Nghiên cứu mô hình cảm biến và giám sát điều khiển tự động trong nuôi cá hồ thủy sinh gia đình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

NGUYỄN CƠNG TN

NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH CẢM BIẾN VÀ
GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG

NI CÁ HỒ THỦY SINH GIA ĐÌNH

Ngành: Khoa Học Máy Tính
Mã số: 8480101

Người hướng dẫn: TS.NGUYỄN THÀNH ĐẠT

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:
- Những nội dung trong đề án này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn trực
tiếp của thầy TS. Nguyễn Thành Đạt.
- Mọi tham khảo dùng trong đề án đều được trích dẫn rõ ràng và trung thực
tên tác giả, tên cơng trình, thời gian, địa điểm cơng bố.
- Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian dối, tơi xin
chịu hồn tồn trách nhiệm.

Tác giả đề án

Nguyễn Công Tuân

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đề án này, ngoài sự cố gắng của bản thân ra, tôi đã nhận
được sự giúp đỡ của quý thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình. Xin chân
thành cảm ơn thầy TS. Nguyễn Thành Đạt đã tận tình hướng dẫn, giúpđỡ em
thực hiện đề án đúng tiến độ và hoàn thành tốt đẹp.

Xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô Khoa Công nghệ Thông tin,
Phòng Sau đại học - Trường Đại học Quy Nhơn đã tạo điều kiện giúp đỡ tơi
hồn thành chương trình đào tạo thạc sĩ ngành Khoa học máy tính khóa 24B,
khóa học 2021 - 2023.

Tác giả đề án

Nguyễn Công Tuân

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 4

1. Lý do chọn đề tài........................................................................................ 1
2. Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài ...................................................... 2
3. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu............................................................. 2
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................. 2
5. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................... 4
6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn ...................................................... 4
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................. 6

1.1. Tổng quan về internet of things (IoT)..................................................... 6

1.1.1. Giới thiệu về Internet of Things (IoT) .............................................. 6
1.1.2. Ứng dụng của IoT ........................................................................... 66
1.2. Các cảm biến liên quan ........................................................................... 6
1.2.1. Chip Arduino Uno R3 ....................................................................... 6
1.2.2. Chip Wifi ESP32............................................................................. 10
1.2.3. Cảm biết nhiệt độ DS18B20 ........................................................... 17
1.2.4. Cảm biến đo cường độ ánh sáng BH1750 ...................................... 19
1.2.5. Cảm biến pH ................................................................................... 20
1.3. Các thiết bị IoT khác ............................................................................. 21
1.3.1. Module thời gian thực DS3231 ...................................................... 21
1.3.2. Màn hình hiển thị I2C LCD 16x2................................................... 22
1.3.3. Relay ............................................................................................... 22
1.4. Các thiết bị ngoại vi .............................................................................. 23
1.4.1. Thiết bị cho cá ăn (Hình 1.15) ........................................................ 23

1.4.2. Thiết bị làm mát hồ thủy sinh (Hình 1.16) ..................................... 23
1.4.3. Đèn LED chiếu sáng cho hồ thủy sinh (Hình 1.17)........................ 24
1.4.4. Thiết bị sưởi hồ thủy sinh (Hình 1.18) ........................................... 24
1.5. Các loại giao tiếp truyền thông trong IoT............................................. 25
1.5.1. Giao tiếp I2C................................................................................... 25
1.5.2. Giao tiếp UART .............................................................................. 25
1.6. Kỹ thuật nuôi cá thủy sinh ................................................................ 2626
1.6.1. Kỹ thuật nuôi cá thủy sinh .............................................................. 26
1.6.2. Cách tính các tham số để phù hợp mơi trường sống của cá ........... 32
1.7. Nghiên cứu liên quan ............................................................................ 35
CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH HỒ THỦY SINH.................................................... 38
2.1.Mơ tả mơ hình đề xuất ........................................................................... 38
2.2. Nguyên lý hoạt động ............................................................................. 41

