Xây dựng hệ thống giám sát thời tiết dựa trên nền tảng iot

-i- ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - BÙI HỒNG DŨNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT THỜI TIẾT DỰA TRÊN NỀN TẢNG IoT Chuyên ngành :Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS VÕ TRUNG HÙNG Đà Nẵng – Năm 2017 - ii - LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tất tài liệu tham khảo có xuất xứ rõ ràng trích dẫn hợp pháp Mọi chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm Tác giả Bùi Hồng Dũng - iii - MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii TÓM TẮT LUẬN VĂN v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH viii MỞ ĐẦU Chương - NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Internet of things 1.1.1 Một số khái niệm 1.1.2 Các vấn đề kỹ thuật liên quan đến IoT 1.1.3 Kết nối thiết bị di động xác định vị trí 1.2 Hệ thống cảm biến môi trường Tinkerforge 14 1.2.1 Một số khái niệm Tinkerforge 14 1.2.2 Các ưu điểm cảm biến Tinkerforge 15 1.2.3 Các thông số kỹ thuật Bricks 17 1.3 Tổng quan điện toán đám mây dành cho IoT Microsoft 20 1.3.1 Giải pháp IoT điện toán đám mây Microsoft 20 1.3.2 Trung tâm xử lý dịch vụ hỗ trợ thiết bị IoT 23 1.4 Một số hệ thống giám sát thời tiết 26 1.4.1 Davis 6250 Vantage Vue 26 1.4.2 Ambient Weather WS-1001 Wifi 26 1.4.3 Các hệ thống giám sát thời tiết sử dụng tảng IoT 26 Chương - ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP 28 2.1 Giới thiệu toán 28 2.2 Mơ hình đề xuất 29 2.3 Đề xuất hệ thống phần cứng 30 2.3.1 Master Brick 30 - iv 2.3.2 Hệ thống cảm biến môi trường: 31 2.3.3 Hệ thống hiển thị số liệu .36 2.4 Đề xuất cách kết nối cảm biến 37 2.4.1 Brick Deamon 37 2.4.2 Cách kết nối hàm API cảm biến 38 2.4.3 Brick MQTT Proxy quản lý Brick Rasberry PI 40 2.5 Giới thiệu cách gởi liệu lên AZURE IoT Suite 41 2.5.1 Cấu trúc giải pháp IoT Azure 41 2.5.2 Quản lý thiết bị IoT Azure IoT Hub 42 2.5.3 Tiếp nhận xử lý liệu từ thiết bị IoT 46 Chương - PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG 49 3.1 Lựa chọn công cụ phát triển 49 3.1.1 Xây dựng hệ thống kết nối cảm biến .49 3.1.2 Cấu hình lựa chọn ngơn ngữ lập trình .51 3.2 Phát triển module chương trình .51 3.2.1 Hiển thị liệu lên hình LCD 51 3.2.2 Hiển thị liệu lên hình máy vi tính 53 3.2.3 Gởi liệu lên Azure IoT Hub hiển thị Power BI 54 3.3 Thử nghiệm đánh giá 60 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) Error! Bookmark not defined PHỤ LỤC 65 -v- TÓM TẮT LUẬN VĂN XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT THỜI TIẾT DỰA TRÊN NỀN TẢNG IoT Học viên: Bùi Hồng Dũng Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Khóa: K31 Tóm tắt: Khái niệm Internet of Things (IoT) ngày trở nên phổ biến ứng dụng nhiều lĩnh vực sống, phần thiếu Cuộc cách mạng cơng nghiệp lần thứ Cùng với đó, mà biến đổi thời tiết diễn lúc phức tạp, yêu cầu cần có phương pháp thu thập liệu đủ tốt, đủ lớn thời gian thực để tiến hành phân tích đưa dự đốn cách gần xác tình hình thời tiết nhu cầu cấp thiết Nếu trước việc thu thập liệu dựa vào thiết bị điện