Chuyên Đề 5 ứng dụng công nghệ lora vào chiếu sáng

Trong bối cảnh này, công nghệ truyền thông được chọn đóng một vai trò cơ bản, vì truyền tải nói chung là công việc đòi hỏi nhiều năng lượng nhất và công nghệ truyền thông Internet of Thi

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

VÀ TRUYỀN THÔNG VIỆT-HÀN

CHUYÊN ĐỀ 5

Ứng dụng công nghệ lora vào

chiếu sáng

Sinh viên thực hiện : ĐẶNG NHẬT HIỂN

NGUYỄN VĂN CÔNG

Giảng viên hướng dẫn : TS.DƯƠNG HỮU ÁI

Đà Nẵng, tháng 12 năm 2021

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

VÀ TRUYỀN THÔNG VIỆT-HÀN

CHUYÊN ĐỀ 5

Ứng dụng công nghệ lora vào

chiếu sáng

Sinh viên thực hiện : ĐẶNG NHẬT HIỂN

NGUYỄN VĂN CÔNG

Giảng viên hướng dẫn : TS.DƯƠNG HỮU ÁI

Đà Nẵng, tháng 12 năm 2021

2

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, công nghệ Internet of Things đã đạt được động lực trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau, bao gồm cả lĩnh vực Nhà thông minh Theo quan điểm này, các đồ vật thông minh có sẵn trong nhà có thể giao tiếp với nhau và với thế giới bên ngoài bằng cách áp dụng các giải pháp đã được đề xuất cho Internet of Things Trên thực tế, trong số những thách thức phải đối mặt trong quá trình thiết kế và triển khai cơ sở hạ tầng Ngôi nhà thông minh dựa trên Internet of Things, việc sử dụng pin thể hiện một điểm mấu chốt để thực hiện một giải pháp hiệu quả Trong bối cảnh này, công nghệ truyền thông được chọn đóng một vai trò

cơ bản, vì truyền tải nói chung là công việc đòi hỏi nhiều năng lượng nhất và công nghệ truyền thông Internet of Things được thiết kế để giảm mức tiêu thụ điện năng nhiều nhất có thể

LỜI CẢM ƠN

Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu làm đồ án cho đến nay đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý Thầy Cô, gia đình, bạn bè.Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi đến quý Thầy Cô ở Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin và Truyền Thông Việt Hàn

đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho

em Em xin chân thành cảm ơn TS.Dương Hữu Ái đã tận tâm hướng dẫn em qua những buổi gặp mặt, nói chuyện, thảo luận về đề tài Nếu không có những lời hướng dẫn của cô thì đề tài của nhóm em rất khó có thể hoàn thiện được Đồ án chuyên nghành 1 được thực hiện trong khoảng thời gian 3 tháng Là lần đầu làm đề tài có liên quan đến xử lí ảnh, kiến thức của em còn hạn chế và còn nhiều bỡ ngỡ

Do vậy, không tránh khỏi những thiếu sót là điều chắc chắn, em rất mong nhận những ý kiến đóng góp quý báu của quý Thầy Cô để kiến thức của em trong lĩnh vực này được hoàn thiện hơn

4

NHẬN XÉT (Của giảng viên hướng dẫn)

