Đo độ rọi sáng bằng cảm biến và lên mạng. File code arduino,ESP8266cảm biến ánh sáng bh1750.Đo độ rọi sáng bằng cảm biến và lên mạng. File code arduino,ESP8266cảm biến ánh sáng bh1750.Đo độ rọi sáng bằng cảm biến và lên mạng. File code arduino,ESP8266cảm biến ánh sáng bh1750.Đo độ rọi sáng bằng cảm biến và lên mạng. File code arduino,ESP8266cảm biến ánh sáng bh1750.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH ĐỀ TÀI: ĐO ĐỘ RỌI SÁNG VÀ ĐƯA DỮ LIỆU LÊN INTERNET Hà Nội, tháng 5/2019 Đồ án chuyên ngành SVTH: Phạm Văn Công Mục Lục Đồ án chuyên ngành SVTH: Phạm Văn Công Lời mở đầu Internet Of Things (IoT) lĩnh vực phát triển mạnh mẽ cách mạng công nghiệp 4.0 Kỷ nguyên Vạn vật kết nối (IoT) kịch Thế giới mà thiết bị, vật dụng gắn kết với phần mềm cảm biến, kết nối mạng, … tất thu thập, truyền tải trao đổi thông tin, liệu IoT giúp cho thiết bị vật dụng cảm nhận điều khiển từ xa dựa tảng hạ tầng công nghệ không dây, công nghệ vi điện tử internet Với mục địch tìm hiểu IoT gì? Dưới hướng dẫn thầy PGS.TS Nguyễn Quốc Cường, em triển khai thực đề tài Đo độ rọi sáng đưa liệu lên internet Đồ án chuyên ngành SVTH: Phạm Văn Công Chương I: Tiêu chuẩn chiếu sáng Phương pháp đo độ rọi sáng 1.1 Ánh sáng đại lượng quang học Ánh sáng xạ điện từ có bước sóng nằm vùng quang phổ nhìn thấy mắt thường (tức từ khoảng 400 nm đến 700 nm) Giống xạ điện từ, ánh sáng mơ tả đợt sóng hạt chuyển động gọi photon Ánh sáng Mặt Trời tạo gọi ánh nắng (hay gọi ánh sáng trắng bao gồm nhiều ánh sáng đơn sắc biến thiên liên tục từ đỏ đến tím); đèn tạo cịn gọi ánh đèn (ánh sáng nhân tạo); loài vật phát gọi ánh sáng sinh học “Ánh sáng lạnh” ánh sáng có bước sóng tập trung gần vùng quang phổ tím “Ánh sáng nóng” ánh sáng có bước sóng nằm gần vùng đỏ Ánh sáng có quang phổ trải từ đỏ đến tím ánh sáng trắng; cịn ánh sáng có bước sóng tập trung vùng quang phổ hẹp gọi “ánh sáng đơn sắc” Hình 1.1: Phân bố tần số bước sóng ánh sáng Đồ án chuyên ngành SVTH: Phạm Văn Cơng 1.1.1 Tính chất ánh sáng Ánh sáng có hai tính chất sóng hạt a, Tính chất sóng Sóng ánh sáng sóng điện từ phát có chuyển mức lượng điện tử nguyên tử nguồn sáng Tốc độ sóng ánh sáng truyền không gian c = 299792 km/s Trong môi trường có chiết suất n, ánh sáng có vận tốc: v= Tần số ánh sáng γ bước sóng λ= λ c n có biểu thức liên hệ: v γ b, Tính chất hạt Ánh sáng bao gồm hạt photon mang lượng, phụ thuộc vào tần số: Wφ = hγ Trong đó: h – số Planck (h = 6,6256.10-34 Js) 1.1.2 Các đơn vị đo quang − Năng lượng xạ (Q) lượng phát xạ, lan truyền hấp thụ dạng xạ, đơn vị đo J Φ − Thông lượng ánh sáng ( ) công suất phát xạ, lan truyền hấp thụ: Φ= dQ dt , đơn vị đo W − Cường độ ánh sáng (I) dòng lượng phát theo hướng I= đơn vị góc khối: dQ dΩ , đơn vị đo W/steradian − Độ chói (L) tỷ số cường độ ánh sáng từ phần tử bề mặt dA theo hướng xác định diện ích hình chiếu phần tử lên mặt phẳng P Đồ án chuyên ngành SVTH: Phạm Văn Công L= dI dA m2 vng góc với hướng : , đơn vị đo W/steradian , đó: dAn = dA.cosϕ ( ϕ - góc hợp mặt phẳng P mặt phẳng chứa dA) − Độ rọi (E) tỷ số dòng lượng thu phần tử bề mặt E= diện tích phần tử đó: dΦ dA , đơn vị đo W/m2 (lux) 1.2 Độ rọi sáng tiêu chuẩn khu vực chiếu sáng Hệ thống chiếu sáng hợp lý giúp cho người quan sát dễ dàng hơn, từ hiệu lao động, học tập cải thiện Mặt khác, nhà khoa học nghiên cứu cho thấy ánh sáng ảnh hưởng đến tâm lý người Do vậy, hệ thống chiếu sáng nơi làm việc, học tập cần đảm bảo bố trí tiêu chuẩn để tạo tâm lý thoải mái cho người lao động Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7114-3:2008 Tiêu chuẩn quy định chiếu sáng khu vực làm việc, bao gồm: độ rọi (E), độ đồng độ rọi, số hoàn màu ánh sáng Mỗi khơng gian có mức u cầu ánh sáng khác Vì độ rọi sáng khu vực có khác biệt 1.2.1 Tiêu chuẩn ánh sáng sản xuất a, Tiêu chuẩn chiếu sáng khu vực làm việc Yêu cầu ánh sáng phòng làm việc: • Yêu cầu để đảm bảo thực tốt công việc khu vực làm việc chất lượng ánh sáng Ánh sáng tốt đảm bảo hoạt động nhân viên diễn bình thường Đó yếu tố định đến suất làm • việc nhân viên Cũng yếu tố thúc đẩy phát triển cơng ty Ánh sáng khu vực làm việc phải đảm bảo đáp ứng 04 tiêu chí 04 tiêu chí hiệu – an toàn – tiết kiệm thẩm mỹ • Tuy nhiên thực tế cho thấy khơng phải khu vực làm việc đáp ứng chất lượng ánh sáng Chính tiêu chuẩn chiếu sáng quy định rõ độ rọi yêu cầu khu vực làm việc Để từ làm sở cho việc thiết kế ánh sáng Tiêu chuẩn ánh sáng phòng làm việc: Đồ án chuyên ngành SVTH: Phạm Văn Công Độ rọi yêu cầu (cường độ ánh sáng lux) khu vực chiếu sáng không gian làm việc thê bảng 1.1 Bảng 1.1 Tiêu chuẩn chiếu sáng khu vực làm việc STT Không gian chức Độ rọi yêu cầu (lux) Văn phòng làm việc > 400 Sảnh, phòng đợi 200 Nhà bảo vệ 200 Hành lang cầu thang 100 Thang 150 b, Tiêu chuẩn chiếu sáng nhà xưởng Yêu cầu ánh sáng nhà xưởng Cũng giống khu vực làm việc, độ rọi sáng (lux) khu vực xưởng sản xuất yếu tố quan trọng định đến suất lao động • Thiết kế ánh sáng đủ dùng Độ chói khơng q cao đảm bảo thoải mái cho thị giác • Tiêu chuẩn ánh sáng nhà xưởng: Bảng 1.2 Tiêu chuẩn chiếu sáng nhà xưởng STT Không gian chức Độ rọi yêu cầu (lux) Kho >=100 Khu vực, kiểm tra, phân loại sản phẩm >=500 Khu vực chung nhà máy >=200 Khu vực sản xuất nhà máy >=300 Khu vực nhà vệ sinh >=200 1.2.2 Tiêu chuẩn cường độ ánh sáng nhà Yêu cầu ánh sáng nhà • Thiết kế hệ thống chiếu sáng vốn khó thiết kế hệ thống chiếu sáng nhà lại khó Nhà nơi dừng chân sau vất vả Đồ án chuyên ngành SVTH: Phạm Văn Công bên sống Hệ thống chiếu sáng nhà làm để vừa cung cấp đủ ánh