Báo cáo bài tập lớn thực hành cơ sở Đề tài nghiên cứu và thử nghiệm thiết bị Đo khoảng cách và âm thanh dùng raspberry pi 4

Mô hình IoT IoT Internet of Things là một mô hình trong công nghệ thông tin và truyền thông mả các thiết bị vật lý được kết nỗi với Internet và có khả nang giao tiép va trao đổi dữ liệu

Trương Quang Dũng - B2IDCDT077 Nguyễn Minh Trung - B2IDCDT226 Nhóm BTL: 03

Nhóm học: 06 - Giáng viên: TS.Nguyên Đức Minh

Hà Nội - 2024

Muc Luc

NHAN XET VA DANH GIA

LOI NOI DAU

CHUONG I: TONG QUAN VE DE TAI

1 M6 Win Looe cee ceccceccecceccscecseeseeseessesssesecssessesssessesseseesesesissesseesensenssesieseesenseesees 4

KEIVAI o8 dsa.:iiiiiiiiaddảảảyỶ § 3.2 Module ADSU115 :đtỶ£Ỷ£ỶỶỶẦỶẦỶI 10 3.2.1 — Téng quan ADSILIS oo cicccccccccccccssessessesesseesessessessesesstssnseesesesenesenees 10 3.2.2 I0 on nHẢÝÝỶÝỶÝỶÝ 10 3.2.3 Sơ đồ chân ADSIIIS5 s.Sn T nEEn1H 11212121 1x re rag 11 3.2.4 Sơ đồ khối chức năng ADSI1I5 -5- c2 1 SE1E1112212.1xe re ll

3.3 Module MQ2 0c n1 HH1 212 2112121 g re l6 3.3.1 gu ịyyỲảäảảỶ 16 3.3.2 I0 on nHẢÝÝỶÝỶÝỶÝ l6 3.3.3 Cau tao Module MQ2 0 ccccccccssessssessesessesecsesscsessesessesessesesseseeseseeseceeees 17

3.4 Module Cam biến ánh Sáng quang trở - ác 1220112 1121111211111 e2 19

NHAN XET VA DANH GIA

LOINOI DAU

Trong dé tai nay, str dung Raspberry Pi Model b kết hợp với cảm biến Hc-sr04

và Ky-038 Em sẽ trình bày chi tiết về quá trình phát triền` ứng dụng của chung em,

Em cũng sẽ trình bày về các tính năng mà ứng dụng của chúng em cung cấp,

như hiển thị thông tin thời tiết theo vị trí địa lý, cảnh báo thời tiết, đồ thị thời tiết và

nhiều tính năng khác Ngoài ra, emcũng sẽ đánh giá hiệu suất của ứng dụng và cung

cấp những đánh giá và kết luận về đề tài nảy

Với đề tài nảy, em mong muốn đóng góp cho cộng đồng bằng cách cung cấp

một công cụ hữu ích giúp mọi người tiếp cận thông tin thời tiết chính xác và đầy đủ

Chúng em chân thành cảm ơn thầy TS Nguyễn Đức Minh đã trực tiếp hỗ trợ và chỉ dẫn chúng em trong quá trình nghiên cứu Sự quan tâm, tận tâm và sự hướng dẫn tận tình của thầy TS Nguyễn Đức Minh đã giúp chúng em hoàn thành đề tài nghiên cứu một cách hiệu quả hơn Một lần nữa, chúng em xin chân thành cảm ơn

CHUONG I: TONG QUAN VE DE TAI

1 Mô hình IoT

IoT (Internet of Things) là một mô hình trong công nghệ thông tin và truyền thông mả các thiết bị vật lý được kết nỗi với Internet và có khả nang giao tiép va trao đổi dữ liệu với nhau và với hệ thống thông tin khác ma không cần sự tương tác của

Con người

Một mô hình cơ bản của loT bao gồm

- Thiết bị cảm biến (Sensor Devices): Đây là các thiết bị được trang bi cac cam bién

để thu thập dữ liệu từ môi trường xung quanh Ví dụ như cảm biến nhiệt độ, cảm biến ánh sáng, cảm biến độ âm, v.v

- - Thiết bị kết nối (Connectivity Devices): Các thiết bị nay giup truyền dữ liệu từ các

cảm biến đến các hệ thống lưu trữ và xử lý Chúng có thể sử dụng nhiều công nghệ kết

nối như Wi-Ei, Bluetooth, Zipbee, LoRa, v.v

- Nén tang phan mềm (Software Platform): La phần mềm hoặc hệ thông dùng dé

quản lý dữ liệu và điều khiên các thiết bị loT Nền tảng này thường bao gôm các thành

phần như cơ sở đữ liệu, máy chủ, giao diện người đùng và các dịch vụ phần mềm khác