tử chuyên dùng đặt cách xa nhau, sau theo lịch trình sẵn có để tiến hành thu thập số liệu phân tích Trong luận văn này, nghiên cứu đưa giải pháp nhằm kết nối cảm biến mơi trường, số hóa liệu tận dụng hạ tầng mạng sẵn có để tiến hành trao đổi liệu lên tảng điện toán đám mây cách nhanh Từ sử dụng liệu thu thập trạm giám sát để phục vụ cho nhu cầu khác sống Từ khóa: Internet of things, cảm biến thời tiết, điện toán đám mây, Microsoft Azure IoT Hub BUILDING THE WEATHER MONITORING SYSTEM USING IoT PLATFORM Abstract: Nowadays, the concept about Internet of Things are more public and very useful in many kind of life It is an indispensable part of the Age we offen call “The Fourth Industrial Revolution” And the climate change pose are more complexility, it affect the life, the food and mankind Therefore, we need to have useful methods to collect data correctly, much quantity and realtime to analysic and predict the weather is the most exactly As before, to received data we need a specialized equipment in Weather Station location in a difference areas and get it in schedule by hand, calculated base on some algorithm model to forcast the weather In this Thesis, we will research and resolved the problem to interlinks enviroment sensors, digitizing the collect data and transform base on the Internet, storage and analytics in the cloud in quickest way We collectively describe as the ‘Internet of Things’ will continue an ages-old trend of new technology to serve many kind on businesses, industry, government, and society more broadly Key words: Internet of Things, weather sensor, cloud computing, Microsoft Azure IoT Hub - vi - DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU: Lux Đơn vị cường độ ánh sáng Mbar Đơn vị đo áp suất khí RH Đơn vị đo độ ẩm khí Đơn vị đo nhiệt độ khí C CÁC CHỮ VIẾT TẮT TIẾNG ANH: IoT Internet of Things M2M Machine to Machine MQTT Message Queuing Telemetry Transport - vii - DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 1.1 1.2 1.3 3.4 3.5 3.6 Tên bảng Trang Sơ đồ chân kết nối liệu Ngăn xếp Sơ đồ chân kết nối nguồn Ngăn xếp Sơ đồ chân kết nối Bricklet Kết kiểm tra liệu môi trường phịng làm việc, tốc độ gió quạt Kết kiểm tra liệu mơi trường ngồi trời, tốc độ gió tự nhiên Kết kiểm tra liệu môi trường nhà cao tầng 17 19 19 61 61 61 - viii - DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình vẽ 1.1 1.2 1.3 1.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 3.20 3.21 3.22 3.23 3.24 3.25 3.26 3.27 3.28 Tên hình vẽ Lịch sử phát triển cơng nghệ thiết bị di động Mơ hình giải pháp IoT Azure Bảng điều khiển hiển thị giải pháp IoT điển hình Mơ hình xử lý Azure IoT Hub Mơ hình hệ thống giám sát thời tiết Sơ đồ kết nối Brick Bricklet Barometer Ambient Light Bricklet Humidity Bricklet Cảm biến đo tốc độ gió Cảm biến đo hướng gió Analog in Bricklet LCD 20x4 Briclet Yêu cầu quản lý thiết bị IoT Vòng đời thiết bị IoT Azure IoT Tiến trình Reboot Reset thiết bị Azure IoT Hub Cấu hình thiết bị Azure IoT Hub Quá trình cập nhật firmware thiết bị IoT Hub Quá trình báo