HỆ THỐNG GIÁM sát và CẢNH báo mức độ ồn và ô NHIỄM KHÔNG KHÍ (có code)

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CẢNH BÁO MỨC ĐỘ ỒN VÀ Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT RF Radio Frequency LoRa Long Range Active UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 3/40 CHƯƠNG GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Mục đích Đề tài hệ thống giám sát cảnh báo mức độ ồn nhiễm khơng khí yêu cầu làm với mục đích thiết kế hệ thống đơn giản có khả đo lường độ ồn độ ô nhiễm môi trường sống xung quanh ta để phục vụ cho nhu cầu người Ở thời đại với phát triển gia tăng nhanh phương tiện giao thông đặc biệt Việt Nam tỉ lệ lưu thơng xe gắn máy xe giới, xe thô sơ cao, thành phố lớn ngày có lượng xe cộ đơng đúc lưu thơng đường, bên cạnh hối đời sống sinh hoạt người, đặc biệt khu dân cư, công trường xây dựng, khu chợ vấn đề nhiễm khơng khí tiếng ồn nghiêm trọng, nên việc chế tạo mơ hình hệ thống có khả đo đạc, phát cảnh báo để đưa phương pháp xử lý hạn chế tối đa độ ồn độ ô nhiễm môi trường mật thiết Một hệ thống giám sát cảnh báo phải có thơng số kỹ thuật, cách thức hoạt động cách mức ngưỡng cảnh báo riêng 1.1 Yêu cầu, thông số kĩ thuật Những thành phần cần có hệ thống giám sát cảnh báo cảm biến riêng biệt, phù hợp với chức hệ thống Đề tài đề tài độ ồn ô nhiễm yêu cầu đề tài đặt tìm hiểu kỹ lưỡng cảm biến liên quan đến đề tài Những cảm biến cần tìm hiểu đề tài cảm biến âm (Sound sensor), để hệ thống làm việc ổn định đưa lượng âm xác cảm biến âm cụ thể cảm biến max9812L tích hợp sẵn với amply khuếch đại âm Cảm biến nhiễm khơng khí (Dust sensor) cụ thể cảm biến đo độ bụi sharp GP2Y10, ngồi để hệ thống điều khiển cảm biến phải cần đến chip vi điều khiển, vi điều khiển cụ thể sử dụng đề tài Pic16f877a Các cảnh báo hiển thị giá trị cảm biến Hệ thống giám sát cảnh báo mức độ ồn nhiễm khơng khí ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 4/40 thiết kế lên linh kiện phù hợp, giá trị hiển thi đưa lên hình Lcd 20x4, cảnh báo linh kiện nhỏ đèn led còi hú buzzer Đề tài để đạt yêu cầu giám sát cảnh báo phải thiết kế mạch giám sát mức độ ồn nhiễm khơng khí khu vực đó, sau số liệu đo đưa lên Internet cụ thể giao diện web thingspeak, giao diện hiển thị liệu mức cảnh báo độ ồn ô nhiễm vượt mức cho phép Hệ thống cảnh báo giám sát độ ồn nhiễm khơng khí có thơng số là: Nguồn điện áp hoạt động từ – 9V, giá trị ngưỡng nồng độ bụi khơng khí lớn 300 (µɡ/m3) vượt ngưỡng gửi cảnh báo, độ ồn lớn 50 dB vượt ngưỡng cảnh báo Khối hệ thống tiến hành việc thu lấy thông tin liệu từ cảm biến sau đưa lên giao diện thingspeak, lưu trữ truy xuất lại liệu từ khứ 1.2 Phương pháp thực Phương pháp để thực đề tài ta cần phải thi cơng mơ hình mạch cứng vi điều khiển thực kết nối với cảm biến, sau lấy thơng tin liệu có từ cảm biến, thơng số mức độ ồn âm đơn vị dB độ ô nhiễm bụi có khơng khí đơn vị µg/m3 Hệ thống muốn nhận thông số liệu từ cảm biến đưa mức cảnh báo, ta cần có khối trung tâm để nhận tất liệu có từ khu vực đặt hệ thống để đẩy lên giao diện thingspeak sau thực việc giám sát xem xét để đưa giải pháp hạn chế khắc phục tốt Hệ thống giám sát cảnh báo mức độ ồn nhiễm khơng khí ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 5/40 CHƯƠNG THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 1.2 Sơ đồ hệ thống Đề tài hệ thống giám sát cảnh báo độ ồn ô nhiễm không khí đề tài thực theo hướng IoT (Internet of Things), đề tài mà làm theo hướng IoT có điểm chung thu thập liệu từ cảm biến, gửi liệu lên giao diện