2.3. Kết nối các thành phần phần cứng trong hệ thống ............................... 41
2.4. Cách vận hành của mơ hình .................................................................. 44
2.5. Kịch bản và hành động của hệ thống có thể xảy ra .............................. 47
2.5.1. Về thiết bị........................................................................................ 47
2.5.2.Về môi trường trong hồ thủy sinh ................................................... 48
CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ........................................... 50
3.1. Giới thiệu bài toán................................................................................. 50
3.1.1. Điều kiện thực nghiệm.................................................................... 51
3.1.2. Môi trường thực nghiệm ................................................................. 51
3.2. Dữ liệu................................................................................................... 51
3.3. Mô tả thực nghiệm ................................................................................ 52
3.3.1. Mô tả yêu cầu.................................................................................. 52
3.3.2. Lưu đồ giải thuật mạch điều khiển ............................................. 5353
3.4. Tiến hành thực nghiệm.......................................................................... 53
3.4.1. Thực hiện đo nhiệt độ, độ PH, Co2 ................................................ 53
3.4.2. Thực hiện kiểm tra sự thay đổi của nhiệt độ, độ PH, Co2:............. 56
3.4.3. Đánh giá kết quả mô phỏng ............................................................ 64

3.5. Kết quả thực nghiệm ............................................................................. 64
3.5.1. Mơ hình ........................................................................................... 64
3.5.2. Giám sát thiết bị và điều khiển tự động qua Blynk ........................ 68

3.6. Nhận xét và đánh giá............................................................................. 70
3.6.1. Nhận xét .......................................................................................... 70
3.6.2. Đánh giá .......................................................................................... 70

3.7. Kết luận và hướng phát triển................................................................. 73
3.7.1. Kết luận .......................................................................................... 73
3.7.2. Hướng phát triển ............................................................................. 74

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................ 75
PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
IoT
I2C Internet of Things Internet vạn vật
LCD
PH Inter – Integrated Circuit Giao thức giao tiếp nối tiếp đồng bộ
VAC
VDC Liquid-Crystal Display Cơng nghệ màn hình tinh thể lỏng
RFID
IP Pondus hydrogenii Chỉ số đo hoạt động của các ion H+ của một
BLE chất thể hiện tính axit, trung tính hay kiềm
D2D
ID Volts Alternating Current Điện áp xoay chiều
OSI
Volts Direct Current Điện áp một chiều
PSTN
Radio Frequency Phương thức giao tiếp không dây dùng sóng
LTE Identification radio
RAM
AREF Internet Protocol Giao thức Internet
DIP
SCL Bluetooth Low Energy Bluetooth năng lượng thấp, kết nối không dây
SDA
Device-to-Device Liên lạc trực tiếp giữa các thiết bị mà không
qua nút trung gian

Identification Nhận dạng, nhận biết hoặc nhận diện

Open Systems Mơ hình tham chiếu kết nối các hệ thống mở
Interconnection

Public Switched Telephone Mạng điện thoại chuyển mạch công

Network cộng

Long Term Evolution Mạng tiêu chuẩn kế cận với công nghệ mạng
4G

Random Access Memory Bộ nhớ truy suất ngẫu nhiên

AnalogReference Định cấu hình điện áp tham chiếu được sử
dụng cho đầu vào analog

Dual inline package Gói nội tuyến kép

Serial Clock Đường mang tín hiệu xung nhịp

Serial Data Đường truyền cho master và slave để gửi và
nhận dữ liệu

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
AEMS Agent based Environment Hệ thống giám sát môi trường dựa trên nền
RTC Monitoring System tác tử
Real-Time control Hệ thống kiểm soát thời gian thực
TX Transmit Đầu phát
RX Receive Đầu nhận

IDE Integrated Development Mơi trường tích hợp dùng để viết code để
IR Sensor Environment phát triển ứng dụng
I2C Infrared Sensor Cảm biến hồng ngoại
UART Inter – Integrated Circuit Giao thức giao tiếp nối tiếp đồng bộ
Universal Asynchronous
Receiver-Transmitter Bộ truyền nhận dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Các phiên bản module của ESP32.................................................111
Bảng 1.2: Thông số kỹ thuật cơ bản của module ESP32-WOOM-32 .......... 122
Bảng 1.3: Định nghĩa các chân module ESP32-WOOM-32 .......................... 13
Bảng 1.4: Bảng mơ tả cấu hình chân cảm biến nhiệt độ DS18B20 ................ 18
Bảng 1.5: Kích thước của các vật liệu cần thiết khi thiết kế bể nuôi cá. ........ 28
Bảng 1.6: Bảng thơng số Lumen trên số lít nước trong bể ............................. 33
Bảng 1.7: Bảng tham khảo công suất đèn cho hồ thủy sinh sử dụng cho một

số kích thước bể thông dụng ............................................................... 34
Bảng 1.8: Kết quả thử nghiệm hệ thống hoạt động ở chế độ tự động ............ 37
Bảng 1.9: Chất lượng nước cấp vào ao nuôi và nước ao nuôi tôm Sú và tôm