cáo tiến trình trạng thái Danh sách cảm biến kết nối hiển thị Brick Viewer Kết hiển thị hình máy vi tính Màn hình xác định chuỗi kết nối Khởi tạo thiết bị đồng Azure Portal Khởi tạo chuỗi kết nối đồng thiết bị Xây dựng luồng phân tích liệu Q trình khởi tạo luồng phân tích liệu Dữ liệu trích xuất Power BI Microsoft Hình ảnh hệ thống giám sát thời tiết thực tế Trang 08 21 23 24 30 31 32 32 33 34 35 36 37 43 44 45 45 46 46 50 54 55 56 57 58 59 60 61 -1- MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Ngày nay, với gia tăng dân số phát triển kinh tế người tác động vào môi trường lượng khí thải vơ lớn, kèm theo việc suy giảm diện tích xanh làm cho bầu khí trái đất ngày nóng lên Chính biến đổi khí hậu diễn ngày nghiêm trọng làm băng tan, nước biển dâng cao, dẫn đến nhiều tượng bất thường thời tiết bão lũ hạn hán diễn phức tạp Điển hình bão Miriane vào tháng năm 2016 cường độ không mạnh gây thiệt hại vô lớn cho khu vực phía Bắc Tây Bắc Bộ Thậm chí nhiều địa phương khơng nằm tâm bão Hà Nội mà chịu ảnh hưởng, thiệt hại khơng nhỏ Ngun nhân việc cảnh báo biến đổi thời tiết Việt Nam chủ yếu sử dụng thiết bị, kỹ thuật chưa đại, dẫn đến nhiều sai số, khiến kết dự báo bị sai lệch so với thực tế công tác dự báo chưa xác kịp thời dẫn đến chủ quan việc phòng chống bão lũ Ở nước tiên tiến giới như: Hàn Quốc, Nhật Bản, Thái-lan đưa cảnh báo, dự báo gần có mạng lưới ra-đa, hệ thống quan trắc tự động dày đặc, phủ kín lãnh thổ, thu thập liệu thơng qua cảm biến gắn thiết bị như: máy bay, phao cứu sinh biển, khí cầu, vệ tinh Số liệu liên tục truyền hệ thống thông qua mạng Internet vệ tinh vòng chưa tới phút Ngay việc giải mã, phân tích siêu máy tính thực hiện, dự báo viên người tiếp nhận đưa định Tại Việt Nam, nay, việc dự báo nhiều thời gian làm phương thức "thủ công" Tức để đưa tin dự báo thời tiết, quan trắc viên trực tiếp thực việc thu thập thông tin trường, sau mã hóa gửi (mất gần 30 phút) Khi tiếp nhận thông tin, hệ thống giải mã, đưa lên mơ hình dự báo, dự báo viên phân tích đưa cảnh báo dựa số liệu nhận Mặt khác, để tăng xác suất dự báo, số liệu quan trắc quốc gia đưa vào mơ hình để đồng hóa số liệu cho phù hợp Nhưng, Việt Nam, trạm quan trắc quan sát, ghi nhận thơng tin bán kính khoảng 20 km Khoảng cách hai trạm lại cách từ 50 km đến 100 km, 60 km hai trạm nắm thơng tin, diễn biến xác tượng xảy Số lượng trạm quan trắc ít, dẫn đến việc quan trắc không đầy đủ, có tất mơ hình đại giới, kết dự báo mơ hình chưa đủ độ tin cậy, số liệu có độ xác thấp Như vậy, để đảm bảo công tác việc dự báo thời tiết xác kịp thời cần có ba yếu tố “Cơng nghệ - Mạng lưới trạm quan sát Hệ thống xử lý thông tin” Chúng ta cần có hệ thống trạm quan sát thời tiết với số lượng -2nhiều dày đặt Các cảm biến đo thông số môi trường cần thiết phục vụ công tác dự báo Dữ liệu truyền trung tâm nhanh chóng kịp thời Hiện nay, với phát triển khoa học công nghệ đặc biệt dựa tảng Internet of Things việc thu thập liệu truyền máy chủ tập trung trở nên dễ dàng hơn, đáp ứng yêu cầu việc giám sát thông tin thời tiết giám sát liệu thời