Bài tập lớn iot và ứng dụng chủ Đề hệ thống cảnh báo mực nước

Một số loại thiết bị loT phổ biến bao gồm: - Wearable devices - Smart home devices - Industrial loT devices - Smart appliance devices - Connected Vehicle Chức năng của các thiết bị loT t

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIÊN THÔNG

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

BÀI TẬP LỚN IOT VÀ ỨNG DỤNG CHU DE:HE THONG CANH BAO MUC NUOC DANH SACH THANH VIEN:

NGUYEN THI QUYNH-B21DCCN647

A_LY THUYET

Chuong 4:Thiét Ké Hé Théng loT

1 Thiét ké vat ly

Kiến thức về thiết kế vật lý rất quan trọng đề lựa chọn các thiết bị và cảm biến phù hop,

đảm bảo tích hợp liền mạch và tối ưu hóa các tùy chọn kết nối trong các hệ thống loT

Nó cho phép các chiến lược tiết kiệm năng lượng, hỗ trợ điện toán biên và tăng cường

độ tin cậy cũng như khả năng chống chịu thông qua các cơ chế dự phòng và khắc phục

sự cố Kiến thức này đảm bảo các hệ sinh thái loT mạnh mẽ, hiệu quả và đáng tin cậy

a.Thiết bị và cảm biến

Các thiết bị loT bao gồm một loạt các đối tượng vật lý được kết nối với internet và giao

tiếp với nhau Một số loại thiết bị loT phổ biến bao gồm:

- Wearable devices

- Smart home devices

- Industrial loT devices

- Smart appliance devices

- Connected Vehicle

Chức năng của các thiết bị loT thay đổi tùy theo mục đích sử dụng, nhưng các tính năng

phổ biến bao gồm thu thập dữ liệu, điều khiển và giám sát từ xa, tự động hóa, và kết nói

với các thiết bị khác hoặc nền tảng đám mây

b.Kết nối mạng lưới trong hệ thống loT

Các giao thức truyền thông rất quan trọng đề các thiết bị loT trao đổi dữ liệu và thông

tin Một số giao thức thường được sử dụng trong loT bao gồm:

Kết nối không dây là một khía cạnh quan trọng của loT, mang lại sự linh hoạt và di động

Một số tùy chọn kết nối không dây phổ biến được sử dụng trong các thiết bị loT bao

Mặc dù kết nối không dây phổ biến trong loT, cũng có những trường hợp kết nếi có dây

được ưa chuộng vì tính tin cậy và ổn định của nó Một số tùy chọn kết nối có dây phổ

chức năng, khả năng xử lý và nhu cầu truyền thông của chúng Các thiết bị loT thường

được chia thành hai loại:

- Battery-powered devices

- Line-powered devices

Kéo dài tuổi tho pin là điều quan trọng đối với nhiều thiết bị loT để đảm bảo hoạt động

liên tục và giảm thiểu bảo trì Các thiết kế tiết kiệm năng lượng cho các thiết bị loT có

Thiết kế logic của một hệ thống loT bao gồm việc tạo ra một mô hình trừu tượng của các

thực thể và quy trình, tránh xa các đặc tả triển khai chỉ tiết

Nó dựa trên việc sử dụng các Khối chức năng, Mô hình truyền thông và Giao diện lập

trình eng dung (API) truyền thông để thiết lập một hệ thống hoạt động hiệu quả

a.Các khối chức năng của hệ thống loT

Tóm lại, một hệ thống hoặc ứng dụng loT bao gồm các khối chức năng khác nhau, mỗi

khối góp phần vào hoạt động chung của hệ thống Mỗi khối thực hiện các chức năng cụ

thể, từ điều khiển thiết bị và truyền thông đến cung cấp dịch vụ, tương tác với người

dùng, quản lý hệ thống và thực thi an ninh

b.Các mô hình trao đổi thông tin

3.Cac cấp độ hệ thống loT

-Level 1:

Ở cấp độ này, tất cả các thành phần được triển khai cục bộ.Không có bắt kỳ đám mây hay

mạng bên ngoài nào tham gia vào quá trình này

Vi du: Smart Home

Ở cấp độ này, tất cả các thành phần được triển khai cục bộ, ngoại trừ các máy chủ Cac

máy chủ được triển khai trên cloud hoặc mạng bên ngoài

4 Các Bước Thiết Kế Hệ Thống loT

Phương pháp thiết kế hệ thống loT bao gồm:

