Khóa luận tốt nghiệp Kỹ thuật máy tính: Xây dựng thiết bị đọc đồng hồ nước cơ bằng điện tử

Thiết bị công nghệ được kết nối với nhau thông qua giao thức Internet, cho phép người dùng điều khiển và theo dõi các thiết bị này từ bất cứ đâu.. Công nghệ IoT dang được ứng dung trong

ĐẠI HOC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH

TRUONG DAI HOC CONG NGHE THONG TIN

KHOA KY THUAT MAY TINH

PHAM MINH TRÍ — 20522053 NGUYEN HONG SON - 20521843

KHOA LUAN TOT NGHIEP XAY DUNG THIET BI DOC

DONG HO NUOC CO BANG DIEN TU

Building An Electronic Mechanical Water Meter Reading Device

CỬ NHÂN KY THUAT MAY TÍNH

GIANG VIEN HUONG DAN

ThS Nguyễn Duy Xuân Bách

ThS Phạm Minh Quân

TP HÒ CHÍ MINH, 2024

LỜI CẢM ƠN

Đề hoàn thành được khóa luận tốt nghiệp này, chúng em xin chân thành gửilời cảm ơn đến quý thầy cô Trường Đại học Công nghệ Thông tin — Dai học quốcgia Thành phố Hồ Chí Minh nói chung và quý thầy cô khoa Kỹ thuật Máy tính nóiriêng đã truyền đạt lại những kiến thức và những kinh nghiệm quý trong suốt thời

gian học tập qua.

Xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS Nguyễn Duy Xuân Bách, ThS.Phạm Minh Quân , trong suốt thời gian vừa qua đã tận tình hướng dẫn chúng emtrong suốt quá trình thực hiện đề tài khóa luận

Với thời gian nghiên cứu hạn chế cùng với đó là vốn kiến thức có chưa tốt,kết qua của khóa luận không thé tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhậnđược sự góp ý, xây dựng của thầy, cô cùng với những người quan tâm dé nội dung

khóa luận được hoàn thiện hơn.

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên

Phạm Minh Trí Nguyễn Hong Sơn

MỤC LỤC

Chương 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 22++e222+2EEE222EEE2.22EE22.23E22 22222 zee 3

LL Téng quan vé dé tai na 3

1.1.1 _ Tiểm hiểu ưu nhược điểm va chi phi giữa hai giải pháp công nghé 41⁄2 Mục tiêu của đề tài c.hHhrHHHHHHHH Hi 61.3 Phạm vi và kết quả mong đợi của đề tài -iccecccrrrreeceerrrrreererrrre 7

Chương 2 TÌM HIỂU LÝ THUYẾT VA LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ, 8

2.1 Tầm quan trọng của việc quan lý lượng nước tiêu thụ -s 82.2 Tìm hiểu về công nghệ LoRa sss+cessreceetreretrrrerrrrerrrrrrrrrre 9

2.2.1 Công nghệ LORa ««ccececeHHHHnHHHHỶg Hà e này 9

2.2.2 Phạm vi hoạt động va mức tiêu thụ năng lượng của LoRa 9

2.2.3 Nguyên lý hoạt động của LORa -c-sscscxeeeerxrrereerrrrerrrrrree 9

2.2.4 Chế độ hoạt động của Module LoRa :-cceccerrreecccrr 102.3 Giao thức và nền tang lập trình -::iceeeceerirreseeerrrrrsverrrrrresrerrrre 11

2.3.1 Giao thức Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) 11

2.3.2 Chuẩn giao tiếp UARIT -ccccccrreecccerrrrreererrrrrrrrrrrrrrrrrerre 122.3.3 Nền tảng Thingsboard IoT - -cc-ciiccecccerrreececrrrrreceerr 152.4 Lựa chọn phan cứng :-ccccctrrrceevEttrtrerrvvttrtrdrrrttrrrrrrrrrrrrrrrrerrrre 17

2.4.1 Module ESP32 NodeMCU-32§ -55cccsrieekriierriiierrie 17

2.4.2 LCD OLED SHI16 -cscscrrerrkrirtrriirrriirriiirrirrrrr 19

2.4.3 Biến trở tinh chỉnh đọc ecereerrrirriiriiriirrrree 20

2.4.4 Comparator MCP547—-LUMS che, 21

2.4.5 TCRT5000 - Cảm biến Hồng ngoại Phản xạ - 23

2.4.6 Module LoRa E32 — 433'I20D «-csskiieeiiiiiiiriiiiee 25

2.5 Vi điều khiển STM32L431CBTG6 ccccccccccccccc+ + 2212222222222 26

Chương 3 PHAN TÍCH VA THIẾT KẾ HỆ THỐNG -s:: 28

3.1 Phân tích yêu cầu từ thực tiễn -+++ecccctrrtrrervrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrre 28

3.1.1 _ Tổng quan về kết quả của đề tài i -cccciccecceerrireeeerrrrrrererte 28

3.1.2 Những chức năng cần có -ss-eceerreceerreerrrrerrre 28

3.1.3 DGi tượng sử dụng -eccccerriieeeeetrrrreeektrrrrieeerrrrrieeere 28

3.1.4 _ Phạm vi kết quả và tính bảo trì về sau s -cee-.ceeree 283.2 0n 34344 Ò 29

3.3 Kiến trúc tổng quan ss-+ccssreeetreretrtrvrrtrrvtrrrvtrrrvrrrrsrrrrrerre 303.4 Thiết kế mạch «.- e-ceeeccrreceeeereeEEEEEEEEeeerreettrtrreetrrirerrtrirrrtrtirrrttrrirrrrtrirrrrrree 32