gian thực, hoạt động tự động, sử dụng lượng thấp… Do để hỗ trợ cho việc quan trắc liệu thời tiết dễ dàng liệu tập trung tơi chọn đề tài “Xây dựng hệ thống giám sát thời tiết dựa tảng IoT” Với hy vọng giải pháp triển khai thực tế góp phần tăng cường khả dự báo thời tiết xác kịp thời, giảm bớt rủi ro thiệt hại tài sản người lương lai Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu đề tài xây dựng hệ thống giám sát thời tiết sử dụng cảm biến môi trường truyền tải hệ thống liệu ghi nhận sử dụng tảng Internet of things Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đề tài bao gồm thành phần sau: - Các cảm biến vật lý ghi nhận thông số môi trường - Hệ thống tiếp nhận xử lý liệu dựa tảng IoT Phạm vi nghiên cứu Trong khuôn khổ luận văn tập trung vào cách ghi nhận thông tin môi trường xung quanh thiết bị từ cảm biến đọc truyền tải thông tin liệu môi trường từ cảm biến truyền tải thông tin qua mạng Lan, mạng Internet truyền tải liệu lên hệ thống điện toán đám mây để giám sát liệu phân tích theo thời gian thực trạm quan sát Phương pháp nghiên cứu Chúng tơi sử dụng hai phương pháp nghiên cứu lý thuyết phương pháp thực nghiệm Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Với phương pháp này, nghiên cứu tài liệu cảm biến vật lý để đo thông số môi trường, cách kết nối cảm biến xử lý trung tâm Các tài liệu việc tiếp nhận phản hồi thông tin cảm biến vật lý thông qua Internet cách xử lý liệu hiển thị thời gian thực tảng IoT Phương pháp thực nghiệm: Với phương pháp này, tập trung sử dụng ngôn ngữ C# để xây dựng trạm giám sát thời tiết kiểu mẫu thu thập thông số môi trường với cảm biến vật lý phù hợp, hiển thị lên hình máy tính, thiết bị A A VCC VCC C2 B GND SDA SCL VDD 2k2 R2 SCL SDA U2 100nF LTR-329ALS EP B VCC 10 CON-SENSOR P1 5V GND 3.3V SCL SDA ADDR IO_1/AD IO_2/DA IO_3/PWM IO_4 2k2 R1 VCC C1 VCC U1 A01 A02 A03 VSS VCC WP SCL SDA 100nF SCL SDA M24C64 C C DRILL DRILL DRILL DRILL D Copyright (©) 2015, B.Nordmeyer Licensed under CERN OHL v.1.1 Tinkerforge GmbH Sheet: / File: ambient-light.sch Copyright Tinkerforge GmbH 2015 This documentation describes Open Hardware and is licensed under the CERN OHL v 1.1 You may redistribute and modify this documentation under the terms of the CERN OHL v.1.1 (http://ohwr.org/cernohl) This documentation is distributed WITHOUT ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTY, INCLUDING OF MERCHANTABILITY, SATISFACTORY QUALITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE Please see the CERN OHL v.1.1 for applicable conditions D Title: Ambient Light Bricklet Size: A4 Date: Do 02 Apr 2015 KiCad E.D.A kicad (2015-03-18 BZR 5525)-product Rev: 2.0 Id: 1/1 5V GND 3.3V SCL SDA ADDR IO_1/AD IO_2/DA IO_3/PWM IO_4 10 U1 VCC WP SCL SDA A01 A02 A03 VSS - R1 68.1 ADC0 C3 R5 130k R6 130k + 180pF R7 10 C4 5V D2 3V3 OZCJ0035FF2G AGND U2A M24C64 OZCJ0035FF2G 2 F1 D1 TLV272IS A 15pF EP CON-SENSOR A R3 10k 3V3 +5V 10k R4 P1 C1 3V3 +5V 100nF 3V3 P2 CONN_5 F2 2 AGND AGND AGND AGND 3.3V*13 = max 42.9V TLV272IS B - B + ADC0 U2B C2 3V3 U2C 100nF R2 AGND TLV272IS