THIẾT kế THI CÔNG hệ THỐNG THEO dõi và HIỂN THỊ các THÔNG số môi TRƯỜNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÌNH DƯƠNG KHOA Điện – Điện Tử  BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ THI CÔNG HỆ THỐNG THEO DÕI VÀ HIỂN THỊ CÁC THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG GVHD:th.s Nguyễn Quang Chung SVTH : Phạm Tuấn Thạnh Nguyễn Trần Như Quý MSSV : 15020051 15020057 LỚP : 18DT01 18DT01 BÌNH DƯƠNG …/20… MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Đặt Vấn Đề: 1.2 Mục Tiêu: 1.3 Yêu cầu: CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bộ nguồn: 1.1 Pin lượng mặt trời 1.2 Bộ lưu trữ lượng (Acquy) Cảm biến DHT11: 11 Kít thu phát wifi ESP32: 13 Mạch thu phát Lora SX1278 15 Giao thức MQTT: 18 Android studio: 21 Cơ sở liệu MongoDB: 23 Khái niệm: 23 Các thuật ngữ hay sử dụng sở liệu MongoDB: 23 Chuẩn giao tiếp SPI: 25 CHƯƠNG III: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH 34 Yêu cầu: 34 Giải pháp thiết kế: 34 Lựa chọn giải pháp 34 Lý chọn giải pháp: 35 tiêu chuẩn hệ thống (QCVN) 35 CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ 47 I Sơ đồ khối tổng quát: 47 II Thiết kế chi tiết: 48 Thiết bị đầu cuối: 48 Giao thức MQTT: 58 Lưu trữ liệu: 60 Ứng dụng người dùng (Android Studio): 63 CHƯƠNG V: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 69 Kết quả: 69 Hướng phát triển: 70 LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc tình cảm chân thành cho phép nhóm em gửi lời cảm ơn tới: – Trường Đại học Bình Dương khoa Điện –Điện giảng viên tận tình dạy tạo điều kiện giúp đỡ em trình học tập, nghiên cứu hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học – Đặc biệt nhóm em xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Quang Chung – người hướng dẫn người ln tận tình hướng dẫn, giúp đỡ động viên nhóm em suốt q trình nghiên cứu hồn thành đề tài nghiên cứu Nhóm em xin trân trọng cám ơn Ban giám hiệu,cùng tồn thể thầy giáo cơng tác trường tận tình truyền đạt kiến thức q báu, giúp đỡ nhóm q trình học tập nghiên cứu Tuy có nhiều cố gắng, đề tài nghiên cứu khoa học không tránh khỏi thiếu sót Nhóm em kính mong Q thầy cơ, người quan tâm đến đề tài, tiếp tục có ý kiến đóng góp, giúp đỡ để đề tài hoàn thiện Một lần em xin chân thành cám ơn Bình Dương, tháng … năm 2019 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Đặt Vấn Đề: Hiện nay, nước có số thiết bị theo dõi thông số môi trường với giá thành từ 15-30 triệu đồng/ sản phẩm Trong thiết bị chúng em nghiên cứu dự trù từ 6-8 triệu / sản phẩm Hoạt động theo dõi thông số môi trường Việt Nam triển khai, trì từ năm 1994 đến nay, theo quy mơ từ Trung ương đến địa phương Các quan, đơn vị thực quan trắc môi trường ngày phát triển số lượng chất lượng Năm 2016 với việc Thủ tướng Chính phủ ký ban hành Quyết định số 90/2016/QĐ-TTg ngày 12/1/2016 phê duyệt Quy hoạch mạng lưới quan trắc Tài nguyên Môi trường quốc gia giai đoạn 2016 - 2025, tầm nhìn đến năm 2030, nhằm xây dựng hệ thống quan trắc quốc gia hợp lý, thống nhất, đồng bộ, đại, đạt trình độ hàng đầu khu vực Đơng Nam Á trình độ tiên tiến khu vực châu Á Đồng thời, để đáp ứng nhu cầu thông tin điều tra phục vụ công tác quản lý nhà nước bảo vệ môi trường yêu cầu phát triển kinh tế - xã hội, phục