3.4.1 _ Khối xử lý tín hiệu đồng hồ -ece-xeccerrreeeerrrrerrrrreeee 323.4.2 _ Khối thu thập và gửi dữ liệu - -c cececrreeeerrreeerrrreeee 323.4.3 _ Khối cảm DISD «ăn con eeeecceeeeeeiireeiriireririeeririrarrrrirerrriree 333.4.4 Khối hiển thị eeeecrreeeerrieeerrrreerrrrrrerrrrrree 343.4.5 Khối thu phat tín hiệu LoRa c -iccecccerrreeeevrrrrreeeerr 34

Chương 4 TRIEN KHAI HIỆN THỰC HE THỐNG -2-:.cccerrce 35

4.1 Cấu hình Module LoRa cssi+eecsstreevetrrervrtrrrrvrrrrrrrrrrrrerrr 35

4.2.1 Flowchart của LoRa DeVICE c-cscsccscsecsesrkeestetersrsrrsrsrssrsrsrrsre 36 4.2.2 Setup va Dud COde c«-c«c+xe+keErrErtttrrttrrtkrrrirrrirrrrrrrrrrree 37 4.2.3 Hình ảnh của LolRa ÏD€vVIC€ -s-cscsssccsecseesrtersersersrtsrsrrsrrsrssrsee 39

4.3 LoRa Gateway 6 41

4.3.1 Flowchart của CafeWayy HH HH HH hà 41

4.3.2 Setup va Dud COde ce c«+xereerrrrrttrrttrrtrrrrirrrirrrrrrrrrrerriree 41

4.3.3 Hình ảnh của LoRa GateWay -cccccceekiekireiiiiiirrie 43

4.4 Định dạng gói tin LoRa và quản lý nhiều thiết bị -s- 44

4.4.1 Định dang gói tin LORa -s«sceerxirekrtrtiiiriririirirrirree 44

4.4.2 Quản lý nhiều thiết bị -:-ccccceriireeevetrrirreererrrrrseerrrrrree 45

4.5 Web server — Thingsboard [Š] -e ccsccerreersererrirrrrtrrrtrrrrrrrkrrrrrke 46

4.5.1 Cách setup device cho Thingsboard c«ccs+ccesceerxeerxeee 46 4.5.2 Add dashboard và WIdB€( chà nưhg 47

4.6 Năng lượng tiêu thụ «cv nh HH nành hưhg 474.7 Kết quả thực tẾ ecs-eccerreeetrirrtrtrrvrrirvrrirrtrrrrtrirrtrrrrrtrrrrrrrrre 48Chương 5 DANH GIÁ KẾT QUA VÀ KẾT LUẬN -+ cesrree 50

5.1 Đánh giá kết quả -ees-+ccetreeetrreerrirrtrrrertrrrrrrrrrrrrrrrrrrerrre 505.2 Một số điềm hạn chế -::-cc2+++eS+EEE224121221224111222 2111221 2261E 515.3 Hướng phát triển tiếp theo es eceereeeerreeerreretrreerrreerrrrerrre 51

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Hình anh minh họa cảm biến lưu 0/120 PPPPRRAA 4Hình 1.2 Đông ho sử dụng cảm biến cơ đọc tín hiệu bằng từ trường 5Hình 1.3 Đông ho sử dụng cảm biến siêu âm -ecceccrrececccerrrececccrrrrceecee 50185/975 17 088®7®® Ô 10Hình 2.2 Chế độ broadcast eeciereerietieetitiritiirrtiitiriiiirrrerrere 11

;0.1.8578//(00/1//).8L060 60/0008 12Hình 2.4 Gói dữ liệu truyền của UALRT eccccccrreeecverrrrrerrverrrrrerrrrrrrree 13[0717881217 2,80/ 2000008898988 ố 13

Hình 2.6 Quá trình truyền UAT -::eeceeEt+ie2SSEEEEE22EEE1E2 11111 1111 13

Hình 2.7 Quá trình nhận UA NT ccccxeccextereeereekrtkiektskrrtkrtkrkrrkrrrrrrrrrrrrrrrrkee 14

[071/88 8€ 1.5.7),80/ 2009090 0S an 14Hình 2.9 Mô hình của nên tảng Thingsboard ToT ces ceecccerrreeecccrrrrcee 15

Hình 2.10 Các ứng dụng trên ThingsOdFdi -e-<ceeccssreexreexteereeereerrxre 17 Hình 2.11 Hình anh minh họa Module ESP32 NodeMICU-—32Ÿ - 18 Hình 2.12 Các chân và chức năng tuOng UN verses 18

Hình 2.13 Ghi chú vé các chức năng es xeeceerreeeeerreeeerrreeeerrrerrerrreree 18Hình 2.14 Sơ đô nguyên lý của module E.ŠP32 :-.cccccrrreeceverrrresevrrrrrree 19

Hình 2.15 Hình anh minh họa của LCD OLED SHI] ]06 -. «e.<<<«- 20

Hình 2.16 Nguyên lý hoạt động của LCD OLUED -cecc<cscsexeeesreeee 20

Hình 2.17 Hình ảnh minh họa của BiẾn trỞ ececvcccccccvcveccErErrtttttrtirrreeeeeeevee 21Hình 2.18 Nguyên lý hoạt động của Biến trở ecccccrreeeccverrrreeccrrrrrree 21

Hình 2.19 Hình ảnh minh họa của COIDđTGfOF «eccce«cceecceeeererkeriereeteterrrkeree 22

Hình 2.20 Nguyên lý hoạt động của Biến trở -. ccccccreeecccerrreeeccrrrrrree 23Hình 2.21 Hình ảnh minh họa của Cảm biến hông ngoại -: es 23

Hình 2.22 Schematic của Cảm biến ooo-ceeccieeccerreeererreeerrrieerrrrrrrrrrrreree 24

Hình 2.23 Nguyên lý hoạt động của Cảm biến -cccci.eeeccccrrrececccrrrrcee 24

Hình 2.24 Nguyên lý hoạt đỘng CUA S€HSOT ec«cccecceereerietriekritkritkirrrirerirrrrree 25

