hệ thống giám sát qua mạng lora

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ -o0o - LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ THỐNG GIÁM SÁT QUA MẠNG LORA GVHD: SVTH: MSSV: TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự – Hạnh phúc -✩ -✩ Số: /BKĐT Khoa: Điện – Điện tử Bộ Môn: Điện Tử NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP HỌ VÀ TÊN: MSSV: NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG LỚP : Đề tài: HỆ THỐNG GIÁM SÁT QUA MẠNG LORA Nhiệm vụ (Yêu cầu nội dung số liệu ban đầu): Ngày giao nhiệm vụ luận văn: Ngày hoàn thành nhiệm vụ: Họ tên người hướng dẫn: Phần hướng dẫn Nội dung yêu cầu LVTN thông qua Bộ Môn Tp.HCM, ngày… tháng… năm 20 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN: Người duyệt (chấm sơ bộ): Đơn vị: Ngày bảo vệ : Điểm tổng kết: Nơi lưu trữ luận văn: NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH Lời cảm ơn GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo LỜI CẢM ƠN Xin chân thành gửi lời cảm ơn tới Thạc sĩ Bùi Quốc Bảo tận tình giúp đỡ em suốt học kỳ vừa qua Những lời nhận xét, góp ý, hướng dẫn thầy giúp em thấy khuyết điểm để ngày khắc phục tốt Xin chân thành gửi lời cảm ơn tới tồn thể q thầy trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh giảng dạy, hướng dẫn tạo điều kiện, môi trường học tập tốt cho em ngày tháng học tập trường Bên cạnh đó, em muốn nói lời cảm ơn đến công ty TNHH BigDolphin tạo điều kiện để em hồn thành luận văn Xin kính chúc sức khỏe chân thành cảm ơn Tp Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 12 năm 2016 Sinh viên Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài thực thiết kế thiết bị giám sát thông số môi trường nhiệt độ, độ ẩm, khí CO qua mạng LoRa Thiết bị nhằm truyền tải thông tin thơng số mơi trường, qua cảnh báo có vượt mức cảnh báo ngưỡng cài đặt trước Trong phần luận văn tập trung xây dựng hệ thống gồm server tiếp nhận thông tin (phần trung tâm) thiết bị giám sát (node ngoại vi) Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo MỤC LỤC Chương 1: _TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tình hình nghiên cứu nước _2 1.3 Mục tiêu nhiệm vụ đề tài 1.3.1 Mục tiêu đề tài 1.3.2 Nhiệm vụ đề tài _3 Chương 2: LÝ THUYẾT 2.1 Cơ mạng LoRa 2.1.1 Tổng quan LoRa _4 2.1.2 Giao thức LoRaWAN _11 2.2 Nguyên lý truyền nhận liệu mạng LoRa 12 2.2.1 Truyền liệu 12 2.2.2 Nhận liệu mạng LoRa _13 2.2.3 Cách kết nối node Server _13 2.3 Giới thiệu module, IC sử dụng luận văn _14 2.3.1 Module LoRa _14 2.3.2 Giới thiệu Raspberry Pi _17 2.3.3 Webserver _18 2.3.4 Cảm biến nhiệt độ độ ẩm (DHT22/AM2302) 23 2.3.5 Cảm biến khí CO (MQ-7) _27 2.3.6 IC thời gian thực (PCF8583) _29 Chương 3: _THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH PHẦN CỨNG 31 3.1 Mơ hình luận văn. 31 3.1.2 Trạm thu liệu (Server) _32 3.1.3 Trạm (Node) 37 Chương 4: GIẢI THUẬT CHƯƠNG TRÌNH 44 4.1 Giải thuật khối trung tâm (Server) 44 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo 4.1.1 Thu thập thông