“Mục đích & Yêu cầu

-Đặc tả kỹ thuật chế độ xem chức năng

*Dac ta kỹ thuật xem hoạt động

»Tích hợp thiết bị và linh kiện

«Phát triển ứng dụng

ne the use cases

Domain Model Specification Define Physical Entities, Virtual Entities, Devices, Resources and Services in the loT system

Define the structure (e.g relations, attributes) of all the information in the loT system

Map Process and Information Model to services and define service specifications

Define the loT level for the system

Map loT Level to functional groups

Integrate devices, develop and integrate the components

Develop Applications a.Phân tích yêu cầu

- Bước đầu tiên trong phương pháp thiết kế hệ thống loT là xác định mục đích và yêu

cầu của hệ thống

- Ở bước này, mục đích, hành vi và yêu cầu của hệ thống (như yêu cầu thu thập dữ

liệu, yêu cầu phân tích dữ liệu, yêu cầu quản lý hệ thống, yêu cầu về quyền riêng tư và

bảo mật dữ liệu, yêu cầu giao diện người dùng, .) đều được ghi lại

b.Đặc tả tiến trình

Bước thứ hai trong phương pháp thiết kế loT là xác định đặc tả tiến trình Trong bước

này, các trường hợp sử dụng của hệ thống loT được mô tả chính thức dựa trên và bắt

nguồn từ mục đích và thông số kỹ thuật yêu cầu

c.Đặc tả mô hình miền

Mô hình miền mô tả các khái niệm, thực thể và đối tượng chính trong miền của

hệ thống loT sẽ được thiết kế

- Mô hình miền xác định các thuộc tính của đối tượng và mối quan hệ giữa các đối

tượng Mô hình miền cung cấp sự trình bảy trừu tượng về các khái niệm, đối tượng và

thực thể trong miễn loT, độc lập với bắt kỳ công nghệ hoặc nên tảng cụ thể nào

- Với mô hình miền, người thiết kế hệ thống loT có thể hiểu được miền loT mà hệ

thống sẽ được thiết ké

d.Đặc tả mô hình thông tin

- Mô hình thông tin xác định cấu trúc của tất cả thông tin trong hệ thống loT, ví dụ: các thuộc

tính của Thực thê ảo, các mối quan hệ, v.v

- Mô hình thông tin không mô tả chỉ tiết cụ thể về cách thông tin được biểu diễn hoặc lưu

Thông số kỹ thuật dịch vụ xác định các dịch vụ trong hệ thống IoT, loại dịch vụ, đầu vào/đầu

ra dịch vụ, điểm cuối dịch vụ, lịch trình dịch vụ, điều kiện tiên quyết của dịch vụ và hiệu ứng

- Mỗi nhóm chức năng cung cấp các chức năng đề tương tác với các đối tượng được

xác định trong mô hình miền hoặc cung cấp thông tin liên quan đến các đối tượng này

Tự Động Hóa Nhà Thông Minh

Chúng ta sẽ đưa ra ví dụ về phân tích thiết kế và xây dựng một ứng dụng

đơn giản cho nhà thông minh

Phân tích yêu cầu

Ví dụ của về hệ thống tự động hóa nhà thông minh, mục đích và yêu cầu đối với hệ thống

có thể được mô tả như sau:

“Mục đích: Một hệ thống tự động hóa gia đình cho phép điều khiển đèn trong nhà từ

xa bằng ứng dụng web

«Hành vi : Hệ thống tự động hóa gia đình sẽ có chế độ tự động và thủ công

Ở chế độ tự động, hệ thống đo mức độ ánh sáng trong phòng và bật đèn khi trời tối

Ở chế độ thủ công, hệ thống cung cấp tùy chọn bật/tắt đèn bằng tay và từ xa

-Yêu cầu quản lý hệ thống: Hệ thống cần cung cấp chức năng giám sát và điều khiển

từ xa

*Yéu cầu phân tích dữ liệu: Hệ thống phải thực hiện phân tích dữ liệu cục bộ

*Yêu cầu triển khai ứng dụng: Ứng dụng phải được triển khai cục bộ trên thiết bị

nhưng có thể truy cập được từ xa

Yêu cầu bảo mật: Hệ thống phải có khả năng xác thực người dùng cơ bản

Process Specification

Mode Service: Sets mode to auto or

; manual or retrieves the current mode

N

`

\ State Service: Sets the light

\ appliance state to on/off or retrieves the current light state

Controller Service: in auto mode, the controller service monitors the light level

and switches the light on/off and updates the status in the status database

In manual mode, the controller service, retrieves the current state from the

database and switches the light on/off

hes Output

lượn hos Schedule

bas Service Endpoint has Input

Đặc tả thành phần chức năng

nt ì end protest) f6 | Web Services ,

4 Web Services mapto 5 Dat 6 Appl Services FG (web services) (database management) and Security FG application, and database servers),

