Các chức năng rất giống giống với phiên bản Arduino Uno nhưng kích thước nhỏ gọn hơn. Arduino Nano hoạt động với điện áp 5V. Tuy nhiên nguồn cấp điện áp đầu vào có thể thay đổi từ 7 đến 12V. Arduino Nano bo gồm tất cả 14 chân Digital, 8 chân Analog, 2 chân Reset và 6 chân Nguồn.
Mỗi chân Digital và Analog có thể thực hiện với nhiều chức năng khác nhau nhưng chức năng chính vẫn là được mặc định cấu hình làm đầu vào (Input) hoặc đầu ra ( Output). Khi giao tiếp với cảm biến các chân Digital / Analog đóng vai trị chân Input, Và khi sử dụng để điều khiển động cơ, tạo xung, kích dẫn relay, thiết bị chuyển mạch thì các chân Digital / Anologs đống vai trò Output.
Các hàm cơ bản như pinMode() và digitalWrite() được sử dụng để điều khiển hoạt động của các chân Digital trong khi analogRead() được sử dụng để điều khiển các chân Analog. Các chân Analog có độ phân giải 10 bit, giá trị thay đổi từ 0V đến 5V. Arduino Nano tích hợp Thạch anh dao động với tần số 16 MHz. Nếu sử dụng Arduino Nano để thực hiện một projects liên quan đến đồng hồ số thì độ chính xác trong dao động tần số rất cao, có một hạn chế khi sử dụng Arduino Nano đó là khơng đi kèm giắc nguồn DC, có nghĩa là khơng thể cung cấp nguồn điện bên ngồi thông qua các chân Arduino Nano như các phiên bản Arduino Uno và Arduino Mega. Phải cắm trực tiếp thông qua cổng USB Mini.Board mạch Arduino Nano không sử dụng cổng USB chuẩn thường dùng để kết nối với máy tính, thay vào đó Arduino Nano chỉ hỗ trở cổng USB Mini để kết nối
Với Kích thước nhỏ gọn và các tính năng giống với phiên bản Arduino Uno nên Arduino Nano trở thành một lựa chọn lý tưởng cho hầu hết các ứng dụng thực hiện các projects trong đó kích thước của các thành phần điện tử được tối ưu.Bộ nhớ flash là 16KB hoặc 32KB, phụ thuộc vào Vi điều khiển Atmega, tức là Atmega168 đi có bộ nhớ flash 16KB trong khi Atmega328 đi có bộ nhớ flash là 32KB. Bộ nhớ flash được sử
NGHIÊN CỨU MẠNG LORA ỨNG DỤNG VÀO QUAN TRẮC KHÍ HẬU Ở KHU VỰC HỊA KHÁNH
Sinh viên thực hiện: NGUYỄN NGỌC TRƯỜNG Người hướng dẫn: TH.S TRẦN DUY CHUNG 27
dụng để lưu trữ mã hóa dữ liệu. Bộ nhớ 2KB trong tổng số bộ nhớ flash được sử dụng cho chương trình khởi động gọi là Bootloader. Bộ nhớ SRAM có thể thay đổi từ 1KB hoặc 2KB và EEPROM tương ứng là 512 byte hoặc 1KB đối với Atmega168 và Atmega328.
2.6. TỔNG QUAN VỀ GETWAY
Gateway là một nút mạng được sử dụng trong viễn thơng nhằm kết nối hai mạng có giao thức truyền thơng khác nhau có thể giao tiếp được với nhau. Gateway có vai trị xử lý đầu vào và ra của mạng vì tất cả dữ liệu phải đi qua hoặc giao tiếp với gateway trước khi được định tuyến. Trong hầu hết các mạng IP, lưu lượng duy nhất không đi qua gateway là lưu lượng truyền giữa các nút trên cùng một phân đoạn mạng cục bộ (LAN). Thuật ngữ default gateway hoặc network gateway cũng có thể được sử dụng để mơ tả khái niệm trên.
Gateway được sử dụng chủ yếu trong các tình huống cá nhân hoặc doanh nghiệp muốn đơn giản hóa việc kết nối internet cho một thiết bị. Trong doanh nghiệp, một gateway cũng có thể hoạt động như một máy chủ proxy và tường lửa.
