HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ TRONG CÔNG NGHIỆP SỬ DỤNG MẠNG LORA

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA: ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH: ĐIỆN TỬ -VIỄN THÔNG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG KHƠNG KHÍ TRONG CƠNG NGHIỆP SỬ DỤNG MẠNG LORA Người hướng dẫn: TS Phan Trần Đăng Khoa Sinh viên thực hiện: Vũ Đình Huy Số thẻ sinh viên: 106160130 Lớp: 16DTCLC1 (Canh lề) Đà Nẵng – 06/2021 TÓM TẮT Tên đề tài: HỆ THỐNG GIÁM SÁT KHƠNG KHÍ TRONG CƠNG NGHIỆP SỬ DỤNG MẠNG LORA Sinh viên thực hiện: Vũ Đình Huy Số thẻ sinh viên: 106160130 Lớp: 16DTCLC1 Thời đại công nghệ 4.0 phát triển làm cho đời sống người ngày cải thiện Việc giám sát thông số, giá trị môi trường từ xa ngày thực hóa Do việc giám sát cơng nghiệp trở thành yêu cầu tất yếu Vì đề tài “Hệ thống giám sát khơng khí cơng nghiệp sử dụng mạng LoRa” nghiên cứu thiết kế nhằm mục đích tạo hệ thống lắp đặt sử dụng cơng nghiệp, giúp giám sát điều kiển để cao cải thiện quản lý công nghiệp Đề tài bao gồm phần: CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MẠNG LORA TRONG CÔNG NGHIỆP CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG PHẦN CỨNG CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN MỀM Và phần: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI TÀI LIỆU THAM KHẢO Trong chương trình bày cách cụ thể, tổng hợp chương tạo nên đồ án thống chặt chẽ trình bày rõ ràng đề tài Hệ thống giám sát khơng khí cơng nghiệp sử dụng mạng LoRa LỜI NĨI ĐẦU VÀ CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Phan Trần Đăng Khoa Trong suốt trình thực đồ án tốt nghiệp, em nhận quan tâm giúp đỡ, hướng dẫn tận tình, tâm huyết thầy Thầy giúp em tích lũy thêm nhiều kiến thức để có nhìn sâu sắc hồn thiện sống Từ kiến thức mà thầy truyền tải, em hiểu rõ hoàn thành đồ án cách hồn thiện nhất, khơng có thầy em khơng hồn thiện đồ án Xin cảm ơn thầy cô Khoa Điện tử - Viễn Thông, trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng truyền đạt kiến thức quý báu năm học vừa qua tạo điều kiện cho chúng em học tập, thực đồ án Nhưng em cố gắng hoàn thiện đồ án phạm vi cho phép chắn không tránh khỏi thiếu sót Chúng em mong nhận thơng cảm, góp ý bảo quý thầy cô bạn Lời cuối xin em xin gửi lời chúc sức khỏe thành đạt đến tất quý thầy cô bạn bè Xin chân thành cảm ơn! i Hệ thống giám sát không khí cơng nghiệp sử dụng mạng LoRa CAM ĐOAN Kính gửi: Hội đồng Bảo vệ đồ án tốt nghiệp khoa Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng Em Vũ Đình Huy, sinh viên lớp 16DTCLC1, Khoa Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng Em xin cam đoan nội dung đồ án chép đồ án cơng trình có từ trước Nếu vi phạm em xin chịu hình thức kỷ luật Khoa Đà Nẵng, ngày tháng năm 2021 Sinh viên thực ii Hệ thống giám sát khơng khí cơng nghiệp sử dụng mạng LoRa MỤC LỤC TĨM TẮT ii LỜI NÓI ĐẦU VÀ CẢM ƠN .i CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ vi DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii CHƯƠNG 1: NGHIỆP TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MẠNG LORA TRONG CÔNG .1 1.1 Giới thiệu chương 1.2 Tổng quan LoRa .1 1.2.1 Khái niệm LoRa 1.2.2 Nguyên lý hoạt động LoRa 1.3 Tổng quan LoRaWAN .3 1.3.1 Khái niệm LoRaWAN .3 1.3.2 Mơ hình mạng LoRaWAN 1.3.3 Ưu nhược điểm LoRaWAN 1.3.4 Một số hệ thống sử dụng mạng LoRa 1.3.5 Tổng quan hệ thống mạng LoRa đề tài .7 1.4 Kết luận chương CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH ĐỀ TÀI .9 2.1 Giới thiệu chương 2.2 Cơ sở lý thuyết .9 2.3 Mơ hình đề tài 2.4 Giới thiệu tổng quan số linh kiện 10 2.4.1 Module vi điều khiển Heltec ESP32 LoRa V2 11 2.4.2 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 11 iii Hệ thống giám sát khơng khí cơng nghiệp sử dụng mạng LoRa 2.4.3 Cảm chất lượng khơng khí MQ -135 13 2.4.4 Cảm biến bụi Sharp GP2Y10 .14 2.4.5 OPTO TRIAC MOC3020 16 2.5 Giới thiệu tổng quan phần mềm, tảng sử dụng 17 2.5.1 Arduino IDE .17 2.5.2 Dịch vụ Firebase – Realtime Database .17 2.5.3 The Things Network 20 2.6 Kết luận chương 20 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 21 3.1 Giới thiệu chương .21 3.2 Yêu cầu đặt cho hệ thống .21 3.3 Xây dựng sơ đồ khối chọn lựa linh kiện cho khối 21 3.3.1 Sơ đồ khối phần cứng 21 3.3.2 Chọn lựa linh kiện cho khối .22 3.4 Mạch Điều khiển 24 3.4.1 Mạch vi điều khiển đèn 24 3.4.2 Mạch điều khiển quạt 26 3.4.3 Mạch nguồn điều khiển 27 3.4.4 Sơ đồ tổng mạch điều khiển .28 3.5 Mạch cảm biến 28 3.5.1 Mạch cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 28 3.5.2 Mạch cảm biến MQ - 135 30 3.5.3 Mạch cảm biến bụi .31 3.5.4 Mạch nguồn cảm biến 31 3.5.5 Sơ đồ hoàn chỉnh mạch cảm biến .33 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN MỀM 33 4.1 Giới thiệu chương .33 4.2 Thiết kế phần mềm cho mạch cảm biến 33 iv Hệ thống giám sát khơng khí công nghiệp sử dụng mạng LoRa 4.3 Thiết kế phần mềm cho mạch điều khiển 34 4.4 Thiết kế phần mềm Web .35 CHƯƠNG 5: THI CÔNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 38 5.1 Thi công mạch phần cứng 38 5.1.1 Thi công mạch cảm biến 38 5.1.2 Thi công mạch điều khiển 39 5.2 Thi công phần mềm thiết kế Web .42 5.3 Nhận xét .42 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 v Hệ thống giám sát không khí cơng nghiệp sử dụng mạng LoRa DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ Hình 1.1: Mơ hình mạng LoRa Hình 1.2: Cấu trúc LoRaWAN Hình 1.3: mơ hình mạng lorawan Hình 1.4: Ứng dụng LoRa nơng nghiệp Hình 2.1: Sơ đồ tổng quan hệ thống Hình 2.2: Heltec ESP32 LoRa V2 Hình 2.3: Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 Hình 2.4: Cảm biến chất lượng khơng khí MQ-135 Hình 2.5: Đặc tính MQ-135 Hình 2.6: Sharp GP2Y10 Hình 2.7: Mối quan hệ điện áp nồng độ bụi Hình 2.8: MOC 3020 Hình 2.9: Dịch vụ firebase Hình 2.10: Firebase Realtime Database đồng thiết bị Hình 3.1: Sơ đồ khối phần cứng đề tài Hình 3.2: Mạch điều khiển đèn Hình 3.3: Mach điều khiển quạt Hình 3.4: Mạch nguồn điều khiển Hình 3.5: Sơ đồ tổng mạch điều khiển Hình 3.6: Sơ đồ mạch cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 Hình 3.7: Sơ đồ mạch cảm biến MQ-135 Hình 3.8: Sơ đồ mạch cảm biến bụi Hình 3.9: Sơ đồ mạch nguồn cảm biến Hình 3.10: Sơ đồ tổng mạch cảm biến Hình 4.1: Lưu đồ thuật tốn mạch cảm biến Hình 4.2: Lưu đồ thuật