Báo Cáo Dự Án Môn Học Thiết Kế Mạng Cảm Biến Đo Nhiệt Độ Trong Môi Trường.pdf

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b> ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘITRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ</b>

<b>BÁO CÁO DỰ ÁN MÔN HỌC</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

Yêu cầu của dự án:

độ ưutiên- Dải đo: 25oC ÷ 125oC

- Độ chính xác: 1oC - Độ phân giải hiển thị: 0.1oC

-Nguồn pin, thời gian hoạt động của thiết bị là 4h (nâng cao: 8h). Pin có thểsạc trực tiếp trên máy hoặc tháo ra ngồi

- Kích thước (dự kiến): 70x50x100 mm (kiểu trụ để dễ cầm tay) - Trọng lượng (dự kiến): <150g.

- Thời gian đo một mẫu : <20s. (nâng cao < 5s)

- Kết nối máy tính: RF Khoảng cách truyền trong phạm vi 20m từ hệ thống đo đến trạm thu RF có nối nguồn và mạng

-Quản lý tối thiểu cho 10 thiết bị đo. (nâng cao: phương án mở rộng số thiếtbị với khoảng cách từ thiết bị đến trạm tiếp nhận có thể lên tới 100m)- Phần mềm máy tính: thu thập giá trị đo từ thiết bị đo, quản lý dữ liệu, xuấtbáo cáo dạng excel, giao diện theo mẫu thống nhất.

-Có nút bấm bắt đầu đo; Đèn LED báo ngưỡng nhiệt độ (3 LED); Các ngưỡng nhiệt độ có thể cập nhật từ máy tính

Giới thiệu thành viên của dự án

MSSV: 20181815

MSSV: 20192157

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

Kế hoạch thực hiện chung của dự án

Tìm hiểu các mơ hình mạng cảm biến không dây

Báo cáo tổng quan T2-T5Lựa chọn mô hình

mạng tổng quan cho dự án, sơ đồ khối phần cứng

Sơ đồ khối chức

năng, yêu cầu,… ^T5-T8Tìm hiểu về vi điều

khiển ESP8266, STM32, ESP32. Cảm biến DHT11, SHT31, LM35.

Chi tiết tính năng, thơng số của các linhkiện

Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý cho node cảm biến

T7-T10Tìm hiểu về giao

thức MQTT, HTTP: sever-app điều khiển. Cơng nghệ wifi, zigbee, lora, bluetooth.

Hiểu rõ cấu hình và khung bản tin MQTT, HTTP và các công nghệ liên quan

Chọn và mua linh

Thiết kế khối nguồn Đáp ứng yêu cầu củadự án, có khả năng sạc lại

T11-T14Truyền dữ liệu từ

node lên gateway ^{Đảm bảo độ tin cậy}Độ trễ khi truyền tín hiệu thấp

T12-T15Truyền nhận dữ liệu

trên sever và xuất dữliệu trên web

Truyền nhận dữ liệu lên sever quản lý, xuất dữ liệu dạng excel

Lập trình devices,

gateway, debug ^{Test code, chạy thử}một số chức năng, phát hiện các lỗi và khắc phục

Hoàn thiện sản

phẩm ^{Đáp ứng theo yêu}cầu của dự án ^T20

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

Kế hoạch và nội dung thực hiện của từng thành viên

<b>Lê Xuân Tuấn</b>

2 Tìm hiểu về vi điều khiểnESP8266, STM32, ESP32.

Nắm được kiến thức tổng quan về các vi điều khiển, từ đó đưara lựa chọn phù hợp cho dự án

3 Tìm hiểu về các cấu trúc

mạng ^{Có kiến thức cơ}bản về cấu trúc mạng hình sao, hình cây, mạng mesh

4 Tìm hiểu về giao thức MQTT, HTTP: sever-appđiều khiển.

Hiểu rõ cấu hình và khung bản tin MQTT, HTTP

5 Tìm hiểu về các cơng nghệ wifi, zigbee, lora, bluetooth.

Có kiến thức cơ bản về các côngnghệ

T11-T136 Truyền dữ liệu từ node

lên gateway

Đảm bảo độ tin cậy, độ trễ khi truyền tín hiệu thấp

7 Lập trình devices,

gateway, debug ^{Test code, chạy}thử một số chứcnăng, phát hiện các lỗi và khắc phục