Hình 2.15 Giao thức truyền thơng Gateway
Tất cả các mạng đều có một ranh giới và giới hạn giao tiếp với các thiết bị được kết nối trực tiếp với nó. Do đó, nếu một mạng muốn giao tiếp với các thiết bị, nút hoặc mạng bên ngồi ranh giới đó, chúng u cầu chức năng của một gateway. Một gateway thường có những đặc trưng của sự kết hợp giữa router và modem.
NGHIÊN CỨU MẠNG LORA ỨNG DỤNG VÀO QUAN TRẮC KHÍ HẬU Ở KHU VỰC HỊA KHÁNH
Sinh viên thực hiện: NGUYỄN NGỌC TRƯỜNG Người hướng dẫn: TH.S TRẦN DUY CHUNG 28
Gateway hoạt động bên cạnh một mạng và quản lý tất cả dữ liệu được chuyển hướng nội bộ hoặc bên ngồi từ mạng đó. Khi một mạng muốn giao tiếp với mạng khác, gói dữ liệu được chuyển đến gateway và sau đó được chuyển đến đích thơng qua đường truyền hiệu quả nhất. Ngoài dữ liệu định tuyến, một gateway cũng sẽ lưu trữ thông tin về đường dẫn nội bộ của mạng chủ và đường dẫn của bất kỳ mạng bổ sung nào gặp phải. Gateway về cơ bản là bộ chuyển đổi giao thức, tạo điều kiện tương thích giữa hai giao thức và hoạt động trên bất kỳ lớp nào của mơ hình kết nối hệ thống mở (OSI).
Gateway có nhiều loại, nhiều định dạng và thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau: - Web application firewalls (tường lửa web): loại này lọc lưu lượng truy cập đến và
từ máy chủ web và xem xét dữ liệu lớp ứng dụng.
- Cloud storage gateways (lưu trữ đám mây): loại này dịch các yêu cầu lưu trữ với các lệnh gọi API dịch vụ lưu trữ đám mây khác nhau. Nó cho phép các tổ chức tích hợp lưu trữ từ private cloud vào các ứng dụng mà không cần di chuyển vào public cloud.
- API, SOA hay XML gateways: loại này quản lý lưu lượng truy cập vào và ra khỏi dịch vụ, kiến trúc hướng dịch vụ vi mô hoặc dịch vụ web dựa trên nền tảng XML. - IoT gateways: loại này tổng hợp dữ liệu từ các thiết bị cấp hiện trường (cảm biến,..) trong môi trường IoT, chuyển đổi giữa các giao thức cảm biến và xử lý dữ liệu cảm biến trước khi gửi đi.
- Media gateways: loại này chuyển đổi dữ liệu từ định dạng của một loại mạng sang định dạng cho một loại mạng khác.
- Email security gateways (bảo mật email): loại này ngăn chặn việc truyền các email vi phạm chính sách của cơng ty hoặc chuyển thơng tin với mục đích xấu.
- VoIP trunk gateways: loại này tạo sự thuận lợi cho việc sử dụng các thiết bị dịch vụ điện thoại cũ đơn thuần, chẳng hạn như điện thoại cố định và máy fax, với mạng thoại qua IP (VoIP).
2.7. GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN 2.7.1.Cảm biến ánh sáng BH1750 2.7.1.Cảm biến ánh sáng BH1750
BH1750 là mạch cảm biến cường độ ánh sáng với bộ chuyển đổi AD 16 bit tích hợp trong chip và có thể xuất ra trực tiếp dữ liệu theo dạng digital. Cảm biến khơng cần bộ tính tốn cường độ ánh sáng khác.
BH1750 sử dụng đơn giản và chính xác hơn nhiều lần so với dùng cảm biến quang trở để đo cường độ ánh sáng với dữ liệu thay đổi trên điện áp dẫn đến việc sai số cao.
Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 Digital Light Sensor được sử dụng để đo cường độ ánh sáng theo đơn vị lux, càm biến có ADC nội và bộ tiền xử lý nên giá
NGHIÊN CỨU MẠNG LORA ỨNG DỤNG VÀO QUAN TRẮC KHÍ HẬU Ở KHU VỰC HỊA KHÁNH
Sinh viên thực hiện: NGUYỄN NGỌC TRƯỜNG Người hướng dẫn: TH.S TRẦN DUY CHUNG 29
trị được trả ra là giá trị trực tiếp cường độ ánh sáng lux mà không phải qua bất kỳ xử lý hay tính tốn nào thơng qua giao tiếp I2C
Hình 2.16 Cảm biến ánh sáng BH1750
Độ rọi của ánh sáng:
• Vào buổi tối : 0.001 – 0.02 Lux • Ánh trăng : 0.02 – 0.3 lux
• Trời nhiều mây trong nhà : 5 – 50 lux
• Trời nhiều mây ngồi trời : 50 – 500 lux • Trời nắng trong nhà : 100 – 1000 lux
• Ánh sáng cần thiết để đọc sách: 50 – 60 lux
NGHIÊN CỨU MẠNG LORA ỨNG DỤNG VÀO QUAN TRẮC KHÍ HẬU Ở KHU VỰC HÒA KHÁNH
Sinh viên thực hiện: NGUYỄN NGỌC TRƯỜNG Người hướng dẫn: TH.S TRẦN DUY CHUNG 30
Hình 2.17 Ngun lí hoạt động BH1750
2.7.2.Cảm biến áp suất
BMP 280 là cảm biến đo áp suất khí quyển tuyệt đối kỹ thuật số của Bosch Sensortec. Cảm biến này được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng di động, nơi kích thước nhỏ và tiêu thụ điện năng thấp là rất quan trọng.Chúng ta có thể sử dụng nó trong các ứng dụng khác nhau của mình bao gồm cả ứng dụng với Arduino.
Hình 2.18 Cảm biến áp suất
BMP 280 dựa trên công nghệ cảm biến áp suất điện trở áp, có độ chính xác cao, tuyến tính và ổn định với độ mạnh của EMC.
BMP 280 có thể được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau như Nâng cao hệ thống định vị GPS, Điều hướng trong nhà như Phát hiện tầng và phát hiện thang
NGHIÊN CỨU MẠNG LORA ỨNG DỤNG VÀO QUAN TRẮC KHÍ HẬU Ở KHU VỰC HỊA KHÁNH
Sinh viên thực hiện: NGUYỄN NGỌC TRƯỜNG Người hướng dẫn: TH.S TRẦN DUY CHUNG 31
máy, Điều hướng ngoài trời, Ứng dụng thể thao, Dự báo thời tiết, Chỉ báo vận tốc dọc, v.v.
Cảm biến có hai loại giao diện giao tiếp - I2C và SPI, qua đó bạn có thể trích xuất dữ liệu cảm biến.Về cơ bản, chúng ta có thể vận hành cảm biến ở hai chế độ. 1. Chế độ Bình thường - Ở chế độ này, cảm biến sẽ tự động quay vòng giữa một chu kỳ chờ nad của phép đo. Chế độ này thường được sử dụng với bộ lọc IIR tích hợp khi có nhiễu ngắn hạn trong quá trình đo thơng thường.
2. Chế độ cưỡng bức - Trong chế độ này, cảm biến thực hiện một phép đo duy nhất theo yêu cầu và sau đó trở về chế độ nghỉ. Điều này phù hợp nhất với các trường hợp chúng tơi thăm dị dữ liệu bất cứ khi nào chúng tôi yêu cầu. Điều này thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ lấy mẫu thấp như theo dõi thời tiết.
Ngồi ra cịn có một tính năng mà chúng ta có thể lấy mẫu q mức cho phép đo áp suất và nhiệt độ. Tùy thuộc vào ứng dụng và yêu cầu công suất, chúng ta có thể đặt tỷ lệ lấy mẫu quá mức là 1,2,4,8 hoặc 16. Có các cài đặt mặc định dễ dàng, được tối ưu hóa để phục vụ một số trường hợp ví dụ như theo dõi thời tiết, điều hướng trong nhà, phát hiện rơi, phát hiện độ cao.
Vì kích thước của cảm biến rất nhỏ và rất khó xử lý đối với bất kỳ người u thích nào, chúng tơi phải sử dụng mơ-đun cảm biến áp suất BMP 280, có tất cả các kết nối cần thiết ở đầu nối chân cắm bình thường 2,54 mm.
2.7.3.Cảm biến mưa
a. Giới thiệu
Cảm biến mưa được thiết kế đơn giản gồm: một lá chắn để nhận biết có mưa hoặc có nước xuất hiện tên bề mặt của lá chắn và phần module chuyển đổi tín hiệu giúp giao tiếp với các board mạch vi điều khiển, lẫn led báo hiệu để nhận biết trạng thái trên lá chắn.
NGHIÊN CỨU MẠNG LORA ỨNG DỤNG VÀO QUAN TRẮC KHÍ HẬU Ở KHU VỰC HÒA KHÁNH
Sinh viên thực hiện: NGUYỄN NGỌC TRƯỜNG Người hướng dẫn: TH.S TRẦN DUY CHUNG 32
Hình 2.19 Cảm biến mưa
• Cảm biến hổ trợ hai loại ngõ ra tín hiệu là analog (tương tự) và digital (số),
để có thể áp dụng linh hoạt tùy mục đích khác nhau.
• Cảm biến mưa sử dụng để phát hiện mực nước, trời mưa, hay các mơi trường có nước. Mạch cảm biến mưa được đặt ngồi trời để kiểm tra trời có mưa khơng, qua đó truyền tín hiệu điều khiển đóng / ngắt rơ le.
NGHIÊN CỨU MẠNG LORA ỨNG DỤNG VÀO QUAN TRẮC KHÍ HẬU Ở KHU VỰC HỊA KHÁNH
Sinh viên thực hiện: NGUYỄN NGỌC TRƯỜNG Người hướng dẫn: TH.S TRẦN DUY CHUNG 33 CHƯƠNG 3:TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ
3.1. GIỚI THIỆU
Đề tài “NGHIÊN CỨU MẠNG LORA ỨNG DỤNG VÀO QUAN TRẮC KHÍ HẬU Ở KHU VỰC HÒA KHÁNH”.
Các Node dữ liệu thu thập các thông số của thời tiết như cảm biến mưa ,áp suất, ánh sáng BH170.Tín hiệu của 3 cảm biến này sẽ được truyền gửi lên Gateway thơng qua Lora sx1278.
Gateway có nhiệm vụ là lấy dữ liệu và lưu vào cơ sở dữ liệu và truyền lên Web server,hoặc Thingspeak để hiển thị cho người dùng cập nhật thời tiết .Người dùng có thể đăng nhập qua ứng dụng Mit App có thể quan sát tình hình thời tiết tại khu vực đó .
3.2. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 3.2.1.Thiết kế sơ đồ hệ thống
Theo đề tài hệ thống bao gồm 4 khối chức năng liên kết lại với nhau tạo nên một hệ thống như sau:
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống
Chức năng từng khối:
Khối xử lý trung tâm: Là khối điều chính của hệ thống, thu thập những dữ liệu từ các thiết bị cảm biến sau đó xử lý và điều khiển khối ngoại vi và khối hiển thị Web.Gateway có nhiệm vụ truyền nhận dữ liệu ổn định qua lại với các Node thông qua LoRa,và chuyển giao tín hiệu giao tiếp từ Gateway lên Thingspeak, Web server.
NGHIÊN CỨU MẠNG LORA ỨNG DỤNG VÀO QUAN TRẮC KHÍ HẬU Ở KHU VỰC HỊA KHÁNH
Sinh viên thực hiện: NGUYỄN NGỌC TRƯỜNG Người hướng dẫn: TH.S TRẦN DUY CHUNG 34
Khối cảm biến: Là lấy dữ liệu từ Node cảm biến sau đó thu thập các thơng số ngồi mơi trường như áp suất,ánh sáng,độ ấm,lượng mưa.. và cập nhật sự thay đổi theo thời gian với ngưỡng đặt trước đưa dữ liệu.