tốn mạch điều khiển Hình 4.3: Đề xuất thiết kế Web Hình 4.4: Lưu đồ thuật tốn gửi liệu lên Web Hình 5.1: Mạch cảm niến PCB Hình 5.2: Mặt mơ 3D mạch cảm biến Hình 5.3: Mặt mơ 3D mạch cảm biến Hình 5.4: Mạch điều khiển PCB Hình 5.5: Mặt mạch điều khiển Hình 5.6: Mặt mạch điều khiển vi Hệ thống giám sát khơng khí cơng nghiệp sử dụng mạng LoRa Hình 5.7: Mạch cảm biến thực tế Hình 5.8: Mạch điều khiển thực tế Hình 5.9: Kết qả thu Bảng 2.1: Chỉ tiêu không khí nơng nghiệp Bảng 2.2: Thơng số kĩ thuật ESP32 LoRa Bảng 2.3: Thông số kĩ thuật DHT 11 Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật MQ-135 Bảng 2.5: Sharp GP2Y10 vii Hệ thống giám sát khơng khí cơng nghiệp sử dụng mạng LoRa DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt LoRa TTN IoT LoRaWAN M2M Nghĩa Long Range Radio The Things Network Internet Of Things Long Range Radio Wide Area Network Machine to machine viii Hệ thống giám sát khơng khí cơng nghiệp sử dụng mạng LoRa 3.5.4.2 Sơ đồ nguyên lý Chúng ta chọn sơ đồ nguyên lý sau: Hình 3.9: Sơ đồ mạch nguồn cảm biến 3.5.4.3 Phân tích tính tốn thiết kế Để mạch đơn giản dễ lắp đặt, sử dụng adapter để làm nguồn hoạt động cho mạch cảm biến  Trường hơp 1: Không tải Điện áp ngõ vào từ lưới điện: 180vAC – 230vAC đưa vào biến áp để hạ áp xuống khoảng 10.8vAC – 13.2vAC, đưa qua cầu diode chuyển từ dạng xoay chiều sang chiều với điện áp khoảng 14.3vDC – 17.2vDC Sau qua tụ C5,C6 để lọc bớt gợn ổn định điện áp trước đưa vào IC LM7805, điện áp vào chân IN IC LM7805 khoảng 13.0vDC – 16.2vDC, sau để tạo điện áp ổn định khoảng 4.8vDC – 5.2vDC sau qua tụ C7, C8 để tạo nguồn điện áp ổn định  Trường hợp 2: Có tải, trở 22Ohm, dịng I=0.42A Điện áp ngõ vào từ lưới điện khoảng 180vAC – 230vAC đưa vào điện áp để hạ áp xuống khoảng 10.8vAC – 13.2vAC đưa qua cầu diode để chuyển để chuyển từ điện áp xoay chiều sang chiều với điện áp khoảng 10.2vDC – 17.2vDC Sau qua tụ lọc C5, C6 để lọc bớt gợn ổn định điện áp cho IC LM7805, điện áp vào chân IN IC LM7805 khoảng 12.0vDC – 16.2vDC, sau tạo điện áp khoảng 4.8vDC – 5.2vDC qua tụ C7, C8 để tạo điện áp ổn định cung cấp cho tải Sinh viên thực hiện: Vũ Đình Huy 33 Hướng dẫn: TS Phan Trần Đăng Khoa Hệ thống giám sát khơng khí cơng nghiệp sử dụng mạng LoRa 3.5.5 Sơ đồ hoàn chỉnh mạch cảm biến Hình 3.10: Sơ đồ tổng mạch cảm biến Sinh viên thực hiện: Vũ Đình Huy 34 Hướng dẫn: TS Phan Trần Đăng Khoa Hệ thống giám sát khơng khí công nghiệp sử dụng mạng LoRa CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN MỀM 4.1 Giới thiệu chương Chương trình bày đề xuất thiết kế chương trình phần mềm cho mạch cảm biến, mạch điều khiển Web Từ đề xuất trên, vẽ nên lưu đồ thuật toán tổng quát chương trình chương trình Sau viết chi tiết kiểm thử chương trình 4.2 Thiết kế phần mềm cho mạch cảm biến 4.2.1.1 Đề xuất thiết kế Chương trình mạch cảm biến thực chức sau:  Đọc giá trị từ cảm biến  Kết nối tới server the things network  Hiển thị giá trị hình OLED  Gửi giá trị đo lên server theo class A 4.2.1.2 Lưu đồ thuật toán chung mạch cảm biến Sinh viên thực hiện: Vũ Đình Huy 35 Hướng dẫn: TS Phan Trần Đăng Khoa Hệ thống giám sát khơng khí cơng