8 Hoàn thiện sản phẩm Đáp ứng theo yêu cầu của dự án

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

1 Tìm hiểu tổng quan về mạng cảm biến

Có kiến thức cơ bản về mạng cảm biến khơng dây

2 Tìm hiểu về cảm biến

DHT11, SHT31, LM35. ^{Nắm được các}đặc tính của cáccảm biến, từ đó đưa ra lựa chọn phù hợp cho dự án

3 Lựa chọn mơ hình mạng tổng quan cho dự án, sơ đồ khối phần cứng

Đưa ra được sơ đồ khối chức năng, các yêu cầu để đáp ứng được dự án

4 Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý cho node cảm biến

Đưa ra sơ đồ khối cho từng node và nêu ra nguyên lý hoạt động

5 Thiết kế khối nguồn Thiết kế nguồn cho từng node đáp ứng yêu cầucủa dự án

6 Truyền nhận dữ liệu trên sever và xuất dữ liệu trên web

Truyền nhận dữ liệu lên sever quản lý, xuất dữliệu dạng excel

7 Lập trình devices, gateway, debug

Test code, chạy thử một số chứcnăng, phát hiện các lỗi và khắc phục

8 Thiết kế mạch in Thiết bị nhỏ gọn T18-T209 Hoàn thiện sản phẩm Đáp ứng theo

yêu cầu của dự án

Tự đánh giá tỷ lệ đóng góp của từng thành viên trong dự án theo kế hoạch (trước khi thực hiện, thực hiện trong khi lên kế hoạch thực hiện dự án)

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

Người thực hiện Tỷ lệ Giải quyết được những vấn đề gì của dự án (cần ghi rõ để có cơ sở đánh giá tỷ lệ)

Nội dung cuộc họp:

-

Nội dung: Các mơ hình mạng trong mạng cảm biến khơng dâyKết luận của buổi họp:

Phân tích ưu nhược điểm của các mơ hình mạng, định hướng lựa chọn mơ hình mạng chodự án.

Buổi 2

Tổ chức

- Địa điểm: Zalo

- Thời gian: 22h-23h; 12/11/2022- Tham dự: Đủ

Nội dung cuộc họp:

-

Nội dung:

+ các giao thức được sử dụng phổ biến trong mạng khơng dây+tìm hiểu khái niệm node, gateway, cloud, sever, http,…Kết luận của buổi họp:

Đưa ra mơ hình mạng có thể sử dụng, phần cứng của node và gateway

Buổi 3

Tổ chức

- Địa điểm: Zalo

- Thời gian: 22h-22h30; 22/11/2022- Tham dự: Đủ

Nội dung cuộc họp:

-

Nội dung: Tìm hiểu linh kiện phù hợp với dự án, tìm hiểu các bộ mcuKết luận của buổi họp:

Chi tiết được tính năng, thơng số của từng linh kiện, qua đó dự trù chọn trước thiết bị.

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

Buổi 4

Tổ chức

- Địa điểm: Zalo

- Thời gian: 22h-23h; 08/12/2022- Tham dự: Đủ

Nội dung cuộc họp:

-

Nội dung: Tìm hiểu giao thức MQTT, HTTPKết luận của buổi họp:

Hiểu về cấu hình và khung bản tin MQTT, HTTP.