- Phan mém xt ly va phan tich dit liéu (Data Processing and Analytics Software): Các dữ liệu thu thập từ các thiết bị loT thường được xử lý và phân tích để trích xuất

thông tin hữu ích Các công nghệ như trí tuệ nhân tạo (AI), machine learning (Học

máy), và các thuật toán phân tích dữ liệu được áp dụng trong quá trình này

dụng hoặc giao diện người dùng cuôi được sử dụng dé tương tác với hệ thống IoT,

Chúng giúp người dùng kiểm soát và theo dõi các thiết bị, cũng như nhận thông báo vả

báo cáo từ dữ liệu thu thập được

Mô hình IoT này thường được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như nhà thông minh, y tế, công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, và nhiều lĩnh vực khác để cải thiện hiệu quả và tạo ra giá trị mới từ dữ liệu thu thập được từ các thiết bị kết nối

2 Giới thiệu giao thức

2.1 Giao thức I2C

Giao tiếp I2C (Inter-Inteprated Circuit) là một giao thức truyền thông dùng

để kết nối các thiết bị điện tử trong một hệ thống Nó được sử dụng dé truyén dữ liệu gitra cac vi diéu khién, cảm biên, bộ điều khiến, và các thành phân điện tử khác

Giao tiếp I2C sử dụng hai dây truyền thông chính:

- SDA (Serial Data): Dung dé truyén dữ liệu giữa các thiết bị ;

- SCL (Serial Clock): Dung dé dong bé hoa tín hiệu và xác định tốc độ truyền dữ liệu

_ Trong giao tiếp I2C, các thiết bị được gắn kết với nhau thông qua địa chỉ duy

nhật Môi thiệt bị có một địa chỉ I2C riêng, cho phép các thiệt bị truyền và nhận dữ liệu một cách đồng thời và độc lập

Quy trình giao tiếp I2C thông thường bao gồm các bước sau:

1 Khởi tạo giao tiếp I2C bang cach thiét lập các tín hiệu SDA và SCL ở trạng thái ban đầu

Gửi tín hiệu START để bắt đầu quá trình truyền thông

Gửi địa chỉ thiết bị mà bạn muốn truyền dữ liệu đến

Gửi dữ liệu hoặc yêu cầu đữ liệu từ thiết bị

Các thiết bị trao đôi đữ liệu qua các tín hiệu SDA và SCL

6 Gui tin higu STOP dé két thúc quá trình truyền thông

Giao tiếp I2C có nhiều ưu điểm như sử dụng ít dây truyền thông, hỗ trợ nhiều thiết bị trong một mạch duy nhất, và khả năng truyền dữ liệu theo hướng hai chiều Nó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng nhúng, IoT, và các hệ thông điện tử khác

2.2 Giao thức HTTTP

HTTP (Hypertext Transfer Protocol) là một giao thức truyền tải dữ liệu trên mạng Nó được sử dụng để truyền thông giữa máy khách (client) và máy chủ (server) trén Internet HTTP cho phép truyền tải các tài liệu dưới dạng HTML, hình ảnh, âm thanh, video, và các loại dữ liệu khác

Khi một máy khách yêu cầu truy cập một trang web hoặc tài nguyên từ máy chủ, nó gửi một yêu cầu HTTP đến máy chủ Yêu cầu này bao gồm các phương thức

như GET, POST, PUT, DELETE, và HEAD để chỉ định hành động cụ thể mà máy

khách muốn thực hiện

Máy chủ nhận yêu cầu từ máy khách và trả về một phản hồi HTTP chứa dữ

liệu được yêu cầu hoặc thông báo lỗi tương ứng Phản hồi này có thê có các mã trạng thái như 200 OK (thành công), 404 Not Found (không tìm thấy), 500 Internal Server Error (lỗi máy chủ), và nhiều mã khác để chỉ định trang thái của yêu cầu

Server Web server HTTP Request Message 2

Phương thức truyền tải dữ liệu

HTTP cũng hỗ trợ các khái niệm như cookie (lưu trữ thông tin trên máy

khách),

session (duy tri trang thái trên các yêu cầu liên tiếp), và các tiêu dé (header) dé truyền tải các thông tin bố sung như ngôn ngữ ưu tiên, kiểu dữ liệu mong đợi, và thông tin xác thực