nghiệp sử dụng mạng LoRa Giải thích nguyên lý hoạt động chương trình: Đầu tiên thiết bị khởi tạo chân cảm biến, sau kiểm tra kết nối server TTN chưa chưa thiết bị quay lại kiểm tra kết nồi, kết nồi thiết bị tiến hành đọc liệu từ cảm biến xuất hình OLED Tiếp theo thiết bị gửi liệu đọc lên server sau 5s lăp lại lưu đồ 4.3 Thiết kế phần mềm cho mạch điều khiển 4.3.1.1 Đề xuất thiết kế Chương trình mạch điều khiển phải có chức sau:  Kết nối với server the things network theo class C  Điều khiển bật, tắt đèn quạt nhận tín hiệu từ server Hình 4.1: Lưu đồ thuật toán mạch cảm biến (Lưu đồ bên trái gì, bên phải gì, bỏ background) Sinh viên thực hiện: Vũ Đình Huy 36 Hướng dẫn: TS Phan Trần Đăng Khoa Hệ thống giám sát không khí cơng nghiệp sử dụng mạng LoRa Hình 4.2: Lưu đồ thuật toán mach điều khiển (Lưu đồ bên trái gì, bên phải gì, bỏ background) 4.3.1.2 Lưu đồ thuật tốn Giải thích ngun lý hoạt động chương trình: Đầu tiên thiết bị tạo chân điều khiển sau kiểm tra kết nồi với server kết nồi thất bại thiết bị tiếp thuc kiểm tra kết nồi, thành cơng thiết bị kết nồi vào server kiểm tra trạng thái bật tắt nút nhấn Nếu nút nhấn kích hoạt thiết bị xuất chân vi điều khiển mức cao thấp tùy vào trạng thái nút nhấn để bặt tắt đèn quạt 4.4 Thiết kế phần mềm Web 4.4.1.1 Đề xuất giao diện phần mềm Phần mềm ứng Web phải thực chức sau:  Màn hình hiển thị giá trị nhiệt độ, độ ẩm, chất lượng khơng khí, bụi Sinh viên thực hiện: Vũ Đình Huy Hướng dẫn: TS Phan Trần Đăng Khoa 37 Hệ thống giám sát khơng khí cơng nghiệp sử dụng mạng LoRa  Màn hình có nút nhấn điều khiển thiết bị  Màn hình đưa sơ đồ dựa giá trị đo Đề xuất thiết kế sau: Sinh viên thực hiện: Vũ Đình Huy 38 Hướng dẫn: TS Phan Trần Đăng Khoa Hệ thống giám sát khơng khí cơng nghiệp sử dụng mạng LoRa Hình 4.3: Đề xuất thiết kế web Màn hình giám sát thơng số môi trường đơn giản hiển thị giá trị thông số môi trường, cập nhật liên tục theo sở liệu đám mây 4.4.1.2 Lưu đồ thuật tốn gửi liệu lên Web Giải thích ngun lý hoạt động: Cảm biến đo giá trị gửi giá trị đến server, server sau nhận giá trị giải mã giá trị cho với thực tế Sau firebase lấy liệu giải mã TTN đến Web tạo để hiển thị liệu đo Hình 4.4: Lưu đồ thuật tốn gửi liệu lên Web Sinh viên thực hiện: Vũ Đình Huy 39 Hướng dẫn: TS Phan Trần Đăng Khoa Hệ thống giám sát khơng khí cơng nghiệp sử dụng mạng LoRa CHƯƠNG 5: THI CÔNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 5.1 Thi công mạch phần cứng 5.1.1 Thi cơng mạch cảm biến 5.1.1.1 Vẽ mạch PCB Hình 5.1: Mạch cảm biến PCB Mạch thiết kế có kích thước 11,7 x 6,7 cm, mạch chạy layout board lớp Các linh kiện xắp xếp thừ mạch nguồn tới vi điều khiển cảm biến thuận lợi cho việc kiểm tra, Hình 5.2: Mặt mơ 3D mạch cảm biến Sinh viên thực hiện: Vũ Đình Huy 40 Hướng dẫn: TS Phan Trần Đăng Khoa Hệ thống giám sát khơng khí cơng nghiệp sử dụng mạng LoRa Hình 5.3: Mặt mơ 3D mạch cảm biến 5.1.2 Thi công mạch điều khiển 5.1.2.1 Vẽ mạch PCB Hình 5.4: Mạch điều khiển PCB Mạch có kích thược 10 x 7,7cm, board layout lớp Linh kiện xắp sếp từ nguồn đến vi điều khiển đến mạch điều khiển thuân lợi cho việc đo đạc Sinh viên thực hiện: Vũ Đình Huy 41 Hướng dẫn: TS Phan Trần Đăng Khoa Hệ thống giám sát khơng khí cơng nghiệp sử dụng mạng LoRa Hình 5.5: Mặt mạch điều khiển Hình 5.6: Mặt mạch điều kiển 5.1.2.2 Mạch thực tế hoàn thiện Mạch cảm biến: Sinh viên thực hiện: Vũ Đình Huy 42 Hướng dẫn: TS Phan Trần Đăng Khoa Hệ thống giám sát khơng khí cơng nghiệp sử dụng mạng LoRa 5.2 Hình 5.7: Mạch cảm biến thực tế Mạch điều khiển: Thi công phần mềm thiết kế Web Hình 5.9: Kết thu Hình 5.8: Mạch điều khiển thực tế Hệ thống hiển thị giá trị đo từ cảm biến đưa giá trị hiển thị biểu đồ Trang Web với nút nhấn điều khiển thiết bị mà mục tiêu đề 5.3 Nhận xét Hệ thống tương đối thực hết mục tiêu đề ra, hình giám sát thiết bị hiển thị rõ ràng, giá trị đo cập nhập liên tục với thời gian cài Sinh viên thực hiện: Vũ Đình Huy 43 Hướng dẫn: TS Phan Trần Đăng Khoa Hệ thống giám sát không khí cơng nghiệp sử dụng mạng LoRa Chế độ điều khiển hoạt động tốt, kết nối node với server ổn định Sinh viên thực hiện: Vũ Đình Huy 44 Hướng dẫn: TS Phan Trần Đăng Khoa Hệ thống giám sát khơng khí cơng nghiệp sử dụng mạng LoRa KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Sau thời gian nghiên cứu hoàn thành đề tài, em nhận thấy mơ hình hoạt động tương đối ổn định, thời gian nghiên cứu thực đề tài, em học hỏi tìm hiểu thêm nhiều kiến thức củng cố lại kiến thức học giúp hoàn thành đề tài Vì đề tài hướng đến việc giúp giám sát khơng khí cơng nghiệp nên đề tài trọng độ ổn định độ xác cao Nhưng nhờ hướng dẫn giảng viên hướng dẫn tài liệu tham khảo em phần giải tương đối yêu cầu đề tài Tuy sản phẩm hoàn thành em nhận thấy sản phẩm nhiều thiếu sót, cần chỉnh sửa cải tiến Hướng phát triển đề tài:  Thiết kế giao diện Web dễ nhìn dễ tiếp cận người dùng  Sử dụng thêm nhiều cảm biến để đo đạt xác  Phát triển mơ hình với nhiều node Sinh viên thực hiện: Vũ Đình Huy 45 Hướng dẫn: TS Phan Trần Đăng Khoa Hệ thống giám sát khơng khí cơng nghiệp sử dụng mạng LoRa TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://wiki.matbao.net/firebase-la-gi-giai-phap-lap-trinh-khong-can-backend-tugoogle/ [2] https://www.thethingsnetwork.org/docs/ [3] https://heltec-automationdocs.readthedocs.io/en/latest/esp32/wifi_lora_32/hardware_update_log.html [4] https://smartfactoryvn.com/technology/internet-of-things/tim-hieu-ve-cong-nghelora-va-cach-hoat-dong/ Sinh viên thực hiện: Vũ Đình Huy 46 Hướng dẫn: TS Phan Trần Đăng Khoa PHỤ LỤC Code chương trình vi điều khiển ESP 32 LoRa cảm biến Code chương trình vi điều khiển ESP 32 LoRa điều khiển Code giải mã giá trị cảm biến gửi lên sever Phụ lục ... tảng LoRaWAN tồn Cấu trúc software thiết bị hỗ trợ LoRaWAN sau: Hình 1.2: Cấu trúc LoRaWAN Trong cấu trúc LoRaWan bao gồm LoRa Mac (Class A, Class B, Class C) hoạt động dựa lớp PHY chip LoRa. .. THỐNG MẠNG LORA TRONG CÔNG .1 1.1 Giới thiệu chương 1.2 Tổng quan LoRa .1 1.2.1 Khái niệm LoRa 1.2.2 Nguyên lý hoạt động LoRa 1.3 Tổng quan LoRaWAN... khí cơng nghiệp sử dụng mạng LoRa DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ Hình 1.1: Mơ hình mạng LoRa Hình 1.2: Cấu trúc LoRaWAN Hình 1.3: mơ hình mạng lorawan Hình 1.4: Ứng dụng LoRa nơng nghiệp Hình 2.1: