TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MẠNG LORA TRONG CÔNG NGHIỆP
Giới thiệu chương
Chương 1 sẽ trình bày làm rõ những phần sau: Tổng quan về hệ thống mạngLoRa trong đó sẽ trình bày về khái niệm mạng LoRa và những ứng dụng của nó trong đời sống của con người Sau đó chương sẽ giới thiệu tổng quan về hệ thống mạngLoRa trong công nghiệp, một ứng dụng tiêu biểu của mạng LoRa, ưu và nhược điểm,các nguyên tắc hoạt động, xu hướng phát triển và một số hệ thống công nghiệp sử dụng mạng LoRa tiêu biểu hiện nay, từ đó sẽ đặt ra vấn đề cho đề tài này, đưa ra các mục đích và phương pháp nghiên cứu, những giới hạn của đề tài.
Tổng quan về LoRa
LoRa, viết tắt của Long Range Radio, là công nghệ truyền thông dữ liệu không dây sử dụng kỹ thuật điều chế vô tuyến Công nghệ này được phát triển bởi các chip thu phát Semtech LoRa, cho phép truyền dữ liệu ở khoảng cách xa với hiệu suất cao.
Kỹ thuật điều chế LoRa cho phép giao tiếp tầm xa với lượng dữ liệu nhỏ, băng thông thấp và khả năng chống nhiễu cao, đồng thời giảm thiểu mức tiêu thụ điện năng, phù hợp cho các thiết bị IoT với dung lượng pin hạn chế Mỗi gateway LoRa có thể xử lý hàng triệu node, giúp giảm thiểu cơ sở hạ tầng mạng cần thiết và làm cho việc xây dựng mạng LoRa trở nên tiết kiệm hơn Các mạng LoRa có thể được tích hợp cùng với các thiết bị liên lạc khác như tháp điện thoại di động, giảm thiểu các hạn chế trong quá trình xây dựng.
LoRa nổi bật với khả năng truyền nhận dữ liệu ở khoảng cách xa lên đến 10km, tùy thuộc vào thiết kế anten và vật cản, đồng thời tiết kiệm pin hiệu quả Những đặc điểm này không có ở kết nối Wifi hay 3G/4G, và giá thành của các chipset LoRa cũng rất cạnh tranh.
Sự phát triển của Internet of Things (IoT) bị ảnh hưởng bởi dung lượng mạng, khả năng hoạt động của thiết bị không cần thay pin và khả năng mã hóa truyền dẫn an toàn Các tính năng tích hợp trong công nghệ LoRa đáp ứng những yêu cầu này, mở ra cơ hội cho sự phát triển mạnh mẽ của IoT.
Công nghệ LoRa cho phép truyền dữ liệu với khoảng cách lên đến hàng km mà không cần mạch khuếch đại công suất, giúp tiết kiệm năng lượng trong quá trình truyền và nhận dữ liệu Nhờ đó, LoRa có thể được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thu thập dữ liệu như mạng cảm biến, nơi các nút cảm biến có khả năng gửi thông tin đo đạc về trung tâm ở khoảng cách xa và hoạt động lâu dài với pin trước khi cần thay thế.
1.2.2 Nguyên lý hoạt động của LoRa
LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế Chirp Spread Spectrum, trong đó dữ liệu được băm bằng các xung cao tần để tạo tín hiệu có dãy tần số cao hơn tần số gốc Tín hiệu cao tần này sau đó được mã hóa thành các chuỗi chirp signal, bao gồm up-chirp với tần số tăng theo thời gian cho bit 1 và down-chirp với tần số giảm cho bit 0, trước khi được truyền ra anten.
Theo Semtech, nguyên lý của LoRa giúp giảm độ phức tạp và tăng độ chính xác của mạch nhận, cho phép giải mã và điều chế dữ liệu hiệu quả LoRa có khả năng truyền xa mà không cần công suất phát lớn, nhờ tín hiệu có thể được nhận ở khoảng cách xa, ngay cả khi độ mạnh tín hiệu thấp hơn nhiễu môi trường Sử dụng chirp signal, các tín hiệu LoRa với chirp rate khác nhau có thể hoạt động trong cùng một khu vực mà không gây nhiễu lẫn nhau, cho phép nhiều thiết bị LoRa trao đổi dữ liệu trên nhiều kênh đồng thời LoRa hoạt động trên tần số không cần giấy phép, với băng tần từ 430 MHz đến 915 MHz tùy theo khu vực trên thế giới.
Tổng quan về LoRaWAN
LoRaWAN (Mạng không dây tầm xa) là một hệ thống và giao thức truyền thông dựa trên công nghệ LoRa, hoạt động trong dải tần không được cấp phép dưới 1GHz So với WiFi, hoạt động ở tần số cao hơn là 2.4 GHz và 5 GHz, cùng với 4G trong khoảng từ 2 đến 8 GHz, LoRaWAN cung cấp khả năng kết nối xa hơn Kiến trúc của LoRaWAN bao gồm hai lớp: lớp vô tuyến vật lý LoRa (Tầm xa) và lớp mạng, nơi nền tảng LoRaWAN được triển khai.
Cấu trúc software cơ bản của một thiết bị hỗ trợ LoRaWAN như sau:
Cấu trúc LoRaWan bao gồm LoRa Mac với ba loại Class A, Class B và Class C, hoạt động dựa trên lớp PHY thông qua chip LoRa Tại mỗi khu vực trên thế giới, thiết bị LoRaWan cần được cấu hình để chip LoRa hoạt động trong dải băng tần cho phép.
Class A là các thiết bị đầu cuối truyền nhận dữ liệu theo hai hướng, nổi bật với khả năng tiêu thụ công suất thấp nhất Truyền thông trong Class A luôn được khởi tạo bởi các thiết bị đầu cuối theo cấu trúc hoàn toàn không đồng bộ.
Hình 1.2: Cấu trúc LoRaWAN mỗi một đường truyền dẫn “uplink” sẽ được theo sau bở hai đường nhận
Class B là một loại thiết bị đầu cuối có khả năng truyền nhận dữ liệu theo hai hướng, với việc tiếp nhận được thiết lập theo lịch trình Thiết bị này mở cửa sổ nhận tín hiệu vào những thời điểm đã định sẵn và nhận tín hiệu đồng bộ từ gateway, giúp Server xác định thời điểm thiết bị đầu cuối đang lắng nghe.
Class C là loại thiết bị đầu cuối cho phép truyền nhận dữ liệu theo hai hướng với tiến trình nhận tối đa, giúp giảm thiểu độ trễ Thiết bị Class C duy trì luồng nhận liên tục và chỉ ngừng khi thực hiện truyền dữ liệu Nhờ vào tính năng này, máy chủ có thể khởi tạo đường truyền "downlink" bất cứ lúc nào, với giả định rằng bộ thu dữ liệu của các thiết bị đầu cuối luôn mở, từ đó tối ưu hóa độ trễ xuống mức thấp nhất.
1.3.2 Mô hình mạng của LoRaWAN
Các thành phần của LoRaWAN bao gồm:
Các thiết bị cuối hỗ trợ LoRaWAN là cảm biến hoặc thiết bị truyền động kết nối không dây với mạng LoRaWAN qua các gateway sử dụng công nghệ điều chế LoRa Chúng chủ yếu hoạt động bằng pin và thực hiện chức năng số hóa thông tin vật lý hoặc môi trường, bao gồm chiếu sáng đường phố, khóa cửa, ngắt van nước và ngăn rò rỉ.
Hình 1.3: Mô hình mạng LoRaWAN
Gateway LoRaWAN (cổng LoRaWAN) : nhận các dữ liệu RF được điều chế
LoRa cho phép các thiết bị cuối truyền dữ liệu đến máy chủ trong mạng LoRaWAN Các cảm biến kết nối với gateway qua mạng IP backbone, cho phép cùng một cảm biến gửi dữ liệu đến nhiều gateway miễn là có kết nối Điều này không chỉ giảm thiểu khả năng lỗi gói do ít nhất một gateway sẽ nhận được thông báo, mà còn tiết kiệm chi phí pin cho các cảm biến di động có tính năng xác định vị trí.
Máy chủ mạng quản lý toàn bộ hệ thống mạng và điều chỉnh các thông số cần thiết, đồng thời thiết lập kết nối AES 128-bit an toàn để truyền tải và kiểm soát dữ liệu Nó đảm bảo tính xác thực của mọi cảm biến trên mạng và bảo vệ tính toàn vẹn của các thông báo, nhưng không thể truy cập vào dữ liệu ứng dụng.
Máy chủ ứng dụng đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý, quản lý và diễn giải dữ liệu từ các cảm biến một cách an toàn Chúng cũng tạo ra các payloads downlink để gửi tới các thiết bị đầu cuối, đảm bảo truyền tải thông tin hiệu quả và đáng tin cậy.
1.3.3 Ưu và nhược điểm của LoRaWAN
Cảm biến công suất thấp và vùng phủ sóng rộng được đo bằng km
Hoạt động trên tần số miễn phí (không có license), không có chi phí cấp phép trả trước để sử dụng công nghệ
Công suất thấp có nghĩa là tuổi thọ pin dài cho các thiết bị Pin cảm biến có thể tồn tại trong 2 năm5 năm (Lớp A và Lớp B)
Thiết bị gateway LoRa đơn được thiết kế để chăm sóc hàng ngàn thiết bị đầu cuối hoặc node
Nó dễ dàng để triển khai do kiến trúc đơn giản của nó
Nó được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng M2M / IoT
Kích thước tải trọng tốt hơn (100 byte), so với SigFox là 12 byte
Mở: một liên minh mở và một tiêu chuẩn mở Công nghệ mở so với đối thủ SigFox
Không giới hạn số lượng tin nhắn hàng ngày tối đa (so với giới hạn SigFox là 140 / ngày)
LoRaWAN có lợi ích là liên minh với cách tiếp cận mở thay vì độc quyền (SigFox).
Tầm xa cho phép các giải pháp như ứng dụng thành phố thông minh.
Băng thông thấp làm cho nó lý tưởng cho việc triển khai IoT thực tế với ít dữ liệu hơn và / hoặc với việc truyền dữ liệu không đổi.
Chi phí kết nối thấp.
Không dây, dễ cài đặt và triển khai nhanh.
Bảo mật: một lớp bảo mật cho mạng và một lớp cho ứng dụng có mã hóa AES.
Giao tiếp hai chiều đầy đủ.
Được hỗ trợ bởi những người như CISCO, IBM và 500 công ty thành viên khác của Liên minh LoRa.
Không dành cho tải trọng dữ liệu lớn, tải trọng giới hạn ở 100 byte.
Không cho giám sát liên tục (trừ các thiết bị Class C).
Không phải là ứng cử viên lý tưởng cho các ứng dụng thời gian thực đòi hỏi độ trễ thấp hơn và yêu cầu thiết bị ràng buộc.
Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ LPWAN, đặc biệt là LoRaWAN, đã tạo ra những thách thức trong việc triển khai các gateway tại các khu vực đô thị Việc tăng cường mạng lưới LoRaWAN là cần thiết để đảm bảo hiệu suất và khả năng kết nối trong môi trường đô thị đông đúc.
Tần số mở có nhược điểm là dễ bị nhiễu và tốc độ dữ liệu có thể thấp Ngược lại, đối với GSM hoặc tần số được cấp phép, việc truyền tải diễn ra ổn định hơn mà không bị nhiễu, tuy nhiên, các nhà khai thác GSM phải trả phí cấp phép lớn cho chính phủ để sử dụng các tần số này Trong khi đó, LoRa hoạt động trên các tần số mở mà không cần phải có giấy phép.
1.3.4 Một số hệ thống sử dụng của mạng LoRa
1.3.4.1 Ứng dụng LoRa trong tòa nhà thông minh (Smart Building)
Quản lý năng lượng thông minh với LoRaWAN tích hợp tất cả hệ thống liên quan như chiếu sáng, sưởi ấm, làm mát và an toàn cháy nổ trong tòa nhà Giao thức truyền thông LoRaWAN kết nối hiệu quả các hệ thống này, giúp kiểm soát và giảm mức tiêu thụ điện năng một cách tối ưu.
An ninh cho các tòa nhà thông minh như văn phòng, nhà máy và tổ chức hành chính là rất quan trọng để bảo vệ chống lại cháy nổ, thiên tai và truy cập trái phép Việc triển khai công nghệ LoRaWAN kết hợp với các thiết bị như cửa sổ, cửa ra vào, chuông báo cháy, cảm biến phát hiện chuyển động và nút khẩn cấp có thể tạo thành một hệ thống báo động an toàn hiệu quả.
Tối ưu hóa không gian văn phòng thông qua việc thu thập dữ liệu từ các thiết bị hỗ trợ LoRa giúp cải thiện mặt bằng làm việc Việc định hình lại môi trường văn phòng không chỉ nâng cao sự hài lòng của nhân viên mà còn tạo điều kiện làm việc hiệu quả hơn.
1.3.4.2 Ứng dụng LoRa trong nông nghiệp thông minh
Nên để text trước rồi đến hình
Lợi ích của LoRaWAN trong nông nghiệp thông minh:
Định vị địa lý: Công nghệ LoRa sử dụng công nghệ định vị địa lý không có GPS mà không cần nguồn điện bổ sung.
phí kết nối thấp: Chi Công nghệ LoRa hoạt động trong dải ISM không được cấp phép, có nghĩa là không có hoặc phổ rất thấp.
Tận dụng các tài sản được triển khai: Tín hiệu mạnh mẽ của công nghệ
LoRa có thể thâm nhập vào phạm vi phủ sóng rộng ngay cả trong vùng nông thôn.
1.3.5 Tổng quan về hệ thống mạng LoRa của đề tài
1.3.5.1 Đặt vấn đề (Vị trí và nội dung không phù hợp Đặt vấn đề là mô tả vấn đề chuẩn bị nghiên cứu là gì, tầm quan trọng, ứng dụng,… Sau đó đi đến nghiên cứu tổng quan Sau đó đến đặt ra mục tiêu dựa trên việc nghiên cứu tổng quan Xem xét đưa lên trên và điều chỉnh nội dung Tham khảo bài của NV Phong)
Kết luận chương
Chương 1 đã trình bày ra được tổng quan về mạng loRa Sau khi đã nêu lên được những khái niệm, nguyên tắc hoạt động, tiêu chuẩn xây dựng một hệ thống giám sát không khí trong công nghiệp, chương đã đặt ra được vấn đề cần thiết, từ đó cũng đưa ra được những mục đích, phương pháp nghiên cứu và giới hạn của đề tài
TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH ĐỀ TÀI
Giới thiệu chương
Chương 2 sẽ trình bày những cơ sở lý thuyết liên quan đến hệ thống nhà thông minh trong đó là Chỉ tiêu nhiệt độ, độ ẩm trong nhà và Chỉ tiêu chiếu sáng trong nhà.Sau đó sẽ đưa ra một số linh kiện thiết bị, những phần mềm nền tảng có thể được sử dụng để thiết kế xây dựng nên đề tài này Những cơ sở lý thuyết này sẽ là nền tảng để phân tích tính toán thiết kế xây dựng ở Chương 3 và Chương 4
Cơ sở lý thuyết
Để xây dựng hệ thống giám sát không khí trong công nghiệp hiệu quả bằng mạng LoRa, việc nắm rõ các tiêu chuẩn về thông số môi trường như nhiệt độ và độ ẩm là rất quan trọng Những chỉ tiêu này giúp hệ thống hoạt động chính xác, từ đó tạo ra môi trường làm việc thoải mái và dễ chịu cho con người.
(mùa) Loại lao động Nhiệt độ không khí
(độ C) Độ ẩm không khí
Mùa lạnh Nhẹ 20 Dưới hoặc bằng 80
Mùa nóng Nhẹ 34 Dưới hoặc bằng 80
Bảng 2.1: Chỉ tiêu không khí trong công nghiệp
Mô hình đề tài
Chúng ta sẽ thực hiện giám sát môi trường không khí trong công nghiệp bằng cách sử dụng mạng LoRa Dựa trên mô tả đề tài ở chương 1, chúng ta sẽ thiết kế mô hình hệ thống phù hợp với mục đích và yêu cầu đã đề ra.
Sơ đồ tổng quan của hệ thống: Ở đây sơ đồ được chia làm 4 phần chính:
Khối lưu trữ dữ liệu
Các node sẽ được kết nối với server thông qua gateway (dragino LPS8). Đồi với khối cảm biến (node 1):
Khối cảm biến sẽ bao gồm khối xử lý cảm biến kết nối với 3 cảm biến riêng biệt.
Thiết bị cảm biến thu thập dữ liệu từ các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, bụi và chất lượng không khí, sau đó truyền các giá trị này đến khối xử lý cảm biến để phân tích và xử lý thông tin.
Khối xử lý cảm biến nhận dữ liệu và tính toán các giá trị nhiệt độ, độ ẩm, mật độ bụi và chất lượng không khí Sau đó, khối này kết nối với Gateway qua Class A để gửi dữ liệu lên khối lưu trữ Bên cạnh đó, khối xử lý cảm biến còn được trang bị màn hình OLED để hiển thị các giá trị đã đo, giúp người dùng dễ dàng theo dõi tại chỗ.
Khối điều khiển sẽ bao gồm khối xử lý điều khiển được kết nối với quạt và đèn
Khối xử lý điều khiển sẽ kết nối với khối lưu trữ dữ liệu qua chuẩn LoRa class C, cho phép truyền tải dữ liệu liên tục theo hai hướng Class C tối ưu hóa quá trình nhận dữ liệu, mang lại độ trễ thấp nhất cho hệ thống.
Khi nhận tín hiệu từ khối lưu trữ dữ liệu thiết bị sẽ bật hoặc tắt đèn và quạt.
Khối lưu trữ dữ liệu (Master) sẽ gồm 2 phần Server và firebase:
Server nhận dữ liệu từ khối cảm biến và kết nối với khối điều khiển Sau khi giải mã dữ liệu, Server sẽ gửi các giá trị đo được lên Firebase để lưu trữ.
Firebase Realtime Database cho phép lưu trữ và đồng bộ dữ liệu từ Server, tự động cập nhật thông tin mới nhất theo thời gian thực với độ trễ thấp.
Khối hiển thị (client) là một trang web sử dụng dữ liệu lưu trữ trong Firebase để hiển thị các giá trị từ khối cảm biến, giúp người dùng theo dõi thông tin một cách dễ dàng Bên cạnh đó, trang web còn tích hợp nút nhấn cho phép người dùng điều khiển các thiết bị từ khối điều khiển một cách thuận tiện.
Giới thiệu tổng quan một số linh kiện
Như đã trình bày ở Chương 1, đề tài sẽ xây dựng một hệ thống giám sát không khí có các chức năng sau:
Thu thập thông số nhiệt độ, độ ẩm, khí gas, mật độ bụi
Gửi dữ liệu đo được lên cơ sở dữ liệu đám mây
Nhận dữ liệu từ cơ sở dữ liệu đám mây
Hiển thị các giá trị đo được trên web
Điều khiển quạt và đèn từ web
Dựa trên các chức năng đã nêu, chúng ta sẽ tổng hợp và phân loại các loại linh kiện để làm cơ sở cho việc lựa chọn linh kiện phù hợp trong Chương 3.
2.4.1 Module vi điều khiển Heltec ESP32 LoRa V2
Bản phát triển ESP32 mới này được trang bị 8MB flash và tích hợp chip ESP32 cùng với SX1276 để kết nối LoRaWAN Ngoài ra, nó còn có màn hình OLED 126x64 0,96 inch kết nối qua giao thức I2C.
Dải tần số LoRa 923MHz
Khoản cách liên lạc 3km Điện áp làm việc 3.3V – 7V Độ nhạy máy thu -139dbm
Nhiệt độ phạm vi hoạt động -40 – 80 độ C
Bảng 2.2: thông số kĩ thuật ESP 32 LoRa
2.4.2 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11
Cảm biến DHT11 là thiết bị tích hợp đo nhiệt độ và độ ẩm, sử dụng công nghệ thu tín hiệu số độc quyền, mang lại độ tin cậy cao và ổn định lâu dài Với cấu tạo bao gồm vật liệu điện trở nhạy ẩm và nhiệt trở NTC, cảm biến này kết nối với vi điều khiển 8-bit tốc độ cao, đảm bảo chất lượng xuất sắc, phản hồi nhanh và giá thành phải chăng.
Hình 2.3: Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11
Cảm biến DHT11 được hiệu chỉnh chính xác trong phòng thí nghiệm, đảm bảo độ chính xác cao về độ ẩm Hệ số hiệu chỉnh được lưu trữ trong bộ nhớ OTP, giúp cảm biến xử lý thông tin hiệu quả Với giao tiếp 1-dây, DHT11 mang lại khả năng tích hợp nhanh chóng và dễ dàng Kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ năng lượng thấp và khả năng truyền tín hiệu lên đến 20m làm cho DHT11 trở thành lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng.
Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật DHT11
Khoảng hoạt động Độ ẩm: 20%RH – 90%RH
Nhiệt độ: 0 – 50 o C Độ chính xác Độ ẩm: ± 1%RH
2.4.3 Cảm chất lượng không khí MQ -135
Cảm biến chất lượng không khí MQ-135 được sử dụng để đánh giá chất lượng không khí trong các không gian như nhà ở, văn phòng và xưởng công nghiệp Thiết bị này có khả năng phát hiện nhiều loại chất khí độc hại, bao gồm NH3, Nox, Ancol, Benzen, khói, CO2 và khí gas.
Cảm biến chất lượng không khí MQ-135 chủ yếu phát hiện các loại khí có hại cho sức khỏe, do đó nó được gọi là cảm biến chất lượng không khí.
Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật MQ - 135 Điện áp nguồn 5V DC Điện ap heater 5V±0.1 AC/DC Điện trở tải thay đổi được (2kΩ-47kΩ) Điện trở của heater 33Ω±5%
Công suất tiêu thụ của heater ít hơn 800mW
Khoảng phát hiện 10 - 300 ppm NH3, 10 - 1000 ppm Benzene, 10 - 300
Cảm biến MQ-135 sử dụng SnO2 làm vật liệu cảm biến khí với điện trở cao hơn trong không khí Khi nồng độ khí ô nhiễm tăng, điện trở của cảm biến sẽ giảm Để đo nồng độ khí ô nhiễm theo đơn vị ppm, cần tham khảo biểu đồ ppm (Rs/Ro) từ dữ liệu của cảm biến MQ-135.
Hình ảnh minh họa đặc tính nhạy cảm của cảm biến MQ-135 với một số loại khí khác nhau Giá trị Ro đại diện cho điện trở của cảm biến khi tiếp xúc với 100 ppm NH3 trong không khí sạch, trong khi Rs là điện trở của cảm biến tại các nồng độ khí khác nhau.
Để hiệu chỉnh cảm biến, trước tiên cần xác định giá trị Ro trong không khí trong lành, sau đó sử dụng giá trị này để tính toán Rs theo công thức đã định.
Khi đã xác định được giá trị Rs và Ro, chúng ta có thể tính toán tỷ lệ và sử dụng đồ thị để xác định giá trị ppm tương đương cho loại khí cụ thể Công thức tính Rs là Rs = (Vc/VRL - 1) x RL.
2.4.4 Cảm biến bụi Sharp GP2Y10
Cảm biến bụi Sharp GP2Y10 được sản xuất bởi hãng SHARP, được sử dụng để nhận biết nồng độ bui PM2.5 trong không khí.
Hình 2.5: Đặc tính của MQ - 135
Hình 2.6: Cảm biến bui Sharp GP2Y10
Khoảng hoạt động Nhiệt độ: -40 – 85 o C
Ngõ ra Analog với tỉ lệ 0.5V ~ 0.1 mg/m3
Bảng 2.5: thông số kỹ thuật GP2Y10
Nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại bao gồm hai bộ phận chính: IR LED và Phototransistor, được đặt lệch góc với nhau Khi cảm biến hoạt động, các diot hồng ngoại được kích hoạt bằng cách cung cấp điện áp HIGH từ pin LED Khi bụi bay vào tia hồng ngoại, ánh sáng từ IR LED sẽ phản xạ vào Phototransistor, dẫn đến việc điện áp từ Phototransistor được truyền đến mạch khuếch đại (Amplifier) và xuất ra chân Vo.
Hình 2.7: Mối quan hệ điện áp và nồng độ bụi
Tính nồng độ bụi dựa trên điện áp đầu ra và nồng độ bụi.
Theo datasheet, một lần đo của cảm biến sẽ mất khoảng 10ms để đo Trong 10ms sẽ có:
Trong khoảng thời gian 0.32 ms, chúng ta sẽ thực hiện các bước sau: Bật đèn LED hồng ngoại (IR LED), sau đó chờ trong 0.28 ms để đọc giá trị, rồi tắt IR LED và cuối cùng là delay thêm 0.04 ms.
9.680 ms: Thời gian này cảm biến sẽ không làm gì cả Vì thế ta chỉ cần delay 9.680 ms.
2.4.5 OPTO TRIAC MOC3020 Để điều khiển được góc mở TRIAC, ta cần sử dụng OPTO TRIAC MOC3020 để kích TRIAC
MOC3020 là thiết bị OPTO cách ly TRIAC, bao gồm LED hồng ngoại GaAs và công tắc bán dẫn kích hoạt bằng ánh sáng hoạt động tương tự như TRIAC Thiết bị này được thiết kế để kết nối giữa việc điều khiển và kích hoạt TRIAC, nhằm điều khiển các tải trở và tải cảm ở điện áp AC.
LED phát hồng ngoại có độ ổn định cao
Cách ly điện áp giữa đầu vào và đầu ra Viso = 5000Vrms
6 chân cắm, đầu ra TRIAC
Các ứng dụng tiêu biểu:
Kích hoạt các thyristor và TRIAC công suất cao
Giới thiệu tổng quan phần mềm, nền tảng có thể sử dụng
Arduino IDE là một môi trường lập trình tích hợp đa nền tảng, hỗ trợ Windows, MacOS và Linux, được phát triển dựa trên ngôn ngữ C và C++ Nó được sử dụng để lập trình và nạp chương trình vào các board Arduino, đồng thời cũng hỗ trợ nhiều loại board phát triển khác nhờ vào sự đóng góp từ các nhà phát triển bên thứ ba.
Arduino IDE, được phát hành dưới giấy phép GNU General Public License phiên bản 2, hỗ trợ lập trình bằng ngôn ngữ C và C++ với cú pháp đặc trưng IDE này cung cấp bộ thư viện phần mềm từ các dự án Wiring, giúp người dùng dễ dàng thực hiện các thủ tục đầu vào và đầu ra cơ bản Khi viết code, người dùng chỉ cần sử dụng hai hàm chính: một hàm khởi động và một hàm lặp vô hạn Arduino IDE sử dụng avrdude để chuyển đổi code thực thi thành file text mã hóa hexadecimal, được tải vào firmware của các board Để đơn giản hóa lập trình nhúng cho vi điều khiển, Arduino IDE được sử dụng cho vi điều khiển ESP-12E và STM32F103C8T6 thông qua thư viện board tích hợp của bên thứ ba, cho phép khai báo các chân I/O theo chức năng để lập trình dễ dàng hơn.
2.5.2 Dịch vụ Firebase – Realtime Database
Firebase là dịch vụ cơ sở dữ liệu dựa trên nền tảng đám mây do Google cung cấp, với hệ thống máy chủ mạnh mẽ Nó giúp đơn giản hóa quá trình lập trình ứng dụng cho người dùng thông qua việc tối ưu hóa các thao tác với cơ sở dữ liệu.
Hình 2.9: Dịch vụ của Firebase
Giao diện lập trình ứng dụng API đơn giản của Firebase giúp tăng cường số lượng người dùng và tối ưu hóa lợi nhuận Sử dụng Firebase mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng mở rộng linh hoạt, tích hợp dễ dàng với các dịch vụ khác và cung cấp tính năng bảo mật cao.
Firebase là nền tảng quản lý cơ sở dữ liệu theo thời gian thực, cho phép truyền tải dữ liệu một cách nhanh chóng và dễ dàng Điều này rất hữu ích cho việc phát triển các ứng dụng di động yêu cầu tốc độ cao như live stream và chat Với khả năng này, Firebase trở thành lựa chọn lý tưởng cho các nhà phát triển.
Firebase cho phép đồng bộ dữ liệu thời gian thực qua tất cả các thiết bị - Android, IOS và Web mà không cần làm mới màn hình
Firebase tích hợp nhiều dịch vụ của Google như Advertising, AdMob, Data Studio, BigQuery, DoubleClick, Play Store và Slack, giúp nâng cao hiệu suất và độ chính xác trong việc phát triển, quản lý và duy trì ứng dụng.
Mọi thứ từ cơ sở dữ liệu, phân tích, đánh giá đều được bao gồm trong Firebase.
Do đó, nhà phát triển ứng dụng có thể tập trung vào phát triển trải nghiệm người dùng
Ứng dụng Firebase có thể triển khai qua một mạng lưới bảo mật đến Firebase server
Firebase cung cấp một bảng điều khiển đơn giản
Cung cấp nhiều dịch vụ hữu ích để lựa chọn
Firebase Realtime Database là một cơ sở dữ liệu đám mây lưu trữ dữ liệu dưới dạng JSON, cho phép đồng bộ hóa theo thời gian thực giữa các thiết bị Khi kết nối với thiết bị đầu cuối, dữ liệu sẽ tự động được cập nhật, giúp người dùng luôn có được thông tin mới nhất Điều này đặc biệt hữu ích khi phát triển ứng dụng đa nền tảng cho iOS, Android và Javascript SDKs.
Firebase Realtime Database là một cơ sở dữ liệu noSQL cho phép lưu trữ và đồng bộ dữ liệu giữa các người dùng theo thời gian thực Nó hoạt động như một phần tử JSON lớn được quản lý bởi nhà phát triển Với một API duy nhất, Firebase cung cấp cho ứng dụng các giá trị dữ liệu hiện tại và tự động cập nhật chúng Tính năng đồng bộ theo thời gian thực giúp người dùng dễ dàng truy cập dữ liệu từ bất kỳ thiết bị nào, bao gồm cả trang web và di động.
Hình 2.10: Firebase Realtime Database đồng bộ thiết bị
Dữ liệu thời gian thực cho phép người dùng kết nối dễ dàng thông qua di động hoặc web SDKs, giúp xây dựng ứng dụng nhanh chóng mà không cần máy chủ Khi người dùng offline, Realtime Database SDKs lưu trữ dữ liệu trong bộ nhớ đệm cục bộ, và dữ liệu sẽ tự động đồng bộ khi thiết bị trở lại trực tuyến.
Realtime: Firebase Realtime Database sử dụng công nghệ động bộ dữ liệu thay vì HTTP request Mỗi thiết bị kết nối sẽ được cập nhật trong mili giây
Firebase Database SDK cho phép lưu trữ dữ liệu offline, giúp ứng dụng Firebase duy trì kết nối ngay cả khi không có internet Khi kết nối được khôi phục, thiết bị sẽ tự động nhận diện và cập nhật các thay đổi đã bị bỏ lỡ.
Firebase cho phép truy cập trực tiếp vào cơ sở dữ liệu từ thiết bị di động hoặc trang web mà không cần ứng dụng server Bảo mật và xác thực dữ liệu được đảm bảo thông qua các quy tắc bảo mật của Firebase Realtime Database, có thể được điều chỉnh và áp dụng khi thực hiện các thao tác đọc hoặc ghi dữ liệu.
Firebase Realtime Database trên gói Blaze cho phép người dùng chia nhỏ dữ liệu thành nhiều cơ sở dữ liệu trong một dự án, giúp cung cấp dữ liệu cần thiết cho ứng dụng một cách hiệu quả Hệ thống xác thực người dùng được đơn giản hóa nhờ vào Firebase Authentication, đồng thời người dùng có thể kiểm soát dữ liệu trong từng cơ sở dữ liệu thông qua các quy tắc thủ công.
TTN (The Things Network) là một nền tảng hạ tầng nguồn mở cung cấp mạng LoRaWAN miễn phí Trang web của TTN cho phép người dùng triển khai các cổng mạng tại địa phương, từ đó phát triển mạng lưới LoRa Ứng dụng TTN cung cấp quyền truy cập cho người dùng vào nhiều tham số quan trọng.
ID ứng dụng cho phép mọi người xác minh các node của bản thân trên mạng
Các thiết bị đã đăng kí (cảm biến, trạng thái và dữ liệu mà thiết bị đang gửi)
Bộ giải mả tải trọng
Cài đặt chung ứng dụng
Kết luận chương
Chương 2 đã nêu ra được những cơ sở lý thuyết về chỉ tiêu các giá trị nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng trong nhà, từ đó chúng ta có thể rút ra được các yêu cầu cần thiết để thực hiện việc thiết kế phần cứng của đề tài xây dựng hệ thống nhà thông minh này.Ngoài ra, chương 2 còn đưa ra những giới thiệu sơ bộ về một số linh kiện điện tử,những phần mềm, nền tảng có thể sử dụng được, đưa ra những ưu, nhược điểm của từng linh kiện, phần mềm để từ đó chúng ta có thể có được sự lựa chọn đúng đắn khi thiết kế, tính toán phần cứng, phần mềm ở Chương 3 và Chương 4.
PHÂN TÍCH THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
Giới thiệu chương
Chương 3 sẽ trình bày các yêu cầu của hệ thống giám sát chất lượng không khí trong công nghiệp dựa trên thông tin từ Chương 2 Từ những yêu cầu này, chúng ta sẽ xây dựng sơ đồ khối chức năng cho từng phần và lựa chọn linh kiện phù hợp Sau khi xác định được các linh kiện chính, chúng ta sẽ chọn sơ đồ mạch tương ứng cho từng khối và tiến hành phân tích, tính toán thiết kế Cuối cùng, nếu có thể, chúng ta sẽ mô phỏng mạch, vẽ mạch PCB và hoàn thiện mạch trong thực tế.
Yêu cầu đặt ra cho hệ thống
Từ những thông tin của Chương 1 và Chương 2, chúng ta có những yêu cầu đặt ra cho Hệ thống giám sát công nghiệp như sau:
Phần cứng của hệ thống sẽ bao gồm 3 phần chính: phần điều khiển thiết bị, phần cảm biến các giá trị môi trường và phần xử lý trung tâm.
Phần điều khiển thiết bị cho phép người dùng bật tắt đèn sử dụng điện áp 220V AC và điều khiển quạt 12V Tín hiệu điều khiển được kích hoạt khi người dùng nhấn nút trên giao diện Web.
Hệ thống cảm biến môi trường bao gồm ba loại: cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và bụi, cùng với cảm biến chất lượng không khí Những cảm biến này sẽ truyền tải dữ liệu về trung tâm xử lý, cho phép người dùng theo dõi các thông số môi trường trên thiết bị hoặc trang web.
Phần xử lý trung tâm của hệ thống đảm nhận vai trò chính, kết nối với server qua gateway để truyền dữ liệu từ cảm biến lên cơ sở dữ liệu Nó cũng nhận tín hiệu điều khiển từ Web và hiển thị các giá trị cảm biến trên màn hình OLED.
Xây dựng sơ đồ khối và chọn lựa linh kiện cho từng khối
Dựa trên các yêu cầu đã được xác định cho hệ thống, chúng ta sẽ chuyển đổi những yêu cầu này thành các khối chức năng cụ thể, giúp cho việc lựa chọn linh kiện cho từng khối trở nên dễ dàng hơn.
3.3.1 Sơ đồ khối phần cứng
Dựa trên mục đích, phương pháp nghiên cứu và giới hạn của đề tài, chúng tôi sẽ phát triển nội dung chính của đề tài này như sau.
Hình 3.1: Sơ đồ khối phần cứng của đề tài
Sơ đồ khối trên thể hiện như sau:
Đề tài bao gồm các khối chức năng hoạt động riêng lẻ nhưng bổ trợ cho nhau
Khối cảm biến trung tâm bao gồm ba thành phần chính: cảm biến DHT11, thu thập dữ liệu về nhiệt độ và độ ẩm; cảm biến bụi, kiểm tra mật độ bụi trong không gian; và cảm biến MQ-135, thu thập thông tin về chất lượng không khí Tất cả dữ liệu từ ba khối cảm biến này sẽ được gom lại và gửi về cho server thông qua khối xử lý cảm biến.
Khối chấp hành điều khiển thiết bị sẽ nhận dữ liệu từ Web để điều khiển các thiết bị như đèn và quạt Cụ thể, đèn có thể được bật hoặc tắt một cách bình thường, trong khi quạt cũng sẽ được điều khiển để bật hoặc tắt khi nhận tín hiệu Khối xử lý điều khiển sẽ tiếp nhận tín hiệu từ server để thực hiện việc điều khiển các thiết bị này.
3.3.2 Chọn lựa linh kiện cho từng khối
Dựa trên chức năng tổng quát đã trình bày, chúng ta sẽ lựa chọn linh kiện phù hợp cho từng khối, căn cứ vào các linh kiện đã được giới thiệu trong Chương 2.
Khối xử lý: Để thực hiện việc kết nối và xử lý LoRa và hiển thị, chúng ta có thể sử dụng vi điều khiển Heltec ESP 32 LoRa V2
Khối cảm biến nhiệt độ và độ ẩm có chức năng thu thập dữ liệu về môi trường xung quanh Hai linh kiện chính được sử dụng là DHT11 và DHT22 Cảm biến DHT11 có giá thành rẻ, với khoảng đo nhiệt độ từ 0 – 50 °C và độ ẩm từ 20 – 80% RH, cùng với sai số thấp và giao tiếp 1-Wire dễ kết nối Trong khi đó, DHT22 là phiên bản nâng cấp của DHT11, có khoảng đo rộng hơn và độ chính xác cao hơn, nhưng giá thành cao hơn một chút Vì vậy, để tiết kiệm chi phí và vẫn đảm bảo hiệu quả, DHT11 thường được lựa chọn làm linh kiện chính.
Khối cảm biến chất lượng không khí: có nhiệm vụ đo kiểm tra chất lượng không khí Ta chọn MQ-135
Khối cảm biến bụi: có thể xác định mật độ bui trong xưởng Ta chọn Sharp GP2Y10
Khối nguồn là thiết bị cung cấp điện áp cho mạch, với điện áp ngõ vào từ 180Vac đến 230Vac và điện áp ngõ ra 5VDC Sai lệch điện áp ngõ ra đạt ±0.2V, trong khi dòng tải cực đại là 0.42A Việc lựa chọn linh kiện chính là bước đầu tiên trong quá trình thiết kế.
Vì cần điện áp đầu ra ổn định 5VDC dòng tải cực đại 0,42A thì có thể lựa chọn các linh kiện như: IC LM317, IC LM2576, IC AMS117, LM7805.
IC LM317: điều chỉnh điện áp từ 1.25V đến 37V, dòng 1,5A
IC LM2576: cho điện áp đầu ra ổn đinh 5V 3A.
AMS117: IC ổn áp cho điện áp từ 4.9V – 5.1 V
IC 7805: Là một IC ổn áp 5V với dòng 1A
Sau khi xem xét các IC ổn áp, IC LM317 không cần thiết do khả năng điều chỉnh điện áp đầu ra của nó IC LM2576 cung cấp dòng ra 3A, dẫn đến lãng phí Trong khi đó, AMS117 không phổ biến như LM7805 Do đó, lựa chọn IC LM7805 với điện áp 5V và dòng ra 1A là hợp lý, vì nó có chi phí thấp và dễ dàng tìm kiếm trên thị trường.
Lựa chọn linh kiện phụ trợ:
IC LM7805 chỉ cung cấp dòng ra từ 0.4A đến 0.5A, do đó cần sử dụng một BJT PNP TIP 41 để tăng cường dòng ra cho IC này Việc kết hợp với BJT TIP 41 cho phép dòng ra đạt tới 1.65A, đáp ứng nhu cầu sử dụng cao hơn.
IC LM7805 yêu cầu nguồn điện áp từ 0-35VDC Để cung cấp điện áp cho IC này từ nguồn 220VAC, cần hạ áp xuống 12VAC và sau đó chuyển đổi sang điện áp DC.
Để hạ điện áp 220Vac thì có thể dung các linh kiện như: biến áp, hạ áp bằng tụ…
Hạ áp bằng tụ thì thì chỉ phù hợp với mạch công suất nhỏ, không an toàn.
Hạ áp bằng biến áp là phương báo phổ biến hiện nay, dễ thực hiện, có tínhổn định cao.
Như vậy việc hạ áp bằng biến áp 220vAC xuống 12vAC là phương pháp hiệu quả nhất.
Khi đã hạ áp xuống 12vAC ta cần phải biến đổi điện áp AC thành DC Dùng khối chỉnh lưu để điều chỉnh dòng xoay chiều thành một chiều.
Có hai loại chỉnh lưu:
Chỉnh lưu 1 pha là thiết bị thường được sử dụng để cung cấp công suất nhỏ, với các mạch chỉnh lưu phổ biến như chỉnh lưu bán sóng, toàn sóng, cầu và nhân áp Chỉnh lưu bán sóng gây mất năng lượng do chỉ dẫn trong một bán kỳ, dẫn đến sự không ổn định Trong khi đó, chỉnh lưu toàn sóng hoạt động mà không cần điểm giữa của biến áp Chỉnh lưu cầu có đặc điểm tương tự như mạch chỉnh lưu toàn sóng nhưng không yêu cầu biến áp có chấu giữa.
Chỉnh lưu 3 pha cung cấp nguồn DC với công suất dưới 15kW, thường sử dụng chỉnh lưu 1 pha cho thiết kế mạch nguồn công suất nhỏ Để tiết kiệm diện tích, ta chọn IC tích hợp cầu diode chỉnh lưu Mặc dù điện áp AC qua diode cầu vẫn còn nhiều gợn nhấp nhô, việc sử dụng tụ lọc giúp biến đổi sóng bán sine thành dạng sóng tương đối phẳng Để đạt được hiệu quả tốt nhất, tụ lọc có điện dung lớn sẽ tạo ra sóng phẳng hơn, nhưng tụ quá lớn sẽ chiếm nhiều diện tích mạch Do đó, ta chọn tụ có trị số 4700uF/25v và 470uF/25v, cùng với các tụ gốm 104 để lọc tần số cao của mạch.
Mạch Điều khiển
Mạch điều khiển có chức năng thu thập tín hiệu từ server và điều khiển các thiết bị trong khối.
3.4.1 Mạch vi điều khiển đèn
Thiết bị cần để bật tắt đèn với dòng 220v
3.4.1.3 Nguyên lý hoạt động (Không cần thêm mục Ghép vào 3.4.1.2)
Khi chân 17 của vi điều khiển xuất giá trị cao, LED trong OPTO sẽ dẫn điện, tạo ra dòng tại điểm G của TRIAC Điều này khiến hai đầu TRIAC kết nối với nhau, cho phép dòng điện chạy qua và làm bật đèn.
3.4.1.4 Phân tích tính toán thiết kế
Mạch điều khiển TRIAC – đèn 220V:
Mạch điều khiển TRIAC cho đèn 220V sử dụng OPTO TRIAC MOC3020, trong đó R3 được chọn là 330 Ohm để hạn chế dòng cho LED trong OPTO Dòng LED chỉ cần đạt 10mA là đủ để kích hoạt TRIAC bên trong.
Khi tín hiệu Out_TRIAC đạt mức cao 5V, LED trong OPTO sẽ dẫn điện, tạo ra dòng tại điểm G của TRIAC, giúp hai đầu TRIAC kết nối với nhau và bật thiết bị.
Hình 3.2: Mạch điều khiển đèn
3.4.2.3 Phân tích tính toán thiết kế
Khối điều khiển quạt sử dụng Opto PC817 để cách ly nguồn 5V của vi điều khiển với nguồn 12V của quạt Do dòng vi điều khiển không đủ cao, nên BJT C1815 được sử dụng để khuếch đại dòng cho quạt.
Tính toán các trở R5 và R6 để mạch hoạt động o Khối sẽ điều khiển quạt 12VDC công suất 2W o Dòng qua quạt I = P
12 = 0.166A (1) o Dòng qua qua quạt cũng chính là dòng I c của C1815
❑ min (2) o Theo datasheet của C1815 là 50 nên
❑ min = 0.166 50 = 3.32mA o Vì ta dùng quạt 12V, 0,26A nên R qu t ạ = 45 ohm o Ta có sụt áp trên quạt chính là
V e =R qu t ạ × I c E x 0.166 = 7.47V (3) o Theo datasheet, V CE(sat) của opto khoảng 0.1V
Hình 3.3: Mạch điều khiển quạt ¿12−(7.47+0.7)
≈1123Ohm o Chọn R6 = 1k Ohm o Ta chọn R5 để dòng qua diode opto khoảng 10mA
Mạch nguồn cảm biền cung cấp nguồn cho vi điều khiển và 2 thiết bị điều khiển quạt và đèn. Điện áp ngõ ra 5V và 12V.
3.4.3.3 Phân tích tính toán thiết kế
Khi không tải, điện áp ngõ vào từ lưới điện dao động từ 180vAC đến 230vAC được đưa vào biến áp để giảm xuống khoảng 10.8vAC đến 13.2vAC Sau đó, điện áp này được chuyển đổi từ dạng xoay chiều sang một chiều thông qua cầu diode, tạo ra điện áp khoảng 14.3vDC đến 17.2vDC Cuối cùng, điện áp một chiều này đi qua các tụ C1 và C2 để lọc bớt nhiễu.
Mạch nguồn điều khiển gợn và ổn định điện áp trước khi cấp vào chân IN của IC LM7805 có điện áp khoảng 13.0vDC – 16.2vDC IC này sẽ tạo ra điện áp ổn định trong khoảng 4.8vDC – 5.2vDC, sau đó điện áp ổn định này được lọc qua các tụ C3 và C4 để đảm bảo nguồn điện ổn định.
Trong trường hợp có tải 22 Ohm với dòng điện I = 0.42A, điện áp đầu vào từ lưới điện dao động từ 180V AC đến 230V AC Điện áp này được hạ xuống khoảng 10.8V AC đến 13.2V AC trước khi được chuyển đổi từ điện áp xoay chiều sang một chiều thông qua cầu diode, tạo ra điện áp DC khoảng 10.2V DC đến 17.2V DC Cuối cùng, điện áp này được lọc qua các tụ điện C1 và C2 để giảm thiểu gợn và ổn định điện áp cho IC LM7805, cung cấp điện áp vào chân IN của nó.
IC LM7805 khoảng 12.0vDC – 16.2vDC, sau đó tạo ra điện áp khoảng 4.8vDC – 5.2vDC và qua các tụ C3, C4 để tạo ra điện áp ổn định cung cấp.
3.4.4 Sơ đồ tổng mạch điều khiển
Mạch cảm biến
Mạch cảm biến có nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ các cảm biến, hiển thị thông tin lên màn hình OLED và gửi dữ liệu này đến máy chủ.
3.5.1 Mạch cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11
Mạch cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 phải đạt các yêu cầu sau:
Hình 3.5: Sơ đồ tổng mạch điều khiển
Đo được độ ẩm tương đối trong khoảng 0 – 100%
Truyền dữ liệu về mạch xử lý cảm biến
Chúng ta chọn sơ đồ nguyên lý sau:
Hình 3.6: Sơ đồ mạch cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11
3.5.1.3 Nguyên lý hoạt động (Ghép với trên)
Mạch cảm biến nhiệt độ DHT11 hoạt động theo phương pháp giao tiếp một dây (single-bus communication), hoạt động như sau:
Khi vi điều khiển gửi tín hiệu bắt đầu ở mức thấp trong ít nhất 800us, cảm biến DHT11 sẽ chuyển từ chế độ ngủ sang chế độ hoạt động cao Sau khi tín hiệu kết thúc, DHT11 sẽ phản hồi bằng cách gửi một chuỗi 40 bits dữ liệu qua dây truyền, bao gồm phần nguyên và thập phân của độ ẩm, nhiệt độ, cùng với bit kiểm tra Dữ liệu sẽ được thu thập cho đến khi quá trình truyền hoàn tất, sau đó cảm biến sẽ tự động quay lại chế độ ngủ, sẵn sàng cho lần giao tiếp tiếp theo.
3.5.1.4 Phân tích tính toán thiết kế
DHT11 sử dụng nguồn vào 3.3V – 5V, nên ta nối chân 1 VCC lên nguồn 5V và chân 4 GND nối GND
Chân 3 của DHT22 là chân DATA được nối với GPIO của ESP32 LoRa để truyền dữ liệu với dòng tiêu thụ khi đọc dữ liệu là 0.3mA
Khi sử dụng cảm biến DHT11 để đo dữ liệu, cần thiết lập chân dữ liệu ở chế độ Input và kéo lên mức cao (HIGH) Với dòng tiêu thụ thấp của cảm biến, chúng ta nên chọn điện trở R10 K làm điện trở kéo lên để đảm bảo hoạt động ổn định.
3.5.2.1 Yêu cầu thiết kế Đo được chất lượng không khí xung quanh
Chúng ta chọn sơ đồ nguyên lý sau:
Hình 3.7: Sơ đồ mạch cảm biến MQ - 135
3.5.2.3 Nguyên lý hoạt động (Ghép với trên)
Cảm biến MQ-135 đo mức độ ô nhiễm không khí và cung cấp giá trị qua chân analog kết nối với chân 12 của vi điều khiển Từ đó, vi điều khiển sẽ tính toán và đưa ra giá trị nồng độ khí dưới dạng ppm.
3.5.2.4 Phân tích tính toán thiết kế
Cảm biến MQ-135 cung cấp giá trị analog cho vi điều khiển, cho phép vi điều khiển sử dụng các thuật toán để chuyển đổi giá trị này sang đơn vị ppm.
Cảm biến được cấu tạo với 6 chân, chia thành 2 phần A và B Phần J7 có 2 chân A và một chân H kết nối với nguồn 5V, trong khi phần J6 bao gồm 2 chân V là chân tín hiệu nối với chân Analog của vi điều khiển, cùng với một chân H của cục làm nóng nối với trở R9 10K kéo xuống GND.
Mạch cảm biến bụi sẽ phát hiện và đo được mật độ bui sau đó gửi các giá trị đo được đến khối xử lý cảm biến
Chúng ta chọn sơ đồ nguyên lý sau:
Hình 3.8: Sơ đồ mạch cảm biến bụi
3.5.3.3 Phân tích tính toán thiết kế
Cảm biến bụi Sharp GP2Y10 có 6 chân với đầu ra là điện áp Analog theo tỉ lệ 0.5V/0.1mg/m3,
Theo datasheet, chân số 1 của cảm biến cần được kết nối với LED bên trong, do đó cần sử dụng một điện trở R11 có giá trị 150 Ohm để hạn chế dòng điện và một tụ điện C9 có giá trị 220uF để đảm bảo ổn định.
Chân số 3 sẽ là chân tín hiệu Digital của LED, ta lập trình tín hiệu chân này để lấy giá trị đo của cảm biến
Chân số 2, 4 của cảm biến sẽ nối với đất GND và chân số 6 nối với nguồn cung cấp của cảm biến 5V
Chân số 5 sẽ là đầu ra, nối với chân Analog của vi điều khiển
Cung cấp nguồn cho vi điều khiển và 3 loại cảm biến hoạt động Điện áp: 5V
Dòng tiêu thụ: Max 100mA do các cảm biến sử dụng dòng thấp
Chúng ta chọn sơ đồ nguyên lý sau:
Hình 3.9: Sơ đồ mạch nguồn cảm biến
3.5.4.3 Phân tích tính toán thiết kế Để mạch đơn giản dễ lắp đặt, chúng ta sử dụng adapter để làm nguồn hoạt động cho mạch cảm biến
Khi không tải điện áp ngõ vào từ lưới điện trong khoảng 180vAC – 230vAC, biến áp sẽ hạ áp xuống khoảng 10.8vAC – 13.2vAC Sau đó, dòng điện được chuyển đổi từ xoay chiều sang một chiều qua cầu diode, tạo ra điện áp khoảng 14.3vDC – 17.2vDC Điện áp này tiếp tục được lọc qua các tụ C5, C6 để ổn định trước khi vào chân IN của IC LM7805, với điện áp vào khoảng 13.0vDC – 16.2vDC IC LM7805 sẽ tạo ra điện áp ổn định trong khoảng 4.8vDC – 5.2vDC, và cuối cùng, dòng điện được làm ổn định hơn qua các tụ C7, C8.
Trong trường hợp có tải 22 Ohm và dòng điện I = 0.42A, điện áp đầu vào từ lưới điện dao động từ 180V AC đến 230V AC sẽ được hạ xuống khoảng 10.8V AC đến 13.2V AC Sau đó, điện áp này được chuyển đổi từ xoay chiều sang một chiều thông qua cầu diode, tạo ra điện áp khoảng 10.2V DC đến 17.2V DC Cuối cùng, điện áp này được lọc qua các tụ điện C5 và C6 để giảm bớt gợn và ổn định điện áp cho IC LM7805, cung cấp điện áp vào chân IN của nó.
IC LM7805 khoảng 12.0vDC – 16.2vDC, sau đó tạo ra điện áp khoảng 4.8vDC –5.2vDC và qua các tụ C7, C8 để tạo ra điện áp ổn định cung cấp cho tải.
3.5.5 Sơ đồ hoàn chỉnh mạch cảm biến
Hình 3.10: Sơ đồ tổng mạch cảm biến
THIẾT KẾ PHẦN MỀM
Giới thiệu chương
Chương 4 sẽ trình bày các đề xuất thiết kế chương trình phần mềm cho các mạch cảm biến, mạch điều khiển và Web Từ các đề xuất trên, chúng ta sẽ vẽ nên lưu đồ thuật toán tổng quát của từng chương trình chính và chương trình con Sau đó sẽ viết chi tiết và kiểm thử từng chương trình
Thiết kế phần mềm cho mạch cảm biến
Chương trình của mạch cảm biến lần lượt sẽ thực hiện chức năng sau:
Đọc giá trị từ các cảm biến
Kết nối tới server the things network
Hiển thị các giá trị trên màn hình OLED
Gửi các giá trị đo được lên server theo class A
4.2.1.2 Lưu đồ thuật toán chung của mạch cảm biến
Chương trình hoạt động bằng cách khởi tạo các chân cảm biến và kiểm tra kết nối với server TTN Nếu chưa kết nối, thiết bị sẽ tiếp tục kiểm tra cho đến khi kết nối thành công Sau khi kết nối được thiết lập, thiết bị sẽ đọc dữ liệu từ các cảm biến và hiển thị trên màn hình OLED Cuối cùng, dữ liệu sẽ được gửi lên server sau mỗi 5 giây và quy trình này sẽ lặp lại.
Thiết kế phần mềm cho mạch điều khiển
Chương trình mạch điều khiển phải có các chức năng sau:
Kết nối được với server the things network theo class C
Điều khiển bật, tắt đèn và quạt khi nhận tín hiệu từ server
Hình 4.1: Lưu đồ thuật toán mạch cảm biến (Lưu đồ bên trái là gì, bên phải là gì, bỏ background)
Chương trình hoạt động bằng cách đầu tiên tạo các chân điều khiển và kiểm tra kết nối với server Nếu kết nối thất bại, thiết bị sẽ tiếp tục kiểm tra cho đến khi thành công Khi kết nối được thiết lập, thiết bị sẽ kiểm tra trạng thái của nút nhấn Nếu nút nhấn được kích hoạt, thiết bị sẽ xuất tín hiệu vi điều khiển ở mức cao hoặc thấp để bật tắt đèn hoặc quạt.
Thiết kế phần mềm Web
4.4.1.1 Đề xuất giao diện phần mềm
Phần mềm ứng Web phải thực hiện được các chức năng sau:
Hình 4.2: Lưu đồ thuật toán mach điều khiển (Lưu đồ bên trái là gì, bên phải là gì, bỏ background)
Màn hình có nút nhấn điều khiển thiết bị
Màn hình đưa ra sơ đồ dựa trên các giá trị đo được Đề xuất thiết kế như sau:
Hình 4.3: Đề xuất thiết kế web
Màn hình giám sát thông số môi trường là thiết bị hiển thị các giá trị môi trường, được cập nhật liên tục từ cơ sở dữ liệu đám mây.
4.4.1.2 Lưu đồ thuật toán gửi dữ liệu lên Web
Giải thích nguyên lý hoạt động:
Cảm biến thu thập các giá trị và truyền tải chúng đến máy chủ Sau khi nhận dữ liệu, máy chủ sẽ tiến hành giải mã để đảm bảo các giá trị phản ánh chính xác thực tế.
Sau đó firebase sẽ lấy dữ liệu đã được giải mã trên TTN và đến Web đã được tạo để hiển thị các dữ liệu đo được.
Hình 4.4: Lưu đồ thuật toán gửi dữ liệu lên Web
THI CÔNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
Thi công mạch phần cứng
5.1.1 Thi công mạch cảm biến
Mạch được thiết kế có kích thước 11,7 x 6,7 cm, mạch chạy layout board 1 lớp.
Các linh kiện được xắp xếp thừ mạch nguồn tới vi điều khiển rồi cảm biến thuận lợi cho việc kiểm tra,
Hình 5.1: Mạch cảm biến PCB
Hình 5.2: Mặt trên mô phỏng 3D mạch cảm biến
5.1.2 Thi công mạch điều khiển
Mạch có kích thược 10 x 7,7cm, board được layout 1 lớp.
Linh kiện được xắp sếp từ nguồn đến vi điều khiển rồi đến các mạch điều khiển thuân lợi cho việc đo đạc.
Hình 5.3: Mặt dưới mô phỏng 3D mạch cảm biến
Hình 5.4: Mạch điều khiển PCB
5.1.2.2 Mạch thực tế khi hoàn thiện
Hình 5.6: Mặt dưới mạch điều kiển Hình 5.5: Mặt trên mạch điều khiển
Thi công phần mềm thiết kế Web
công phần mềm thiết kế Web
Hệ thống đã hiển thị được các giá trị đo được từ cảm biến và đã đưa các giá trị đó hiển thị trên biểu đồ.
Trang Web với 2 nút nhấn đã điều khiển được các thiết bị mà mục tiêu đã đề ra.