Hình 2.25 Hình anh minh họa của Module Lolq E32 «c-s-csceecsecseesxeee 26 Hình 2.26 3D view của Module LỌĐG e cces5ceecsreereeeererrrtetrrrtrirrkrrrrrrree 26 Hình 2.27 Hình ảnh minh họa của TÌM 32 cc-ceccccsceeeterersersrtereersetsrssrsee 26

Hình 2.28 Sơ đơ chân của ŠTÌM32 eecerierieririireriiriirirerrre 27

Hình 2.29 Hình ảnh footprint của STM32 -eccecceeereeeteerrrirtriirrirrrririrrrrree 27

Hình 3.1 Tổng quan thiết kế của hệ thngg -ecceccrieeeeverrrreeeeverrrirraevrrrrrree 30Hình 3.2 Sơ đơ khối của hệ thống c -ecccerreeceerreeeverrrererrtereerrrrrrvrrreree 31

Hình 3.3 Schematic của LORA Ï€VÏC€ ecc«cccererekrrtirketrrirttiirrrirtriirtrirrriirrirrrrree 32 Hình 3.4 Schematic của LORA @f€WAY c-ccccsccscrerreerrterrietrirtrrtrrrtrirrrirrrrrrrrrre 33 Hình 3.5 Schematic của sensor trong DeVice ccccceereeereertseretxrrtrtrrrirrrirrrerrke 33 Hình 3.6 Schematic cua LCD trong Device và f€WđV «ccc«ccc<cccecceeeceecex 34

Hình 3.7 Kết noi chân giữa ESP32 và module LoÏĐa -. s -ccereccs+ 34Hình 4.1 Cách kết noi chân giữa USB TTL và Module LoiĐa :-::a- 35Hình 4.2 Giao diện phân mém cau hình Loia -cc-ececccceriiiieesssevverrrrree 35

Hình 4.3 Flowchart của Lolq Ì€VIC© -e -ceeccessceeeereerteerrerrrtetrrtxrisrrrrrrrrrre 36

Hình 4.4 Cầu trúc thư mục của đỀ tài e occciciceeeeeveveEEEEttiireeevertrrrtrttrrseeerrrrrrrree 37

Hình 4.5 Thực thi lệnh make

Hình 4.6 Build thành CƠNG -ccccccccceSteEEeEkteEritrketkketkirtrirtrirkiiiirrrierirrerke

Hình 4.7 Thư mục xuất hiện sau khi build thành CƠH ccceeriekkiikrtkirerirerrrerrree 38Hình 4.8 Kết noi chân giữa ST-Link V2 và $TM32 -. cecrceccerrrece+ 38Hình 4.9 Thực thi lệnh make flash dé /17791841272PPPPTETEE 39

Hình 4.10 Nạp code thành CƠNg «ccc<ScccsreertekrkEEkeEketkietrirkrikkriikrrirrrrrrrke 39

0.1.8 80000u60.1 09 1n ố.ốố.ốốốố 39Hình 4.12 Hình ảnh thực tế của Device (]) - «-eeceereereereereereereereereere 40Hình 4.13 Hình ánh thực tế của Device (2) — ,Ơ 40

Hình 4.14 Flowchart của LORA Gatewdy ceecsceccccesereeeererxrrerrrtrrrrrrrrrrrrrre 41 Hình 4.15 Cai đặt Platform LO thành CƠng, -c«cccscceereeereeeretkeerieererrrerkee 42 Hình 4.16 Build thành CƠIg c«5c«cscccceeereertttrtttretktrtrirtrirtrirkiitiirirrirrrrke 42

Hình 4.17 Tiến hành nạp code Cho F2SP32 -e«-ccccreeriretirritrirrrirrrirrrirrirrrrree 42

Hình 4.18 Code đã được nạp thành CON -.cccccccccesceereereexreekteerieerrrrerree 43 Hình 4.19 PCB của Gateway o«-ccc«ccccseretxrrtkkrttrietkrirtkiirtrirtrriirirriiiirrrree 43

Hình 4.20 Hình ảnh thực thé của Œaf€Wáyy -eecceccreeeecccrrrreecevrrrrreeccerrrrree 43

Hình 4.21 Access Token CGN COJJV -c-ccccccece+eesecccccrvekeeeeeerrrttrtrrrrrrtkrrrrrrrrree 46

Hình 4.22 Thingsboard xác định được E.SP32 eccecceeeriekikkiikirieierree 46

0718 E18Wx1/2Ẵ/11///12770Ẽ88®A®A®e Ô.Ô 47

Hinh 4.24 Két Qua Wid get 0n 47

Hình 4.25 Hình ảnh thực tế của Device sresecessssssssssssssssssssssssssssssssssssesssssesessessessssssenenesessssseee 48

Hình 4.26 Màn hình cài đặt CUA Ì€VÏC€ eeccceccsccsceeeeeersertertettstrtertettetrrersrrtsrtsrrrrreee 48 Hình 4.27 Màn hình chính Của Device Ï e«cecescsceeeseseesrsrtsesrtetsrtetsrsrtrrsrsrrsrsree 49 Hình 4.28 Màn hình chính Của Device _2 cc«ccSe tEkEkEESkeEkEEEtEEeEskeketrrkrkrsrrsrrrererk 49

Hình 4.29 Hình ảnh thực thế của af€Wdy_Ï@VÌC€ Ï e«ccee<cceceeereeereeererreereee 49Hình 4.30 Hình ảnh thực thế của Gatewdy _DeViCe_2 eeece«scceceexvexeeeteereererterreereee 50

Hình 4.31 Lượng nước sử dung cua Device 1 và 2 được cập nhật lên web server.50

DANH MỤC BANG

Bảng 1 Bảng so sánh ưu điểm và nhược điểm giữa 2 giải pháp công nghệ

DANH MỤC TU VIET TATloT : Internet of Things

MQTT : Message Queuing Telemetry Transport

M2M : Machine-to-Machine

UART : Universal Asynchronous Receiver-Transmitter SPI : Serial Peripheral Interface

SC : Serial Clock

MISO : Master Input Slave Output

MOSI : Master Ouput Slave Input

SS : Slave Select

TÓM TAT

Công nghệ Internet of Things (IoT) đã trở nên phổ biến trong cuộc sống củanhiều người Thiết bị công nghệ được kết nối với nhau thông qua giao thức Internet,

cho phép người dùng điều khiển và theo dõi các thiết bị này từ bất cứ đâu Công

nghệ IoT dang được ứng dung trong nhiều lĩnh vực, đáp ứng nhu cầu điều khiển vatheo dõi các thiết bị từ xa, đặc biệt là trong việc điều khiển và theo doi lượng nước

tiêu thụ.

Nhận thấy nhu cầu này, nhóm đã nghiên cứu, đưa ra ý tưởng và hiện thựchóa đề tài "Xây dựng thiết bị đọc đồng hồ nước cơ băng điện tử" Thiết bị này cungcấp cho người dùng khả năng giám sát và kiểm tra mức nước đã sử dụng bằng cáchđăng nhập tài khoản vào trang quản lý, đồng thời cũng giúp nhà phân phối kiểmsoát và giám sát toàn bộ người tiêu dùng Dữ liệu đo được từ đồng hồ sẽ truyền đithông qua hệ thống mạng LoRa về đến trạm thu nhận đữ liệu luôn được kết nối vớimạng Internet.

Việc ứng dụng công nghệ IoT vào kiểm soát, điều khiển và theo dõi lượngnước tiêu thụ trở nên tiện lợi và đơn giản hơn, góp phần thúc đây sự phát triển của

xã hội hiện đại hơn và nên kinh tê ngày một tiên bộ.

Chương 1 GIỚI THIỆU DE TÀI

1.1 Tổng quan về đề tải

Nền văn minh hiện tại đang ở khoảng thời gian hưng thịnh nhất của thời đại

công nghiệp 4.0 và đang từng bước tiến vào thời đại 5.0, trong đó công nghệ đóng

vai trò chủ đạo và tối quan trọng trong nhiều lĩnh vực của xã hội hiện tại Sự phát

triển mạnh mẽ của ngành công nghệ thông tin nói chung và đặc biệt là công nghệloT nói riêng đã và đang mang lại nhiều lợi ích lớn lao cho nhân loại Với IoT,những gì người dùng cần chỉ là duy nhất một thiết bị có khả năng kết nỗi mang dé

quản lý, giám sát và điều khiển thiết bị trong nhà, văn phòng, nhà máy du đang ở

bị hư hỏng, gây ra sai số trong phân tích lượng nước tiêu thụ, đem lại không ít bất

lợi cho hộ đăng ký sử dụng hoặc công ty cấp nước.

Bối cảnh kinh tế lĩnh vực đồng hồ nước ngày nay đã có nhiều thiết bị tiên tiến

đáp ứng chức năng đo mức nước đã được sử dụng với độ chính xác cao, sử dụng

các nguyên lý như từ trường, cảm biến điện từ, cảm biến siêu âm dé đo lưu lượng

dòng chảy Tuy nhiên, việc triển khai ở Việt Nam có thé nói là bất khả thi về giáthành và thi công, đặc biệt là với các hộ đăng ký và công ty cấp nước

Kèm theo đó là sự bùng nô mạnh mẽ của lĩnh vực IoT cũng như sự phát triển

vượt bậc của các module kêt nôi bao g6m module wifi, module LoRa, các mạch có

khả năng điều khiển thông dụng từ các hãng như Arduino, Raspberry, truy cập từ xa

bằng sóng vô tuyến, sóng hồng ngoại, Google Assistant Việc sử dụng nước từ xa

rât thuận tiện.

Hiểu về các nhu cầu và các vấn đề hiện tại, nhóm đã tiến hành tra cứu, họctập nhằm hiện thực hóa đề tài khóa luận “Xây dựng thiết bị đọc đồng hồ nước cơ

bằng điện tử” để thực hiện việc đo đạc, theo dõi, lưu trữ kết quả từ các tín hiệu của

cảm biến hồng ngoại nhằm cho việc đọc vòng quay của kim đồng hồ từ đó chuyênhóa thành dit liệu số thông qua MCU tiết kiệm năng lượng và gửi lên server thôngqua module LoRa Thiết bị có thể xử lý được tình trạng thực tại ở Việt Nam cùngvới đó là tính khả thi khi được triển khai vào thực tế

1.1.1 Tiém hiểu ưu nhược điểm và chỉ phí giữa hai giải pháp công nghệ

Có nhiều loại đồng hồ điện tử tiên tiến ứng dụng các công nghệ như sử dụngcác loại cảm biến như cảm biến lưu lượng, cảm biến siêu âm, cảm biến cơ, vớinhiều mẫu mã, công nghệ, giá thành khác nhau đã được ra mắt và bày bán trên thịtrường Các Hình 1.1, Hình 1.2 và Hình 1.3 dưới đây là các ví dụ về những thiết bị

có mặt trên thi trường:

Hình 1.1 Hình ảnh minh họa cảm biến lưu lượng

Hình 1.2 Đông hồ sử dụng cảm biến cơ đọc tín hiệu bằng từ trường

Hình 1.3 Dong hồ sử dụng cảm biến siêu âmVới hai giải pháp công nghệ khác biệt giữa đồng hồ nước điện tử tiên tiến vàthiết bị đọc kim đồng hồ nước cơ bằng điện tử, nhóm đưa ra Bang 1 dưới đây dé so

sánh ưu nhược điêm của hai giải pháp.