tin từ node _44 4.1.2 Xử lý liệu _45 4.2 Giải thuật khối node 48 Chương 5: KẾT QUẢ THỰC HIỆN 53 5.1 Kết thi công phần cứng 53 5.1.1 Kết thực 53 5.1.2 Đánh giá kết quả. 54 5.2 Kết thi công phần mềm 55 5.2.1 Hiển thị cảnh báo _55 5.2.2 Đánh giá hoạt động 57 5.3 Đánh giá kết hoạt động chung 57 Chương 6: _KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 59 6.1 Kết luận 59 6.2 Hướng phát triển _59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo DANH SÁCH HÌNH MINH HỌA Hình 1: Biểu đồ so sánh LoRa chuẩn giao tiếp thơng dụng _6 Hình 2: Mơ hình mạng LoRa Hình 3: Sự thay đổi tần số theo thời gian tín hiệu mẫu phát trạm phát LoRa. Hình 4: Cấu trúc frame LoRa _10 Hình 5: Tiêu biểu cho mạng hình sao. 11 Hình 6: Mơ tả ngun lý truyền liệu LoRa 12 Hình 7: Mô tả nguyên lý nhận liệu LoRa _13 Hình 8: Module LoRa RFM98 HopeRF (a) SX1278 XIAMEN (b) 15 Hình 9: Mơ tả chân module Lora SX1278 16 Hình 10: Raspberry Model B 17 Hình 11: Mơ tả Web Server _19 Hình 12: Mơ tả LAMP _19 Hình 13: Mơ tả hoạt động PHP 21 Hình 14: Sơ đồ kết nối với cảm biến _27 Hình 15: Sơ đồ khối IC PCF8583 _30 Hình 1: Tổng quan mơ hình luận văn _31 Hình 2: Cấu trúc phần cứng trạm thu liệu _32 Hình 3: Mơ hình phần cứng node 37 Hình 1: Lưu đồ giải thuật khối trung tâm nhận liệu từ node _44 Hình 2: Lưu đồ giải thuật xử lý liệu sau nhận từ node 46 Hình 3: Lưu đồ giải thuật phía node _48 Hình 4: a) Đọc cảm biến nhiệt độ-độ ẩm (DHT22) b) Đọc cảm biến khí CO (MQ-7) 51 Hình 1: Khoảng cách truyền nhận tối đa node Server thực tế _58 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo PHỤ LỤC BẢNG Bảng 1: Đặc điểm kỹ thuật chuẩn giao tiếp LoRa _5 Bảng 2: Độ nhạy máy thu LoRa (theo dBm) băng thông hệ số trải phổ khác _9 Bảng 3: Chức chân module SX1278 17 Bảng 4: Thông số cảm biến AM2302 _25 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Trong thập niên gần đây, tình trạng nhiễm mơi trường mức đáng báo động, đặc biệt nghiêm trọng Sự xả thải chất ô nhiễm môi trường không qua xử lý gây nên hậu nghiêm trọng đến sức khỏe người Một loại khí thải gây tác động xấu tới sức khỏe người Cacbon mơnơxit (CO) Những nơi có mật độ khí CO lớn điểm tắc nghẽn giao thông, bến xe, nhà để xa nơi làm việc kín hầm lò, nhà máy CO có độc tính cao nguy hiểm với sức khỏe người, bị hit lượng lớn gây thương tổn với thể, cản trở khả vận chuyển oxy máu Chính thế, việc giám sát khí CO quan trọng, từ tìm giải pháp để giảm thiểu lượng khí thải Việc thu thập chất lượng chất lượng mơi trường khơng khí (trong có CO) thu thập thơng qua mạng IoT Vậy IoT gì? IoT (Internet of Thing) kết nối tất thiết bị với nhau, có khả trao đổi thơng tin, cung cấp liệu với người mà không cần phải tương tác trực tiếp Con người kết nối với tất thiết bị tới mạng Internet thông qua mạng nội Trong năm gần đây, IoT phát triển nhanh đến chóng mặt Theo tính tốn thơng kê có đến 50 triệu thiết bị kết nối nắm 2020 Con người biến tất thiết bị đời sống ngày otô, thiết bị sản xuất, dụng cụ nhà, đồ mặc,…đều điều khiển, kiểm sốt, thu