web, nhận cảnh báo giám sát từ xa, hệ thống điều khiển thiết bị, cảm biến từ xa giao diện web Các hệ thống để đáp ứng yêu cầu phải lắp đặt, thiết kế bao gồm nhiều khối riêng biệt Cụ thể khối đo đạc, lấy liệu cảm biến, khối kết nối wifi khối giao diện web Đề tài bao gồm khối khối nhỏ dùng nơi để đặt cảm biến khối thực việc lấy liệu từ khối để đẩy lên giao diện web Hình 2-1: Sơ đồ hệ thống Hệ thống giám sát cảnh báo mức độ ồn ô nhiễm không khí ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 6/40 Hình 2-1 thể sơ đồ toàn hệ thống, hệ thống hoạt động theo bước sau: sau cấp nguồn, khối thu lấy thông số giá trị từ cảm biến bụi âm giá trị dB µg/m 3, sau truyền liệu giá trị tới khối chính, điều kiện có u cầu từ khối đến khối khối trả lời trước Chức khối nhận lấy tất giá trị cảm biến từ khối gửi lên, sau thực hiển thị cảnh báo đưa lên giao diện thingspeak để theo dõi Các cảnh báo hiển thị khối cảnh báo, gồm buzzer led hiển thị, cuối liệu theo dõi qua giao diện web thingSpeak Phần cần làm trình bày cụ thể khối có tồn hệ thống, khối: hai khối có chức tương tự dùng để đo hai vị trị khác khối có nhiệm vụ quan trọng 1.1.1 Sơ đồ khối Hình 2-2: Sơ đồ khối Hệ thống giám sát cảnh báo mức độ ồn ô nhiễm khơng khí ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 7/40 Hình 2-2 hình mơ tả cấu trúc thành phần bên khối Một khối có nguyên lý làm việc thực theo sau: Khối nguồn cung cấp nguồn điện tất khối cảm biến, khối vi điều khiển khối thu phát RF để hệ thống hoạt động Khối cảm biến gồm có cảm biến âm cảm biến đo độ bụi Hai khối gồm chia có hai cảm biến âm hai cảm biến độ bụi khối Hệ thống đo độ ồn độ ô nhiễm đơn giản nên cần loại cảm biến đủ tất nhiên giá trị đo giá trị tương đối thiết bị đo đắt tiền Module LoRa dùng để truyền liệu trung tâm khối thu phát RF, tức sau khối vi điều khiển xử lí giá trị đo đạc lấy từ cảm biến âm cảm biến bụi, khối tiến hành giao tiếp với khối thu phát tín hiệu RF để thực việc truyền nhận liệu với khối Khối vi điều khiển thức công việc kết nối chân với khối nhỏ khác khối thu phát RF khối cảm biến vi điều khiển Pic16f877a kết nối với khối cảm biến để thực việc đọc xử lí liệu từ khối cảm biến, sau truyền khối có u cầu để khối thực việc giao tiếp đẩy liệu lên để cảnh báo giám sát 1.1.2 Sơ đồ khối (Main) Hình 2-3 hình ảnh sơ đồ khối khối Các khối nhỏ thành phần bên khối khối nguồn, cung cấp nguồn đến toàn khối nhỏ khác Khối Module wifi esp8266 dùng để giao tiếp với khối thu phát RF khối giao diện web (giao diện thingspeak), khối thu phát RF thực giao tiếp UART, khối hiển thị LCD cuối khối cảnh báo ngưỡng gồm buzzer đèn LED Hệ thống giám sát cảnh báo mức độ ồn ô nhiễm không khí ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 8/40 Hình 2-3: Sơ đồ khối (Main) Nguyên lý làm việc sơ đồ khối sau Khối nguồn thực cấp nguồn đến khối cảm biến, vi điều khiển, khối thu phát RF Module LoRa dùng khối thu phát RF thực việc truyền nhận liệu, sau thực lấy liệu từ khối con, khối RF truyền thông tin lên khối wifi esp8266 nhằm thực việc đẩy liệu lên web Khối hiển thị hiển thị thông số đo cảnh báo ngưỡng khối cảnh báo hiển thị thơng qua hình nhằm Lcd dễ dàng theo dõi Khối giao diện web cuối đưa giá trị đo từ cảm biến để theo dõi Dữ liệu bao gồm biểu đồ hiển thị giá trị lên xuống dB nồng độ bụi khơng khí, ngồi giao diện web thingspeak lấy lại liệu mà đo trước với thời gian thực cụ thể Hệ thống giám sát cảnh báo mức độ ồn ô nhiễm khơng khí ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 9/40 1.3 Khối vi điều khiển [1] Hình 2-4: Pic16f877a Vi điều khiển sử dụng khối để điều khiển Pic16F877a Hình 2-6 thể sơ đồ chân vi điều khiển Pic16f877a, bao gồm nhiều chân với chức khác Vi điều khiển thuộc loại bit sản xuất phát triển hãng Microchip Pic16f877a vi điều khiển sử dụng thông dụng tất loại vi điều khiển, ứng dụng nhiều đề tài mạch ứng dụng loại dễ sử dụng Bảng 2-1 ghi rõ giá trị thông số kỹ thuật vi điều khiển Pic16f877a Bảng 2-1: Thông số kỹ thuật Pic16f877a Thông số Giá trị Loại bit Kiểu lệnh RISC Số lệnh 35 tập lệnh Số chân 40 Hình 2-5 hình ảnh cấu hình phía Pic16f877a Linh kiện thạch anh từ 0-20MHz, khối giao tiếp serial gồm giao tiếp I2C giao Hệ thống giám sát cảnh báo mức độ ồn nhiễm khơng khí ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 10/40 tiếp UART, timers T0, T1, T3 Các nhớ ROM (bộ nhớ trong) 8K, nhớ tạm thời RAM (368) EEPROM (256) Bộ chuyển đổi ADC modules tạo xung Các cổng output input chia cổng A, B, C, D E Một CPU có tất 35 tập lệnh, ngắt cổng nguồn – 5.5V Hình 2-5: Cấu hình bên Pic 1.4 Khối cảm biến Khối cảm biến hệ thống bao gồm cảm biến sau: Hình 2-6: Cảm biến âm [2] Hình 2-6 hình ảnh cảm biến âm tích hợp amply max9812L Cảm biến cảm biến có kích thước nhỏ gọn tích hợp sẵn ic khuếch đại âm amply max9812L nên có khả đọc tín hiệu analog trực tiếp Hệ thống giám sát cảnh báo mức độ ồn nhiễm khơng khí ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 28/40 Hình 4-3 thể mạch mơ khối chính, linh kiện để mơ khối MCU (wifi), khối thu phát RF LoRa, khối I2C chân để kết nối hình LCD, linh kiện khác buzzer điện trở Hình 4-21: Mạch in khối (Main) Hình 4-4 hình ảnh mạch in khối chính, sau hồn thành thao tác chỉnh sửa thu gọn lại mạch, mạch in để làm phần cứng thức cho hệ thống Tất mạch in hai khối khối phải đảm bảo thật xác trước in thiết kế mạch sản phẩm, q trình mơ thiết kế mạch in khơng thực kĩ lưỡng, chất lượng mạch sản phẩm sau kém, khơng tối ưu tồn chức cảm biến, việc thực thiết kế lại mạch in lại lần khó tránh khỏi, thực kĩ lưỡng bước thiết kế tiết kiệm thời gian công sức để thiết kế mạch sản phẩm Bước sau hồn chỉnh tất mạch in thiết kế mạch sản phẩm cứng thức Điều kiện cần có để thiết kế mạch cứng phải cần đến dụng cụ bảng đồng, thuốc rửa mạch, linh kiện thực chì để hàn mạch Các bước thực làm mạch dán mạch in lên bảng đồng, rửa mạch, gắn linh kiện theo sơ đồ chân in sẵn, sau hàn mạch Hệ thống giám sát cảnh báo mức độ ồn ô nhiễm khơng khí ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 29/40 Hình 4-22: Mạch sản phẩm khối Hình 4-5 hình ảnh sản phẩm thức mạch sản phẩm khối Kích thước bảng mạch khối nhỏ gọn, nhìn vào mạch tất linh kiện lắp ráp đầy đủ với sơ đồ chân tối ưu để thu gọn Bên trái hình ảnh module thu phát RF LoRa dùng để thu liệu từ khối để truyền vào module esp8266 để xử lý gửi lên giao diện web, hình module NODE MCU esp8266 dùng để đẩy liệu giá trị cảm biến lên giao diện web Bên phải linh kiện bao gồm đèn led nhỏ, còi buzzer có tác dụng cảnh báo q ngưỡng Phần đến mạch sản phẩm cứng khối Hệ thống giám sát cảnh báo mức độ ồn nhiễm khơng khí ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 30/40 Hình 4-23: Mạch sản phẩm khối Hình 4-6 hình ảnh sản phẩm thức mạch sản phẩm khối Mạch lắp ráp đầy đủ linh kiện tối ưu để thu gọn Bên trái hình ảnh module thu phát RF LoRa tác dụng dùng để phát tín hiệu liệu xử lý từ cảm biến đến khối Phía bên cảm biến độ bụi, hình vi điều khiển PIC16f877a dùng để kết nối chân cảm biến xử lý số liệu để phát lên khối chính, cuối đèn led để báo hiệu mà có giá trị vượt