Chân trắng ........................................................................................... 37
Bảng 1.10: Bảng đo các thông số hồ thủy sinh ở cửa hàng thủy sinh tuần 1 . 54
Bảng 1.11: Bảng đo các thông số hồ thủy sinh ở cửa hàng thủy sinh tuần 2 . 55
Bảng 1.12: Theo dõi hồ thủy sinh sau một tuần nuôi chưa sử dụng công

nghệ IoT .............................................................................................. 57
Bảng 1.13: Theo dõi hồ thủy sinh sau một tuần sử dụng công nghệ IoT ... 6262
Bảng 1.14: Bảng theo dõi hệ thống................................................................. 72

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Board Arduino UNO R3 ................................................................... 7
Hình 1.2. Sơ đồ chân Board Arduino UNO R3 ................................................ 8
Hình 1.3. Ứng dụng của Arduino UNO R3..................................................... 10
Hình 1.4. Module ESP32-WOOM-32............................................................. 11
Hình 1.5. Sơ đồ bố trí chân của module ESP32-WOOM-32.......................... 15
Hình 1.6. Hình ảnh thực tế board ESP32 .................................................... 1515
Hình 1.7. Cảm biến nhiệt độ DS18B20 .......................................................... 17
Hình 1.8. Cấu hình chân cảm biến nhiệt độ DS18B20 ............................... 1818
Hình 1.9. Sơ đồ nối chân của cảm biến nhiệt độ DS18B20............................ 19
Hình 1.10. Cảm biến đo cường độ ánh sáng BH1750 .................................... 20
Hình 1.11. Cảm biến đo pH............................................................................. 21
Hình 1.12. Module thời gian thực DS3231..................................................... 22
Hình 1.13. màn hình hiển thị I2C LCD 16x2 ................................................. 22
Hình 1.14.Relay............................................................................................... 23
Hình 1.15.Thiết bị cho cá ăn ........................................................................... 23
Hình 1.16. Quạt làm mát hồ thủy sinh ............................................................ 23
Hình 1.17. Đèn LED chiếu sáng hồ thủy sinh ................................................ 24
Hình 1.18. Thiết bị sưởi hồ thủy sinh ............................................................. 24
Hình 1.19. I2C Clock ...................................................................................... 25
Hình 1.20. Mơ hình mạng I2C ........................................................................ 25
Hình 1.21. Định dạng khung truyền cơ bản của UART. ................................. 26
Hình 1.7.1 Sơ đồ khối hệ thống ...................................................................... 36
Hình 2.1. Mơ hình hồ thủy sinh sử dụng cơng nghệ IoT ................................ 38
Hình 2.2. Sơ đồ khối của hệ thống IoT trong hồ thủy sinh............................ 39
Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống ......................................................... 41
Hình 2.4. Sơ đồ kết nối Arduino Uno R3 với các thiết bị............................... 41
Hình 2.5. Sơ đồ kết nối Relay với các thiết bị ................................................ 43
Hình 2.6. Giao diện phần mềm Arduino IDE ................................................. 44

Hình 2.7. Kết nối, theo dõi các thơng số cảm biến hiển thị trên Blynk.......... 45
Hình 2.8. Bộ test Co2 thủy sinh Indicator Reagent ........................................ 46
Hình 2.9. Nhúng bộ test CO2 vào trong thành bể thủy sinh........................... 47
Hình 3.1. Quy trình lấy dữ liệu và áp dụng..................................................... 52
Hình 3.2 Lưu đồ giải thuật mạch điều khiển................................................... 53
Hình 3.3. Hồ thủy sinh ban đầu khởi tạo ........................................................ 57
Hình 3.4.Biểu đồ biến thiên nhiệt độ trong hồ thủy khi chưa sử dụng IoT .... 59
Hình 3.5.Biểu đồ biến thiên pH trong hồ thủy khi chưa sử dụng IoT ............ 59
Hình 3.6.Biểu đồ biến thiên ánh sáng trong hồ thủy khi chưa sử dụng IoT ... 59
Hình 3.7. Hồ thủy sinh khi gắn hệ thống IoT (IAF) ....................................... 60
Hình 3.8. Mơ hình hệ thống hồn thiện .......................................................... 64
Hình 3.9.Biểu đồ so sánh nhiệt độ trong hồ thủy sinh .................................... 65
Hình 3.10.Biểu đồ so sánh pH trong hồ thủy sinh .......................................... 66
Hình 3.11.Biểu đồ so sánh ánh sáng trong hồ thủy sinh ................................. 67
Hình 3.12. Giao diện hiển thị WebBlynk trên máy tính ................................. 69
Hình 3.13. Ứng dụng Blynk hiển thị trên điện thoại ...................................... 69
Hình 3.14. Hiển thị trực tiếp trên màn hình LCD ........................................... 70
Hình 3.15. Giao tiếp với Web Blynk............................................................... 71
Hình 3.16. Thông tin thiết bị ........................................................................... 72

