiệnápACthànhDC.Dùngkhốichỉnh lưuđểđiềuchỉnhdòng xoaychiềuthànhmột chiều.
Chỉnh lưu 1 pha: Bộ chỉnh lưu 1 pha thường dung làm các nguồn cung cấpcông suất nhỏ Các mạch chỉnh lưu 1 pha thông dụng như: chỉnh lưu bán sóng,chỉnhlưu toàn sóng,chỉnh lưu cầu,chỉnhlưu nhânáp. o Chỉnh lưu bán sóng: Năng lượng bị mất khi mỗi bán kì dẫn thì bán kìkiatắt,sẽgây rakhông ổnđịnh. o Chỉnhlưutoànsóng:Mạchkhôngcóđiểmgiữacủabiếnáp. o Chỉnh lưu cầu cũng có tính chất giống như mạch chỉnh lưu toàn sóngnhưngkhôngcầnsửdụngbiếnápcó chấu giữa
Chỉnh lưu 3 pha: Nguồn DC dung diode chỉnh lưu bán sóng hay toàn sóng mộtphachỉ cung cấp công suấtdưới 15kW. Ở đây do thiết kế mạch nguồn công suất nhỏ nên ta chọn chỉnh lưu 1 pha. Chọnchỉnh lưu cầu: Chọn IC tích hợp cầu diode chỉnh lưu cầu cho gọn gàng, tiết kiệm diệntíchtrong mạch. Điện áp AC đi qua diode cầu vẫn chưa được phẳng vẫn còn nhiều gợn nhấp nhô.Nên ta chọn các tụ lọc để lọc nguồn Tụ lọc có tác dụng lọc các gợn sóng bán sine từcầu diode thành dạng sóng tương đối phẳng, ít nhấp nhô, tụ lọc có điện dung càng lớnthì dạng sóng càng phẳng Tuy nhiên tụ quá lớn thì sẽ mất diện tích mạch Nên ta chọntụcótrịsố4700uF/25v,tụ470uF/25v.Cáctụgốm104để lọctầnsốcaocủamạch.
MạchĐiềukhiển
Mạchvi điềukhiểnđèn
Khi chân 17 vi điều khiển xuất giá trị ở mức cao thì làm cho LED trong OPTOdẫn, điểm G của TRIAC sẽ có dòng làm cho hai đầu TRIAC thông nhau cho dòng điệnchạyqualàmchođènbật.
MạchđiềukhiểnTRIAC–đèn220VsửdụngOPTOTRIACMOC3020, ta chọn R3 = 330 Ohm làm điện trở hạn dòng cho LEDtrong của OPTO, dòng của LED chỉ cần 10mA là đủ để kích TRIACbêntrong
Khi tín hiệu Out_TRIAC là mức cao 5V, thì LED trong OPTO dẫn,điểm G của TRIAC sẽ có dòng làm cho hai đầu TRIAC thông vớinhau,thiết bịsẽbật
Mạchđiềukhiển quạt
Khối điều khiển quạt sẽ dùng Opto PC817 để cách ly nguồn 5V của vi điềukhiển với nguồn 12V của quạt, vì dòng vi điều khiển không cao, ta sẽ dùngthêmBJTC1815 để khuếch đại dòngchoquạt
Tínhtoáncác trởR5và R6để mạchhoạtđộng oK h ố isẽđiềukhiểnquạt12VDC côngsuất2W
I b min (2) oT h e odatasheetcủaC1815là50nên
I b mi n =0 1 66 3.32mA o Vìtadùngquạt12V, 0,26Anên R quạt =45 ohm o Tacósụtáptrênquạtchínhlà
V e =R quạt ×I c Ex0.166=7.47V (3) o Theodatasheet, V CE(sat)củaoptokhoảng0.1V
≈1123Ohm o ChọnR6= 1kOhm o TachọnR5để dòngqua diode optokhoảng10mA
Mạchnguồn điều khiển
Mạchnguồncảmbiềncungcấpnguồnchoviđiềukhiểnvà2thiếtbịđiềukhiểnquạtvà đèn. Điệnápngõra5Vvà 12V.