Buổi 5

Tổ chức

- Địa điểm: Zalo

- Thời gian: 21h-23h; 16/12/2022- Tham dự: Đủ

Nội dung cuộc họp:

-

Nội dung:

+tổng hợp các kiến thức về các mcu đã tìm hiểu+chọn ra mcu thích hợp nhất

Kết luận của buổi họp:

Chọn MCU cho các node cùng Gateway là ESP32Lựa chọn giao thức truyền thông wifi để phát triển dự án

Buổi 6

Tổ chức

- Địa điểm: Zalo

- Thời gian: 22h-23h; 22/12/2022- Tham dự: Đủ

Nội dung cuộc họp:

-

Nội dung: Nghiên cứu về node cảm biến, lên phương án sơ bộKết luận của buổi họp:

Vẽ được sơ đồ khối của node

Buổi 7

Tổ chức

- Địa điểm: Zalo

- Thời gian: 20h-22h; 29/12/2022- Tham dự: Đủ

Nội dung cuộc họp:

-

Nội dung: Thiết kế khối nguồn

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

Kết luận của buổi họp:

Vẫn đang trong quá trình lựa chọn nguồn

Buổi 8

Tổ chức

- Địa điểm: Zalo

- Thời gian: 22h-23h; 10/1/2023- Tham dự: Đủ

Nội dung cuộc họp:

-

Nội dung:

+lựa chọn nguồn cho dự án+truyền dữ liệu từ node lên gateway+gửi dữ liệu từ gateway lên severKết luận của buổi họp:

Giao tiếp sơ bộ được giữa gateway và nodeBiết cách truyền dữ liệu lên sever

Buổi 9

Tổ chức

- Địa điểm: nhà riêng- Thời gian: 18h-22h; 14/1/2023- Tham dự: Đủ

Nội dung cuộc họp:

-

Nội dung:

+kết nối cảm biến và mcu+kết hợp linh kiện tạo thành các nodeKết luận của buổi họp:

Đã kết nối được cảm biến và mcu, tạo được các node cảm biến.

Buổi 10

Tổ chức

- Địa điểm: nhà riêng

- Thời gian: 17h-21h30; 28/1/2023- Tham dự: Đủ

Nội dung cuộc họp

-

Nội dung: Lập trình chương trình code test cảm biến và mcuKết luận của buổi họp:

Tạo được code và test được mạch cảm biến trong thực nghiệm

Buổi 11

Tổ chức

- Địa điểm: Zalo

- Thời gian: 22h-23h; 08/2/2023- Tham dự: Đủ

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

Nội dung cuộc họp:

-

Nội dung: Truyền nhận dữ liệu trên sever và xuất dữ liệu trên webKết luận của buổi họp:

Xuất được dữ liệu trên web

Buổi 12

Tổ chức

- Địa điểm: Zalo

- Thời gian: 21h-23h; 18/2/2023- Tham dự: Đủ

Nội dung cuộc họp

-

Nội dung: Debug và thử nghiệmKết luận của buổi họp:

Xác định một số lỗi, chưa đưa ra được cách khắc phục

Buổi 13

Tổ chức

- Địa điểm: Zalo

- Thời gian: 20h-23h;19/2/2023- Tham dự: Đủ

Nội dung cuộc họp:

-

Nội dung: Debug và thử nghiệmKết luận của buổi họp:

Đã đưa ra được cách khắc phục lỗi xuất hiện

Buổi 14

Tổ chức

- Địa điểm: nhà riêng- Thời gian: 15h-18h; 20/2/2023- Tham dự: Đủ

Nội dung cuộc họp:

-

Nội dung: hoàn thiện slide, quay video thuyết trình, hồn thiện sản phẩmKết luận của buổi họp:

Đã hồn thành dự án.

Thực hiện:

<b>1.</b>

<b>Các mơ hình mạng trong mạng cảm biến khơng dây.</b>

Cấu trúc hình sao (Star):

-Cấu trúc link hình sao là một cấu trúc link truyền thơng online, trong đómỗi nút liên kết trực tiếp với trạm gốc. Trạm gốc duy nhất hoàn tồn có

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

thể gửi hoặc nhận tin nhắn đến 1 số ít nút từ xa. Các nút khơng được phépgửi thơng tin cho nhau .