sáng vừa tạo cảm giác thoải mái bước chân vào Như coi hệ thống chiếu sáng hồn hảo • Hầu hết tự thiết kế hệ thống chiếu sáng nhà Chỉ có gia đình có điều kiện kinh tế, hay ngơi nhà biệt có hỗ trợ kiến trúc sư Vì nói phần lớn hệ thống chiếu sáng nhà chưa đạt tiêu chuẩn Đó sở cần giúp đỡ tiêu chuẩn chiếu sáng nhà Đây • tảng để thiết kế hệ thống chiếu sáng nhà hoàn hảo Tiêu chuẩn ánh sáng nhà Bảng 1.3 Tiêu chuẩn chiếu sáng nhà STT Không gian chức Độ rọi yêu cầu (lux) Phòng ngủ 150 Phòng khách 400 Phòng bếp 600 Phịng học Phịng tắm 700 400 Ban cơng 150 Cầu thang 100 1.2.3 Tiêu chuẩn cường độ ánh sáng học đường Yêu cầu ánh sáng học đường Bảo vệ thị lực đơi mắt điều quan trọng mà hệ thống chiếu sáng học đường hướng đến • Ánh sáng phải đảm bảo an tồn, khơng gây chói khơng gây nhức mắt, mỏi mắt • Tiêu chuẩn ánh sáng học đường cho bảng 1.4 Bảng 1.4 Tiêu chuẩn chiếu sáng nhà xưởng STT Không gian chức Độ rọi yêu cầu (lux) Phòng học >=300 Phịng thí nghiệm, thực hành >=500 Bảng đen >= 500 Đồ án chuyên ngành SVTH: Phạm Văn Cơng Phịng thể dục thể thao (bể bơi) >=300 Hành lang, sảnh, ban công, cầu thang >= 100 Nhà vệ sinh, phòng tắm >= 200 1.3 Phương pháp đo độ rọi sáng Có nhiều hướng để đo độ rọi sáng dùng tế bào quang dẫn, Phototransistor, Phototransistor trường ứng (PhotoFET), Cảm biến quang phát xạ, Photodiode, … Trong đề tài tập trung nghiên cứu sử dụng Photodiode việc đo độ rọi sáng 1.3.1 Nguyên lý hoạt động Photodiode Photodiode cấu tạo gồm có hai lớp bán dẫn loại n p (hình 1.1), hai lớp tạo nên vùng hạt dẫn Nên nguồn sáng chiếu vào photodiode dịng điện qua chuyển tiếp P-N có dịng điện tối nhỏ so với dòng qua chuyển tiếp photodiode chiếu sáng Khi chiếu sáng photodiode xạ có bước sóng nhỏ bước sóng ngưỡng, hiệu ứng quang điện tạo cặp điện tử-lỗ trống Dưới tác dụng điện trường ngược chúng nhanh chóng bị tách lỗ trống dịch chuyển anode điện tử dịch chuyển cathode, làm phát sinh dòng điện Ip tổng dòng quang điện dòng tối Dịng Ip tỉ lệ tuyến tính với thơng lượng hay tuyến tính với độ rọi sáng Đồ án chun ngành SVTH: Phạm Văn Cơng Hình 1.2 Ngun lý hoạt động Photodiode 1.3.2 Sơ đồ sử dụng Dòng Ip tỷ tuyến với thông lượng độ nhạy phổ tính sau: S ( λ) = ∆I p ∆Φ = qη ( − R ) e −α x hc λ Độ nhạy phụ thược vào bước sóng α hập thụ λ , hiệu suất lượng tử η , hệ số phản xạ R, hệ số Mạch (hình 1.2) cho thấy mạch chuyển đổi từ tín hiệu dòng điện sang điện áp sử dụng khuếch đại hoạt động thiết bị khuếch đại E- s R2 + Rm I p - Vo R1 Hình 1.3 Sơ đồ khuếch đại Photodiode Điện Vo tính sau: R Vo = Rm 1 + ÷I p R1 Khi tăng Rm làm giảm nhiễu Tổng trở vào khuếch đại phải lớn để tránh làm giảm điện trở tải hiệu dụng diode 1.3.3 Cảm biến BH1750FVI Trong đề tài cảm lựa chọn để đo độ rọi sáng cảm biến BH1750FVI BH1750FVI cảm