(Gatabase secunty) Management FG (app management) and

Security FG (apps ecurity)

Đặc tả thành phần hoạt động

Actuator: Relay Switch

Tich hop thiét bi

B_Hé théng

I.Giới thiệu tổng quan

Hệ thống cảnh báo mực nước dựa trên loT sử dụng cảm biến siêu âm là một ứng dụng

công nghệ cao nhằm giám sát mực nước trong các bề chứa, hồ đập, bồn nước hoặc các

khu vực cần theo dõi mức nước liên tục và chính xác Hệ thống này ứng dụng cảm biến

siêu âm dé đo khoảng cách từ bề mặt nước đến cảm biến, từ đó xác định mức nước thực

tế Dữ liệu này được xử lý bởi một bộ điều khiển trung tâm, chẳng hạn như ESP32 hoặc

Arduino, và sau đó truyền tải qua mạng internet đến một ứng dụng hoặc giao diện giám sát

trực tuyến

Kết hợp với công nghệ Internet of Things (IoT), hệ thống có khả năng gửi thông báo trực

tiếp đến người dùng qua các thiết bị di động hoặc máy tính khi mực nước đạt đến các mức

quan trọng như THẤP hoặc ĐẦY Điều này không chỉ giúp người dùng dễ dàng theo dõi

trạng thái mực nước từ xa mà còn đưa ra cảnh báo kịp thời, tránh tình trạng tràn nước hay

cạn kiệt nước gây ảnh hưởng đến hoạt động sản xuất hoặc sinh hoạt

1.Mục đích xây dựng

động, giúp theo dõi mức nước trong các bễ chứa, hồ đập, và các khu vực cần kiểm

soát mực nước một cách liên tục, từ đó nâng cao hiệu quả quản lý nguồn nước

e_ Cảnh báo mực nước thấp và đầy: Phát triển khả năng cảnh báo tức thời khi mực

nước đạt đến các ngưỡng nguy hiểm như quá thấp hoặc tràn đầy, từ đó ngăn ngừa

các sự cố không mong muốn như thiếu nước hoặc tràn nước, đảm bảo an toàn và

giảm thiểu rủi ro trong các hệ thống chứa nước

Ứng dụng công nghệ loT để giám sát từ xa: Tận dụng Internet of Things (loT) dé

truyền tải dữ liệu mực nước theo thời gian thực, cho phép người dùng theo dõi từ xa

qua điện thoại hoặc máy tính, từ đó dễ dàng quản lý nguồn nước mà không cần phải

có mặt tại chỗ

Tiết kiệm chỉ phí và nhân lực: Hệ thống tự động giúp giảm thiểu nhu cầu kiểm tra thủ

công, tiết kiệm thời gian và nhân lực trong việc giám sát và quản lý mực nước, đồng

thời giảm thiểu chỉ phí liên quan đến việc vận hành và bảo trì

Hỗ trợ quản lý nước bền vững: Việc giám sát và thu thập dữ liệu mực nước liên tục

giúp xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ cho việc phân tích và dự đoán xu hướng mực

nước, hỗ trợ quản lý tài nguyên nước hiệu quả hơn và bền vững hơn

Nâng cao kỹ năng thực hành công nghệ loT và cảm biến: Tạo cơ hội để người thực

hiện đề tài nâng cao kiến thức và kỹ năng về thiết kế, lập trình hệ thống loT, cách sử

dụng và tích hợp cảm biến siêu âm vào hệ thống thực tế, chuẩn bị cho các ứng dụng

loT đa dạng trong tương lai

EE:68/682)(Sehg6rVE A01 co ) GPI036

(RT€_GPIĐ3 Ì( sensor VN Ì ADC1 CH3 ` GPIO39

[ffE/6PiØ82) ADC1 cHc ) GPIO34 [f(6fiØ53) ApcicH; ` GPIO35

ime

[Ấf€ 6ffØ5)( TöUcHs ` ( Aoci cn4 }/ GPIO32 GPIO19

(TE-GPIO8-)( TOUCH8 )( ADC1 CHš )“ GPIO33 GPIO18 ]( VSPIeCIK }

( RIC_GPlOS )(_ Š]([ADC2CHẽ ) ( GPID25 GPIOS )(CWSPICS0 )

“RTC_GPIO7 )[_ 5ˆ^( ADC2 cH9 ) [ GPIO26 GPIOI7 |{ UART 2 TX )

[ESBØIˆ)( TöUcH7 )( Aoca ca? )[ cPlo27 | MACE MMC 71 1: bể P0216 }[ VART2 RX )

(f€6ffØf8 ]( HSPI cụ `) TOUEH6 ')( ADc2 cHó )“ GPIO14 GPIO4 ]Í ADC2 cHo )( TOUCHĐ —) (GRf.GPiOIØ.)