1

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Nuôi cá cảnh là một xu thế đã có từ rất lâu đời và xuất hiện ở nhiều nơi trên
thế giới. Tại Việt Nam, việc nuôi cá cảnh được xem là một phần văn hóa
khơng thể thiếu. Theo nghiên cứu thì việc ni cá cảnh giúp giảm căng thẳng
chiếm tỷ lệ rất cao. Ngoài mang lại cảm giác thoải mái, thư thái thì nó cịn

giúp cho khơng gian trở nên sang trọng và là một phần trong phong thủy cho
gia chủ.
Việc ni cá cảnh có những khó khăn nhất định. Một trong những khó khăn
lớn nhất đó chính là người ni khơng có thời gian chăm sóc. Để duy trì được
một hồ thủy sinh thì khơng thể thiếu sự quan tâm, chăm sóc thường xuyên của
con người. Việc đó khiến rất nhiều người e ngại khi quyết định nuôi một hồ
thủy sinh. Hoặc họ sẽ từ bỏ sau một thời gian ngắn vì khơng có thời gian
chăm sóc. Đây chính là vấn đề mà nhiều người đang quan tâm hiện nay.
Với sự phát triển của công nghệ số, việc ứng dụng chúng trong việc thu
thập dữ liệu, quản lý, cung cấp thông tin…là một nhu cầu tất yếu. Do đó
chúng ta có đủ cơng cụ và vận dụng nó một cách có hiệu quả, khuyến khích
góp phần vào sự phát triển nền tảng khoa học kỹ thuật nói chung và trong sự
phát triển kỹ thuật điện tử nói riêng để ứng dụng vào đóng góp thực tế đưa
cuộc sống con người ngày càng tốt hơn.
Để giải quyết những vấn đề trên, với sự phát triển của vi điều khiển và các
vi mạch số, Chúng tôi đã tìm hiểu và bắt tay vào thực hiện đề tài “NGHIÊN
CỨU MƠ HÌNH CẢM BIẾN VÀ GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
TRONG NI CÁ HỒ THỦY SINH GIA ĐÌNH”. Đề án chúng tơi đưa ra sẽ
có hiệu quả hơn vì theo cách thiết bị có sẵn trên thị trường. Thiết bị này sẽ
thay thế cho việc nuôi cá truyền thống bằng chức năng tự động sẵn có. Hệ
thống sẽ giám sát những thay đổi vật lý của môi trường ni dưỡng và duy trì
các điều kiện lý tưởng phù hợp với những thay đổi cần thiết. Ngoài ra, người

2

sử dụng cịn có thể nắm bắt thông tin cũng như theo dõi thông số môi trường
thông qua ứng dụng web. Đây cũng là một trong những yếu tố khác biệt so
với các thiết bị đang có trên thị trường mà chúng tơi đang chú trọng và phát
triển nó.

2. Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài
Trong đề án này, chúng tơi trình bày những nội dung như sau:
Chương I: Cơ sở lý thuyết.
Chương II: Mơ hình hồ thủy sinh (IAF: IoT Aquarium Fish).
Chương III: Thực nghiệm và đánh giá.
3. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

Đề án tập trung tìm hiểu, nghiên cứu một số phương pháp giao tiếp
giữa các cảm biến và ứng dụng IoT trong việc theo dõi, giám sát hồ thủy sinh.
Thực hiện điều khiển tự động các thiết bị như đèn chiếu sáng, thiết bị cho cá
ăn, quạt làm mát, đèn sưởi hồ thủy sinh. Thông qua giao diện web Blynk hoặc
qua mạng Internet để kiểm tra tình trạng và lịch sử của các thông số môi
trường như độ pH, nhiệt độ nước, ánh sáng... bật/ tắt các thiết bị; cài đặt chế
độ hoạt động phù hợp ứng với từng thiết bị; lên lịch bật/ tắt các thiết bị cụ thể
(khi có nhu cầu)…

Tìm hiểu về các cảm biến về truyền nhận dữ liệu giữa các cảm biến với
Board mạch chính, các thiết bị ngoại vi...