biến ánh sáng số sử dụng photodiode, liệu đầu truyền tải thông qua bus I2C Cấu trúc cảm biến cho hình 1.3 10 Đồ án chuyên ngành SVTH: Phạm Văn Cơng Đầu vịng lặp kiểm tra kết nối Wifi, kết nối tiến hành kết nối lại với Wifi Tiến hành kết nối với server, đọc liệu từ arduino gửi lên gửi liệu lên server Thuật tốn chi tiết trình bày phần Phụ Lục Ngồi NodeMCU cịn hoạt động chế access point, nhằm tạo công cụ đề đưa tên mật điểm truy cập Wifi để NodeMCU kết nối Sau khởi động NodeMCU vừa station vừa access point, NodeMCU tạo điểm truy cập Wifi có tên ESP8266 khơng có mật khẩu, sau máy tính hay điện thoại di động kết nối vào điểm truy cập Wifi đó, tiến hành vào trình duyệt web truy cập vào địa 192.168.4.1 giao diện hình 3.5 Tiến hành điền tên Wifi kết nối NodeMCU với điểm truy cập Wifi Hình 3.5 Giao diện đăng nhập Wifi 3.3 Thiết kế webserver Server Nodejs viết ngơn ngữ lập trình javascript viết trình biên dịch Visual Studio Code Và trước tiên ta cần cài môi trường Nodejs cho máy tính version Nodejs sử đề tài version 10.15.3 Sau cài xong Nodejs, ta cài module cần sử dụng: express, socket.io Server Nodejs có chức nhận liệu độ rọi sáng gửi từ NodeMCU trả trang Web có hiển thị giá trị độ rọi sáng, trang Web có tên miền cambien.herokuapp.com 26 Đồ án chuyên ngành SVTH: Phạm Văn Cơng Tạo server Nodejs • Đoạn mã có chức dựng server Nodejs var express=require("express"); (1) var app=express(); (2) app.use(express.static("public")); (3) app.set("view engine", "ejs"); (4) app.set("views", "./view"); (5) var server=require("http").Server(app); (6) var io=require("socket.io")(server); (7) var port=Number(process.env.PORT||3000); (8) server.listen(port); (9) Các câu lệnh từ (1) đến (5) có chức tạo thư mục có tên "public"để chứa file mà server sử dụng, câu lệnh (6) chức dựng server http server chạy trả trang web - html mà đoạn mã html trang web có đuôi ejs chứa thư mục public Câu lệnh (7) chèn thêm module socketIO vào server vừa dựng, câu lênh (8), (9) yêu cầu server lắng nghe PORT chọn • Đoạn mã có chức lắng nghe kiện gửi lên server xử lí kiện io.on("connection",function(socket){ socket.on("guidata",function(data){ io.sockets.emit("data_gui_lai",data); }); io.on(): có chức lắng nghe xem có client kết nối đến server khơng Bất kì client kết nối đến server tạo nên kiện có tên "connection", server chạy hàm function(socket) Hàm function(socket) thực chức lắng nghe xem phía client có gửi kiện có tên “guidata” khơng, xuất kiện có tên “guidata” thực hàm function(data) hàm có chức lấy liệu data gửi lên trang web với tên kiện ” data_gui_lai” Khi server start ta truy cập vào địa https://cambien.herokuapp.com/ server trả file ejs có mã html giao diện hình máy tính, việc thực thơng qua câu lệnh: app.get("/",function(req, res){ res.render("TT"); 27 Đồ án chuyên ngành SVTH: Phạm Văn Công với file trả TT.ejs Thuật toán chi tiết bạn xem phần Phụ Lục socket.on("data_gui_lai",function(data) 3.4 Đưa ứng dụng lên Heroku Để thiết bị nơi cần kết nối mạng truy cập vào địa https://cambien.herokuapp.com/ cần đưa ứng dụng lên Heroku để chạy Để chạy ứng dụng Heroku trước tiên cần phải đăng kí tài khoản Heroku cài module The Heroku CLI Sau hoàn tất thứ, tiến hành tải ứng dụng lên Heroku Bật terminal: ấn tổ hợp phím window+R nhập CMD enter Hình 3.6 Giao diện terminal Nhập: heroku login, sau đăng nhập vào tài khoản Heroku đăng kí Nhập: cd “link”: link đường dẫn thư mục chứa các file cần thiết Nhập: git init heroku git:remote -a cambien git add git commit -am "make it better" git push heroku master heroku git:remote -a cambien “cambien” dòng lệnh tên app 28 Đồ án chuyên ngành SVTH: Phạm Văn Công Khi hoàn tất truy cập vào địa https://cambien.herokuapp.com/ có giao diện hình Hình 3.6 Giao diện trang Web 29 Đồ án chuyên ngành SVTH: Phạm Văn Công Kết luận Qua đề tài Đo giá trị độ rọi sáng đưa liệu lên internet, em thu số kết quả: Đọc liệu chuẩn giao tiếp I2C, thiết kế web server hiển thị giá trị đo Tuy nhiên việc thiết kế webserver em nhiều việc phải làm để hồn thiện đề tài Trong q trình thực đề tài em xin cảm ơn thầy PGS.TS Nguyễn Quốc Cường hướng dẫn em thực đề tài Danh mục tài liệu tham khảo [1] Giáo trình cảm biến- Nguyễn Hữu Cường, 2007 30 Đồ án chuyên ngành SVTH: Phạm Văn Cơng Phụ Lục Thuật tốn nạp cho Arduino // Khai báo thu viện #include #include const byte RX = 3; const byte TX = 2; SoftwareSerial mySerial = SoftwareSerial(RX, TX); char serial_command_buffer_[32]; float c,d; void setup() {c=0; mySerial.begin(115200);// đặt tốc đọ UART 115200 Int(); } void loop() { start(); // Hàm gửi tín hiệu Start write_i(0x46); // Hàm gửi byte write_i(0x10); // Hàm gửi byte stop_i(); // gửi tín hiệu Stop start(); // Hàm gửi tín hiệu Start write_i(0x47); // Hàm gửi byte c= read_ack(); // Hàm đọc byte cao d= read_i(); // Hàm đọc byte cao stop_i(); // gửi tín hiệu Stop d=(c*256+d)/1.2; mySerial.println(d); // gửi liệu sang NodeMCU delay(200); } //Hàm thiết lập tốc độ I2C void Int(){ TWBR=32; } // Hàm gửi tín hiệu Start void start(){ TWCR = (13) { char x00=mySerial.read(); String x0=mySerial.readStringUntil('\r'); client.send("guidata", "message",(String)x0); } } else{ timeout=0; WiFi.begin(ssid, password); WiFi.reconnect(); timeout=0; while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) { delay(500); timeout=timeout+1; if(timeout>20){ break; } } 36 Đồ án chuyên ngành SVTH: Phạm Văn Cơng Code server File có tên index.js var express=require("express"); var app=express(); app.use(express.static("public")); app.set("view