Bang 1 Bảng so sánh ưu điểm và nhược điểm giữa 2 giải pháp công nghệGiải pháp Ưu điểm Nhược điểm

Dong hồ nước điện | Hiên thị day du các sô liệu cân Tính phô biên của đông hô

tử tiên tiễn thiết cho việc giám sát như don | nước điện từ ở Việt Nam

vị đo lưu lượng tổng hoặc tức rất thấp

thời Giá thành và kinh phí lắp

Kết quả thu được có độ chính

xác cao, ít sai lệch.

Hạn chế được thời gian, chi phí,nhân lực.

đặt của đồng hồ nước điện

từ cao khiến việc thay thế

nước cơ, cảm biên.

Chưa tối ưu về năng lượng

tiêu thụ.

Chi phi phí của giải pháp “Đồng hồ nước điện tử”: Giá thành thị trường của

một đông hô nước điện tử hiện nay tùy thuộc vào nhiêu yêu tô như: loại đông hô,

công suất, độ chính xác, Dao động từ 2 triệu đồng đến 5 triệu đồng

Ngoài ra, cả nước khoảng 20-30 triệu đồng hồ nước đang được sử dụng Nếu

thay thế bằng loại đồng hồ điện tử với mức giá trung bình 3 triệu đồng thì chi phí bỏ

ra vào khoảng 60.000 — 90.000 tỷ đồng Đây là một con số rất lớn với các công ty

câp nước nói riêng và ngành câp nước nói chung do lời nhuận không cao Sô lượng

đồng hồ kim hiện nay chiếm khoảng 60-80%, vì vay tinh cấp thiết của đề tài là rất

cao.

1.2 Mục tiêu của đề tai

Thiết kế và hiện thực thiết bị có thể đọc được số vòng quay của kim đồng hồnước cơ thông qua cảm biến quang học mà không cần phải thay thế đồng hồ nước

cơ hiện tại Từ đó chuyền hóa thành dữ liệu số về lưu lượng nước đã sử dụng qua sự

hỗ trợ của module LoRa và lưu trữ lên server để người tiêu dùng cũng như nhà phânphối theo dõi và quản lý.

1.3 Phạm vi và kết quả mong đợi của đề tài

s$* Thiết bị có thé đọc chính xác 90% số vòng xoay của kim đồng hồ nước và

cho ra dữ liệu tương ứng

s* Giao tiếp ôn định giữa LoRa Device, LoRa Gateway cũng như server

* Tốc độ giao tiếp giữa LoRa Device và LoRa Gateway có thời gian trễ là 1

phút

# Giao tiếp thời gian thực giữa LoRa Gateway và Web server dé cập nhật va

hién thị dữ liệu trong thời gian sớm nhất

Chương2 TÌM HIỂU LÝ THUYET VÀ LUA CHON CÔNG NGHỆ

2.1 Tầm quan trọng của việc quản lý lượng nước tiêu thụ

Theo dõi lượng nước được sử dụng đóng một vai trò quan trọng trong việc tiêu

thụ tài nguyên nước một cách hiệu quả Trong những năm qua, các cơ quan quản lý

nước và doanh nghiệp cung cấp nước đã và đang chịu áp lực không lồ không chi ởcác thành thị đông đúc mà còn khu vực nông thôn, ngoại ô vì nhu cầu lượng nước

sạch cảng ngày càng tăng cao.

Khi các hộ đăng ký sử dụng nhiều nước sạch cho các nhu cầu ngoài sinh hoạt

mà không khai báo, có thể dẫn các nhà cung cấp gặp vấn đề thiếu nguồn cung cấpnước nghiêm trọng Đối với các hộ đăng ký chỉ dừng ở mức sinh hoạt cũng có thể

đối mặt với các nguy cơ như lượng nước sinh hoạt tăng đột biến không lý do, dẫnđến hóa đơn tiền nước tăng cao Một ví dụ điển hình là vào tháng 3 năm 2024, một

hộ gia đình đã nhận được hóa đơn nước lên đến 57 triệu đồng (tương đương 3.000

m° nước), mặc dù mỗi tháng gia đình chi sử dụng trên dưới 20 m° nước.

Bang cách quản lý nhu cầu nước của hộ gia đình, chúng ta có thể khiến việcgiám sát và lên kế hoạch cũng cấp nước cho từng hộ gia đình đã đăng ký và kiểmsoát lượng nước sạch được sản xuất và phân phối ở từng khu vực, từ đó giám sát

được sô lượng và chât lượng nước trở nên đơn giản hơn.

Giám sát lượng nước tiêu thụ đem đên nhiêu tiện ích, bao gôm:

Đối với các hộ đăng ký: Luôn luôn giám sát đầy đủ lượng nước tiêu thụ để

điều chỉnh việc sử dụng nước và tránh lăng phí hoặc gián đoạn

Doanh nghiệp và nhà máy: Giảm kinh phí thu thập số liệu mỗi tháng, tránh

xảy ra sai sót, nhanh chóng lên kế hoạch phân phối nguồn nước theo mức yêu cầu

của từng địa phương.

2.2 Tìm hiểu về công nghệ LoRa

2.2.1 Công nghệ LoRa

Hệ thống LoRa do Semtech phát triển là một giải pháp không dây mới dé

phục vụ cho việc gửi dữ liệu tầm xa, tốc độ thấp Điều này làm cho LoRa trở thành

công nghệ lý tưởng cho việc tương thích các tiện ich Internet of Things.

Một số chức năng đáng chú ý của LoRa là:

- Nhiéu điện từ thấp, cho phép truyền tín hiệu trên khoảng cách xa, ngay cả trong

nhà, với công suất thấp Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc áp dụng vào

các thiết bị IoT có năng lượng tiêu hao thấp

- Kha năng xử lý hàng triệu công LoRa va kha năng truyền tín hiệu qua khoảng

cách xa giúp giảm đáng ké yêu cầu về phần cứng, giúp giảm chi phí xây dựng

mạng.