-Ưu điểm: Tính đơn thuần, năng lực giữ mức tiêu thụ điện năng của nút từxa ở mức tối thiểu. Nó cũng được cho phép thơng tin liên lạc có độ trễthấp giữa nút từ xa và trạm gốc .

-Nhược điểm: Trạm gốc phải nằm trong khoanh vùng phạm vi truyền dẫnvô tuyến của tổng thể những nút riêng khơng liên quan gì đến nhau vànăng lực lan rộng ra không bằng những mạng khác do sự nhờ vào của nóvào một trạm gốc để quản trị mạng.

Cấu trúc hình cây (Tree):

-Các cấu trúc liên kết cây là sự kết hợp của cấu trúc liên kết bus và cấutrúc liên kết hình sao. Sự kết hợp này cho phép người dùng có nhiều máychủ trên mạng. Kết nối nhiều cấu trúc liên kết hình sao với một mạng cấutrúc liên kết hình sao khác. Nó cịn được gọi là cấu trúc liên kết hình saomở rộng hoặc cấu trúc liên kết phân cấp. Cấu trúc liên kết cây tn theomột mơ hình phân cấp; vì lý do này, mọi cấp độ đều được kết nối với cấpđộ cao hơn tiếp theo theo sơ đồ đối xứng.

-Ưu điểm: Có thể thuận tiện lan rộng ra mạng và việc phát hiện lỗi cũngtrở nên thuận tiện .

-Nhược điểm: phụ thuộc vào rất nhiều vào cáp bus, nếu nó bị hỏng, tồnbộ mạng sẽ sụp đổ .

Cấu trúc liên kết lưới (Mesh):

-Các cấu trúc link Mesh được cho phép truyền tài liệu từ nút này sang nútkhác, nằm trong khoanh vùng phạm vi truyền dẫn vô tuyến của nó. Điềunày được cho phép cái được gọi là truyền thông online đa bước, nghĩa là,nếu một nút muốn gửi một thông điệp đến một nút khác nằm ngồi khoanhvùng phạm vi liên lạc vơ tuyến, nó hồn tồn có thể sử dụng một nút trunggian để chuyển tiếp thơng điệp đến nút mong muốn.

-Ưu điểm: Có lợi thế về năng lực dự trữ và năng lực lan rộng ra. Nếu mộtnút riêng khơng liên quan gì đến nhau bị lỗi, một nút từ xa vẫn hồn tồncó thể tiếp xúc với bất kể nút nào khác trong khoanh vùng phạm vi của nó,do đó, hồn tồn có thể chuyển tiếp thơng điệp đến vị trí mong ước. Ngồira, khoanh vùng phạm vi của mạng khơng nhất thiết bị số lượng giới hạnbởi khoanh vùng phạm vi giữa những nút đơn lẻ ; nó chỉ hồn tồn có thểđược lan rộng ra bằng cách thêm nhiều nút hơn vào mạng lưới hệ thống.-Nhược điểm: Tiêu thụ nguồn năng lượng cho những nút tiến hành tiếp thịquảng cáo đa bước thường cao hơn so với những nút khơng có năng lựcnày, thường làm hạn chế tuổi thọ pin. Ngoài ra, khi số lượng những bướctruyền thơng tin đến đích tăng lên, thời hạn để gửi thông điệp cũng tănglên. Giá thành cao.

Kết luận:

Từ các đặc điểm trên => chọn mơ hình mạng sao(Star) cho dự án.

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

<b>2.</b>

<b>Các công nghệ truyền thông không dây.</b>

Các công nghệ truyền thông không dây phổ biến

Upto 200kbps

Mesh ^Star ^Tree,Star, MeshDevice in network 8(BLE 4.2)

32767(BLE 5.0)

<b>3.</b>

<b>Ưu điểm, nhược điểm của một số công nghệ:</b>

a) BluetoothƯu điểm:

+ Không cần dùng dây cáp nên rất gọn gàng+ Không làm ảnh hưởng sức khỏe con người.

