Thiết kế iot và ứng dụng Đề tài hệ thống giám sát thời tiết

Hệ thống giám sát sử dụng mạng truyền thông LoRa Long Range là một trong những ứng dụng pho bién trong lĩnh vực IoT, đặc biệt là khi cần thu thập đữ liệu từ các cảm biến xa và phân tán..

_SDAI HQC DA NANG

TRUONG DAI HQC BACH KHOA KHOA CƠ KHÍ

Thiết kế IoT và ứng dung

ĐÈ TÀI: HỆ THÓNG GIÁM SÁT THỜI TIẾT

Giáo viên hướng dẫn: TS TRAN DINH SON

Sinh viên thực hiện: NGUYÊN NGỌC BÌNH

NGUYEN VAN THUONG TON THAT TIEN NGUYEN GIA BAO PHAN HUU THANG

DO QUOC HUY NGUYEN HUU MINH TRI

VO VIET THANH

Đà Nẵng, tháng 3/2024

MUC LUC

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐÈ TÀI - 2 s2 11221211211 11212 xCEE tren 4

11 — Giới thiệu đề tài nh HH Hee 4 1.2 Kha nang tng dụng của đề tài - 5à c n 2T E HH HHgrrrue 4 1.3 Linh kiện S2 HH Hye 5 143.1 STM32 nHHeree 5 143.2 — ESP32 HH uerrde 6

1.3.4 DHTII Hee 9

1.3.5 Module quang trở 2001212211112 111122111101111201 1111111118211 11k re, 10

1.3.6 Cam bién Wong mura cece ccccccesscssesseesessseseessessesesssessessessesesevevsreees 10 CHUONG 2 NGUYEN LY HOAT DONG oo cccccccccccsccscesscssessessessssessvsecevsreevsesseseeevseees 12

2.1 Nguyên lý hoạt động của mạch Lora - 22211222111 se re 12 2.1 Nguyên lý hoạt động đấy dữ liệu lên Firebase sir dung REST API 13

CHƯƠNG 3: CÁC MẠCH ĐIỆN QUAN TRỌNG 2 0 HH 16

3.1 — Mạch thụ LL Q0 Q11 1 1111 1110 1111111111111 011k k khen s11 khe, 16

3.2 Mạch phát 2n HH Hee 19 3.3 MO Bim ccc ccccccseccecesesvecsvessecsvessessssssessusssessrssisssssssessseessessseeseeseeees 21 CHƯƠNG 4: LẬP TRÌNH - s2 E2 E1 HE 1H tt Hàn run 22 4.1 Lập trình STMâ32 2S nhe 22 4.2 Lập trình ESP32 c2 HH Hee 24

4.3 Lập trình web L 2 122211211 HH k1 ng ng Hệ 29 4.4 — Trang web cL.L HT ng xxx Hà xe Hs kxu 34

LOI NOI DAU

Trong linh vuc IoT (Internet of Things), cac hé théng giam sat thoi tiết đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập và phân tích đữ liệu về điều kiện thời tiết trong thời gian thực Nhờ vào IoT, các thiết bị cảm biến có thê được triển khai rộng rãi trên khắp các vi trí khác nhau đề thu thập thông tin về nhiệt độ, độ âm, áp suất không khí, tốc độ gió, lượng mưa, và nhiều thông số khác

Hệ thống giám sát sử dụng mạng truyền thông LoRa (Long Range) là một trong những ứng dụng pho bién trong lĩnh vực IoT, đặc biệt là khi cần thu thập đữ liệu từ các cảm biến xa

và phân tán LoRa là một công nghệ truyền thông không dây tiên tiến, cho phép truyền dữ liệu qua khoảng cách lớn với tiêu thụ năng lượng thấp, điều này làm cho nó rất phù hợp với các ứng dụng giám sát thời tiết

Hệ thống giám sát thời tiết sử dụng mạng truyền thông LoRa có thê đem lại nhiều lợi ích như tăng cường hiệu suất, cải thiện bảo mật và tính linh hoạt, cũng như cung cấp thông tin thời tiết chính xác và hữu ích hơn cho người dùng

CHUONG 1: GIOI THIEU VE DE TAI

1.1 Giới thiệu đề tài

Trên toàn cầu, các hệ thông giám sát thời tiết ngày càng trở nên phô biến và phát triển, với sự kết hợp của nhiều công nghệ tiên tiến để cung cấp thông tin chính xác và hữu ích về điều kiện thời tiết Những hệ thống này không chỉ cung cấp dữ liệu thời tiết chính xác cho công chúng mà còn đóng vai trò quan trong trong việc cảnh báo và ứng phó với các hiện tượng thời tiết cực đoan và nguy hiểm