- Su dụng thuật toán chuyên đổi tốc độ dữ liệu dé tối da hóa thời lượng pin của

thiết bị và dung lượng mạng

* _ Mã hóa nhiều lớp tạo điều kiện dé trao đổi thông tin an toàn

2.2.2 Phạm vi hoạt động va mức tiêu thụ năng lượng của LoRa

Kiến trúc mạng LoRa sử dụng các dải tần khác nhau tùy thuộc vào khu vựcđịa lý Ở Châu Âu, băng tần được sử đụng là ISM và SRD Ở Bắc Mỹ, dải tần từ

902 - 928 (MHz) có thê được sử dụng dé truyền dữ liệu Điều đáng kinh ngạc về

công nghệ LoRa là cảm biến có thé hoạt động trong thời gian dài mà không cầnthay pin nhờ mức sử dụng năng lượng thấp.

2.2.3 Nguyên lý hoạt động của LoRa

Công nghệ LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế CSS (Chirp Spread Spectrum) détruyền dữ liệu Nguyên lý hoạt động như sau: dit liệu được ghi bằng khóa chấtlượng cao, tạo ra tín hiệu được gọi là "sứt mẻ" với thời lượng lớn hơn tần số của dữliệu gốc Tín hiệu này được thêm vào hệ thống âm thanh trước khi truyền qua ăng-ten Tín hiệu chirp là tín hiệu hình sin thay đổi lần theo thời gian, bao gồm cụmtrên (tần số tăng) và cụm dưới (giảm tần số) Công tắc sử dụng bit 1 cao va bit 0thấp

Theo Semtech, tiêu chuân này làm giảm độ rắc roi và độ chuân xác của

mạch thu và cho phép LoRa truyén di liệu trên khoảng cách xa mà không cân công

suất truyền cao, vì tín hiệu LoRa vẫn ở dưới mức tín hiệu của nhiễu chung quanh

Lora có băng tần hoạt động khác nhau tùy theo khu vực địa lý:

* Chau Á: 430 MHz

* Trung Quốc : 780 MHz

- Chau Âu: 433 MHz hoặc 866 MHz

* Hoa Ky : 915 MHz

2.2.4 Ché độ hoạt động của Module LoRa

Cac module được định cau hình dé hoạt động trong hai chế độ chính:

Hình 2.1 cho ta thay LoRa ở chế độ có định (Fixed mode) gồm:

e Trong chế độ này, các module có thể giao tiếp với nhau ngay cả khi

e Chế độ phát sóng trái ngược với chế độ cô định.

e Khi một module gửi dữ liệu, toàn bộ các module khác được cau hình

ở chế độ phát sóng, đồng thời có tần số phát giống nhau sẽ đều nhận

được đữ liệu này.

10

e Không cân xác định địa chi cụ thé của các module, mà chi cân chúng

có chung tân sô phát là có thê tiêp nhận dữ liệu.

FF FF 04 AA BE

> no output

Hình 2.2 Chế độ broadcast2.3 Giao thức và nền tảng lập trình

2.3.1 Giao thức Message Queuing Telemetry Transport (MQ TT)

Trong kỷ nguyên của IoT, cần có một tiêu chuẩn kết nối mới mẻ có khả năng

hỗ trợ day đủ cho các thiết bi vật lý thực tế Dé xử lý thách thức này, MQTT đã dan

trở nên phổ biến Hinh 2.3 bên dưới cho ta một cái nhìn tổng quát về mô hình hoạt

động của MQTT.

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) là một giao thức truyềnthông tin nhắn dựa trên mô hình công bố/đăng ký (publish/subscribe) Giao thứcnày được thiết kế dé phù hợp với các thiết bị IoT (Internet of Things) với các đặcđiểm như tốc độ thấp, độ tin cậy cao và khả năng hoạt động trong hệ thống không

ồn định

MOQTT là một lựa chon hợp lý trong các môi trường với:

e_ Chi phí băng thông thấp hoặc viễn thông cao và không an toàn

e Thiết bị nhúng có tài nguyên, tốc độ và bộ nhớ bị hạn chế

e Ung dụng M2M (Machine-to-Machine) yêu cầu băng thông thấp

trong môi trường có độ trễ cao

11

MQTT đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc IoT Một số ưu điểm củaMQTT bao gồm:

K2

$% Sử dụng băng thông thấp, phù hợp với các thiết bị IoT có tài nguyên hạn ché

$% Độ tin cậy cao, có thé hoạt động hiệu quả ngay cả khi liên kết mạng không

có độ ồn định

% Tối ưu về dung lượng, chỉ can rat it byte dé kết nối với máy chủ

$% Các kết nối có thể duy trì trang thái mở liên tục

% Nhiều thiết bị (MQTT client) có thé kết nối với nhau mà chỉ cần thông qua

một máy chủ MQTT (broker) duy nhất.

2.3.2 Chuan giao tiếp UART

UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) là một giao thức

truyền thông nối tiếp bất đồng bộ, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đểgiao tiếp giữa các thiết bị Giao tiếp UART được ứng dụng để kết nối các modulevới nhiều tính năng khác nhau

Hình 2.4 cho ta các thông số trong một gói dữ liệu (packet) bao gồm:

s% Bit Start — 1 bit

$% Khung truyền dữ liệu — 5 đến 9 bit

$% Bit parity — 0 đến 1 bit

¢ Bit Stop — 1 đến 2 bit

12

Hình 2.4 Gói dit liệu truyền của UART

Hai đường dây chính mà UART sử dụng để truyền dữ liệu là Transmitter

(Tx) và Receiver (Rx) UART truyền dữ liệu theo cơ chế bất đồng bộ, nghĩa làkhông có tín hiệu đồng hồ dé đồng bộ giữa UART truyền và UART nhận Thay vào

đó, UART sẽ thêm các bit start và stop vào gói dữ liệu dé UART nhận biết khi nàobat đầu và kết thúc đọc các bit dir liệu Hinh 2.5 bên dưới cho ta thấy sóng truyền

của một UART.