………

………

………

………

………

………

………

………

Đà nẵng, tháng 12 năm 2021

Giảng viên hướng dẫn

TS.Dương Hữu Ái

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 3

LỜI CẢM ƠN 4

NHẬN XÉT 5

MỤC LỤC 6

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 8

1.1 TỔNG QUAN 8

1.2 SƠ LƯỢC VỀ PYCHARM 8

1.3 CÔNG CỤ VÀ MÔI TRƯỜNG PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM 8

1.3.1 Ngôn ngữ lập trình Python 8

1.3.2 Công cụ lập trình Pycharm 9

1.3.3 Môi trường phát triển 9

1.3.4 OpenCV 9

1.4 Ý NGHĨA 10

1.5 PHẠM VI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 10

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MẠNG VÀ GIAO THỨC 11

2.1 ĐỊNH NGHĨA VỀ ĐIỀU KHIỂN CỬ CHỈ 11

2.2 ĐỊNH NGHĨA VỀ MEDIAPIPE HAND 11

2.3 ĐỊNH NGHĨA ML PIPELINE 11

CHƯƠNG 3: TRIỂN KHAI THỰC HIỆN 13

3.1 ĐỊNH NGHĨA BÀI TOÁN 13

3.1.1 Định nghĩa bài toán 13

3.1.2 Các nhóm chức năng của hệ thống 13

6

3.2 PHÂN TÍCH BÀI TOÁN 14

3.2.1 BlazePalm 14

3.2.2 Hand Landmarks 15

3.2.3 Triển khai thông qua mediaPipe 15

3.3 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 13

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 18

4.1 XÁC ĐỊNH CÁC ĐIỂM MỐC BÀN TAY 18

4.2 SỬ DỤNG KĨ THUẬT HANDMARK 18

4.3 TẠO LINE ĐỂ KẾT NỐI BẰNG THƯ VIỆN CV2 19

4.4 SỬ DỤNG GIAO DIỆN PYCHARM ĐỂ ĐIỀU VOLUME 19

4.5 TẠO THANH VOLUME 20

4.6 GIAO DIỆN HOÀN THIỆN 20

KẾT LUẬN 21

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 22

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 TỔNG QUAN

Một ngôi nhà thông minh không thể thiếu các hệ thống chiếu sáng thông minh Công nghệ ngày nay phát triển giúp bạn chăm sóc ngôi nhà theo các cách hoàn toàn khác biệt so với thói quen với việc bật tắt bóng đèn bằng các công tắc cơ trên tường Đèn thông minh vẫn được kết nối với nguồn điện nhà bạn nhưng mỗi bóng đèn tích hợp LED cho phép bạn điều khiển không dây bằng điện thoại, máy tính,…

Hệ thống này giúp bạn hoàn toàn có thể kiểm soát việc chiếu sáng theo phong cách riêng của minh, ngôi nhà trở nên thông minh hơn bạn muốn Việc điều khiển chiếu sáng này không chỉ đem lại cho bạn sự tiện nghi, hiện đại, mà còn giúp bạn tiết kiệm được điện năng tiêu thụ hàng tháng

Trong số những thách thức chính được xác định trong cơ sở hạ tầng IoT cho Smart Home, liệt kê mức tiêu thụ pin Vì truyền tải thường là nhiệm vụ đòi hỏi nhiều năng lượng nhất, nên giải pháp sử dụng công nghệ lora là tối ưu nhất Với công nghệ lora, chúng ta có thể truyền dữ liệu với khoảng cách lên hàng km mà không cần các mạch khuếch đại công suất; từ đó giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ khi truyền/nhận dữ liệu

1.2 IOT (INTERNET OF THINGS)

1.2.1 IoT là gì?

IoT (Internet of Things) nghĩa là Internet vạn vật Một hệ thống các thiết bị tính toán, máy móc cơ khí và kỹ thuật số hoặc con người có liên quan với nhau và khả năng truyền dữ liệu qua mạng mà không yêu cầu sự tương tác giữa con người với máy tính

Ý tưởng về một mạng lưới các thiết bị thông minh đã được thảo luận từ 1982, với một máy bán nước Coca-Cola tại Đại học Carnegie Mellon được tùy chỉnh khiến nó đã trở thành thiết bị đầu tiên được kết nối Internet, có khả năng báo cáo kiểm kho và độ lạnh của những chai nước mới bỏ vào máy

8

Năm 1999, Kevin Ashton đã đưa ra cụm từ Internet of Things để mô tả một hệ thống mà Internet được kết nối với thế giới vật chất thông qua các cảm biến 1.2.2 Cấu trúc của một hệ thống IoT

IoT (Internet of Things) nghĩa là Internet vạn vật Một hệ thống các thiết bị tính toán, máy móc cơ khí và kỹ thuật số hoặc con người có liên quan với nhau và khả năng truyền dữ liệu qua mạng mà không yêu cầu sự tương tác giữa con người với máy tính

Các cảm biến sẽ có nhiệm vụ cảm nhận các tín hiệu từ môi trường như nhiệt

độ, áp suất, ánh sáng,… và chuyển chúng thành các dạng dữ liệu trong môi trường Internet Sau đó các tín hiệu sẽ được xử lý và đưa ra các thay đổi theo ý của người tiêu dùng Hiện nay chúng thường được ứng dụng thông qua các ứng dụng trên điện thoại hay trên máy tính,…

1.2.3Tại sao IoT lại quan trọng

IoT giúp mọi người sống và làm việc thông minh hơn, có thể kiểm soát được thời gian của họ một cách tốt nhất

IoT cung cấp cho các doanh nghiệp cái nhìn về thời gian mà hệ thống của họ thực sự hoạt động, cung cấp thông tin chi tiết về mọi thứ từ hiệu suất của máy móc đến chuỗi cung ứng và hoạt động hậu cần