1.2 Khả nắng ứng dụng của đề tài

Đề tài "Hệ thông giám sát thời tiết sử dụng mạng truyền thông LoRa trong lĩnh vực loT" có khả năng ứng dụng và mở rộng rất lớn trong nhiều lĩnh vực khác nhau Dưới đây là một số khả năng ứng dụng và mở rộng của đề tài này:

- _ Nông nghiệp thông minh: Tạo ra các hệ thông tưới tiêu tự động dựa trên dữ liệu thời tiết thu thập được, giúp tôi ưu hóa việc sử dụng nước và tăng năng suất cây trồng

- _ Quản lý môi trường và tài nguyên tự nhiên: Sử dụng hệ thống giám sát thời tiết dé giám sát các biến đổi trong môi trường như biến động của mực nước biên, sự tan chảy của băng tuyết, và sự thay đổi của hệ sinh thái Hỗ trợ trong việc quản lý tài nguyên

tự nhiên như quản lý rừng, bảo tồn động vật hoang dã, và giảm thiêu các rủi ro liên quan đến thảm họa thiên nhiên

- _ An ninh và an toàn:Sử dụng đữ liệu thời tiết thu thập được để cảnh báo và phản ứng nhanh chóng đối với các hiện tượng thời tiết cực đoan như bão, lũ lụt, hoặc hỏa hoạn

Hỗ trợ trong việc lập kế hoạch phản ứng khẩn cấp và di đời dân trong trường hợp

khân cấp do thời tiết

- _ Du lịch và giải trí: Cung cấp thông tin thời tiết chính xác và đáng tin cậy cho người dân và du khách, giúp họ lập kế hoạch cho các hoạt động ngoài trời như đi bién, di da ngoại, hoặc tham quan địa điểm du lịch Phát triển các ứng dụng di động hoặc trang web cung cấp thông tin thời tiết và cảnh báo thời tiết để người dùng có thê truy cập dễ đàng

Tổng quát, đề tài này có thể mở ra nhiều cơ hội ứng dụng và mở rộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ nông nghiệp và môi trường đến an ninh và du lịch Đồng thời, nó cũng có thê là cơ sở cho các nghiên cứu và phát triển tiếp theo trong lĩnh vực dự báo thời tiết và IoT 1.3 Linh kiện

1.3.1 STM32

Hình 1.1: STM32 STM32 la mot dong vi diéu khién 32-bit duoc san xuat boi STMicroelectronics, mét công ty công nghệ lớn có tru sé tai Phap Dong san pham STM32 bao gém nhiều dòng chip

vi diéu khién ARM Cortex-M co hiéu suat va tinh nang khac nhau, phu hop cho nhiéu img dụng nhúng và IoT Dưới đây là một số đặc điểm và tính năng chính của dong STM32:

- _ Hệ thống vi xử lý ARM Cortex-M: Các vi điều khiến trong dòng STM22 thường sử dụng các nhân vị xử lý ARM Cortex-M với các phiên bản nhu Cortex-M0, Cortex- M3, Cortex-M4 và Cortex-M7 Các phiên bản này cung cấp hiệu suất và tính năng khác nhau đề đáp ứng các yêu cầu của các ứng dụng khác nhau

- Tính linh hoạt và đa đạng: STM32 cung cấp một loạt các dòng chip với nhiều tính năng khác nhau, bao gồm các loại chân kết nối, bộ nhớ flash và SRAM, số lượng chan I/O, và các tính năng nâng cao nhu DAC, ADC, UART, SPI, I2C, USB, va Ethernet

- Phong phu vé tuy chon giao dién va giao tiép: STM32 hé tro nhiéu giao tiếp như UART, SPI, I2C, CAN, USB, Ethernet và nhiều loại giao thức khác, làm cho chúng phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau

- _ Tiêu thụ điện năng thấp: Các chip STM32 được thiết kế đề tiêu thụ năng lượng thấp, đặc biệt là trong các chế độ tiêu thụ năng lượng thấp, điều này rất quan trọng đối với các ứng dụng nhúng và IoT yêu cầu tuổi tho pin cao

- _ Dễ đàng phát triển và tích hợp: STM32 hỗ trợ nhiều công cụ phát triển như Keil

uVision, STM32CubeIDE, va Arduino IDE Bén canh do, STMicroelectronics cung cấp thư viện phần mềm và bộ công cụ hỗ trợ giúp người phát triển đễ dàng tích hợp