+ Khả năng bảo mật cực cao. Do chỉ là mạng nội bộ và kín nên rất khó để bị nghe lén,ăn cắp thơng tin

+ Các thiết bị có thể kết nối với nhau trong vịng 10m (ở điều kiện hồn hảo) mà khơng cần tiếp xúc trực diện (hiện nay có loại Bluetooth kết nối lên đến 100m)+ Người dùng có thể dùng tai nghe Bluetooth để nghe điện thoại trong lúc lái xe.+ Chi phí thấp

+ Tốn ít năng lượng (0.3mAh cho chế độ chờ và tối đa 30mAh trong chế độ truyền dữliệu)

+ Không gây nhiễu cho các thiết bị không dây khác.+ Khả năng tương thích cực cao giữa các thiết bị.

+ Phủ sóng rộng vài chục km.

+ Hai lớp bảo mật mã hóa AES: mạng lớp và phục vụ cho các ứng dụng.

+ Không bị giới hạn lượng tin nhắn trong ngày.

+ Chỉ bằng một gateway LoRa đơn thì có thể kết nối ngàn thiết bị đầu cuối.

+ Nhờ cảm biến cơng suất thấp nên bảo trì tuổi thọ pin cho các thiết bị.+ Tần suất hoạt động là miễn phí, khơng cần cấp chi phí trả trước.

Nhược điểm:

+ Có thể nhiễu sóng với tần số mở hay khi ứng dụng vào thực tế thi .

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

+Cơng nghệ Lora có thể bị nhiễu sóng hoặc được dữ liệu được truyền có tốc độ thấp hơn.

+ Tải trọng giới hạn ở mức 100 byte.

c) Zigbee Ưu điểm:

+Sử dụng mã hóa AES-128 mang đến độ bảo mật cao.

+Dễ dàng mở rộng: ZigBee có thể mở rộng tới 65.000 thiết bị trong cùng một hệ thống.

+ZigBee có thể hoạt động ổn định trong khu vực có mật độ tín hiệu dày đặc và có nhiều tín hiệu gây nhiễu nhờ khả năng đánh giá chất lượng, sự phát hiện năng lượng tiếp nhận và đánh giá kênh rõ ràng.

Nhược điểm:

+ Khơng thể phủ rộng hết tồn bộ diện tích quá rộng, cần một thiết bị ZigBee Repeater để tăng độ phủ sóng.

+ Khả năng xuyên tường kém.

+ Độ ổn định khơng bằng thiết bị đi dây.

d) Wifi

Ưu điểm:

+Có thể cho phép kết nối nhiều thiết bị cùng lúc+Có thể điều khiển ở khoảng cách xa+Chi phí khá thấp

Nhược điểm:+Độ bảo mật không cao

+Phạm vi bị giới hạn trong khoảng 100-150 feet, khả năng đâm xuyên vật thể kém+Tần số hoạt động của wifi dễ gây cản trở các sóng điện từ khác

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

Mơ hình mạng của hệ thống

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

<b>4.</b>

<b>Lựa chọn linh kiện phần cứng</b>

Active: 1.5mA ^{Stanby: 100µA}Active: 0.2mA ^{Stanby: 45µA}Active:0.8mA

Woking mode active: 4.5-36mAsleep: 3.5mA-22mAstop: 14-24µAstandby: 2µA

active: 20mA-68mAlight-sleep: 0.8mAdeep-sleep: 10µA-150µAhibernation: 5µA

active: 170mAlight-sleep: 0.9mAdeep-sleep: 20µA

15mA-Active: 0.3mAPower down:0.1µAPower save: 0.8µA

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

<b>5. Giao thức MQTT, HTTP.</b>

5.1. Giao thức MQTT

Định nghĩa: MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) là giao thức truyền thơng điệp (message) theo mơ hình publish/subscribe (cung cấp / thuê bao), được sử dụng cho các thiết bị IoT với băng thông thấp, độ tin cậy cao và khả năng được sử dụng trong mạng lưới không ổn định. Nó dựatrên một Broker (tạm dịch là “Máy chủ mơi giới”) “nhẹ” (khá ít xử lý) và được thiết kế có tính mở (tức là khơng đặc trưng cho ứng dụng cụ thể nào), đơn giản và dễ cài đặt.

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

Tính năng, đặc điểm nổi bật:

oDạng truyền thơng điệp theo mơ hình Pub/Sub cung cấp việc truyền tin phân tán một chiều, tách biệt với phần ứng dụng.

oViệc truyền thông điệp là ngay lập tức, không quan tâm đến nội dung được truyền.

oPhần bao bọc dữ liệu truyền nhỏ và được giảm đến mức tối thiểu để giảm tải cho đường truyền.

QoS 2: Broker/client đảm bảo khi gửi dữ liệu thì phía nhận chỉ nhận được đúng một lần, quá trình này phải trải qua 4 bước bắt tay.

Cơ chế hoạt động của MQTT theo mơ hình Pub/Sub

oTính chất và những đặc điểm riêng: Tính chất:

+ Space decoupling( Không gian tách biệt)+ Time decoupling (Thời gian tách biệt)

+ Synchronization decoupling (Sự đồng bộ riêng rẽ) Đặc điểm riêng:

+ MQTT sử dụng cơ chế lọc thông điệp dựa vào tiêu đề (subject-based)

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

+ MQTT có một tầng gọi là chất lượng dịch vụ (Quality of Services – QoS). Nó giúp cho dễ dàng nhận biết được là message có được truyền thành công hay không.

oCơ chế tổng quan

MQTT hoạt động theo cơ chế client/server, nơi mà mỗi cảm biến là một khách hàng (client) và kết nối đến một máy chủ, cóthể hiểu như một Máy chủ mơi giới (broker), thơng qua giao thức TCP (Transmission Control Protocol). Broker chịu trách nhiệm điều phối tất cả các thơng điệp giữa phía gửi đến đúng phía nhận.

MQTT là giao thức định hướng bản tin. Mỗi bản tin là một đoạn rời rạc của tín hiệu và broker khơng thể nhìn thấy. Mỗi bản tin được publish một địa chỉ, có thể hiểu như một kênh (Topic). Client đăng kí vào một vài kênh để nhận/gửi dữ liệu, gọi là subscribe. Client có thể subscribe vào nhiều kênh. Mỗi client sẽ nhận được dữ liệu khi bất kỳ trạm nào khác gửi dữ liệu vào kênh đã đăng ký. Khi một client gửi một bản tin đến một kênh nào đó gọi là publish.

oKiến trúc thành phần

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

Thành phần chính của MQTT là Client (Publisher/Subscriber),Server (Broker), Sessions (tạm dịch là Phiên làm việc), Subscriptions và Topics.

MQTT Client (Publisher/Subscriber): Clients sẽ subscribe một hoặc nhiều topics để gửi và nhận thông điệp từ những topic tương ứng.

MQTT Server (Broker): Broker nhận những thông tin subscribe (Subscriptions) từ client, nhận thông điệp, chuyển những thông điệp đến các Subscriber tương ứng dựa trên Subscriptions từ client.

Topic: Có thể coi Topic là một hàng đợi các thơng điệp, và có sẵn khn mẫu dành cho Subscriber hoặc Publisher. Một cách logic thì các topic cho phép Client trao đổi thông tin với nhữngngữ nghĩa đã được định nghĩa sẵn. Ví dụ: Dữ liệu cảm biến nhiệt độ của một tòa nhà.

Session: Một session được định nghĩa là kết nối từ client đến server. Tất cả các giao tiếp giữa client và server đều là 1 phần của session.

Subscription: Không giống như session, subscription về mặt logic là kết nối từ client đến topic. Khi đã subscribe một topic, Client có thể nhận/gửi thơng điệp (message) với topic đó.

.2.Giao thức HTTP

</div>