1.3 CÔNG NGHỆ LORA

2.3.1 Lora là gì?

LoRa là viết tắt của Long Range Radio được nghiên cứu và phát triển bởi Cycleo và sau này được mua lại bởi công ty Semtech năm 2012 Với công nghệ này, chúng ta có thể truyền dữ liệu với khoảng cách lên hàng km mà không cần các mạch khuếch đại công suất; từ đó giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ khi truyền/nhận dữ liệu Do đó, LoRa có thể được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng thu thập dữ liệu như mạng lưới cảm biến trong đó mỗi cảm biến có thể gửi giá trị đo đạc về trung tâm cách xa hàng km và rất tiết kiệm năng lượng nên có thể hoạt động trong một thời gian dài mới cần thay pin

2.3.2 Vì sao cần phải sử dụng công nghệ LoRa

LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế gọi là Chirp Spread Spectrum Có thể hiểu nôm na nguyên lý này là dữ liệu sẽ được băm bằng các xung cao tần để tạo ra tín hiệu có dãy tần số cao hơn tần số của dữ liệu gốc (cái này gọi là chipped); sau đó tín hiệu cao tần này tiếp tục được mã hoá theo các chuỗi chirp signal (là các tín hiệu hình sin có tần số thay đổi theo thời gian; có 2 loại chirp signal là up-chirp có tần số tăng theo thời gian và down-chirp có tần số giảm theo thời gian; và việc mã hoá theo nguyên tắc bit 1 sẽ sử dụng up-chirp, và bit 0 sẽ sử dụng down-chirp) trước khi truyền ra anten để gửi đi

Theo Semtech công bố thì nguyên lý này giúp giảm độ phức tạp và độ chính xác cần thiết của mạch nhận để có thể giải mã và điều chế lại dữ liệu; hơn nữa LoRa không cần công suất phát lớn mà vẫn có thể truyền xa vì tín hiệu Lora có thể được nhận ở khoảng cách xa ngay cả độ mạnh tín hiệu thấp hơn cả nhiễu môi trường xung quanh

Nhờ sử dụng chirp signal mà các tín hiệu LoRa với các chirp rate khác nhau

có thể hoạt động trong cùng 1 khu vực mà không gây nhiễu cho nhau Điều này cho phép nhiều thiết bị LoRa có thể trao đổi dữ liệu trên nhiều kênh đồng thời (mỗi kênh cho 1 chirprate)

2.3.3 Ưu điểm của LoRa

Dễ dàng phổ biến

Công nghệ LoRa hiện nay (22/02/2021) có thể được sử dụng một cách rộng rãi và miễn phí (không có bản quyền) Quá trình lắp đặt các thiết bị cảm biến có giá cả phải chăng, đồng thời kiến trúc cũng đơn giản Hiện nay công nghệ LoRa đã được ứng dụng nhiều trong IoT/M2M, đồng thời có cả liên minh các nhà sản xuất sử dụng công nghệ này

Hoạt động ở tầm xa với lượng điện năng tiêu thụ thấp

Như đã đề cập, lợi thế lớn nhất của công nghệ LoRa đó là việc điện năng tiêu thụ thấp, nhưng vẫn có thể dẫn truyền dữ liệu ở tầm xa được Ngoài ra, công suất hoạt động không vì thế mà bị giảm sút, và công nghệ LoRa có thể hỗ trợ hàng triệu tin nhắn từ trạm gốc

10

Độ bảo mật cao

Các tín hiệu này sẽ được mã hoá 2 lớp, bao gồm 1 lớp dành cho ứng dụng có

mã hoá AES và 1 lớp dành cho bảo mật mạng

2.3.4 Nhược điểm của công nghệ LoRa

Tải trọng và tốc độ thấp hơn

Đây có lẽ là nhược điểm lớn nhất của công nghệ LoRa, bởi việc phát ra sóng ở tần

số đó sẽ làm giảm tốc độ truyền tải, đồng thời tải trọng của công nghệ cũng sẽ đạt đến mức 100 byte Cũng vì vậy mà độ trễ của công nghệ LoRa sẽ cao hơn so với các phương pháp khác

Hạn chế trong việc lắp đặt gateway

Việc khó lặp đặt cá gateway trong nội thành cũng là cản trở trong việc phổ biến công nghệ LoRa trong khu đông dân cư

1.4 HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG THÔNG MINH

1.4.1 Hệ thống chiếu sáng thông minh là gì?

Hệ thống chiếu sáng thông minh tích hợp công nghệ thông minh và khả năng điều khiển nhằm giảm chi phí năng lượng cho mọi thành phố Hệ thống cung cấp khả năng điều khiển ánh sáng từ xa có thể điều chỉnh tốt hơn lượng thời gian đèn được bật để giảm thiểu chi phí năng lượng mà vẫn giữ được độ an toàn nhất định