Khối hiển thị ứng dụng: Là hiển thị các thông số kĩ thuật ngồi mơi trường đo được tại các Node cảm biến được hiển thị trực tiếp trên websever,hoặc trên Mit App cho người dùng.
Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho toàn bộ hoạt động của hệ thống cũng như các cảm biến dễ hoạt động.
3.2.2.Tính tốn và thiết kế mạch
❖ Khối xử lý trung tâm (Esp 32 được dùng như một khối xử lí trung tâm)
Yêu cầu khối xử lý trung tâm: Đây được xem như là trái tim của toàn bộ hệ thống, khối có chức năng tiếp nhận, xử lý mọi tín hiệu ngõ vào thu được từ các cảm biến, các cơ cấu tác động, các tín hiệu điều khiển từ web, truyền nhận dữ liệu giữa web và phần cứng để xử lý rồi đem những thông số đo được, xử lý được hiển thị lên cho người dùng theo dõi, toàn bộ hoạt động điều khiển của hệ thống được được thông qua khối xử lý trung tâm này.
Esp32 là một hệ thống hoàn chỉnh với kết nối Wi-Fi, kết nối Bluetooth, ADC độ phân giải cao, DAC, kết nối nối tiếp và nhiều tính năng khác. Các thành phần RF tích hợp của nó như bộ khuếch đại công suất, bộ khuếch đại nhận tiếng ồn thấp, công tắc ăng-ten, bộ lọc và Balun RF. Điều này làm cho việc thiết kế phần cứng xung quanh ESP32 rất dễ dàng vì bạn cần rất ít thành phần bên ngồi.
Thơng số kỹ thuật:
• Model: Wifi BLE SoC ESP32 ESP-WROOM-32E (Tương thích hồn tồn với phiên bản cũ ESP-WROOM-32 hiện đã ngưng sản xuất).
• ESP32-D0WD-V3 embedded, Xtensađ dual-core 32-bit LX6 microprocessor, up to 240 MHz
ã Điện áp sử dụng: 3~3.6VDC • Dịng điện sử dụng: ~90mA
• 448 KB ROM for booting and core functions • 520 KB SRAM for data and instructions • 16 KB SRAM in RTC
• Kiểu Antenna: PCB
❖ Arduino Nano
Thơng số kỹ thuật:
• Thiết kế chuẩn kích thước, chân Arduino Nano. • Firmware: Arduino Nano.
NGHIÊN CỨU MẠNG LORA ỨNG DỤNG VÀO QUAN TRẮC KHÍ HẬU Ở KHU VỰC HỊA KHÁNH
Sinh viên thực hiện: NGUYỄN NGỌC TRƯỜNG Người hướng dẫn: TH.S TRẦN DUY CHUNG 35
• IC chính: ATmega328P-AU.
• IC nạp và giao tiếp UART: CH340.
• Điện áp cấp: 5VDc cổng USB hoặc 6-9VDc chân Raw. • Mức điện áp giao tiếp GPIO: TTL 5VDc.
• Dịng GPIO: 40mA.
• Số chân GPIO: 14 chân, trong đó có 6 chân PWM. • Số chân Analog: 8 chân (hơn Arduino Nano 2 chân). • Bộ nhớ Flash: 32KB (2KB Bootloader).
• SPAM: 2KB. • EEPROM: 1KB • Clock Speed: 16MHz.
• Tích hợp Led báo nguồn, led chân D13, LED RX, TX. • Tích hợp IC chuyển điện áp 5V LM1117.
• Kích thước: 18.542 x 43.18mm.
❖ Khối cảm biến
Đối với khối cảm biến ta có nhiệm vụ là thu thập các thơng số đo được ngồi mơi trường sau đó truyền thơng tin tới khối xử lý ,khối này lưu thơng tin xử lí so với ngưỡn đặt cập nhật từng thời gian để điều chỉnh.
Cảm biến mưa
Thơng số kỹ thuật
• Điện áp: 3V – 5V • Ngõ ra:
o DO: dạng digital – TTL có khả năng điều khiển trực tiếp Relay, Buzzer...