vụ dự báo, cảnh báo, phòng tránh, giảm nhẹ thiệt hại thiên tai ô nhiễm mơi trường, ứng phó với biến đổi khí hậu, cơng nghệ quan trắc áp dụng mạng lưới ngày tiên tiến, đại Việc đầu tư trang thiết bị đặt nhằm đáp ứng yêu cầu thực tiễn cơng tác quan trắc phân tích thơng số chất lượng môi trường 1.2 Mục Tiêu: Thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị thu thập liệu mơi trường Thiết kế hệ thống có khả lưu trữ hiển thị cho người dùng 1.3 Yêu cầu: Thiết kế thiết bị thu thập liệu môi trường với: - Thiết bị đo liệu môi trường nhiệt độ, độ ẩm với sai số không ±5% - Thiết bị đo có mức giá thành triệu đồng - Thiết bị hoạt động 24/24 - Người dùng xem thông tin nhiệt độ, độ ẩm theo thời gian thực theo thống kê theo ngày, tháng, năm CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bộ nguồn: 1.1 Pin lượng mặt trời Khái niệm: Pin mặt trời hay pin quang điện có tên tiếng Anh Solar panel, bao gồm nhiều tế bào quang điện (gọi solar cells) Tế bào quang điện phần tử bán dẫn có chứa bề mặt nhiều cảm biến ánh sáng ốt quang, làm biến đổi lượng ánh sáng thành lượng điện Cấu tạo nguyên lý hoạt động pin mặt trời: Chúng thường lắp đặt nơi hấp thu nhiều ánh sáng mặt trời mái tòa nhà hay cơng trình Hệ thống chuyển đổi quang từ ánh sáng mặt trời hấp thụ thành điện năng, sử dụng điện lưới thơng thường Silicon biết đến chất bán dẫn, thành phần quan trọng cấu tạo pin lượng mặt trời “Chất bán dẫn vật liệu trung gian chất dẫn điện chất cách điện, hoạt động chất cách điện nhiệt độ thấp có tính dẫn điện nhiệt độ phịng” Ánh sáng lượng mặt trời gồm hạt nhỏ gọi photon tỏa từ mặt trời Nó va chạm với nguyên tử Silicon pin, lúc hạt photon truyền lượng chúng tới electron rời rạc, kích thích làm cho electron liên kết với nguyên tử bị bật khỏi nguyên tử, đồng thời nguyên tử xuất chỗ trống thiếu electron Tuy nhiên việc giải phóng electron nửa công đoạn pin mặt trời, tiếp đến dồn electron rải rác vào dòng điện Điều ảnh hưởng đến việc tạo cân điện pin, có tác dụng giống xây dốc để electron chảy theo hướng Sự cân tạo tổ chức bên silicon Các nguyên tử silicon xếp cấu trúc liên kết chặt chẽ Bằng cách ép lượng nhỏ nguyên tố khác vào cấu trúc này, tạo loại Silicon là: loại n (bán dẫn âm – Negative) loại p(bán dẫn dương – Positive) Chất bán dẫn loại n có tạp chất nguyên tố thuộc nhóm V, nguyên tử dùng electron tạo liên kết electron lớp liên kết lỏng lẻo với nhân, electron dẫn Chất bán dẫn loại p có tạp chất nguyên tố thuộc nhóm III, dẫn điện chủ yếu lỗ trống Hình ảnh 2.1: Cấu tạo pin lượng mặt trời Khi hai loại bán dẫn n p đặt cạnh pin mặt trời, electron dẫn loại n chuyển qua lấp đầy khoảng trống loại p Điều có nghĩa silicon loại n tích điện dương silicon loại p tích điện âm, tạo nên điện trường pin Vì silicon chất bán dẫn nên hoạt động chất cách điện trì cân Khi làm cho electron liên kết với nguyên tử bị bật khỏi nguyên tử silicon, photon ánh sáng mặt trời đưa electron vào trật tự định, từ cung cấp dịng điện cho máy tính, vệ tinh tất thiết bị Phân loại pin lượng mặt trời: Cho tới vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời silic tinh thể, chia thành loại: Hình ảnh 2.2: Các loại pin lượng mặt trời - Đơn tinh thể: Module sản xuất dựa trình Czochralski (là nhà hóa học người Ba Lan phát