THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG GIÁM SÁT BỤI MỊN SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ LORA
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (6.15 MB, 104 trang )
ĐỀ TÀI THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG GIÁM SÁT BỤI MỊN
Lê Hồng Phương
ƠNG NGHỆ LORA
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MƠ HÌNH
HỆ THỐNG GIÁM SÁT BỤI MỊN SỬ DỤNG
CƠNG NGHỆ LORA
Người hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:
Mã sinh viên:
Lớp:
ThS Phạm Văn Phát
Lê Hoàng Phương
1911505410145
19DT1
Đà Nẵng, tháng 11 năm 2023
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH
HỆ THỐNG GIÁM SÁT BỤI MỊN SỬ DỤNG
CÔNG NGHỆ LORA
Người hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:
Mã sinh viên:
Lớp:
ThS Phạm Văn Phát
Lê Hoàng Phương
1911505410145
19DT1
Đà Nẵng, tháng 11 năm 2023
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
Chữ ký của GVHD
(Ký và ghi rõ họ tên)
NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
Chữ ký của Hội đồng phản biện
(Ký và ghi rõ họ tên)
TĨM TẮT
Tên đề tài: Thiết kế và thi cơng mơ hình hệ thống giám sát bụi mịn sử dụng cơng nghệ
Lora
Sinh viên thực hiện: Lê Hồng Phương
Mã sinh viên:
1911505410145
Lớp:
19DT1
Nhóm thực hiện đề tài” THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG GIÁM
SÁT BỤI MỊN SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ LORA” với việc áp dụng giao thức truyền
thông LoRa và sử dụng mô-đun LoRa E32. Tận dụng các chuẩn giao tiếp như UART,
TCP/IP để liên kết và truyền thông với các thiết bị cảm biến như cảm biến bụi mịn
PM2.5 GP2Y1010AU0F, vi điều khiển như Arduino Uno và ESP32.
Kết quả sau khi hồn thành hệ thống sẽ có khả năng giám sát mật độ bụi mịn trong
khơng khí tại vị trí cảm biến một cách nhanh chóng và dễ dàng. Hệ thống đã được thiết
kế để cung cấp cảnh báo hiệu quả về chất lượng khơng khí, giúp người dùng nhận biết
và đưa ra các biện pháp phòng ngừa khi mật độ bụi mịn vượt quá ngưỡng cho phép,
đồng thời cung cấp dữ liệu chính xác và đáng tin cậy về mơi trường khơng khí xung
quanh.
Đề tài nhóm gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về đề tài: Chương này nhóm nêu ra các vấn đề ô nhiễm môi
trường, giới thiệu về bụi mịn và các mơ hình đo bụi mịn hiện nay. Từ đó đưa ra lí do
và mục tiêu đề tài.
Chương 2: Tổng quan về công nghệ Lora và các giao thức truyền thông: Giới thiệu về
các công nghệ truyền thông không dây hiện nay và các giao thức truyền thông.
Chương 3: Phần cứng và phần mềm sử dụng: Giới thiệu về các linh kiện và phần
mềm được sử dụng cho mơ hình giám sát bụi mịn.
Chương 4: Thiết kế thi công hệ thống giám sát: Lập sơ đồ khối, tính tốn thiết kế và
thi cơng mơ hình giám sát. Vận hành và từ đó đưa ra ưu nhược điểm của mơ hình giám
sát, hướng phát triển của sản phẩm.
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
1. Họ và tên sinh viên:
2. Mã sinh viên:
Lê Hoàng Phương
1911505410145
Lớp: 19DT1
3. Họ và tên người hướng dẫn: ThS. Phạm Văn Phát
4. Đề tài
Tên đề tài: Thiết kế và thi cơng mơ hình hệ thống giám sát bụi mịn sử dụng
cơng nghệ Lora
5. Mục tiêu
- Tìm kiểu kỹ thuật, công nghệ được ứng dụng trong thiết kế, chế tạo mơ hình.
- Nghiên cứu, thiết kế mơ hình hệ thống giám sát bụi mịn PM2.5. Các cảm biến được
đặt ở nhiều vị trí khác nhau gửi về 1 máy chủ và được đưa lên Thingspeak.
6. Nội dung chính
-
Chương 1: Tổng quan về đề tài
Đặt vấn đề
Các mơ hình đo chất lượng khơng khí hiện nay
Mục tiêu của đề tài
Chương 2: Tổng quan về công nghệ Lora và các giao thức truyền thông
Tổng quan về các mạng truyền thông không dây
Tổng quan về công nghệ Lora
Các chuẩn giao tiếp
Chương 3: Phần cứng và phần mềm sử dụng
Các phần cứng đáp ứng yêu cầu
Các phần mềm sử dụng
-
Chương 4: Thiết kế thi công hệ thống giám sát
Thiết kế sơ đồ khối
Tính tốn các khối nguồn
Thi cơng mạch phát và mạch thu
Lập trình cho hệ thống
Thử nghiệm, đánh giá và kết luận
7. Kết quả dự kiến đạt được
-
Báo cáo tổng hợp đồ án tốt nghiệp
Chương trình điều khiển
Mơ hình giám sát bụi mịn sử dụng cơng nghệ Lora
8. Tiến độ thực hiện
TT
1.
2.
3.
Thời gian
Tuần 1
(21/8 ÷ 27/8)
Tuần 2
(28/8 ÷ 03/9)
Tuần 3
(4/9 ÷ 10/9)
Tuần 4
4.
(11/9 ÷17/9)
Tuần 5
5.
(18/9 ÷24/9)
Tuần 6
6.
(25/9 ÷ 1/10)
Tuần 7
7.
(2/10 ÷ 8/10)
Nội dung cơng việc
Bộ mơn gặp lớp ĐATN,
hướng dẫn chung
Phân công GVHD ĐATN và
thông báo cho GV, SV.
Kết quả dự kiến đạt được
Phân công GVHD ĐATN
SV liên hệ GV, định hướng đề
tài;
Định hướng đề tài, Xây dựng
Xây dựng Đề cương, Nhiệm đề cương.
vụ ĐATN
Hoàn thiện Đề cương, Nhiệm
Hồn thành đề cương
vụ ĐATN
Tìm hiểu cơ sở lý thuyết liên
quan đến mơ hình giám sát Chương 1 và 2: Cơ sở lý thuyết
bụi mịn
Tìm hiểu cơ sở lý thuyết liên Báo cáo giai đoạn 1
quan đến mơ hình giám sát
bụi mịn
Tìm hiểu, chọn lựa phần
Chương 3: Phần cứng và phần
cứng, thiết kế mơ hình,
mềm sử dụng
phương án thi cơng
Tìm hiểu, chọn lựa phần
Chọn lựa được phần cứng, mô
cứng, thiết kế mơ hình,
tả đặc tính kỹ thuật, linh kiện
phương án thi công
Tuần 8
8.
(9/10 ÷ 15/10)
Tìm hiểu, chọn lựa phần
cứng, thiết kế mơ hình, Chọn lựa được phần cứng, mơ
phương án thi cơng. Chuẩn bị tả đặc tính kỹ thuật, linh kiện
linh kiện cần thiết
Tuần 9
9.
Hồn thiện thiết kế, mơ hình, Báo cáo giai đoạn 2
(16/10 ÷ 22/10) phần cứng
Hồn thiện thiết kế, phần cứng
Báo cáo chương 1, 2, 3
Tuần 10
10.
Thi công mơ hình, lắp ráp linh
(23/10 ÷ 29/10) kiện, mạch điều khiển
Lập trình điều khiển, hiệu
chỉnh phần cứng
Tuần 11
11.
Thi cơng mơ hình, lắp ráp linh
(30/10 ÷ 05/11) kiện, mạch điều khiển
Hồn thiện chương 3
Lập trình điều khiển, hiệu
chỉnh phần cứng
Tuần 12
12.
Thi cơng mơ hình, lắp ráp linh
(06/11 ÷ 12/11) kiện, mạch điều khiển
Lập trình điều khiển, hiệu
chỉnh phần cứng
Tuần 13
13.
Lập trình điều khiển, hồn Báo cáo giai đoạn 3:
(12/11 ÷ 19/11) thiện mơ hình
Chạy demo mơ hình
Hồn thiện mơ hình
Báo cáo chương 4
Tuần 14
14.
Thử nghiệm, điều chỉnh, tối
(20/11 ÷ 26/11) ưu, hồn thiện hệ thống, mơ
hình
Tuần 15
15.
Tổng hợp kết quả, hồn thiện Báo cáo giai đoạn 4: Chỉnh sửa,
bổ sung, cập nhật. Hồn thiện
(27/11 ÷ 03/12) báo cáo ĐATN
ĐATN
BỘ MƠN DUYỆT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN
SINH VIÊN
Phạm Văn Phát
Lê Hoàng Phương
LỜI NÓI ĐẦU
Những thách thức liên quan đến chất lượng khơng khí ngày càng trở nên nghiêm
trọng trong mơi trường đô thị hiện đại. Với sự gia tăng đáng kể về công nghiệp và giao
thông, nguy cơ ô nhiễm không khí, đặc biệt là bụi mịn, đang ảnh hưởng đến sức khỏe
cộng đồng và hệ sinh thái xung quanh. Trên toàn cầu, các nghiên cứu đã chỉ ra mức độ
nghiêm trọng của vấn đề ô nhiễm bụi, đặc biệt là bụi mịn (PM2.5 và PM10). Các thành
phố lớn đều đối mặt với mức độ ô nhiễm bụi đáng lo ngại, ảnh hưởng đến sức khỏe
của hàng triệu người. Điều này không chỉ là một thách thức đối với các quốc gia phát
triển mà cịn là một vấn đề tồn cầu, với sự di chuyển của khơng khí ơ nhiễm qua biên
giới quốc gia.
Việt Nam, giống như nhiều quốc gia trong khu vực Đông Nam Á, vừa qua cũng
đang phải đối mặt với vấn đề ô nhiễm bụi ngày càng trầm trọng. Các thành phố lớn
như Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh và các khu cơng nghiệp lớn ở Việt Nam
thường xuyên trải qua những đợt ô nhiễm không khí đặc biệt nặng, gây khó khăn cho
việc quản lý sức khỏe cộng đồng và làm suy giảm chất lượng cuộc sống. Để đối mặt
với thách thức này, cả thế giới và Việt Nam đều cần áp dụng những giải pháp sáng tạo
và bền vững. Điều này có thể bao gồm việc cải thiện hạ tầng giao thông, thúc đẩy sử
dụng nguồn năng lượng sạch, và triển khai các hệ thống giám sát chất lượng khơng khí
để nắm bắt thơng tin và đưa ra các biện pháp ngăn chặn kịp thời. Từ vấn đề đó nhóm
đã quyết định chọn đề tài "Thiết kế và thi cơng mơ hình hệ thống giám sát bụi mịn
sử dụng công nghệ LoRa" xuất phát từ sự nhận thức về tầm quan trọng của vấn đề
mơi trường ngày nay.
Em xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới Thầy Phạm Văn Phát, người đã hướng dẫn
và đồng hành cùng em trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài "Thiết kế
và thi cơng mơ hình hệ thống giám sát bụi mịn sử dụng công nghệ LoRa". Sự tận
tâm và sự hỗ trợ nhiệt tình của Thầy đã giúp em có được kiến thức, kỹ năng và trải
nghiệm quý báu trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài. Em rất biết ơn vì
những điều kiện và kinh nghiệm mà Thầy đã chia sẻ, đó đã góp phần quan trọng vào
thành cơng của đề tài này.
Em cũng xin gửi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện-Điện Tử đã
tạo những điều kiện tốt nhất cho chúng em trong quá trình thực hiện đồ án.
Em xin chân thành cảm ơn!
i
CAM ĐOAN
Em cam kết rằng mọi nội dung trong đồ án của em là kết quả của quá trình nghiên
cứu và phát triển của riêng em. Tất cả thông tin, dữ liệu và quan điểm cá nhân được
trình bày trong đồ án đều là sản phẩm của công sức và nỗ lực tự thân của em. Em cam
đoan không sao chép hoặc sử dụng thông tin từ bất kỳ nguồn nào mà khơng được trích
dẫn và thể hiện rõ ràng nguồn gốc.
Sinh viên thực hiện
Lê Hoàng Phương
ii
MỤC LỤC
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN
TÓM TẮT
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
LỜI NÓI ĐẦU............................................................................................................... i
CAM ĐOAN................................................................................................................. ii
MỤC LỤC................................................................................................................... iii
DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ.....................................................................vi
DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT..................................................viii
MỞ ĐẦU....................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI..................................................................2
1.1. Đặt vấn đề.............................................................................................................. 2
1.1.1. Vấn đề ơ nhiễm mơi trường trên thế giới.............................................................2
1.1.2. Ơ nhiễm khơng khí tại Việt Nam.........................................................................4
1.2. Bụi mịn và các mơ hình đo chất lượng khơng khí hiện nay...............................5
1.2.1. Các loại bụi mịn...................................................................................................5
1.2.2. Bụi mịn ảnh hưởng đến sức khoẻ con người........................................................6
1.2.3. Các mơ hình đo chất lượng khơng khí hiện nay...................................................8
1.3. Mục tiêu đề tài.....................................................................................................11
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LORA VÀ CÁC GIAO THỨC
TRUYỀN THÔNG.....................................................................................................13
2.1. Các mạng truyền thông không dây hiện nay....................................................13
2.1.1. Wi-Fi.................................................................................................................. 13
2.1.2. Bluetooth...........................................................................................................14
2.1.3. Mạng di động (3G, 4G, 5G)...............................................................................14
2.1.4. Zigbee................................................................................................................16
2.1.5. NFC...................................................................................................................17
2.1.6. Lora.................................................................................................................... 18
2.2. Mạng truyền thông không dây Lora.................................................................20
2.2.1. Định nghĩa.........................................................................................................20
iii
2.2.2. Các tham số quan trọng của Lora:......................................................................20
2.2.3. Nguyên lý hoạt động của LoRa:.........................................................................21
2.2.4. Ứng dụng của công nghệ LoRa..........................................................................22
2.3. Giao thức truyền thông LoRaWAN..................................................................23
2.3.1. Định nghĩa.........................................................................................................23
2.3.2. Cấu trúc của LoRaWAN....................................................................................23
2.3.3. Ưu và nhược điểm của LoRaWAN:...................................................................27
2.4. Giao thức truyền thông HTTP...........................................................................28
2.4.1. Định nghĩa.........................................................................................................28
2.4.2. Một số điểm quan trọng của giao thức HTTP....................................................28
2.5. Chuẩn giao tiếp UART.......................................................................................30
2.5.1. Định nghĩa.........................................................................................................30
2.5.2. Các đặc điểm quan trọng trong chuẩn truyền thông UART...............................30
2.5.4. Ưu và nhược điểm..............................................................................................32
2.5.5. Ứng dụng...........................................................................................................32
CHƯƠNG 3: PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM SỬ DỤNG.....................................33
3.1. Chọn phần cứng đáp ứng yêu cầu.....................................................................33
3.1.1. Cảm biến bụi PM2.5 GP2Y1010AU0F..............................................................33
3.1.2. Vi điều khiển ESP32..........................................................................................35
3.1.3. Vi điều khiển Arduino Uno................................................................................38
3.1.4. Mạch thu phát RF UART Lora SX1278 433Mhz E32-433T20D.......................40
3.1.5. Mạch chuyển đổi USB sang TTL E15-USB-T2 CP2102...................................43
3.1.6. Mạch sạc và tăng áp 5V 2A Type C...................................................................47
3.1.7. Pin Lithium 3.7V...............................................................................................48
3.2. Các phần mềm sử dụng......................................................................................48
3.2.1. Arduino IDE......................................................................................................48
3.2.2. Thingspeak.........................................................................................................52
3.2.3. PlatformIO IDE cho VSCode.............................................................................55
3.2.4. Wireless Module Setting...................................................................................58
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT BỤI MỊN...59
4.1. Thiết kế hệ thống.................................................................................................59
4.1.1. Thiết kế sơ đồ khối............................................................................................59
iv
4.1.2. Ngun lý hoạt động sơ đồ khối........................................................................59
4.1.3. Tính tốn khối nguồn.........................................................................................60
4.1.4. Thiết kế mạch phát.............................................................................................61
4.1.5. Thiết kế mạch thu tín hiệu..................................................................................64
4.2. Thi cơng hệ thống................................................................................................64
4.2.1. Thi cơng mạch phát............................................................................................64
4.2.2. Thi cơng mạch thu tín hiệu................................................................................66
4.3. Hồn thiện mơ hình............................................................................................67
4.3.1. Hồn thiện mạch phát........................................................................................67
4.3.2. Hồn thiện mạch thu..........................................................................................68
4.4. Lập trình cho hệ thống.......................................................................................68
4.4.1. Lưu đồ thuật toán mạch phát..............................................................................68
4.4.2. Lưu đồ thuật toán mạch thu...............................................................................71
4.4.3. Giao diện hiển thị trên ThingSpeak....................................................................74
4.4.4. Tài liệu hướng dẫn.............................................................................................77
4.5. Thử nghiệm, đánh giá mô hình và kết luận......................................................77
4.5.1. Kết quả thực nghiệm..........................................................................................77
4.5.2. Nhận xét và đánh giá..........................................................................................78
4.5.3. Kết luận.............................................................................................................. 78
4.5.4. Hướng phát triển sản phẩm................................................................................79
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
v
DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ
Hình 1.1 Kích thước của các loại bụi mịn......................................................................5
Hình 1.2 Bản đồ tương tác AQI tồn thế giới trên IQ Air..............................................9
Hình 1.3 Trang web AQICN.org.................................................................................10
Hình 1.4 Giao diện của Plume Labs: Air Quality App..............................................11Y
Hình 2.1 Tín hiệu up-chirp (nguồn: Semtech).............................................................22
Hình 2.2 Mơ hình LoRaWAN......................................................................................23
Hình 2.3 Cấu trúc của LoRaWAN...............................................................................24
Hình 2.4 Cách hoạt động của 3 lớp..............................................................................26
Hình 2.5 Giao tiếp UART............................................................................................30
Hình 2.6 Các thành phần của 1 khung dữ liệu 3
Hình 3.1 Cảm biến bụi PM2.5 GP2Y1010AU0F.........................................................33
Hình 3.2 Bên trong cảm biến đo bụi PM2.5 GP2Y1010AU0F....................................33
Hình 3.3 Nguyên lý hoạt động cảm biến bụi Pm2.5....................................................34
Hình 3.4 Sơ đồ chân và tổng quan quá trình kết nối với vi điều khiển.........................35
Hình 3.5 Vi điều khiển ESP32.....................................................................................35
Hình 3.6 Sơ đồ chân kết nối ESP32(nguồn: Electronic hub).......................................37
Hình 3.7 Vi điều khiển arduino uno.............................................................................38
Hình 3.8 Sơ đồ chân của Arduino Uno........................................................................40
Hình 3.9 Mạch thu phát LoRa E32 SX1278................................................................40
Hình 3.10 Sơ đồ chân của LoRa E32...........................................................................42
Hình 3.11 Mạch chuyển đổi USB sang TTL E15-USB-T2 CP2102............................43
Hình 3.12 Các chế độ hoạt động của mạch chuyển đổi................................................45
Hình 3.13 Sơ đồ chân Mạch chuyển đổi USB sang TTL E15-USB-T2 CP2102.........46
Hình 3.14 Mạch sạc và tăng áp 5V 2A TypeC.............................................................47
Hình 3.15 Sơ đồ chân mạch sạc và tăng áp 5V 2A TypeC...........................................48
Hình 3.16 Pin Lithium 3.7V........................................................................................48
Hình 3.17 Biểu tượng Arduino IDE.............................................................................49
Hình 3.18 Quy trình làm việc của Arduino..................................................................49
Hình 3.19 Giao diện lập trình của Arduino IDE..........................................................50
Hình 3.20 Giao diện file menu của Arduino IDE.........................................................51
Hình 3.21 Giao diện Examples menu Arduino IDE.....................................................51
Hình 3.22 Giao diện vùng thơng báo...........................................................................52
Hình 3.23 Giao diện viết chương trình.........................................................................52
Hình 3.24 Giao diện thingspeak...................................................................................53
Hình 3.25 Giao diện tạo tài khoản ThingSpeak...........................................................54
Hình 3.26 Giao diện tạo kênh trên ThingSpeak...........................................................54
Hình 3.27 Giao diện lấy địa chỉ API............................................................................55
Hình 3.28 Giao diện hiển thị kênh trên ThingSpeak....................................................55
Hình 3.29 Giao diện trang tải xuống VSCode..............................................................56
vi
Hình 3.30 Giao diện VSCode......................................................................................56
Hình 3.31 Giao diện tìm kiếm và cài đặt PlatformIO IDE...........................................57
Hình 3.32 Giao diện của PlatformIO IDE....................................................................57
Hình 3.33 Giao diện tạo file mới của PlatformIO IDE.................................................57
Hình 3.34 Giao diện phần mềm Wireless Module Setting
5
Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống......................................................................................59
Hình 4.2 Sơ đồ thiết kế giữa Arduino Uno với Cảm biến bụi PM2.5..........................63
Hình 4.3 Sơ đồ thiết kế giữa loRa E32 và Arduino Uno..............................................63
Hình 4.4 Sơ đồ thiết kế mạch nguồn cho mạch phát....................................................63
Hình 4.5 Sơ đồ thiết kế ESP32 với LoRa E32.............................................................64
Hình 4.6 Sơ đồ thiết kế mạch nguồn cho mạch thu......................................................64
Hình 4.7 Mặt trước và mặt sau của mạch phát.............................................................65
Hình 4.8 Mặt trước và mặt sau của mạch thu tín hiệu..................................................66
Hình 4.9 Mơ hình bên trong mạch phát.......................................................................67
Hình 4.10 Mơ hình nhìn từ trên xuống.........................................................................67
Hình 4.11 Bên trong mạch thu.....................................................................................68
Hình 4.12 Lưu đồ thuật tốn mạch phát.......................................................................68
Hình 4.13 Lưu đồ thuật tốn mạch thu.........................................................................71
Hình 4.14 Giao diện đăng nhập ThingSpeak...............................................................75
Hình 4.15 Giao diện đăng kí người dùng mới..............................................................75
Hình 4.16 Tạo kênh mới trên ThingSpeak...................................................................76
Hình 4.17 Giao diện API Key trên ThingSpeak...........................................................76
Hình 4.18 Giao diện hiển thị giá trị của cảm biến........................................................77
Hình 4.19 Kết quả thực tế hiển thị trên ThingSpeak
7
Bảng 3.1 Chân kết nối của cảm biến bụi GP2Y10.......................................................35
Bảng 3.2 Nguyên lý sơ đồ chân LoRa E32
4
Bảng 4.1 Điện áp và dòng điện làm việc của mạch phát..............................................60
Bảng 4.2 Điện áp và dòng điện làm việc của mạch thu................................................61
Bảng 4.3 Các mức độ của chất lượng khơng khí..........................................................61
Bảng 4.4 Liệt kê linh kiện mạch phát..........................................................................64
Bảng 4.5 Liệt kê linh kiện của mạch thu tín hiệu.........................................................66
vii
DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
STT
Ký hiệu chữ viết tắt
Chữ viết đầy đủ
1
LoRa
Long Range
2
PM
Particulate Matter
3
LoRaWAN
LoRa Wide Area Network
4
RFID
Radio-Frequency Identification
5
SPI
Serial Peripheral Interface
6
IP
Internet Protocol
7
IoT
Internet of Things
8
HTTP
HyperText Transfer Protocol
9
GPIO
General Purpose Input Output
viii
Thiết kế và thi cơng mơ hình hệ thống giám sát bụi mịn sử dụng cơng nghệ LoRa
MỞ ĐẦU
Mục đích của đồ án là thiết kế và triển khai một hệ thống giám sát bụi mịn, sử
dụng công nghệ LoRa, nhằm đo lường và theo dõi chất lượng khơng khí. Đồng thời,
nghiên cứu này nhằm phân tích tình trạng ơ nhiễm bụi mịn tại các địa điểm đô thị cụ
thể và đề xuất giải pháp cụ thể để giảm thiểu tác động của ô nhiễm.
Mục tiêu của đề tài là:
- Nghiên cứu hiện trạng ô nhiễm bụi mịn tại các địa điểm đơ thị, xác định các nguồn
gốc chính gây nên ô nhiễm.
- Thiết kế và triển khai hệ thống giám sát bụi mịn sử dụng công nghệ LoRa để thu
thập dữ liệu chất lượng khơng khí.
- Phát triển giao diện người dùng để hiển thị thông tin chi tiết và trực quan về chất
lượng khơng khí và ơ nhiễm bụi mịn.
- Đánh giá hiệu suất của hệ thống trong điều kiện thực tế và các yếu tố môi trường
khác nhau.
- Phân tích dữ liệu thu thập để đưa ra đánh giá về mức độ ô nhiễm và ảnh hưởng của
nó đến sức khỏe và mơi trường.
- Đề xuất giải pháp có thể thực hiện để giảm thiểu ơ nhiễm bụi mịn và cải thiện chất
lượng khơng khí.
Phương pháp nghiên cứu:
- Tìm hiểu về các nghiên cứu liên quan đến ơ nhiễm khơng khí, hệ thống giám sát
mơi trường, và ứng dụng của công nghệ LoRa trong lĩnh vực này.
- Triển khai hệ thống giám sát thực tế, thu thập dữ liệu, và kiểm thử hiệu suất trong
các điều kiện môi trường thực tế.
- Sử dụng các phương pháp thống kê và phân tích dữ liệu để đánh giá mức độ ô
nhiễm và xác định các xu hướng.
SVTH: Lê Hoàng Phương
GVHD: Th.S Phạm Văn Phát
1
Thiết kế và thi cơng mơ hình hệ thống giám sát bụi mịn sử dụng công nghệ LoRa
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Đặt vấn đề
1.1.1. Vấn đề ô nhiễm mơi trường trên thế giới
Ơ nhiễm mơi trường là hiện tượng môi trường tự nhiên bị ô nhiễm bởi việc đưa
hóa chất gây ơ nhiễm vào mơi trường tự nhiên, đồng thời các tính chất vật lý, hóa
học, sinh học của môi trường bị thay đổi gây tác hại tới sức khỏe con người và
các sinh vật khác. Ô nhiễm mơi trường có thể ở dạng bất kỳ chất nào
(rắn, lỏng hoặc khí) hoặc năng lượng (chẳng hạn như phóng xạ, nhiệt, âm
thanh hoặc ánh sáng). Mặc dù ơ nhiễm mơi trường có thể do các sự kiện tự nhiên gây
ra, nhưng đa số ô nhiễm do con người tạo nên. Ơ nhiễm thường được phân loại là ơ
nhiễm nguồn điểm hoặc nguồn không điểm. Năm 2015, ô nhiễm đã giết chết chín triệu
người trên tồn thế giới (cứ sáu người bị nhiễm thì có một người chết). Ngồi ra,ơ
nhiễm cịn do một số hoạt động của tự nhiên khác có tác động tới mơi trường. [15]
Tình trạng ơ nhiễm môi trường ngày càng trở nên nghiêm trọng và ảnh hưởng đến
sức khỏe của con người. Nguồn nước và khơng khí đã khơng cịn đảm bảo an tồn cho
cuộc sống hàng ngày, gây ra nhiều căn bệnh nặng. Sự phát triển của các nhà máy và cơ
sở sản xuất ngày càng tăng đã dẫn đến việc khơng kiểm sốt được hệ thống xử lý rác
thải. Ngoài ra, nhiệt độ trung bình trên Trái Đất đang tăng cao, vượt quá gần 40 độ so
với nhiệt độ trong kỷ băng hà gần đây nhất. Đại dương và biển cũng đang chịu áp lực
từ sự ô nhiễm do rác thải như đất, cát, và các loại phế liệu xây dựng. Sự cố rị rỉ dầu
cũng góp phần tạo ra 50% nguồn ơ nhiễm dầu trên biển, gây thiệt hại nghiêm trọng
cho môi trường sống của các loài sinh vật và cả con người.[13]
Trong bối cảnh cơng nghiệp hóa, đơ thị hóa và sự tăng trưởng dân số diễn ra song
song với sự bùng nổ của nền kinh tế và xã hội, chúng ta đang chứng kiến một tình
trạng ơ nhiễm mơi trường ngày càng trầm trọng. Sự phát triển khơng kiểm sốt này đã
tạo ra một ảnh hưởng tiêu cực đáng kể đối với hệ sinh thái tự nhiên và cuộc sống con
người. Ba hình thức ơ nhiễm chính bao gồm ơ nhiễm đất, ơ nhiễm nước và ơ nhiễm
khơng khí, đều đang gây ra những thách thức lớn cho sự phát triển bền vững của
chúng ta:
Ơ nhiễm mơi trường đất:
SVTH: Lê Hoàng Phương
GVHD: Th.S Phạm Văn Phát
2
Thiết kế và thi cơng mơ hình hệ thống giám sát bụi mịn sử dụng công nghệ LoRa
Môi trường đất đang bị đe dọa nghiêm trọng do sự phát triển của công nghiệp,
bùng nổ dân số và hoạt động đô thị hóa. Cơng nghiệp hóa là q trình nâng cao tỷ
trọng của cơng nghiệp trong tồn bộ các ngành kinh tế của một vùng kinh tế hay một
nền kinh tế, đi đôi với tiến bộ công nghệ, đặc biệt là sự phát triển của sản xuất hàng
hóa.
Diện tích đất trên thế giới ngày càng thu hẹp, chất lượng đất thì ngày càng suy
thoái. Nạn phá rừng khiến cho mảng xanh trên Trái Đất ngày càng giảm, thay vào đó
là những mảnh đất trơ trọi, khơ cằn, khơng cịn giá trị khai thác. Các khu cơng nghiệp,
các xí nghiệp và nhà máy hằng ngày thải ra lượng lớn rác thải, hóa chất, đặc biệt là rác
chưa qua xử lý đã xả ra môi trường đất, tạo ra những mảnh đất đầy rác, túi ni lông, xác
chết động vật, bốc lên mùi hơi thối khó chịu.
Ơ nhiễm mơi trường nước:
Vấn đề ô nhiễm môi trường nước là một thách thức nghiêm trọng đối với sức khỏe
của hệ sinh thái và cả con người. Quy mô của tác động này lan rộng khắp nơi và tốc độ
lan truyền nhanh chóng, khiến cho ô nhiễm môi trường nước trở nên đáng lo ngại hơn
cả ô nhiễm môi trường đất. Một phần lớn các sông, hồ, kênh và mương trở thành nơi
chứa đựng rác thải. Hành vi vứt rác không đúng cách từ sinh hoạt hàng ngày đang gây
nên sự tắc nghẽn và ô nhiễm nước. Tại vùng nông thôn, việc lạm dụng các loại thuốc
bảo vệ thực vật, phân bón và thuốc trừ sâu đã gây nên hiện tượng độc hại trong nguồn
nước ngầm. Cùng với đó, các cơ sở cơng nghiệp, nhà máy không chỉ sản xuất ra lượng
lớn rác thải mà còn xả thải chưa qua xử lý trực tiếp vào các dịng sơng, làm cho nguồn
nước trở nên ơ nhiễm và màu nước chuyển thành màu đen. Hiện tượng "thủy triều đỏ"
và các vụ tràn dầu trên biển là minh chứng rõ ràng cho sự nghiêm trọng của tình trạng
này. Ô nhiễm môi trường nước không chỉ ảnh hưởng đến đời sống sinh vật mà còn gây
nguy cơ cho sức khỏe con người thông qua việc sử dụng nguồn nước ơ nhiễm.
Ngồi ra, tình trạng ơ nhiễm mơi trường nước còn được thúc đẩy bởi sự gia tăng
dân số, khiến cho nhu cầu về nước tăng lên và do đó, các hoạt động liên quan đến
nước như sinh hoạt, đi lại, xây dựng, sản xuất nông nghiệp, công nghiệp cũng tăng
theo.
Tuy nhiên, chỉ có khoảng 2% diện tích nước trên trái đất là nước phù hợp cho tiêu
dùng, được coi là nước tinh khiết. Điều này gây ra một vấn đề sức khỏe nghiêm trọng
cho những người dân sống ở khu vực khơng có nguồn nước sạch. Cơng nghiệp hóa
cũng là một yếu tố gây ô nhiễm môi trường nước. Các nhà máy, cơng trình, xưởng sản
xuất mỗi ngày thải ra ngồi mơi trường rất nhiều khí thải, chất thải nguy hại, dẫn đến
mơi trường bị ơ nhiễm.
SVTH: Lê Hồng Phương
GVHD: Th.S Phạm Văn Phát
3