AGND AGND C D C DRILL DRILL DRILL Copyright (©) 2015, B.Nordmeyer Licensed under CERN OHL v.1.1 Tinkerforge GmbH Sheet: / File: analog_in.sch Copyright Tinkerforge GmbH 2015 This documentation describes Open Hardware and is licensed under the CERN OHL v 1.1 You may redistribute and modify this documentation under the terms of the CERN OHL v.1.1 (http://ohwr.org/cernohl) This documentation is distributed WITHOUT ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTY, INCLUDING OF MERCHANTABILITY, SATISFACTORY QUALITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE Please see the CERN OHL v.1.1 for applicable conditions DRILL D Title: Analog IN Size: A4 Date: mar 2015 KiCad E.D.A kicad (2015-03-18 BZR 5525)-product Rev: 2.0 Id: 1/1 6 U3 VCC SCL SDA GND VREF1 SCL1 SDA1 EN VREF2 SCL2 SDA2 RP1 A 200k R1 4.7k +5V A SCL2 SDA2 PCA9306D C3 100nF FB1 +5V U4 U2 SW_PUSH SW2 +5V SW_PUSH SW3 SW_PUSH SW4 C2 100nF SCL2 SDA2 SW_PUSH +5V C5 SW-BACK EN RS RW +5V R2 10 +5V SEL + MCP23017 C SEL U1 A01 A02 A03 VSS VCC WP SCL SDA RS RW EN DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 C4 100µF/6.3V VCC 10 11 12 13 14 15 16 +5V C1 Q1 SW-BACK D SW1 GPB0 GPA7 GPB1 GPA6 GPB2 GPA5 GPB3 GPA4 GPB4 GPA3 GPB5 GPA2 GPB6 GPA1 GPB7 GPA0 VDD INTA VSS INTB NC nRESET SCL A2 SDA A1 NC A0 100nF DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 RV1 10k SCL SDA SEL 10 11 12 13 14 VSS VDD V0 RS R/W E DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 A K B LCD-20X4 G 2N7002 S VCC 3 10 BTN1 BTN2 BTN3 BTN4 5V GND 3.3V SCL SDA ADDR IO_1/AD IO_2/DA IO_3/PWM IO_4 FB EP B CON-SENSOR P1 100nF SCL SDA C M24C64 P2 BTN2 BTN4 VCC BTN1 BTN3 BTN-HEADER DRILL DRILL DRILL DRILL Copyright Tinkerforge GmbH 2011 This documentation describes Open Hardware and is licensed under the CERN OHL v 1.1 You may redistribute and modify this documentation under the terms of the CERN OHL v.1.1 (http://ohwr.org/cernohl) This documentation is distributed WITHOUT ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTY, INCLUDING OF MERCHANTABILITY, SATISFACTORY QUALITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE Please see the CERN OHL v.1.1 for applicable conditions Copyright (©) 2011, B.Nordmeyer Licensed under CERN OHL v.1.1 Tinkerforge GmbH Sheet: / File: lcd-20x4.sch D D Title: LCD 20x4 Bricklet Size: A4 Date: sep 2012 KiCad E.D.A kicad (2015-03-18 BZR 5525)-product Rev: 1.1 Id: 1/1 ... lý tảng hỗ trợ IoT để giải toán ? ?Xây dựng hệ thống giám sát thời tiết dựa tảng IoT? ?? - 28 - Chương - ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP Trong chương này, tơi tập trung trình bày mơ hình để xây dựng "Hệ thống giám. .. Android để triển khai 1.4.3 Các hệ thống giám sát thời tiết sử dụng tảng IoT Thực tế tính đến thời điểm nay, việc triển khai hệ thống giám sát thời tiết sử dụng tảng IoT có sản phẩm mang tính thương... thông số theo Bài toán đặt tận dụng tảng Internet để xây dựng hệ thống giám sát thời tiết khắc phục điểm yếu thiết bị để từ xây dựng mạng lưới điểm giám sát thời tiết có chi phí sử dụng lượng thấp,