ngưỡng cho phép 1.13 Thử nghiệm đánh giá Một số khó khăn gặp phải q trình thực đề tài: Vấn đề tín hiệu bị trễ có lần chạy khơng ổn định khó tránh khỏi, ảnh hưởng từ khu vực đặt cảm biến đo, tín hiệu phát đôi lúc bị treo, cần nhiều lần reset lại hệ thống gặp vấn đề Một vấn đề có vật cản xuất chắn đường truyền của tín hiệu tín hiệu khơng truyền cách xác bị delay Hệ thống giám sát cảnh báo mức độ ồn nhiễm khơng khí ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 31/40 Bảng 4-9: So sánh giá trị Cảm biến (Sensor) Giá trị đo từ Giá trị đo từ So sánh sai số cảm biến Cảm biến âm 60 dB máy đo thực tế 50 dB 10 dB (Sound sensor) Cảm biến đo độ 75 µg/m3 70 µg/ m3 µg/ m3 bụi (Dust sensor) Bảng 4-1 thể giá trị khảo sát ngồi mơi trường thực tế dùng thiết bị đo giá trị đo đạc từ cảm biến từ hệ thống, so sánh giá trị hai phương pháp đo độ sai số hai phương pháp đo không cao 1.14 Những ưu điểm khuyết điểm hệ thống Ưu điểm hệ thống nhìn chung thể quản lý toàn hệ thống theo dõi cách thuận lợi tín hiệu truyền dẫn khoảng cách xa Hệ thống thiết kế dựa linh kiện cảm biến với giá thành không cao, đáp ứng yêu cầu đề ban đầu mạch, mạch thiết kế đơn giản để sử dụng có khả ứng dụng cao Dữ liệu truy nhập cần thiết, liệu lần đo đạc gửi vào file excel lưu trữ liệu đo, thuận lợi cho việc theo dõi so sánh Khuyết điểm hệ thống vấn đề delay hay đường truyền bị gián đoạn nên người sử dụng không nhận thay đổi hệ thống cách xác Nhiễu tín hiệu cao, nguyên nhân ảnh hưởng từ môi trường hay chủ yếu thiết bị đo không ổn định cuối cảm biến với giá thành rẻ việc đưa kết đo xác khó CHƯƠNG KẾT LUẬN Hệ thống giám sát cảnh báo mức độ ồn nhiễm khơng khí ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 32/40 1.15 Kết luận đề tài Kết thu hệ thống hoàn thành sơ yêu cầu đề ra, tức kết nối cảm biến cần có với nhau, đưa số liệu tương đối gửi liệu lên web thơng qua module wifi, liệu lưu lại truy xuất lấy lại phục vụ cho việc so sánh, giám sát đưa hướng giải tối ưu Chức thức tồn hệ thống hệ thống bắt đầu cấp nguồn vào, wifi tự động kết nối tới toàn mạch, khối trung tâm thực nhiệm vụ yêu cầu khối con, khối gửi thông số đo từ cảm biến lên sau khối hỏi Các giá trị vượt ngưỡng đưa ra, hệ thống thực bước cảnh báo sau gửi liệu cảnh báo cho người dùng 1.16 Hướng phát triển Hệ thống tương lai có khả xác định âm cách rõ ràng chống nhiễu tốt hơn, thực thêm nhiều chức hệ thống thêm bớt khối khác vào Người sử dụng cần xem xét loại cảm biến tối ưu có độ xác cao so với cảm biến sử dụng Hệ thống nâng cao cải thiện khả thu phát, truyền dẫn từ xa xác giảm thiểu gián đoạn đường truyền Và sau cùng, hi vọng với hướng với phát triển trên, đồng thời có thêm góp ý chân tình từ thầy cơ, đề tài ngày phát triển mở rộng hơn, tiên tiến phục vụ tốt nhu cầu tất người dùng TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng việt: [1] Nguyễn Đình Phú, Phan Vân Hồn, Trương Ngọc Anh (2018), “Giáo trình thực hành vi điều khiển PIC”, NXB Đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh Hệ thống giám sát cảnh báo mức độ ồn nhiễm khơng khí ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 33/40 Internet: [2] Velleman (1972) – “Amply Max9812L”, Link: http://nshopvn.com/cam- bien-am-thanh-tich-hop-amly-max9812l.html [3] Sharp (2006) – “GP2Y1010AUOF DATASHEET”, Link: http//pdf1.alldatasheet.com/datasheet/pdf/pdf/412700/SHARP/GP2Y1010AU0F [4] ESP8266 Opensource Community ESP8266 ESP12E”, [5] Semtech (2013) – “NODEMCU v1.0 Lua – Link: https://iotmaker.vn/nodemcu.html (2012) – “SX1278 