thập liệu laptop hay điện thoại Công nghệ IoT giúp cho người sống tốt hơn, đối phó với vấn đề lớn gặp phải giới biến đổi khí hậu, kiểm sốt nhiễm, cảnh báo vấn đề tự nhiên Tuy nhiên, đòi hỏi công suất thấp cho thiết bị IoT không đơn giản, thiết bị dùng RFID, Bluetooth hay Wifi công nghệ với công suất thấp khoảng cách ngắn Để đáp ứng công suất thấp khoảng cách xa, LoRa giải pháp tốt thời điểm LoRa công nghệ mạng không dây phát triển để tạo công suất thấp (low-power), mạng lưới rộng (LPWANs- Low Power Wide Area Networks) dùng cho ứng dụng Internet of Thing Công nghệ hấp dẫn với khoảng cách xa, công suất Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo tiêu thụ thấp việc truyền liệu an toàn Ưu điểm mạng lưới xây dựng với LoRa so với mạng lưới việc phủ sóng lớn Với khoảng cách xa công suất thấp, LoRa tự tin ứng cử viên cho công nghệ thông minh hạ tầng dân dụng (chẳng hạn giám sát sức khỏe, đo lường thông minh, giám sát môi trường, ) ứng dụng công nghiệp Công nghệ LoraWAN hướng tới mục tiêu hoạt động cảm biến dựa vào pin mà hoạt động với thời gian lâu Với LoRaWAN, toàn thành phố vùng phủ vài trạm mà kết nối đến hàng ngàn thiết bị khác Nhận thấy ưu điểm Lora so với khác Chính mục tiêu đề tài tạo mạng kết nối với thiết bị, thu thập liệu, vẽ đồ thị trạng thái, gửi cảnh báo dựa liệu thu thập qua mạng LoRa 1.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước a) Nghiên cứu nước Qua tìm hiểu tình hình nghiên cứu việc ứng dụng mạng LoRa thấp, cho thấy việc ứng dụng vào công nghệ chưa quan tâm nhiều Tuy nhiên, nay, việc ứng dụng mạng LoRa xem xét, đầu tư vào ứng dụng đọc số đồng hồ nước, quản lý bãi xe,… Đây dấu hiệu khả quan việc nghiên cứu mạng LoRa b) Nghiên cứu nước: Hiện có nhiều cá nhân, cơng ty nghiên cứu phát hành sản phẩm LoRa hay nhiều kênh truyền dựa chipset Semtech Các cơng trình nghiên cứu:  Đề tài “A DIY low-cost LoRa gateway”[1] Giáo sư Phạm Công Đức, trường đại - học Pau, Pháp sử dụng chip SX1276 Semtech với gateway kênh truyền Sản phẩm EMB-GW1301 công ty Embit, Italy[2] dựa chipset SX1301 Semtech cho phép hoạt động nhiều kênh truyền khoảng thời gian, - cung cấp giải pháp cho công nghệ IoT Các sản phẩm cảm biến không dây công ty nke Wattec, Pháp với sản phẩm công nghệ LoRa cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, đo lượng nước, [3] cho hoạt động hiệu thời gian sử dụng pin tốt Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo Hình 4.1.2.a.1.1.1: Lưu đồ giải thuật xử lý liệu sau nhận từ node Việc xử lý liệu database việc cập nhật hiển thị gửi cảnh báo tới email sử dụng PHP PHP xử lý thông tin đưa kết tới máy chủ (Apache) Chương trình dùng để lọc liệu tuần lên biểu đồ: /*Chương trình sau tính tốn ngày tuần từ thứ đến chủ nhật*/ $now = Carbon::now()->subDay(); $monday = $now->subDays($now->dayOfWeek - 1); $nextMonday = $monday->copy()->addDays(7); $results = new Collection(app('db')->select("select * from {$chart} where date >= '{$monday->toDateString()}' and date < '{$nextMonday>toDateString()}'")); /*Chương