SoC (System-on-Chip) tích hợp: ESP32 là một SoC tích hợp nhiều chức năng, bao gồm vi xử lý Tensilica Xtensa LX6 đual-core, các module Wi-Fi và Bluetooth/BLE,

các công giao tiếp như UART, SPI, I2C, GPIO, ADC, DAC, và nhiều tính năng khác

Wi-Fi va Bluetooth: ESP32 hé tro Wi-Fi 802.11 b/g/n va Bluetooth/BLE (Bluetooth Low Energy), cho phép két néi không dây với mạng Wi-Fi và giao tiếp với các thiết

bị khác qua Bluetooth

Khả năng xử lý cao: Với vi xử lý đual-core và tốc độ xung nhịp lên đến 240 MHz, ESP32 có khả năng xử lý cao và phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu tính toán độ phức tạp

Bộ nhớ lưu trữ linh hoạt: ESP32 có bộ nhớ flash tích hợp từ 512 KB đến 4 MB, củng với bộ nhớ RAM từ 128 KB đến 520 KB, cho phép lưu trữ mã chương trình và đữ liệu một cách linh hoạt

Hỗ tro da nén tang: ESP32 co thé lap trình bằng nhiều ngôn ngữ khác nhau như C, C+ +, và MicroPython, với các công cụ phát triển tích hợp như Arduino IDE va ESP-IDF (EspressIf loT' Development Framework)

Tiêu thụ năng lượng thấp: ESP32 được thiết kế đề tiêu thụ năng lượng thấp, đặc biệt

là trong chế độ sleep, điều này rất phù hợp cho các ứng dụng IoT có yêu cầu về tiết kiệm năng lượng

Hỗ trợ nhiều ứng dụng: ESP32 có thê được sử đụng trong nhiều ứng dụng như cảm biến và giám sát, mạng cảm biển không đây, điều khiến thiết bị từ xa, IoT, và nhiều ứng dụng nhúng khác

Module LoRa (Long Range) là một công nghệ truyền thông không dây tiên tiễn được phát triển bởi Semtech, cho phép truyền đữ liệu qua khoảng cách xa mà không cần đến một

hạ tầng mạng phức tạp Dưới đây là một giới thiệu về công nghệ LoRa và ứng dụng của nó: Công Nghệ LoRa: Hiệu Suất và Phạm Vi: Công nghệ LoRa sử dụng kỹ thuật truyền

dữ liệu dựa trên đa lớp (spread spectrum), giúp nâng cao hiệu suất và mở rộng phạm

vi truyền thông lên đến hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn mét Tiêu Thụ Năng Lượng Thấp: LoRa có tiêu thụ năng lượng rất thấp, giúp kéo đài tuổi thọ pin và phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu tiết kiệm năng lượng như IoT Khá Năng Penetration: LoRa có khả năng xuyên qua các vật cản như tường và các cấu trúc khác, làm cho nó phù hợp cho việc triển khai trong các môi trường đô thị hoặc công nghiệp

Ứng Dụng của LoRa: Internet of Things (IoT): LoRa là một trong những công nghệ chính được sử dụng trong IoT, cho phép kết nỗi và truyền đữ liệu từ các thiết bị cảm biến, thiết bị đo lường, và thiết bị điều khiển từ xa Quản Lý Tài Nguyên: LoRa có thê được sử dụng đề giám sát và quản lý các tài nguyên như nước, năng lượng, và rac thải, giúp tối ưu hóa việc sử dụng và quản lý tài nguyên Điện Thông Minh (Smart Grids): Trong lĩnh vực điện, LoRa có thê được sử dụng để xây dựng các mạng lưới điện thông minh, cho phép giám sát và điều khiên từ xa các thiết bị trong hệ thống điện Cảnh Báo Thảm Họa: LoRa cung cấp một phương tiện hiệu quả để truyền dữ liệu cảnh báo và thông tin khẩn cap trong các tình huống thảm họa như đám cháy, lũ lụt, hoặc hỏa hoạn

Linh Kiện LoRa: Module LoRa: Các module LoRa như SX1278 hoặc SX1276 của Semtech là những linh kiện cơ bản cần thiết đề xây dựng các hệ thông truyền thông

LoRa Vi Điều Khiển: Một vi điều khiển như Arduino, ESP32 hoặc STM32 được sử

dụng đề điều khiến và giao tiếp với module LoRa Cảm Biến và Thiết Bị Ngoại Vi:

Các cảm biến như nhiệt độ, độ âm, ảnh sáng, hoặc định vị GPS có thê được kết nối để

thu thập dữ liệu từ môi trường xung quanh Công nghệ LoRa mang lại nhiều tiềm năng trong việc xây đựng các hệ thông loT và các ứng dụng khác yêu cầu kết nối và truyền đữ liệu qua khoảng cách xa một cách hiệu quả và tiết kiệm năng lượng

1.3.4 DHT11

Hình l4: DHTII

- - Điện áp hoạt động: 3 - 5 VDC

- Pham vi d6 am do được: 20% — 90% RH, sai sé + 5% RH

- Pham vi nhiét d6 do duoc: 0°C +50°C, sai s6 + 2°C

- Khoảng cách đo được tôi đa: 20m

Độ nhạy cao với ánh sáng được tuỳ chỉnh bằng cách sử dụng biến trở

Cảm biên lượng mưa

Hình 1.6: Cảm biến lượng mua

10

Đèn LED báo nguồn (Blue)

Den LED canh bao mua (Red)

Hoạt động dựa trên nguyên lý: Nước rơi vào bảng sẽ tạo ra dòng điện nhờ môi trường dẫn điện

Co 2 loai tin hiéu : Analog (AO) va Digital (DO)

Dinh dang tin hiéu: TTL, dau ra 100mA (Co thé str dung tru tiép Relay, Buzzer công suất )

Kích thước: 5.4*4.0*1.6mm

II

CHUONG 2 NGUYEN LY HOAT DONG

2.1 Nguyên lý hoạt động của mạch Lora

Hình 2.1: Nguyên lý Lora Nguyên lý hoạt động của LoRa (Long Range) là sự kết hợp giữa kỹ thuật Modulation

và Spread Spectrum Dưới đây là một giải thích về nguyên lý hoạt động của LoRa:

- _ Modulation (Biến Đổi Tín Hiệu): Chuỗi Bits: Dữ liệu cần truyền đi được biểu diễn

dưới đạng chuỗi bits (0 va 1) Modulation: Truéc khi truyền, các bits này được biến đôi thành các tín hiệu điện tử tương ứng, thường là cac song RF (Radio Frequency)

đề truyền qua không gian Phố Tần Số (Frequency Shift Keying - FSK): LoRa sử dụng kỹ thuật FSK để biến đôi các bits thành các tín hiệu sóng radio Trong FSK, các bits được biêu diễn bằng các tín hiệu sóng với hai tần số khác nhau (ví dụ: một tần số

cho bit 0 và một tần số khác cho bít 1)

- _ Spread Spectrum (Phô Mở Rộng): Phổ Mở Rộng: LoRa sử dụng kỹ thuật Spread Spectrum đề mở rộng phổ tần số của tín hiệu truyền đi, làm cho tín hiệu trở nên rộng hon so voi tin higu théng thuong Chirp Spread Spectrum (CSS): Trong LoRa, str dụng kỹ thuật Chirp Spread Spectrum, mét dang cia Spread Spectrum, trong đó tín

12

hiệu được biến đổi thành các chirp signal - tín hiệu có tần số tăng hoặc giảm theo thời gian Ưu Điểm: Phố mở rộng giúp tăng khả năng chồng nhiễu và tăng phạm vi truyền dẫn so với các kỹ thuật truyền thông truyền thống

-_ Lợi Ích của LoRa: Phạm Vi Truyền Dẫn: Kỹ thuật Spread Spectrum va Chirp Spread Spectrum cho phép LoRa truyền dữ liệu qua các phạm vi xa mà không cần đến một

hạ tầng mạng phức tạp Tiết Kiệm Năng Lượng: LoRa tiêu thụ năng lượng thấp, làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng yêu câu tuôi thọ pin cao như loT Khả Năng Xuyên Phá: Tín hiệu LoRa có khả năng xuyên qua các vật cản như tường và cau tric, làm cho nó phù hợp cho việc triển khai trong môi trường đô thị và công nghiệp

2.1 Nguyên lý hoạt động đấy dữ liệu lên Firebase sir dung REST API

@ Post data Through REST API

Hình 2.2: Nguyên lý REST API

Firebase là một nền tảng địch vụ đám mây do Google cung cấp, giúp các nhà phát triên xây dựng và triển khai các ứng dụng web và di động một cách nhanh chóng và dễ dàng Firebase cung cấp một loạt các dịch vụ, từ cơ sở đữ liệu, lưu trữ tệp, xác thực người dùng, đến phân tích và quảng cáo, giúp nhà phát triển tập trung vào việc xây dựng trải nghiệm người đùng mà không cần phải lo lắng về việc triển khai và quản lý cơ sở hạ tầng