HTTP hiện có hai phiên bản chính là HTTP/1.1 và HTTP/2, với HTTP/2

cung

cấp hiệu suất và tốc độ truyền tải đữ liệu tốt hơn so với phiên bản trước đó

HTTP là giao thức cốt lõi của web và đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải đữ liệu và xây dựng ứng dụng web

ee Database

HTTP Protocol

Cau tric co ban cua 1 ung dung web

3 Giới thiệu đặc tính các linh kiện

3.1 Raspberry Pi 4

3.1.1 Tong quan Raspberry Pi 4 Raspberry Pi 4 là một trong những mô-đun vi xử lý nhúng (SoC) được phát

triển bởi Raspberry Pi Foundation Được ra mắt vào tháng 6 năm 2019, Raspberry Pi4

là phiên bản cập nhật mạnh mẽ của dòng sản phâm Raspberry Pi, với nhiều cải tiến về hiệu suất và tính năng so với các phiên bản trước đó

3.1.2 Thông số kỹ thuật

- BO xu ly (Processor): Raspberry Pi 4 str dung chip Broadcom BCM2711, mot chip ARM Cortex-A72 lõi tứ 64-bit chay 6 toc độ 15 GHz So VỚI các phiên bản trước đó, việc sử dụng chip Cortex-A72 mang lại hiệu suât tăng đáng kê

- RAM: Raspberry Pi 4 co cac phién ban voi RAM tu 2GB đến §GB, cung cấp nhiều lựa chọn cho người dùng tùy thuộc vào yêu câu của dự án cụ thê

- Công kết nối (Connectivity): Raspberry Pi 4 có céng Gigabit Ethernet, công USB 3.0, cong USB 2.0, công HDMII hỗ trợ độ phân giải lên đến 4K, công âm thanh 3.5mm, công kết nội camera và display ribbon, và công microSD cho việc lưu trữ đữ liệu

- _ Kết nối không dây (Wireless Connectivity): Raspberry Pi 4 hỗ trợ Wi-Fi 802 1lac (2.4GHz va 5GHz) va Bluetooth 5.0, giup ket noi không dây dễ dàng với các mạng và

odes

T 7 T—— 7 ¬ -

spIMOsI @Ploo © @ [NET

§PIMSO 6Po? @®(Ö eposs

$Isk 6Plon @®® 6Pos sricro

3.2 Module ADS1115

3.2.1 Téng quan ADS1115 Module ADS1115 là một module chuyên đôi tín hiệu analog sang digital (ADC) được sản xuất bởi Texas Instruments Nó cho phép việc đo đạc chính xác các tín hiệu analog và chuyên đổi chúng thành dạng số đề xử lý bằng các vi điều khiến, vi

xử lý hoặc các thiết bị khác có khả năng xử ly dữ liệu kỹ thuật sô

PIN | NAME TYPE Mô tả

1 ADDR Digital Input Chọn địa chỉ 12c slave

4 AIN0 Analog input Analog channel 0

5 AINI Analog input Analog channel 1

6 AIN2 Analog input Analog channel 2

7 AIN3 Analog input Analog channel 3

2 ALERT/RDY Digital output Dau ra so sanh

10 SCL Digital input Dau vao clock

9 SDA Digital I/O Truyên nhận dữ liệu

Module ADS115 1a b6 chuyên đổi tín hiệu tương tự thành kỹ thuật số, có độ

phân giải 16 bịt bao gôm lối A3> ADC với tham chiêu điện áp bên trong, bộ tạo dao

động xung nhịp và giao diện I2C, ADS1115 cũng tích hợp bộ khuếch đại có thể lập trình và bộ điều khiến kỹ thuật số, Lõi ADC ADSIII5 đo tín hiệu vi sai, các lõi

chuyền đổi bao gồm một bộ điều biến AS tụ điện vi sai, tiếp theo là một bộ lọc kỹ thuật số Tín hiệu đầu vào được so sánh với tham chiếu điện áp bên trong

ADS1115 chứa 1 bộ vào ghép kênh, bốn đầu đơn hoặc hai đầu tín hiệu, AIN0

và AINI có thể được đo khác với AIN3, các bộ chép kênh được cầu hình bởi các thanh ghi cầu hình, khi một đầu tín hiệu được đo, đầu vào của ADC sẽ được kết nối đất bởi

m6t switch bén trong bộ ghép kênh

12

ANpgO——⁄£ o-O o7Vv Equivalent M

2ZDIFF S4 S2 =>

Ton ÍMOD = 250 kHz CM

Đầu vào tương tự

ADS1115 str dung tụ điện chuyển mạch trong đó tụ điện được sạc liên tục và

sau đó phóng điện dé do điện áp giữa AINP vả AINN Tần số lấy mẫu tín hiệu đầu vào