trình sau hiển thị liệu lên web*/ var ctx = document.getElementById("chartjs"); var myChart = new Chart(ctx, {type: 'line', data: { labels: labels, datasets: [ { label: "Node 1", fill: false, 47 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo lineTension: 0.1, backgroundColor: "rgba(255,0, 0,0.4)", borderColor: "rgba(255,0, 0,1)", borderCapStyle: 'butt', borderDash: [], borderDashOffset: 0.0, borderJoinStyle: 'miter', pointBorderColor: "rgba(255,0, 0,1)", pointBackgroundColor: "#fff", pointBorderWidth: 1, pointHoverRadius: 5, pointHoverBackgroundColor: "rgba(255,0, 0,1)", pointHoverBorderColor: "rgba(220,220,220,1)", pointHoverBorderWidth: 2, pointRadius: 1, pointHitRadius: 10, data: node1, spanGaps: false ] } } }); var update = function() { $.get(window.location.href, function(data) { myChart.data.labels = data.keys; myChart.data.datasets[0].data = data.results[1]; document.querySelector("#node1-message").innerHTML = "Node 1: " + data.messages[0]; myChart.update(); }); }; update(); setInterval(update, 5000) 48 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo 4.2 Giải thuật khối node Hình 4.2.1.a.1.1.1: Lưu đồ giải thuật phía node a) Nguyên lý hoạt động Node rơi vào trạng thái ngủ, tắt hết ngoại vi để chờ tín hiệu ngắt ngồi IC thời gian thực PCF8583 đánh thức việc bật chân ngắt lên Khi có tín hiệu báo thức từ IC thời gian thực, Node thực đo nhiệt độ, độ ẩm từ cảm biến DHT22, đo lượng khí CO với cảm biến MQ-7, lượng pin lại Sau có đầy đủ data, node bật module LoRa RFM98, sau gửi liệu, 49 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo giây sau gửi liệu mà khơng có tín hiệu ACK từ Server gửi về, Node tự động gửi lại Khi gửi thành công lần gửi, node rơi vào trạng thái Power Down, chờ lần bật dậy PCF8583 b) Lắng nghe trước gửi LBT (listen-before-talk) Để tránh trình xung đột hay va chạm với tín hiệu gửi lúc Server Trước gửi đi, node kiểm tra xem có kênh truyền hoạt động dựa vào chức CAD mode (CAD - Channel Activity Detection) Kỹ thuật gọi Listen-Before-Talk (lắng nghe trước gửi) Khi có kênh truyền hoạt động, Node delay khoảng thời gian, sau tiếp tục kiểm tra c) Chương trình phía node void wakeUp1() { } void wakeUp2() { } //End wake up void setup() { //Set input for interupt to wake up pinMode(2, INPUT); pinMode(3, INPUT); pinMode(8, OUTPUT); pinMode(5, OUTPUT); } void loop(void) { attachInterrupt(0,wakeUp1,LOW); attachInterrupt(1,wakeUp2,HIGH); // Enter power down state with ADC and BOD module disabled // Wake up when wake up pin is low LowPower.powerDown(SLEEP_FOREVER, ADC_OFF, BOD_OFF); // Disable external pin interrupt on wake up pin detachInterrupt(0); detachInterrupt(1); pinMode(6, OUTPUT); //5V ON digitalWrite(6, HIGH); //set up time to wake up after hours wake_up_time(); //Read temperature and humidity 50 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo DHT22.DHT22_read(); delay(30000); //Wait 30 seconds to preheat MQ-7 int i; double ppm[10]; average_CO = 0; for (i=0;i