Có chức năng giám sát theo dõi các thông số môi trường hồ thủy sinh
từ xa qua internet, sử dụng máy vi tính hoặc điện thoại thông minh.

Xây dựng giao diện web Blynk để giám sát, theo dõi tình trạng thiết bị.
Có thể thi cơng thực tế trên hồ thủy sinh hoặc mơ hình
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
4.1.Đối tượng nghiên cứu
*Về phần cứng:
- Hồ thủy sinh, cá và các sinh vật, thực vật thủy sinh...

3

- Các thiết bị cảm biến như cảm biến pH, cảm biến nhiệt độ, cảm biến đo
cường độ ánh sáng, module thời gian thực.

- Relay bật tắt quạt làm mát, đèn chiếu sáng hồ, sưởi nhiệt, thiết bị cho cá ăn.
- Board Arduino Uno R3, Vi điều khiển ESP32, màn hình hiển thị
LCD16x2
- Bộ nguồn chuyển đổi điện áp từ 220VAC sang 5VDC, 12VDC, 24VDC.
*Về phần mềm:
- Xây dựng giao diện giám sát, điều khiển trung tâm: ứng dụng Blynk trên
điện thoại hoặc giao diện web trên máy tính.
*Về kiến thức:
- Kiến thức về mạng, vi xử lý và các giao thức điều khiển không dây.
- Kiến thức về điện dân dụng và các thiết bị điện.
- Kiến thức về lập trình vi xử lý Arduino, mơ phỏng mạch điện bằng
Protues.
- Kiến thức về cài đặt phần mềm, ứng dụng...
*Về dữ liệu:
- Lấy dữ liệu thực tế tại cửa hàng bán hồ thủy sinh lâu năm các dữ liệu cần
lấy như:
+ Bằng thiết bị chuẩn cầm tay để đo pH, nhiệt độ nước , dụng cụ test Co2.
+ Kích thước hồ thủy sinh.
+Các loài cá, cây thủy sinh.
+Các loại đèn phù hợp cho các hồ thủy sinh khác nhau.
+Cách chăm sóc, vệ sinh, thay nước cho hồ thủy sinh.
- Các thông số này được chủ cửa hàng đánh giá là chuẩn, đang áp dụng cho
các hồ thủy sinh, hồ thủy sinh đang ổn định, hiện đang bày bán tại cửa hàng.
4.2. Phạm vi nghiên cứu
Các vấn đề cần giải quyết liên quan đến việc xây dựng hệ thống để tự động

4

điều khiển các thiết bị. Giám sát, theo dõi thông số của hồ thủy sinh thông qua
các cảm biến và các thiết bị ngoại vi. Có thể tuỳ biến và tối ưu hố việc giám
sát, điều khiển thiết bị.

Phạm vi: Áp dụng tại hồ thủy sinh trong hộ gia đình.
5. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của đề tài được thực hiện dựa trên lý thuyết bằng
việc tham khảo các sách, giáo trình, bài báo liên quan kết hợp với thực
nghiệm.
6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
Việc ngun cứu các mơ hình cảm biến và ứng dụng IoT trong điều khiển
giám sát hồ thủy sinh trong hộ gia đình giúp việc chăm sóc hồ thủy sinh được
liên tục và tức thời nhờ đó mà cá và các sinh vật thủy sinh phát triển khỏe
mạnh, giảm thiểu sự lo lắng của người nuôi khi mắc công việc bận rộn mà
chưa quan tâm chăm sóc được. Những điều này góp phần giảm tải gánh nặng,
sự rủi ro trong việc chăm sóc hồ thủy sinh nhờ đó sẽ nâng cao hiệu suất làm
việc cũng như kiểm tra, giám sát hồ thủy sinh một cách chủ động và linh hoạt.
Mạch điều khiển nhỏ gọn, hoạt động ổn định, thời gian đáp ứng nhanh,
giao diện điều khiển và giám sát dễ sử dụng, thân thiện người dùng, mơ hình
hệ thống có độ chính xác, tính an tồn và dễ dàng thao tác.
Với chi phí hợp lý, Arduino Uno R3, ESP32 và các sensor cảm ứng khá
thông dụng và dễ dàng mua sắm với giá cả hợp lý, các cơng nghệ hỗ trợ sẵn
có và khá mạnh (ngơn ngữ lập trình C/C++ , python và các thư viện hỗ trợ,
…), việc triển khai lắp đặt bộ thiết bị và cài đặt chương trình trên hồ thủy sinh
là hồn tồn khả thi. Hơn nữa, có thể điều chỉnh được ngưỡng giám sát của
các sensor, do đó chương trình rất uyển chuyển, có thể triển khai bộ thiết bị và
chương trình trên nhiều hồ thủy sinh khác (phục vụ cho việc chăm sóc hồ
thủy sinh có kích thước khác nhau, cách bố trí hồ các thủy sinh khác nhau ở