minh quy trình Czochralski, quy trình điều chế silic đơn tinh thể - nguyên liệu quan trọng việc chế tạo vi mạch bán dẫn) Đơn tinh thể loại có hiệu suất lên tới 16% Chúng thường có giá thành cao cắt từ thỏi hình ống, đơn thể có mặt trống góc nối module - Đa tinh thể: làm từ thỏi đúc-đúc từ silic nung chảy cẩn thận sau làm nguội làm rắn Các loại pin có giá rẻ đơn tinh thể, nhiên hiệu suất Tuy nhiên chúng tạo thành vng che phủ bề mặt nhiều đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp 1.2 Bộ lưu trữ lượng (Acquy) Khái niệm: Ắc quy lưu trữ điện dạng điện áp chiều (DC) Cấu tạo: Hình ảnh 2.3: Cấu tạo cực Ắc quy - Đối với loại Ắc quy axit chì: Bao gồm cực, cực dương (+) làm oxit Chì (PbO2) cực âm (-) làm Chì (Pb) Điền đầy cực dung dịch axít sulfuric (H2SO4) loãng, tất nhiên dung dịch loãng Nước (H2O) chiếm phần lớn thể tích - Đối với loại Ắc quy Ni-Cd kiềm: Bản cực dương (+) làm Niken hydro xít Ni(OH)2 cực âm làm Catmi hydro xít Cd(OH)2 Điền đầy cực dung dịch kali kiềm (KOH) Trên thực tế, cực ắc quy có số lượng nhiều (để tạo dung lượng bình ắc quy lớn) bình ắc quy lại bao gồm nhiều ngăn (cells) Nhiều cực mắc song song để tạo tổng diện tích cực nhiều hơn, giúp cho trình phản ứng xảy đồng thời nhiều vị trí dịng điện cực đại xuất từ ắc quy đạt trị số cao tất nhiên dung lượng ắc quy tăng lên; Còn nhiều cực mắc nối tiếp tạo mức điện áp định mức bình lớn Ví dụ: Mỗi ngăn cực ắc quy a-xít chì cho mức điện áp khoảng đến 2,2 V, dung lượng 200Ah để bình Ắc quy đạt mức 6V, 200Ah Ắc quy ghép nối tiếp ngăn cực với để thành bình ắc quy 6V, 200Ah muốn bình Ắc quy đạt mức 2V, 600Ah cần ghép ngăn cực song song Một bình Ắc quy hở khí thơng thường bao gồm thành phần sau: Nút thơng để khí bên bình ngồi, cọc bình để nối với tải ngồi nối ghép 10 } else { Serial.print("failed, rc="); Serial.print(client.state()); Serial.println(" try again in seconds"); // Wait seconds before retrying delay(5000); } } } void callback(char* topic, byte *payload, unsigned int length) { Serial.println(" -new message from broker -"); Serial.print("channel:"); Serial.println(topic); Serial.print("data:"); Serial.write(payload, length); Serial.println(); } void setup() { Serial.begin(115200); Serial.setTimeout(500);// Set time out for sensors.begin(); delay(2000); setup_wifi(); client.setServer(mqtt_server, mqtt_port); client.setCallback(callback); reconnect(); } void loop (){ //Serial.print("Requesting temperatures "); sensors.requestTemperatures(); // Send the command to get temperatures float value = sensors.getTempCByIndex(0); //Serial.println("DONE"); // After we got the temperatures, we can print them here // We use the function ByIndex, and as an example get the temperature from the first sensor only //Serial.print("Temperature for the device (index 0) is: "); //Serial.println(sensors.getTempCByIndex(0)); StaticJsonDocument doc; // StaticJsonObject allocates memory on the stack, it can be // replaced by DynamicJsonDocument which allocates in the heap // // DynamicJsonDocument doc(200); // Add values in the document // 57 doc["Date"] = " "; doc["Sensor_ID"] = "Temperature"; doc["Temperature"] = value; // Add an array // //JsonArray data = doc.createNestedArray("Temperature"); // Temperature.add(sensors.getTempCByIndex(0)); String