báo cáo cuối kỳ môn iot cơ bản hệ thống giám sát ô nhiễm không khí dựa trên iot

Phần cứng của hệ thống bao gồm vi điều khiển, các cảm biến như cảmbiến nhiệt độ, độ ẩm, bụi mịn, CO, còi báo động.. - Hệ thống có tích hợp cảm biến khí phát ra cảnh báo trong trường hợp

BÁO CÁO CUỐI KỲ MÔN IOT CƠ BẢN

HỆ THỐNG GIÁM SÁT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ DỰA TRÊN IOT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2023

BÁO CÁO CUỐI KỲ MÔN IOT CƠ BẢN

HỆ THỐNG GIÁM SÁT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ DỰA TRÊN IOT

Người hướng dẫn: ThS.NCS TRẦN TRUNG TÍN Người thực hiện: LÊ MINH ANH - 521H0004

NGUYỄN ĐỨC ANH – 521H0005

Lớp : 21H50201 Khoá : 25

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2023

LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Tôn Đức Thắng, Khoa CôngNghệ Thông Tin vì đã đưa môn học này vào trong sơ đồ đào tạo của ngành Kỹ thuậtphần mềm và đã tạo điều kiện học tập tốt nhất cho chúng em cũng như mọi sinh viêncủa khoa Bài báo cáo của chúng em là sản phẩm đúc kết từ những kiến thức đã đượchọc trong suốt học kì vừa qua Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Trung Tín vì đãhết sức tận tâm giúp chúng em hiểu rõ môn học, cũng như đưa ra một số lời khuyên,gợi ý cho bài báo cáo, từ đó làm tiền đề tốt cho những bước đi sau này

ĐỒ ÁN ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG

Tôi xin cam đoan đây là sản phẩm đồ án của chúng tôi và được sự hướng dẫncủa ThS Trần Trung Tín; Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trungthực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây Những số liệu trong cácbảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từcác nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo

Ngoài ra, trong đồ án còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệucủa các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào chúng tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung đồ án của mình Trường đại học Tôn Đức Thắng không liên quan

đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do chúng tôi gây ra trong quá trình thực hiện(nếu có)

TP Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 12 năm 2023

Tác giả (ký tên và ghi rõ họ tên)

Lê Minh Anh

Nguyễn Đức Anh

PHẦN XÁC NHẬN VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊNPhần xác nhận của GV hướng dẫn

_ _ _ _ _ _ _

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm (kí và ghi họ tên)

Phần đánh giá của GV chấm bài

_ _ _ _ _ _ _

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm (kí và ghi họ tên)

TÓM TẮT

Bài báo cáo trình bày về hệ thống giám sát ô nhiễm không khí dựa trên côngnghệ IoT Hệ thống bao gồm mạch IoT có chức năng giám sát mức độ ô nhiễm khôngkhí, phát ra cảnh báo khi có sự hiện diện khí độc như khí gas, và hệ thống còn có thểtheo dõi nhiệt độ, độ ẩm Thêm vào đó, số liệu về các thông số sẽ được lưu trữ trênmáy chủ web

Hệ thống bao gồm phần mềm trên điện thoại thông minh được xây dựng bằngcông cụ Blynk Phần cứng của hệ thống bao gồm vi điều khiển, các cảm biến như cảmbiến nhiệt độ, độ ẩm, bụi mịn, CO, còi báo động Kết quả thực nghiệm cho thấy hệthống phản ứng với sự rò rỉ của khí dễ cháy và cảnh báo kịp thời

2.2 Triển khai hệ thống trên thiết bị thật 14

CHƯƠNG 3 – THU HOẠCH 21

TÀI LIỆU THAM KHẢO 22

DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay, tại thủ đô Hà Nội và các thành phố lớn của Việt Nam như TP Hồ ChíMinh, Đà Nẵng… cũng như những nơi khác trên toàn thế giới đều đang phải đối mặtvới tình trạng ô nhiễm không khí nặng nề Nguyên nhân gây ra tình trạng ô nhiễm hầuhết đều đến từ hoạt động của các ngành công nghiệp, giao thông vận tải

Chất lượng không khí kém gây ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ của mọi người.Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), ô nhiễm không khí cả ở bên ngoài và bên trongnhà gây ra khoảng 7 triệu ca tử vong hàng năm trên toàn cầu Ở Việt nam, mỗi năm cókhoảng 60.000 người chết có liên quan đến ô nhiễm không khí Ô nhiễm không khí làmcho mọi người phải tiếp xúc với các hạt bụi mịn trong khii khí bị ô nhiễm, các hạt mịnnày thâm nhập vào phối và hệ thống tim mạch, gây ra các bệnh đột quỵ, bệnh tim, ungthư phổi tắc nghẽn mãn tính và các bệnh nhiễm trùng đường hô hấp

Hiện nay, các thành phố đang có xu hướng là xây dựng thành phố xanh Trongcác tiêu chí xây dựng thì việc xây dựng một môi trường sống trong lành và an toàn làviệc làm rất cần thiết Từ đó, việc theo dõi chất lượng không khí đang ngày trở nênquan trọng hơn

1.2 Hệ thống giám sát ô nhiễm không khí dựa trên IoT

- Hệ thống có tích hợp cảm biến khí phát ra cảnh báo trong trường hợp rò rỉkhí độc, khí dễ cháy và ngắt nguồn điện thiết bị Ngoài ra, hệ thống còn cócảm biến nhiệt độ và độ ẩm

Đơn vị: μg/Nm3STT Thông số Trung bình 1

giờ

Trung bình 8giờ

Trung bình 24giờ

Trung bình năm

Bảng 1 1: Giá trị giới hạn tối đa của các thông số cơ bản trong không khí xung quanh

(Nguồn: Bộ Tài nguyên và Môi trường)Trong hệ thống này, xuất phát từ một vài lí do mà hai thông số được lựa chọn làkhí CO và bụi PM Đối với khí CO, đây là khí không màu, không mùi, có khả năng2,5

cháy, khuyếch tán mạnh trong không khí, ảnh hưởng đến tính mạng con người do cótính độc tố cao Loại khí này dễ dàng xuất hiện xung quanh đời sống của con ngườithông qua một số hoạt động sinh hoạt như quá trình đốt cháy lò sưởi, cháy nhà, khí thải

từ các nhà máy công nghiệp, nhà máy phát điện, khói thuốc… Bụi mịn có kích thướcsiêu nhỏ PM có thể thâm nhập sâu vào phổi cũng như hệ tuần hoàn máu, gây ra các

căn bệnh như các căn bệnh về hô hấp, ung thư phổi… Có thể thấy, vì một số đặc tính

mà con người khó có thể cảm nhận được nên việc triển khai hệ thống đo lường haithông số này là một nhu cầu thiết thực

1.2.2 Linh kiện trong hệ thống

1.2.2.1 Cảm biến bụi PM2.5

Cảm biến bụi Laser Optical Dust Sensor PM2.5 Plantower PMS7003 (Hình 1.1)

có sử dụng tia laser nên có thể xác định nồng độ bụi mịn PM một cách chính xác,2.5

cảm biến có bộ tiền xử lý tích hợp nên dữ liệu trả ra không cần phải qua các bước cănchỉnh mà có thể sử dụng ngay, cảm biến sử dụng giao tiếp UART nên rất dễ giao tiếpvới Vi điều khiển, thích hợp với các ứng dụng đo chất lượng, quan trắc không khí

Hình 1 1: Cảm biến bụi PMS7003(Nguồn: Hshop)Thông số kỹ thuật:

- Điện áp sử dụng: 4.5~5.5VDC

- Dòng tiêu thụ: ≤100 Milliampere（mA）

- Dòng nghỉ: ≤200 Microampere（μA)

- Chuẩn giao tiếp: Serial UART

- Điện áp giao tiếp: TTL 3.3VDC

- Phạm vi đo lường: 0.3~1.0 / 1.0~2.5 / 2.5~10 Micrometer（μm）

Cảm biến khí Gas (LPG/CO/CH4) MQ-2 (Hình 1.2) sử dụng phần tử SnO2 có

độ dẫn điện thấp hơn trong không khí sạch MQ-2 là cảm biến khí có độ nhạy cao vớiLPG, Propane và Hydrogen, mê-tan (CH4) và hơi dễ bắt lửa khác, với chi phí thấp vàphù hợp cho các ứng dụng khác nhau Cảm biến khí Gas (LPG/CO/CH4) MQ-2 xuất ra

cả hai dạng tín hiệu là Analog và Digital, tín hiệu Digital có thể điều chỉnh mức báobằng biến trở

Hình 1 2: Cảm biến khí Gas MQ-2

(Nguồn: Hshop)Thông số kỹ thuật:

- Cảm biến chính: MQ-2 (LPG/CO/CH4)

- Nguồn sử dụng: 5VDC

- Chuẩn giao tiếp: Analog / Digital

1.2.2.3 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm

Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT11 Temperature Humidity Sensor (Hình 1.3)

là cảm biến rất thông dụng hiện nay vì chi phí rẻ và rất dễ lấy dữ liệu thông qua giaotiếp 1 wire (giao tiếp digital 1 dây truyền dữ liệu duy nhất) Bộ tiền xử lý tín hiệu tíchhợp trong cảm biến giúp bạn có được dữ liệu chính xác mà không phải qua bất kỳ tínhtoán nào

Hình 1 3: Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT11

(Nguồn: Hshop)Thông số kỹ thuật:

- Nguồn: 3 – 5 VDC

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

- Khoảng đo độ ẩm: 20%-90% RH (sai số 5%RH)

- Khoảng đo nhiệt độ: 0-50°C (sai số 2°C)

- Tần số lấy mẫu tối đa: 1Hz (1 giây / lần)

- Kích thước: 15mm x 12mm x 5.5mm

1.2.2.4 Vi mạch

Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua V3 CH340 (Hình 1.4) là phiênbản NodeMCU sử dụng IC nạp CH340 từ Lolin với bộ xử lý trung tâm là module WifiSoC ESP8266, kit có thiết kế dễ sử dụng và đặc biệt là có thể sử dụng trực tiếp trìnhbiên dịch của Arduino để lập trình và nạp code Nó được dùng cho các ứng dụng cầnkết nối, thu thập dữ liệu và điều khiển qua sóng Wifi, đặc biệt là các ứng dụng liênquan đến IoT

Hình 1 4: Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU

(Nguồn: Hshop)Thông số kỹ thuật:

- IC chính: ESP8266 Wifi SoC

- Phiên bản firmware: NodeMCU Lua

- Chip nạp và giao tiếp UART: CH340

- GPIO tương thích hoàn toàn với firmware Node MCU

- Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc Vin

- GPIO giao tiếp mức 3.3VDC

- Tích hợp LED báo trạng thái, nút Reset, Flash

- Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino

- Kích thước: 59 x 32mm

1.2.2.5 Bộ truyền động

Động cơ RC Servo 9G (Hình 1.5) có kích thước nhỏ, tốc độ phản ứng nhanh, cótích hợp sẵn Driver điều khiển động cơ bên trong nên có thể dễ dàng điều khiển gócquay bằng phương pháp điều độ rộng xung PWM

Hình 1 5: Động cơ RC Servo 9G(Nguồn: Hshop)Thông số kỹ thuật:

- Điện áp hoạt động: 4.8-5VDC

- Tốc độ: 0.12 sec/ 60 degrees (4.8VDC)

- Lực kéo: 1.6KG.CM

- Kích thước: 21x12x22mm

- Trọng lượng: 9g

1.2.2.6 Còi thông báo

Còi Buzzer 5VDC (Hình 1.6) có tuổi thọ cao, hiệu suất ổn định, chất lượng tốt,được sản xuất nhỏ gọn phù hợp thiết kế với các mạch còi buzzer nhỏ gọn, mạch báođộng

Hình 1 6: Còi Buzzer 5VDC(Nguồn: Hshop)Thông số kỹ thuật

Mạch hiển thị MKE-M07 LCD1602 I2C module (Hình 1.7) được sử dụng đểhiển thị thông tin dưới dạng ký tự với khả năng hiển thị 2 dòng, mỗi dòng 16 ký tự,mạch được tích hợp sẵn bộ chuyển đổi giao tiếp I2C cho LCD nên có thể dễ dàng kếtnối và sử dụng với chỉ 2 chân giao tiếp I2C là SDA (data) và SCL (clock) Nó có thể sửdụng trực tiếp an toàn với các mạch điều khiển trung tâm ở cả hai mức điện áp 3.3VDC

và 5VDC như: Arduino, Raspberry Pi, Jetson Nano, Micro:bit,

Hình 1 7: Màn hình LCD1602 I2C(Nguồn: Hshop)Thông số kỹ thuật:

- Điện áp hoạt động: 5VDC

- Chuẩn giao tiếp: Digital I2C

- Các chân giao tiếp: SDA (Serial Data) / SCL (Serial Clock)

- Điện áp giao tiếp: TTL 3.3/5VDC

- Loại LCD: LCD1602 (2 dòng, mỗi dòng 16 ký tự)

- IC chuyển giao tiếp sang I2C: PCF8574T

- Chuẩn kết nối: Conector XH2.54 4Pin

Giá thành dự kiến của hệ thống mô phỏng được thể hiện trong Bảng 1.2

35,000

đ 465,000đ 27,000đ 72,000đ 95,000đ 27,000đ 30,000đTổng

Bảng 1 2: Giá thành dự kiến

CHƯƠNG 2 – THIẾT KẾ HỆ THỐNG

2.1 Triển khai giả lập trên Wokwi

2.1.1 Sơ đồ lắp đặp trên Wokwi

Dưới đây là sơ đồ thiết kế mạch giả lập trên Wokwi (Hình 2.1) và các dữ liệuđược lưu trữ trên cloud (ThinkSpeak) (Hình 2.2)

Hình 2 1: Mạch giả lập trên Wokwi

2.1.2 Dữ liệu trên ThinkSpeak

Hình 2 2: Dữ liệu được đưa lên ThinkSpeak

2.2 Triển khai hệ thống trên thiết bị thật

2.2.1 Sơ đồ kiến trúc hệ thống

Nguồn điện được điều khiển bằng bộ truyền động

Các thông số được đo từ các cảm biến và trạng thái của nguồn điện sẽ đượcmạch ESP8266 gửi lên Blynk server thông qua kết nối Wifi

Blynk cung cấp các giao diện (do người dùng tuỳ chỉnh) để theo dõi dữ liệu vàđiều khiển các thiết bị trong nhà

Hình 2 3: Sơ đồ kiến trúc hệ thống

2.2.2 Sơ đồ lắp đặt hệ thống trên thiết bị thật

Hình 2.4 mô tả cách thiết kế, lắp đặt các linh kiện trong hệ thống Ngoài nhữnglinh kiện đã được nêu trước đó thì còn có thêm các đèn led cho biết trạng thái củanguồn điện, cảnh báo tình trạng của không khí và cảnh báo có khí Gas

Hình 2 4: Sơ đồ lắp đặt hệ thống trên thiết bị thật

2.2.3 Quy trình hoạt động của hệ thống

Hình 2.5 là sơ đồ quy trình hoạt động của hệ thống

1 Đọc Dữ Liệu từ Cảm Biến:

 Hệ thống bắt đầu bằng cách đọc dữ liệu từ các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm,khói, khí gas, và bụi mịn PM2.5

2 Kiểm Tra Mức Nguy Hiểm:

 Giá trị khói và gas đọc được từ cảm biến được so sánh với ngưỡng antoàn được đặt trước Nếu giá trị vượt quá ngưỡng này, hệ thống xác định

có tình huống nguy hiểm

3 Kiểm Tra Trạng Thái Nguồn Điện:

 Hệ thống kiểm tra trạng thái nguồn điện để đảm bảo rằng nguồn điệnđang được bật Điều này là quan trọng để xác định xem có cần phải ngắtnguồn hay không