Dữ liệu được truyền từ bus đữ liệu đến UART truyền ở dạng song song.UART truyền sau đó thêm một số bit bổ sung như bit start, bit parity và bit stop để

tạo thành gói dữ liệu hoàn chỉnh Gói dữ liệu này được chuyển đổi sang dạng truyền

nối tiếp và được xuất ra ở chân Tx Chân Rx của UART nhận đọc dữ liệu truyền từ

chân Tx, sau đó loại bỏ các bit b6 sung ( bit start, bit parity và bit stop ) Cuối cùng,UART tiếp nhận chuyên đổi đữ liệu trở lại dạng song song Hình 2.6 và Hình 2.7

bên đưới là ví dụ về quá trình truyền và nhận của một UART

—————>——

+0

START BIT PARITY STOP

BITHình 2.6 Quá trình truyền UART

13

liệu nay đến UART nhận UART nhận sẽ chuyển đổi di liệu nối tiếp trở lại thành

dữ liệu song song cho thiết bị nhận Hinh 2.8 bên đưới minh họa cho cách giao tiếp

của UART

Hình 2.8 Giao tiếp UARTKhi UART nhận diện được bit start, nó sẽ đọc các bit dữ liệu ở một tốc độ cụthé gọi là tốc độ truyền (baud rate) Tốc độ truyền được do bằng bit trên giây (bps)

và thường nằm trong khoảng từ 9600 bps đến 115200 bps Cả hai UART đều phải

được cấu hình ở cùng một tốc độ truyền, nếu chênh lệch quá 10% thì sẽ dẫn đến lỗi

% Kết cấu gói thông tin được thay đổi miễn sao đôi bên được xây dựng dé liên

kết với nhau

% Kiến thức về giao tiếp UART dễ tìm hiểu và nghiên cứu cùng với đó đây là

một bộ truyền tai data đang được ứng dụng phổ biến ngày nay

Nhược điểm:

% Khung đữ liệu bị hạn chế kích thước tối đa ở 9 bit, nhỏ hơn nhiều so với mức

sử dụng.

$% Không cung cấp hỗ trợ được cho nhiều hệ thống me và con

% Tốc độ gửi của mỗi kết nối UART cần được ở trong phạm vi chênh lệch tối

đa 10% so với nhau.

2.3.3 Nền tang Thingsboard IoT

Hình 2.9 Mô hình của nên tảng Thingsboard loT

Thingsboard Iot là một nền tảng IoT mã nguồn mở, được sử dụng dé thuthập, lưu trữ, phân tích và trực quan hóa dữ liệu từ các thiết bị IoT Thingsboardcung cấp cho người dùng một nền tang IoT có khả năng quản lý toàn diện Hỗ trợnhiều giao thức loT như MQTT, HTTP, CoAP, LoRaWAN, v.v dé kết nối với các

thiết bị khác nhau Hình 2.9 thể hiện các chức năng, giao tiếp, công dụng của mô

hình Thingsboard.

Cung cấp các chức năng điều khién thiết bị, thiết lập, lập lịch, thu thập và lưutrữ dữ liệu từ các thiết bị Kiểm tra và minh hoạ dữ liệu: Thingsboard có các tính

15

năng phân tích và trực quan hóa dir liệu IoT với nhiêu loại biêu đô, báo cáo va tùy

chỉnh.

Hỗ trợ chức năng xác thực và quản trị quyền hạn đăng nhập cho khách hàng

và thiết bị Có thể được tích hợp với các ứng dụng và dịch vụ bên ngoài thông qua

các API va plugin Thingsboard được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng IoT như

giám sát thiết bị, điều khiển nhà thông minh, giám sát các nguồn năng lượng, nông

nghiệp thông minh, v.v.

Công IoT Thingsboard được xây dựng dựa trên Java, nhưng khác với các dự

án tương tự khi sử dụng công nghệ OSGi Ý tưởng này khá giống với kiến trúcmicroservices Tuy nhiên, có một sé ngôn ngữ lập trình khác như C, C++, Python,JavaScript, Go, v.v có thé phù hop hơn dé phát triển các ứng dụng cho các thiết bị

IoT mục tiêu, đặc biệt liên quan đến API ngôn ngữ và các thư viện hiện có dé làm

việc với các công serial, GPIO, I2C, cũng như các mô-đun và cảm biên mới.

Công này cung cấp các API đơn giản và tích hợp dé thực hiện các tác vụ phổbiến liên quan đến Thingsboard, chang hạn như quản lý thiết bị, lưu trữ va phânphối dữ liệu cục bộ, biến đồi/chuyển đôi tin nhắn, v.v Nha phát triển có thể lựachọn sử dụng Python, Go, C/C++ hoặc các ngôn ngữ khác, và kết nối với công

Thingsboard thông qua các nhà môi giới MQTT bên ngoài hoặc máy chủ OPC-UA.

Cổng IoT Thingsboard cung cấp các tính năng như: Tiện ích mở rộng

OPC-UA và MQTT để thu thập dit liệu, đảm bảo tính liên tục của dit liệu, tự động kết nốilại với cum Thingsboard, và ánh xạ đữ liệu/tin nhắn đến một định dạng thống nhất.Mục tiêu ban đầu của dự án Gateway là mang tính năng thu thập di liệuThingsboard đến các thiết bị hỗ trợ OPC-UA và MOQTT Trong tương lai, dự án sẽtiếp tục phát triển dé kết nối với các tính năng khác của Thingsboard và cho phépđịnh cấu hình, quan lý các thiết bị IoT thông qua cổng

Hình 2.10 bên dưới thể hiện các ứng dụng có trên Thingsboard như IoTGateway, Mobile Application,

16

% Community Edition Ly Edge he Trendz Analytics

Professional Edition am oT Gatewa =| Mobile Application

vor fe, hang a plea

Cloud MQTT Broker | PEMobile Application

Liêu Bee ree iii

Hình 2.10 Cac ứng dụng trên Thingsboard

2.4 Lựa chọn phan cứng

2.4.1 Module ESP32 NodeMCU-32S

Hình 2.11 là chip ESP32 là một thiết bị có khả năng mở rộng và thích ứng

cao Có một con chip có thé được điều khién riêng Đồng hồ quay trở lại có thé điềuchỉnh từ 80 MHz đến 480 MHz Đây là module có mục dich chung có thé được sử

dụng cho nhiều loại thiết bị điện tử

Module này tương thích với các công nghệ truyền thống và mới Nó hỗ trợkết nối trực tiếp với Internet thông qua bộ định tuyến va được ứng dụng nhằm kếtnối với điện thoại di động hoặc phát ra tín hiệu đèn hiệu BLE Module này hỗ trợgiao tiếp không dây tối đa với tốc độ đữ liệu lên tới 150 Mbps và công suất đầu ra

ăng-ten lên tới 20 đBm Module này có các thông số kỹ thuật hàng đầu trong ngành

và hoạt động tốt về khả năng tích hợp cao, khoảng cách truyền không dây, mức tiêu

thụ điện năng và kêt nôi mạng.

17

Hình 2.11 Hình ảnh minh hoa Module ESP32 NodeMCU-32S

Hình 2.12 va Hình 2.13 là tổng hợp các chân va chức năng tương ứng trên

ESP32.

L£££#@#60tt0fffŒ

“V— = PWM Capable Pin

—>— GPIO Input Only

GPIO Input and Output [ GPHO-STATE ]

Digital-to-Analog Converter WPU: Weak Pull-up (internal)

“DEBUG © JTAG for Debugging RTC Power Domain (VDD3P3_RTC) = WPD: Weak Pull-down (internal)

OFUASH » External Flash Memory (SPI) Ground PU: Pull-up (External)

—— Be Tr i IE: Input Enable (After Reset)

Analog:to-Digital Converter Ce tee eee 1D: Input Disabled (After Reset)

Touch Sensor Input Channel Pin Shared with the Flash Memory OE: Output Enable (After Reset

Can't be used as regular GPIO Pp b 4

Other Related Functions OD: Output Disabled (After Reset)

ETF Serial tor Debug/Programming

Arduino Related Functions

Strapping Pin Functions

Hình 2.13 Ghi chú về các chức năng

18

Hình 2.14 dưới đây mô tả sơ đồ nguyên lý của module ESP32

SH1106 là một con chip driver OLED hiển thi được sử dụng trong các thiết

bị hiển thị OLED nhỏ gọn Một số đặc điểm nổi bật của SH1106 bao gồm:

Hiển thị: SH1106 hỗ trợ hiển thị OLED mono-chrome (1 bit/pixel) với độ phân giảilên đến 132x64 pixel

Giao tiếp: Chip SH1106 hỗ trợ các giao tiếp I2C va SPI để giao tiếp với bộ xử lý

chính.

Tính năng:

- Hỗ trợ chế độ hiển thị normal/inverse

- Có khả năng chống nhấp nháy (flicker-free)

- H6 trợ chế độ tiết kiệm điện

- Có chức năng điều khiển độ sáng tự động

- Cung cấp các hiệu ứng chuyền động, cuộn trang, di chuyền,

- _ Điện áp hoạt động: SH1106 có thé hoạt động với điện áp từ 3V đến 5V

19

Ứng dụng: Chip SH1106 được ứng dung trong các thiết bị hiển thị OLEDnhỏ gọn như điều khiển từ xa, màn hiển thị cho các thiết bị nhúng, các thiết bịIoT,

Hình 2.15 và Hình 2.16 giới thiệu về hình anh cũng như nguyên lý hoạt động

của LCD OLED SH1106.

Hình 2.16 Nguyên ly hoạt động cua LCD OLED

2.4.3 Biến trở tinh chỉnh doc

Chức năng: Điều chỉnh và tinh chỉnh thông số hiền thị theo chiều dọc

Đặc điểm:

- Kiểu dáng nhỏ gọn, dễ lắp đặt

- Độ bên va độ ôn định cao

20

- Khả năng chịu nhiệt tốt nhờ công suất định mức 2W

Có các thông sô sau: 1K/10K/100K/1M/2K/20K/200K/2M/5K/50K/500K

Hình 2.17 và Hình 2.18 giới thiệu về hình ảnh cũng như nguyên lý hoạt động

Dong san phẩm Comparator của Microchip, bao gom

MCP6546/6R/6U/7/8/9, được cung cấp trong các cấu hình đơn (MCP6546,

MCP6546R, MCP6546U), đơn với Chip Select (MCP6548), song song (MCP6547)

21

và bốn kênh (MCP6549) Các đầu ra của chúng là open-drain và có khả năng điềukhiến tải DC hoặc tải dung lượng lớn.

Những so sánh này được tối ưu hóa cho ứng dụng nguồn đơn, nguồn điện

thấp với hoạt động đầu vào lớn hơn rail-to-rail Giới hạn dòng điện và tiêu thụ năng

lượng động khi chuyên mạch Đầu ra open-drain của dòng MCP6546/6R/6U/7/8/9

được sử dụng như bộ chuyển mức điện áp lên đến 10V bằng cách sử dụng một trở

kháng kéo lên Nó cũng có thể được sử dụng như một logic wired-OR

Độ trễ đầu vào nội bộ loại bỏ sự chuyền đổi đầu ra do tiếng ồn điện áp nội

bộ, giảm lưu lượng điện Những so sánh này hoạt động với nguồn điệncấp đơn từ