1 MHz được chia tiếp theo hệ số 4 để tao ra {MOD 6 tan s6 250 kHz

3.2.5 Truy cập thanh ghi module ADS1115 qua I2C

Để truy cập vào một thanh ghi cụ thể từ ADS111x, trước tiên chủ phải viết

một giá trị thích hợp đề đăng ký bít con tro dia chi P[1:0] trong thanh ghi con trỏ địa

chỉ Thanh phi con tro dia chỉ được phi trực tiếp sau byte dia chi slave, bit R/W thap va xác nhận slave thanh công Sau thanh phi con trỏ địa chi duoc ghi, Slave thừa nhận và Master đưa ra điều kiện STOP hoặc START lặp lại

/(—————zm 3: Data Byte ————>|———z> 4: Data Byte ———ờ>

Ghi vào thanh ghỉ LDSII15

13

<< Frame 5: Data Byte 2 Read Register_——p|

Doe tie thanh ghi ADSIIS5 Figure 34 Address Pointer Register

| Wh W-0h W-0h W-0h W-0h W-0h W-0h

LEGEND: R/W = Read/Write; R = Read only; W = Write only; -n = value after reset

Table 6 Address Pointer Register Field Descriptions

00 : Conversion register

01 : Config register 10: Lo_thresh register 11: Hi_thresh register

Figure 35 Conversion Register

R-0h R-Oh R-Oh R-Oh R-Oh R-Oh R-0h

LEGEND: R/W = Read/Write; R = Read only: -n = value after reset

Module ADSIIIS sau khi nhận được giá tri Analog sẽ chuyển đôi sang

Digital và lưu vao thanh ghi Conversion, thanh ghi Conversion sé dugc update liên tục

DRI20) COMP MODE| COMP POL | COMP LAT 00MIP QUE[1i)]

RW-h RWÁh RW-h RIW.0h RIWe3h

LEGEND: RIW = Read/Write; R = Read only; -n = value after reset

- Bit 7:5: (SPS - Samples Per Second) dung đề cấu hình tý lệ đữ liệu (Data Rate) cua ADS1115 quyét dinh tốc độ mẫu dữ liệu được chuyển đổi từ tín hiệu analog sang dang sé

duy nhất

Amplifier) cua ADS1115 quyét định phạm vi đầu vào được khuếch đại

- Bit 14:12 Cac bit nay cau hình bộ phép kênh đầu vào

15

3.3 Module MQ2

3.3.1 Téng quan MQ2 Module cam bién khi sas MQ2 là một thiết bị điện tử được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của các khí dễ cháy như LPG, propane, hydro, metan và các hơi

dễ bắt lửa khác Nó được cấu tạo từ chất bán dẫn SnO2 có độ nhạy cao với các khí này Khi có khí gas xuất hiện, độ dẫn điện của SnO2 sẽ thay đổi, dẫn đến sự thay đôi điện áp đầu ra của module

Đèn báo nguôn Điêu chỉnh độ nhạy

=a]

PUR-LED

— Digital Output Analog Output Đèn báo tín hiệu D0

như khí CO, khí LPG, khí methane, khí Hydro, khói tiếp xúc với phần tử bên trong

cảm biến, làm cho các electron được giải phóng vào Thiếc Dioxide cho phép dong

điện chạy qua cảm biến một cách tự do

Khi được làm nóng, phần tử cảm biến sẽ tạo ra phản ứng hóa học với các khí tiếp xúc và làm thay đối điện trở của phan tử cảm biên Cảm biên MQ2 đo lường các biên đổi điện trở nảy và chuyền đôi chúng thành tín hiệu điện analog hoac Digital

a IC LM393

17

IC LM393 là một bộ so sánh điện áp kép được tích hợp trong một gói 8 chân

nhỏ gọn Nó bao gồm hai bộ so sánh độc lập, mỗi bộ có hai đầu vào:

* Pau vao không đảo ngược (V+): Nhận tín hiệu điện áp cần so sánh

« - Đầu vào đảo ngược (V-): Nhận điện áp tham chiêu đề so sánh với V+ Ngoài ra, mỗi bộ so sánh còn có một sô chân khác:

¢ Chan dau ra (Out): Phát ra tín hiệu điện áp cao (VCC) hoặc thấp (GND) tùy thuộc vào kết quả so sánh

‹ - Chân bù (Offset): Cho phép điều chỉnh điện áp bù cho bộ so sánh

‹ _ Chân nguồn (VCC và GND): Cung cấp nguồn điện cho IC

PIN DESCRIPTION

1 Chân đầu ra cua bé so sanh 1

2 | Chân đầu vảo âm của bộ so sánh 1

3 Chân đầu vào dương của bộ so sánh 1

4_ | Đất

5 Chân đầu vào dương của bộ so sánh 2

6 | Chân đầu vào âm của bộ so sánh 2

7 Chân đầu ra của bộ so sánh 2