[Cf@ffS- ) ( HsPt MISO Ì(TØUEHS `) ADc2 cH5 | GPIO12

(C6PØIE-)Í HsPI MOSI Ì(ˆ TOUCH4 —) ( ADC2 CH4 ] GPIO13

a

GPIO2 GPIO15

ADC2 CH2 |[ TOUCH2 | (URTEIGROI2))

ESP32 CH340 30P là một phiên bản của ESP32 sử dụng chip USB-to-Serial

CH340, 30 chân pin, giúp dễ dàng kết nối với máy tính thông qua cổng USB để

lập trình và giao tiếp

+Thông số kỹ thuật :

e Vi xử lý có chip là ESP32-D0WDQ6 hoặc ESP32-D0WD, dựa trên kiến

trúc Xtensa 32-bit LX6 dual-core, có xung nhịp từ 80MHz đến 240 MHz

e BO nho RAM: 520 Kb

e Giao thức : UART, SPI, I2C

e Kết nếi : Chuẩn Wifi 802 11 b/g/n ; Bluetooth ( v4.2 BR/EDR va BLE)

e IC CH340: Được sử dụng đề chuyền đổi giao tiếp USB sang UART, giúp

kết nối dễ dàng với máy tính qua USB để lập trình

e Có 30 chân pin, hỗ trợ cầu hình đa chức năng :

o Hỗ trợ 18 kênh ADC với độ phân giải 12-bit, cho phép chuyền đồi

chính xác tín hiệu tương tự thành tín hiệu só

© Cung cấp 2 kênh DAC với độ phân giải 8-bit, cho phép chuyền đổi tín

hiệu số thành tín hiệu tương tự, hỗ trợ các ứng dụng âm thanh và điều

khiển thiết bị

© Trang bị 10 chân cảm ứng chạm, cho phép thiết kế giao diện người dùng

trực quan và thân thiện

e Giao tiếp ngoại vi qua GPIO và các giao thức I2C, SPI, UART để thu thập

dữ liệu từ cảm biến hoặc điều khiển các thiết bị

e Quản lý điện năng hiệu quả với các chế độ tiết kiệm năng lượng, đặc biệt

cho các ứng dụng loT chạy bằng pin

+Cac chan cua EPS32:

e VIN: Chân nguồn cấp điện trực tiếp cho bo mạch khi không dùng qua

USB, có thể cung cấp 5V đến 12V

e GND: Chân nối đắt, nối với các thiết bị ngoại vi

e 3.3 V : Chân cấp nguồn 3.3V cho các cảm biến hoặc thiết bị ngoại vi

e EN: Chân kích hoạt (Enable) để bật nguồn hoặc chuyển sang chế độ tiêu

thụ ít năng lượng (bật/tắt ESP32)

e BOOT: Chân để xác định chế độ khởi động, được sử dụng trong quá trình

lập trình

e USB: Cổng USB được sử dụng đẻ kết nối board voi may tinh dé lập trình

và cung cấp nguồn

+Cách giao tiếp với cảm biến : ESP32 có thể giao tiếp với các cảm biến thông qua

các chuẩn giao thức như I2C, SPI, UART hoặc thông qua các chân analog/digital

e Giao tiếp tín hiệu số : Sử dụng tín hiệu 0 - 1 tương ứng với LOW - HIGH

đề truyền tải thông tin

e Giao tiếp analog : Cảm biến analog xuất ra tín hiệu điện áp tương tự, thay

đổi liên tục dựa trên giá trị đo được (như nhiệt độ, độ ảm) ESP32 có thể

đọc giá trị này qua các chân ADC (Analog to Digital Converter), chuyén

đổi tín hiệu analog thành giá trị số mà ESP32 có thể xử lý

e Giao tiếp thông qua các giao thức như I2C, UART, SPI

-Cảm biến siêu âm chống nước SR04M