13

Nguyên lý hoạt động của Firebase có thê được mô tả như sau:

- _ Tích hợp Dịch vụ Đám mây: Firebase cung cấp một loạt các dịch vụ đám mây, từ cơ

sở dữ liệu realtime, lưu trữ tệp, đến xác thực người dùng và thông báo đây Những dịch vụ này được tích hợp một cách nhất quán và đễ dàng đề sử đụng cho việc phát trién img dung

- API va SDK: Firebase cung cap cac API va SDK (Software Development Kit) cho nhiều nền tảng phát triển, bao gồm JavaScript, iOS, Android và nền tảng phát triển web khác Điều này giúp cho việc tích hợp và sử dụng các dịch vụ của Firebase trở nên đễ dàng cho các nhà phát triền

- _ Quản lý Người dùng: Firebase cho phép nhà phát triển quản lý người dùng của ứng dụng, bao gồm xác thực người dùng thông qua đăng nhập bằng email, số điện thoại, hoặc tài khoản mạng xã hội Điều này giúp tạo ra trải nghiệm người đùng cá nhân hóa

và bảo mật

- _ Quản lý Dữ liệu: Firebase cung cấp cơ sở đữ liệu realtime, cho phép dữ liệu được đồng bộ ngay lập tức trên tất cả các thiết bị và người dùng Điều này giúp xây dựng các ứng dụng tương tác theo thời gian thực

- _ Phân tích và Theo dõi: Firebase cung cấp các công cụ phân tích mạnh mẽ để theo dõi

và phân tích sự tương tác của người dùng với ứng dụng Điều này giúp nhà phát triển hiệu rõ hơn về người dùng và cải thiện trải nghiệm của họ

REST API (Representational State Transfer Application Programming Interface) la một tiêu chuẩn thiết kế cho việc truy cập và tương tác với các dịch vụ web Nguyên lý hoạt động của REST API được mô tả dưới đây:

- Kién Truc Client-Server: REST API sử đụng mô hình client-server, trong đó các yêu cầu được gửi từ phía client (ứng đụng hoặc thiết bị) đến server, và server phản hồi lại với các phản hồi tương ứng

- - Giao thức HTTP: REST API sử dụng giao thức HTTP để truyền đữ liệu giữa client và server Các yêu cầu (request) được gửi bằng cách sử dụng các phương thức HTTP

14

nhu GET, POST, PUT, DELETE, va cac phan héi (response) được trả về đưới dạng cac ma trang thai HTTP nhu 200 OK, 404 Not Found, va 500 Internal Server Error Tai Nguyén va Dinh Danh (Resource and URI): REST API str dung cac tai nguyén (resource) dé dai dién cho cac déi tượng hoặc dữ liệu trong hệ thống Mỗi tài nguyên được định danh bằng một URI (Uniform Resource Identifier), cho phép client truy cập và tương tác với tài nguyên thông qua URI đó

Thao Tác Trên Tài Nguyên (CRUD Operations): REST API hỗ trợ các thao tác cơ bản trên tài nguyên như tạo (Create), doc (Read), cap nhat (Update), va xoa (Delete), được biều diễn thông qua các phương thức HTTP tương ứng: POST, GET, PUT, DELETE

Không Trạng Thái (Stateless): REST API là không trạng thái, có nghĩa là mỗi yêu cầu

từ client đều đủ thông tin cần thiết để server hiểu và xử lý yêu cầu đó Server không cần lưu trạng thái của client giữa các yêu cầu

Phản Hồi Dữ Liệu (Data Format): Dữ liệu được truyền giữa client và server thông qua REST API thường được biểu diễn bằng các định dạng đữ liệu như JSON (JavaScript Object Notation) hoặc XML (eXtensible Markup Language), nhằm đảm bảo tính di động và linh hoạt

Tính Độc Lập Với Giao Diện Người Dùng (UD: REST API là độc lập với giao diện người dùng, nghĩa là có thê được sử dụng bởi bất kỳ loại ứng dụng nào, bao gồm ứng dụng web, ứng dụng di động, hoặc các dịch vụ backend khác

15

L U1 VIN

Hình 3.1: Sơ đồ mạch thu

16