Trườnghơp1:Khôngtải Điện áp ngõ vào từ lưới điện: 180vAC – 230vAC đưa vào biến áp để hạ áp xuốngkhoảng 10.8vAC – 13.2vAC, đưa qua cầu diode chuyển từ dạng xoay chiều sang mộtchiềuvớiđiệnápkhoảng14.3vDC–17.2vDC.SauđóđiquacáctụC1,C2đểlọcbớt gợn và ổn định điện áp trước khi đưa vào IC LM7805, điện áp vào chân IN của ICLM7805 khoảng 13.0vDC – 16.2vDC, sau đó để tạo ra điện áp ổn định khoảng4.8vDC–5.2vDCvàsauđóquacáctụ C3, C4đểtạora nguồnđiệnáp ổnđịnh.
Trườnghợp2:Cótải,trở22Ohm, dòngI=0.42A. Điện áp ngõ vào từ lưới điện khoảng 180vAC – 230vAC đưa vào điện áp để hạ ápxuống khoảng 10.8vAC – 13.2vAC đưa qua cầu diode để chuyển để chuyển từ điện ápxoay chiều sang một chiều với điện áp khoảng10.2vDC – 17.2vDC Sau đó qua các tụlọc C1, C2 để lọc bớt gợn và ổn định điện áp cho IC LM7805, điện áp vào chân IN củaIC LM7805 khoảng 12.0vDC – 16.2vDC, sau đó tạo ra điện áp khoảng 4.8vDC –5.2vDCvàqua cáctụC3,C4đểtạora điện ápổn địnhcungcấp.
Sơđồ tổngmạchđiều khiển
Mạchcảmbiến
Mạchcảmbiếnnhiệt độ,độẩmDHT11
Mạch cảm biến nhiệt độ DHT11 hoạt động theo phương pháp giao tiếp một dây(single-bus communication),hoạt độngnhư sau:
Khi vi điều khiển gửi tín hiệu bắt đầu (tín hiệu đặt ở mức THẤP trong ít nhất800us), DHT11 sẽ chuyển từ chế độ ngủ sang chế độ Tốc độ cao Sau khi tín hiệu kếtthúc, DHT11 sẽ gửi lại một tín hiệu phản hồi và một chuỗi đầu ra gồm 40 bits dữ liệuqua dây truyền, bit cao trước; Cấu trúc của dữ liệu bao gồm phần nguyên độ ẩm, phầnthập phân độẩm, phầnnguyênnhiệt độ, phần thậpphânnhiệtđộvàbit kiểmt r a Thông tin gom lại cho đến khi dữ liệu được gửi hết Sau khi đã lấy hết dữ liệu, cảmbiếnsẽquay lạichếđộ ngủtựđộng,chờlầngiaotiếp tiếptheo
5V,nêntanốichân1VCClênnguồn5Vvàchân4 GNDnối GND
Chân3củaDHT22làchânDATAđượcnốivớiGPIOcủaESP32 LoRađểt ruyềndữ liệuvớidòng tiêuthụkhiđọcdữliệu là0.3mA.
DHT11khiđodữliệucầnđượcđặtlàInputvàcầnkéolênmứccao(HIGH),dòngtiê uthụ nhỏnênta chọntrởR10Klàmđiệntrởkéolên
MạchcảmbiếnMQ- 135
Cảm biến MQ – 135 sẽ đo mức độ không khí và sẽ trả về giá trị ở chân analogđược nối với chân 12 của vi điều khiển từ đó vi điều khiển sẽ tính toán đưa ra giá trịđơnvị ppm
Cảm biến MQ-135 sẽ trả về giá trị analog cho vi điều khiển, từ đó vi điềukhiểnsẽdùngcácthuậttoánđểchuyểnđổi sang đơnvị ppm
Cảmbiếncó6chân chialàm 2phầnA vàB: o Phần J7 bao gồm 2 chân A và một chân H của cục làm nóng ta nốivớinguồn 5V o Phần J6 bao gồm 2 chân V là chân tín hiệu nối với chân Analog củaviđiềukh iể n, v à m ộ t ch ân Hcủa cụ c l à m nó ng nố i v ớ i t rở R9
Mạchcảmbiếnbụi
Mạchcảmbiếnbụisẽpháthiệnvàđođượcmậtđộbuisauđógửicácgiátrịđođượcđếnkh ối xử lý cảmbiến
Dựa theo datasheet, chân số 1 của cảm biến nối với LED phía trong nên tacần nối với một điện trở R11 = 150 Ohm để hạn dòng và một tụ C9 220uđể ổnđịnh
Chân số 3 sẽ là chân tín hiệu Digital của LED,ta lập trình tính i ệ u c h â n nàyđểlấygiátrị đocủa cảm biến
Chân số 2, 4 của cảm biến sẽ nối với đất GND và chân số 6 nối với nguồncungcấp củacảm biến 5V
Mạchnguồn cảm biến
Cung cấp nguồn cho vi điều khiển và 3 loại cảm biến hoạt độngĐiệnáp:5V
3.5.4.3 Phân tíchtínhtoánthiếtkế Để mạch đơn giản dễ lắp đặt, chúng ta sử dụng adapter để làm nguồn hoạt độngchomạch cảm biến
Trườnghơp1:Khôngtải Điện áp ngõ vào từ lưới điện: 180vAC – 230vAC đưa vào biến áp để hạ áp xuốngkhoảng 10.8vAC – 13.2vAC, đưa qua cầu diode chuyển từ dạng xoay chiều sang mộtchiều với điện áp khoảng 14.3vDC – 17.2vDC Sau đó đi qua các tụ C5,C6 để lọc bớtgợn và ổn định điện áp trước khi đưa vào IC LM7805, điện áp vào chân IN của ICLM7805k h o ả n g 1 3 0 v D C –
1 6 2 v D C , s a u đ ó đ ể t ạ o r a đ i ệ n á p ổ n đ ị n h k h o ả n g 4.8vDC–5.2vDC vàsauđóquacáctụC7,C8đểtạoranguồnđiệnápổn định.
Trườnghợp2:Cótải,trở22Ohm, dòngI=0.42A. Điện áp ngõ vào từ lưới điện khoảng 180vAC – 230vAC đưa vào điện áp để hạ ápxuống khoảng 10.8vAC – 13.2vAC đưa qua cầu diode để chuyển để chuyển từ điện ápxoay chiều sang một chiều với điện áp khoảng10.2vDC – 17.2vDC Sau đó qua các tụlọc C5, C6 để lọc bớt gợn và ổn định điện áp cho IC LM7805, điện áp vào chân IN củaIC LM7805 khoảng 12.0vDC – 16.2vDC, sau đó tạo ra điện áp khoảng 4.8vDC –5.2vDCvà quacáctụ C7, C8 đểtạora điện ápổn địnhcungcấpchotải.
Sơđồ hoànchỉnhmạchcảmbiến
Giớithiệuchương
Chương 4 sẽ trình bày các đề xuất thiết kế chương trình phần mềm cho các mạchcảm biến, mạch điều khiển và Web Từ các đề xuất trên, chúng ta sẽ vẽ nên lưu đồthuật toán tổng quát của từng chương trình chính và chương trình con Sau đó sẽ viếtchitiếtvàkiểm thửtừngchương trình
Thiếtkếphần mềmchomạchcảmbiến
Giảithíchnguyênlýhoạtđộngcủachươngtrình: Đầu tiên thiết bị sẽ khởi tạo các chân cảm biến, sau đó sẽ kiểm tra kết nối serverTTNchưanếuchưathìthiếtbịsẽquaylạikiểmtrakếtnồi,nếukếtnồiđượcrồithiếtbị sẽ tiến hành đọc dữ liệu từ các cảm biến và xuất ra màn hình OLED Tiếp theo thiếtbịsẽgửi dữliệu đọc đượclênserversaumỗi 5s vàlăplại nhưlưu đồ.
Thiếtkếphần mềmchomạchđiều khiển
Hình4.1:Lưuđồthuậttoánmạchcảmbiến(Lưuđồbê ntráilàgì,bên phảilà gì, bỏ background)
Hình4.2:Lưuđồthuậttoánmachđiềukhiển(Lưuđồbê n tráilàgì,bênphảilàgì,bỏ background)
Giảithíchnguyênlýhoạtđộngcủachươngtrình: Đầu tiên thiết bị sẽ tạo các chân điều khiển sau sẽ kiểm tra kết nồi với server nếukết nồi thất bại thì thiết bị sẽ tiếp thuc kiểm tra kết nồi, nếu thành công thì thiết bị sẽkết nồi vào server và kiểm tra trạng thái bật tắt của nút nhấn Nếu nút nhấn được kíchhoạt thì thiết bị sẽ xuất ra chân vi điều khiển mức cao hoặc thấp tùy vào trạng thái nútnhấnđểbặttắt đèn hoặcquạt.
Thiếtkếphần mềmWeb
Mànhìnhhiểnthịcác giátrịnhiệtđộ,độẩm,chấtlượngkhôngkhí, bụi.
Mànhìnhđưa rasơđồdựatrêncácgiátrịđođượcĐề xuấtthiết kếnhư sau:
Mànhìnhgiámsátthôngsốmôitrườngđơngiảnchỉlàhiểnthịcácgiátrịthôngsốmôi trường,cập nhậtliên tụctheocơsở dữ liệuđámmây.
4.4.1.2 Lưu đồ thuật toán gửi dữ liệu lên
Cảm biến sẽ đo các giá trị và gửi các giá trị đó đến server, server sau khi nhận cácgiátrị sẽgiảimãcácgiátrị đóra chođúng vớithựctế.
SauđófirebasesẽlấydữliệuđãđượcgiảimãtrênTTNvàđếnWebđãđượctạođể hiểnthị cácdữ liệu đođược.
Thicông mạch phầncứng
Thicông mạch cảm biến
Mạchđược thiếtkếcókíchthước11,7x6,7cm,mạchchạylayoutboard1lớp.
Hình 5.3: Mặt dưới mô phỏng 3D mạch cảm biến
Thicông mạch điềukhiển
Hình 5.9: Kết quả thu được
Hình 5.8: Mạch điều khiển thực tế
Thicông phầnmềmthiết kếWeb
Hình5.7:Mạch cảmbiếnthựctế mềm thiết kếWeb
Hệthốngđãhiểnthị đượccácgiátrị đođượctừcảmbiến vàđãđưacácgiátrịđóhiểnthị trênbiểuđồ.
Nhậnxét
Hệthốngtươngđốiđãthựchiệnđượchếtcácmụctiêuđềra,mànhìnhgiámsáttrênthiết bịhiểnthịrõràng,giátrịđođược cậpnhậpliêntục đúngvớithờigianđãcài.
Saum ộ t t h ờ i g i a n n g h i ê n cứ uv à h o à n t h à n h đ ề t à i , e m đãn h ậ n t h ấ y m ô hì nhđã hoạt động tương đối ổn định, trong thời gian nghiên cứu và thực hiện đề tài, em đãhọc hỏi và tìm hiểu thêm được nhiều kiến thức mới cũng như củng cố lại kiến thức đãhọc giúp hoàn thành đề tài này.
Vì đây là đề tài hướng đến việc giúp giám sát khôngkhí trong công nghiệp nên đề tài rất chú trọng độ ổn định và độ chính xác cao Nhưngnhờ sự hướng dẫn của giảng viên hướng dẫn và các tài liệu tham khảo thì em cũngphần nàogiảiquyếtđượctươngđốiyêucầucủađềtài.
Tuy rằng sản phẩm đã được hoàn thành nhưng em vẫn nhận thấy sản phẩm cònnhiều thiếusót, cầnđượcchỉnhsửavàcảitiếnhơn.
[1] https://wiki.matbao.net/firebase-la-gi-giai-phap-lap-trinh-khong-can-backend-tu- google/
[2] https://www.thethingsnetwork.org/docs/
[3] https://heltec-automation-docs.readthedocs.io/en/latest/esp32/ wifi_lora_32/hardware_update_log.html
[4] https://smartfactoryvn.com/technology/internet-of-things/tim-hieu-ve-cong-nghe- lora-va-cach-hoat-dong/