Hệ thống này đã đóng một vai trò quan trọng trong việc vận hành và bảo trì an toàn, tiết kiệm năng lượng - hiệu quả Chiếu sáng thông minh cũng có thể giảm đáng kể chi phí bảo trì và đơn giản hóa việc quản lý

Hệ thống chiếu sáng thông minh thường sử dụng mạng lưới, trong đó mỗi bóng đèn thông minh kết nối không dây với thiết bị gần nhất Hệ thống được điều khiển bởi một trung tâm, cho phép các thiết bị được kết nối mạng như điện thoại hoặc máy tính bảng giao tiếp với bóng đèn

Một số hệ thống cũng có chế độ cách xa nhà cho phép bạn điều khiển đèn khi bạn ở xa Không phải tất cả các hệ thống đều cần một bộ trung tâm mới điều khiển được

1.3.1 Cần gì cho một hệ thống chiếu sáng thông minh

Hệ thống chiếu sáng thông minh thường sử dụng mạng lưới, trong đó mỗi bóng đèn thông minh kết nối không dây với thiết bị gần nhất Hệ thống được điều khiển bởi một trung tâm, cho phép các thiết bị được kết nối mạng như điện thoại hoặc máy tính bảng giao tiếp với bóng đèn

Một số hệ thống cũng có chế độ cách xa nhà cho phép bạn điều khiển đèn khi bạn ở xa

1.5 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

1.6 PHẠM VI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

12

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

2.1 LINH KIỆN SỬ DỤNG

2.1.1 Mô-đun Reyax RYLR896 LoRa

Thông số kĩ thuật:

Ăng-ten: Radio

Nhãn hiệu: REYAX

Trở kháng: 50 Ohm

Phạm vi lớn nhất: 15Km

Thông tin:

Độ bảo mật cao

Dòng nhận thấp

Độ nhạy cao

Điều khiển dễ dàng bằng lệnh AT

2.1.2 Arduino Nano

Thông số kĩ thuật:

Điện áp hoạt động: 5V

Điện áp đầu vào (khuyên dùng): 7-12V

Chân Digital I/O: 14

Chân PWM Digital I/O: 16

Chân đầu vào Analog: 8

2.1.3 Điện trở 10k

Thông số kĩ thuật:

Nhiệt độ hoạt động: -55oC đến 155oC

Loại: Điện trở cố định

Sai số: +/-5%

Điều khiển dễ dàng bằng lệnh AT

2.1.4 Điện trở 5k

2.1.5 LED 5mm

Thông số kĩ thuật

Điện áp hoạt động ở mức: 1,8V - 3V

Dòng điện: 10mA - 20mA

Loại LED: LED đục, LED siêu sáng

2.1.6 Công tắc

Công tắc

2.1.7 Bảng mạch

2.3.7 Pin 9volt

14

2.3.5 Mô-đun chuyển tiếp

Thông số kĩ thuật:

Mô-đun bộ chuyển đổi ft 232rl

Chip: ft 232rl

Nguồn cung cấp USB, có thể chọn mức

Giao diện 5V hoặc 3.3V

Kích thước PCB: 16mm x 34mm

Tạo ra tất cả cổng tín hiệu của chip ft

232rl, mức TTL/CMOS

Đèn báo tín hiệu truyền thông thu phát RXD/TXD

2.2

CHƯƠNG 3: TRIỂN KHAI THỰC HIỆN

3.1 KIẾN TRÚC HỆ THỐNG

3.1.1 Mạch phát tín hiệu

Trong mạch phát, chân RX của Arduino được kết nối với chân TX của mô-đun Lora thông qua bộ chia điện áp

Vì Arduino gửi tín hiệu ở mức logic 5V nhưng mô-đun RYLR896 Lora có thể nhận tín hiệu ở mức logic 3,3V

3.1.2 Mạch thu tín hiệu

Trong mạch Lora của bộ thu, chân Arduino RX được kết nối với chân TX của mô-đun Lora

Vì Arduino có thể nhận tín hiệu ở mức logic 3,3V từ Mô-đun Lora

RYLR896, do đó không cần bộ chia điện áp cho mạch nhận Lora

16

3.1.3 Setup các tham số.

3 Cuối c

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

KẾT LUẬN

1 Kết quả đạt được

a) Về kiến thức

Sau thời gian thực hiện chuyên đề nhóm chúng em đã đạt được nhiều tiến bộ

cả về mặt tìm hiểu và nghiên cứu

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

20