engine", "ejs"); app.set("views", "./view"); var server=require("http").Server(app) var io=require("socket.io")(server); var port=Number( process.env.PORT||3000); console.log(process.env.NODE_PORT); server.listen(port); io.on("connection",function(socket){ socket.on("guidata",function(data){ console.log(data); io.sockets.emit("data_gui_lai",data); }); }); app.get("/",function(req, res){ res.render("TT"); }); 37 Đồ án chuyên ngành SVTH: Phạm Văn Công Code file TT.ejs : Đoạn code dùng để render giao diện trang web https://cambien.herokuapp.com/ var socket=io("https://cambien.herokuapp.com/"); socket.on("data_gui_lai",function(data){ var DA1=Number(data.message); var DA2=Math.round(DA1); var canvas = document.getElementById("canvas"); var ctx = canvas.getContext("2d"); ctx.clearRect(0, 0, window.innerWidth, window.innerHeight); ctx.beginPath(); ctx.arc(window.innerWidth/2,window.innerHeight/2-20,90,Math.PI,Math.PI,false); ctx.lineWidth=10; ctx.strokeStyle="blue"; ctx.stroke(); ctx.font = '40pt Georgia Pro Semibold'; ctx.fillStyle = 'red'; ctx.fillText(String(DA2), window.innerWidth/2-50,window.innerHeight/2-10); ctx.font = '15pt Georgia Pro Semibold'; ctx.fillText(".lux", window.innerWidth/2+30,window.innerHeight/2-10); ctx.fillStyle = 'lightgreen'; ctx.font = '10pt Wide Latin'; ctx.fillText("cảm biến kết nối", window.innerWidth/290,window.innerHeight/2+120); }); ocket.on("data_gui_lai1",function(data){ }); $(document).ready(function(){ $("#button").click( function(){ socket.emit("guidata1","hello"); }); }); 38 Đồ án chuyên ngành SVTH: Phạm Văn Công Cảm biến ánh sáng CẢM BIẾN ÁNH SÁNG LUX > > var canvas = document.getElementById("canvas"); var ctx = canvas.getContext("2d"); canvas.width=window.innerWidth; canvas.height=window.innerHeight; ctx.clearRect(0, 0, window.innerWidth, window.innerHeight); ctx.beginPath(); ctx.arc(window.innerWidth/2,window.innerHeight/2-20,90,Math.PI,-Math.PI,false); ctx.lineWidth=10; ctx.strokeStyle="red"; ctx.stroke(); ctx.fillStyle = 'red'; ctx.font = '15pt Georgia Pro Semibold'; ctx.fillText("cảm biến ngắt kết nối", window.innerWidth/290,window.innerHeight/2+120); 39 ... lớn để tránh làm giảm điện trở tải hiệu dụng diode 1.3.3 Cảm biến BH1750FVI Trong đề tài cảm lựa chọn để đo độ rọi sáng cảm biến BH1750FVI BH1750FVI cảm biến ánh sáng số sử dụng photodiode, liệu... độ rọi sáng tạo giao tiếp I2c • OSC Khối tạo xung clock nội Cách thức đọc giá trị độ rọi sáng từ cảm biến BH1750FVI • Địa cảm biến BUS I2C xác định sau: Nếu chân ADDR nối lên mức cao, cảm biến. .. thực đề tài Đo độ rọi sáng đưa liệu lên internet Đồ án chuyên ngành SVTH: Phạm Văn Công Chương I: Tiêu chuẩn chiếu sáng Phương pháp đo độ rọi sáng 1.1 Ánh sáng đại lượng quang học Ánh sáng xạ điện