4 Ngắt Nguồn và Phát Cảnh Báo (Nếu Cần):

 Nếu mức khói và gas cao và nguồn điện đang được bật, hệ thống sẽ ngắtnguồn điện và phát ra cảnh báo để cảnh báo về tình trạng nguy hiểm.Trong trường hợp nguồn đã ngắt, chỉ phát cảnh báo

5 Gửi Thông Báo và Điều Khiển qua Blynk:

 Hệ thống gửi thông báo về tình trạng nguy hiểm (hoặc cảnh báo) đếnngười sử dụng thông qua Blynk, bao gồm cả điện thoại và email

 Người sử dụng có thể sử dụng ứng dụng Blynk để kiểm soát nguồn điện

từ xa nếu cần thiết

6 Gửi Dữ Liệu đến Blynk Server:

 Dữ liệu về trạng thái khói, gas, nhiệt độ, độ ẩm, bụi mịn PM2.5, và trạngthái nguồn điện được gửi lên Blynk server để lưu trữ và theo dõi

7 Quy Trình Lặp Lại:

 Hệ thống tiếp tục lặp lại quy trình trên trong mỗi chu kỳ đọc dữ liệu mới,đảm bảo rằng nó liên tục giữ được an toàn và theo dõi môi trường

Hình 2 5: Sơ đồ quy trình hoạt động hệ thống

2.2.4 Kết quả hiển thị trên Blynk

Nhóm đã lựa chọn Blynk để thu nhập dữ liệu, phát ra cảnh báo, và ngắt nguồnđiện bởi vì đây là công cụ cho phép người lập trình có thể dễ dàng thiết kế, tuỳ chỉnhtheo mong muốn mà không cần lập trình trực tiếp trên máy tính

Kết quả hiển thị trên web Blynk (Hình 2.6): Dữ liệu và trạng thái của nguồnđiện được đưa lên hiển thị trên Blynk

Hình 2 6: Kết quả hiển thị trên giao diện Web

Kết quả hiển thị trên ứng dụng được cài đặt trên điện thoại (Hình 2.7), bao gồm:

dữ liệu và cảnh báo được gửi đến điện thoại

Hình 2 7: Kết quả hiển thị trên ứng dụng

2.2.5 Mã code cho hệ thống

Hình 2 8: Hệ thống trên thiết bị thật

3.2 Phân tích hệ thống

- Điểm mạnh của hệ thống: Có thể dễ dàng theo dõi và điều khiển hệ thống vớinhững thao tác đơn giản, giúp con người chủ động hơn trong việc giám sát chất lượngkhông khí cũng như giảm rủi ro trong trường hợp rò rỉ khí dễ cháy

- Điểm yếu của hệ thống: Số liệu vẫn còn bị sai số so với thời gian thực Ngoài

ra còn khó quy đổi ra đơn vị chuẩn của từng loại khí

- Tiềm năng của hệ thống: Có khả năng mở rộng, thêm nhiều tác vụ cho hệthống

- Mối nguy cơ: Với sự phát triển nhanh chóng của thời đại Công nghệ 4.0, hệthống có thể sẽ nhanh chóng lỗi thời so với sự thay đổi của công nghệ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

1 Phan Thị Xê Riêng, Lưu Trọng Hiếu, Nguyễn Chí Ngôn (2022), “Ứng dụngcông nghệ IoT trong cảnh báo rò rỉ khí gas hộ gia đình”, Tạp chí Khoa họcĐại học Cần Thơ

2 Phạm Văn Khoa, Nguyễn Văn Thái (2022), Hệ thống đo lường và giám sát chất lượng không khí từ xa ứng dụng nền tảng kết nối vạn vật, Tạp chí Khoa

học và Công nghệ - Đại học Đà Nẵng

3 Trang web HSHOP – Điện tử và Robot

4 Trang web của Tổ chức Y tế Thế giới, mục Ô nhiễm không khí

5 Trang web của Bộ Tài nguyên và Môi trường, QCVN 05:2023/BTNMT,QUY CHUŸN K THU¡T QU¢C GIA V£ CH¤T L¥¦NG KHÔNG KH§

PHỤ LỤC