aaaa; serializeJson(doc, aaaa); const char *sensorTemp = aaaa.c_str(); client.publish("BDU/NCKH2019/Temperature", sensorTemp); delay(30000); if (!client.connected()) reconnect(); } Giao thức MQTT: a, Yêu cầu: - Đọc liệu từ thiết bị gửi lên - Chuyển liệu nhận lên sever ứng dụng android b, Sơ đồ khối: Thiết bị MQTT BROKER INTERNET Hình ảnh 4.4:Sơ đồ khối giao thức MQTT c, Thiết kế: Cài đặt gói Debian Mosquitto mặc định Gói mặc định có sẵn từ kho lưu trữ Debian kích hoạt cho giao thức MQTT Đây lệnh để cài đặt apt-get update apt-get install mosquitto 58 Cài đặt Mosquitto với hỗ trợ cho websockets Nếu bạn cần quản lý giao thức Websockets (được chương trình Javascript yêu cầu bên trang web để xuất / đăng ký kiện), bạn phải sử dụng để cài đặt gói kích hoạt cho điều với lệnh sau: wget http://repo.mosquitto.org/debian/mosquitto-repo.gpg.key sudo apt-key add mosquitto-repo.gpg.key cd /etc/apt/sources.list.d/ sudo wget http://repo.mosquitto.org/debian/mosquitto-jessie.list sudo apt-get update sudo apt-get dist-upgrade Cấu hình Mosquitto để hỗ trợ websockets Tạo tệp có tên /etc/mosquitto/conf.d/websocket.conf với nội dung này: listener 1883 listener 1884 protocol websockets Khởi động lại Mosquitto: service mosquitto restart Kiểm tra Mosquitto làm việc Để kiểm tra xem Mosquitto có làm việc bảng bạn không, đăng ký với nhà môi giới để nhận tất tin nhắn: mosquitto_sub -h localhost -t "#" -v Sau mở phiên nhiệt khác gửi mớ hỗn độn đến chủ đề "kiểm tra": mosquitto_pub -h localhost -t "test" -m "Hello world!" Bạn thấy tin nhắn nhận 59 Lưu trữ liệu: a, Yêu cầu: - Nhận liệu thông qua giao thức MQTT - Lưu trữ liệu xuất liệu ứng dụng android b, Sơ đồ khối: Sever Mongo DB INTERENET Hình ảnh 4.5: Sơ đồ khối sever MongoDB c, Thiết kế: Màn hình khởi tạo sever MongoDB: Hình ảnh 4.6: Giao diện sever Tất cơng đoạn lập trình sever sử dụng ngôn ngữ python Tạo sever: 60 Đầu tiên khởi tạo thư mục “nckh”: Trong thư mục “nckh” tạo thư mục “iot”: Trong mục “iot” chứa chương trình để nhận, lưu trữ xử lý liệu: Chạy chương trình kiểm tra hoạt động sever: Hình ảnh 4.7: Test hoạt động sever Chương trình hoạt động liên tục, nhấn tổ hợp phím Ctrl + C để dừng chương trình tiếp tục làm việc Viết chương trình lưu trữ liệu: 61 Hình ảnh 4.8: Chương trình cài đặt sever Hình ảnh 4.9: Chương trình cài đặt sever Tiếp theo viết chương trình nhận liệu: 62 Hình ảnh 4.10: Chương trình đọc liệu từ thiết bị Khi truy xuất liệu từ sever nhận chuỗi dạng JSON Chương trình Android Studio xử lý chuỗi JSON hiển thị hình Ứng dụng người dùng (Android Studio): a, Yêu cầu: - Lập trình android ngôn ngữ Java - Nhận liệu từ thiết bị xuất giá trị thời - Nhận liệu từ sever xuất giá trị database - Lưu trữ liệu xuất liệu hình b, Sơ đồ khối: 63 Ứng dụng Android INTERNET Màn hình Hình ảnh 4.14: Sơ đồ khối ứng dụng android Lưu đồ giải thuật: Begin S Báo lỗi thử lại Kết nối MQTT Đ Subcrip BDU/NCKH/# Giá trị thời Publish (dd/mm/yyyy) Dữ liệu lưu trữ Database 64 c, Thiết kế: Trước tiên, bạn cần cài đặt thư viện máy khách paho.mqtt python pip install paho-mqtt Và mã: Hình ảnh 4.11: Khai báo thư viện Bây thêm bố cục biểu đồ vào activity_main.xml chúng tơi, cách sử dụng trình soạn thảo văn Thêm mã theo bố cục