các hộ gia đình).
Board Arduino Uno R3 là mạch điều khiển chính trong hệ thống được tích

5

hợp nhiều thư viện trong board, hỗ trợ nhiều ngơn ngữ để lập trình, nhận diện
các sensor nhờ đó mà điều khiển các thiết bị ngoại vi theo ý của người lập
trình. Từ đó nắm được bản chất điều khiển, để có thể mở rộng cho các ứng
dụng IoT sau này, giám sát, điều khiển được cho một hệ thống lớn,…

6

CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1. Tổng quan về internet of things (IoT)
1.1.1. Giới thiệu về Internet of Things (IoT)
Internet Vạn Vật, hay cụ thể hơn là Mạng lưới vạn vật kết nối Internet

hoặc là Mạng lưới thiết bị kết nối Internet (tiếng Anh: Internet of Things, viết
tắt IoT) là một liên mạng, trong đó các thiết bị, phương tiện vận tải (được gọi
là "thiết bị kết nối" và "thiết bị thơng minh"), phịng ốc và các trang thiết bị
khác được nhúng với các bộ phận điện tử, phần mềm, cảm biến, cơ cấu chấp
hành cùng với khả năng kết nối mạng máy tính giúp cho các thiết bị này có
thể thu thập và truyền tải dữ liệu [1].

1.1.2. Ứng dụng của IoT
Với những hiệu quả thông minh rất thiết thực mà IoT đem đến cho con
người, IoT đã và đang được tích hợp trên khắp mọi thứ, mọi nơi xung quanh
thế giới mà con người đang sống. Các ứng dụng của IoT được xếp hạng dựa
trên 3 tiêu chí: Sự tìm kiếm về IoT trên Google, điều được nói đến về IoT

trên Twitter, điều được viết về IoT trên LinkedIn [2].
IoT hiện nay được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực và mọi mặt trong
cuộc sống. Có thể kể đến một số ứng dụng tiêu biểu như: nhà thơng minh,
bóng đèn thơng minh, hệ thống đồ gia dụng, công tắc thông minh, mua sắm
thông minh, ứng dụng trong nông nghiệp, ứng dụng trong y tế, thành phố
thông minh, điện lưới thông minh (Smart City), …
1.2. Các cảm biến liên quan
1.2.1. Chip Arduino Uno R3
1.2.1.1. Tổng quan Arduino Uno R3
Arduino UNO R3 là một loại bo mạch vi điều khiển, được sử dụng phổ
biến trong họ Arduino. Chúng được phát hành vào năm 2011, và là phiên bản
thứ 3 mới nhất của bảng Arduino (Hình 1.1).
Mạch kit này được phát triển dựa trên ATmega328P với mục đích kiểm

7

soát và giữ bộ vi điều khiển.
Arduino Uno R3 được sử dụng bằng cách gắn vào máy tính thông qua

một cáp USB. Sau khi đã lắp đặt xong, chúng ta sẽ sử dụng pin hoặc bộ
chuyển đổi AC-DC để cung cấp điện cho mạch kit. Khi đấu nối thành cơng,
mạch sẽ kích hoạt và hoạt động. [2]

Hình 1.1. Board Arduino UNO R3

1.2.1.2. Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3
Board mạch Arduino Uno R3 bao gồm các thông số kỹ thuật sau:
• Nó là một Vi điều khiển dựa trên ATmega328P
• Điện áp hoạt động của Arduino là 5V
• Điện áp đầu vào được đề xuất nằm trong khoảng từ 7V đến 12V

• Điện áp i/p (giới hạn) là 6V đến 20V
• Chân đầu vào và đầu ra kỹ thuật số -14
• Chân đầu vào và đầu ra kỹ thuật số (PWM) -6
• Chân i/p analog là 6 chân
• Dịng điện DC cho mỗi chân I/O là 20 mA
• Dòng DC được sử dụng cho Pin 3.3V là 50 mA
• Bộ nhớ Flash -32 KB và bộ nhớ 0.5 KB được bộ tải khởi động sử

dụng
• SRAM là 2 KB
• EEPROM là 1 KB
• Tốc độ của CLK là 16 MHz

8

• Đèn LED tích hợp
• Chiều dài và chiều rộng của Arduino là 68.6 mm X 53.4 mm
• Trọng lượng của bảng Arduino là 25g
1.2.1.5. Sơ đồ chân của Arduino Uno R3 (Hình 1.2)

Hình 1.2. Sơ đồ chân Board Arduino UNO R3

► Chân reset trên Arduino để thiết lập lại toàn bộ và đưa chương trình
đang chạy trở về ban đầu. Chân reset này hữu ích khi Arduino bị treo khi đang
chạy chương trình

► Có 14 chân I / O digital và 6 chân analog được tích hợp trên Arduino
cho phép kết nối bên ngồi với bất kỳ mạch nào với Arduino. Các chân này
cung cấp sự linh hoạt và dễ sử dụng cho các thiết bị bên ngồi có thể được kết
nối thơng qua các chân này.

► 6 chân analog được đánh dấu là A0 đến A5 và có độ phân giải 10 bit.
Các chân này đo từ 0 đến 5V, tuy nhiên, chúng có thể được cấu hình ở phạm
vi cao bằng cách sử dụng chức năng analogReference () và chân ISF.

► Bộ nhớ flash 13KB được sử dụng để lưu trữ số lượng hướng dẫn dưới
dạng mã.

► Chỉ cần nguồn 5V để sử dụng với Arduino, hoặc lấy nguồn trực tiếp
từ cổng USB. Arduino có thể hỗ trợ nguồn điện bên ngoài lên đến 12 V có thể
được điều chỉnh và giới hạn ở mức 5 V hoặc 3,3 V dựa trên yêu cầu của
projects.

9

► Đèn LED : Arduino Uno đi kèm với đèn LED tích hợp được kết nối
thơng qua chân 13. Cung cấp mức logic HIGH tương ứng ON và LOW tương
ứng tắt.

► Vin : Đây là điện áp đầu vào được cung cấp cho board mạch
Arduino. Khác với 5V được cung cấp qua cổng USB. Pin này được sử dụng
để cung cấp điện áp tồn mạch thơng qua jack nguồn, thơng thường khoảng 7-
12VDC

► 5V : Chân 5V được sử dụng để cung cấp điện áp đầu ra. Arduino
được cấp nguồn bằng ba cách đó là USB, chân Vin của bo mạch hoặc giắc
nguồn DC.

► USB : Hỗ trợ điện áp khoảng 5V trong khi Vin và Power Jack hỗ trợ
dải điện áp trong khoảng từ 7V đến 20V.

► GND : Chân mass chung cho toàn mạch Arduino
► Reset : Chân reset để thiết lập lại về ban đầu
► IOREF : Chân này rất hữu ích để cung cấp tham chiếu điện áp cho
Arduino
► PWM : PWM được cung cấp bởi các chân 3,5,6,9,10, 11. Các chân
này được cấu hình để cung cấp PWM đầu ra 8 bit.
► SPI : Chân này được gọi là giao diện ngoại vi nối tiếp. Các chân 10
(SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) cung cấp liên lạc SPI với sự trợ giúp
của thư viện SPI.
► AREF : Chân này được gọi là tham chiếu tương tự, được sử dụng để
cung cấp điện áp tham chiếu cho các đầu vào tương tự.
► TWI : Chân Giao tiếp TWI được truy cập thông qua thư viện dây.
Chân A4 và A5 được sử dụng cho mục đích này.
► Serial Communication :Giao tiếp nối tiếp được thực hiện thông qua
hai chân 0 (Rx) và 1 (Tx).
► Rx : Chân này được sử dụng để nhận dữ liệu trong khi chân Tx được