DATASHEET”, shop.adafruit.com/product-files/3179/sx1276_77_78_79.pdf Hệ thống giám sát cảnh báo mức độ ồn nhiễm khơng khí Link: https://cdn- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 34/40 PHỤ LỤC A Code khối con: #include #include #include #define n_times 10 char i,j; float dust=0, noise=0; int16 dustint=0; int16 noiseint=0; float dB, ADC; void _CaiDat(void); void hien_thi(); void dust_measure() { SET_ADC_CHANNEL(0); unsigned int16 dust_tmp; dust=0; unsigned int8 n; for(n=0;n300) { output_high(pin_b2); lcd_putc("\f"); lcd_gotoxy(0,1); lcd_putc("DO BUI QUA NGUONG"); delay_ms(4000); } else output_low(pin_b2); } Hệ thống giám sát cảnh báo mức độ ồn nhiễm khơng khí ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 35/40 void _noise() { SET_ADC_CHANNEL(1); unsigned int16 noise_tmp; noise=0; unsigned int8 n; for(n=0;n 0) { c = Serial.readString(); for (int i = 0; i < c.length(); i++) { //Node1,0789,85.0,30.0 if (c.substring(i, i + 1) == ",") //Node1,0789,85.0,30.0 "NODE2,noise:%u,dust: %u" node1,noise:41.33,dust:32.84 { if (c.substring(0, 5) =="node1") { pass1 = c.substring(0, 5); noise = c.substring(12, 14); dust = c.substring(23, 26); //String body = "field1=" + String(temp) + "&field2=" + String(humi) + "&field3=" + String(co2) + "&field4=" + String(dust)+ "&field5=" + String(ph); Serial.print("noise: "); Serial.println(noise); Hệ thống giám sát cảnh báo mức độ ồn nhiễm khơng khí ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 40/40 Serial.print("dust: "); Serial.println(dust); lcd.clear(); } if (c.substring(0, 5) == "node2") { pass2 = c.substring(0, 5); noise2 = c.substring(12, 14); dust2 = c.substring(23, 26); Serial.print("noise2: "); Serial.println(noise2); Serial.print("dust2: "); Serial.println(dust2); lcd.clear(); } } } } lcd.setCursor(0, 0); lcd.print("khoi 1"); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("noise:"); lcd.print(noise); lcd.setCursor(20, 0); lcd.print("dust:"); lcd.print(dust); tempint = noise.toInt(); humiint = dust.toInt(); Hệ thống giám sát cảnh báo mức độ ồn ô nhiễm khơng khí ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 41/40 if (noiseint > 30) { lcd.clear(); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("DO ON QUA NGUONG"); digitalWrite(buzze, 1); delay(4000); digitalWrite(buzze, 0); lcd.clear(); } if (dustint > 300) { lcd.clear(); lcd.setCursor(2, 1); lcd.print("DO BUI QUA NGUONG"); digitalWrite(buzze, 1); delay(4000); digitalWrite(buzze, 0); lcd.clear(); } } void truyen(void) { if ( (unsigned long) (millis() - tx) > 7000 ) { Hệ thống giám sát cảnh báo mức độ ồn nhiễm khơng khí ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 42/40 Serial.print("node"); Serial.print(n); n = n + 1; if (n > 2) { n = 1; } tx = millis(); } } Hệ thống giám sát cảnh báo mức độ ồn nhiễm khơng khí ... phục tốt Hệ thống giám sát cảnh báo mức độ ồn nhiễm khơng khí ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 5/40 CHƯƠNG THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 1.2 Sơ đồ hệ thống Đề tài hệ thống giám sát cảnh báo độ ồn ô nhiễm khơng khí đề... hệ thống Hệ thống giám sát cảnh báo mức độ ồn ô nhiễm khơng khí ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 6/40 Hình 2-1 thể sơ đồ toàn hệ thống, hệ thống hoạt động theo bước sau: sau cấp nguồn, khối thu lấy thông... ĐỀ TÀI 1.1 Mục đích Đề tài hệ thống giám sát cảnh báo mức độ ồn nhiễm khơng khí yêu cầu làm với mục đích thiết kế hệ thống đơn giản có khả đo lường độ ồn độ ô nhiễm môi trường sống xung quanh