NGHIÊN cứu và xây DỰNG mô HÌNH THU THẬP, PHÂN TÍCH và lưu TRỮ về dữ LIỆU KHÍ hậu PHÂN tán (có code)

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MƠ
HÌNH THU THẬP, PHÂN TÍCH VÀ LƯU
TRỮ VỀ DỮ LIỆU KHÍ HẬU PHÂN TÁN


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
UART Universal Asynchronous Receiver – Transmitter
MQQT Message Queuing Telemetry Transport
HTTP Hyper Text Transfer Protocol
MCU Multipoint Control Unit
SPI Serial Peripheral Interface
API Application Programming Interface


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 3/43

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH DỰ BÁO THỜI TIẾT

1.1 Tổng quan về dự báo thời tiết
Dự báo thời tiết là một vấn đề quan trọng nhất là đối vơi khu vực nhiệt đới ẩm gió
mủa như ở Việt Nam. Ở Việt Nam rất thường hay xảy ra những cơn báo với mưa
lớn và gió dật ở vành đai miền Trung gây ảnh hưởng lớn đến nhà cửa và tài sản của
người dân, vì vậy việc dự báo trước khí hậu và đưa ra cảnh báo một cách sớm nhất
cho người dân là một vấn để quan trọng. Ở đây em xin trình bày đề tài đồ án mơ
hình dự báo khí tượng qua các thiết bị IOT để có thể phân tích để đưa được những
thơng số chính xác nhất về khí hậu và sau đó là dự báo để có thể có những phương

án chuẩn bị và hạn chế nhất có thể những hậu quả đáng tiếc.
1.1.1 Giới thiệu về các mơ hình dự báo thời tiết đã có
 Thành phần cơ bản của một mơ hình dự báo thời tiết gồm có:
 Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm
 Cảm biến lượng mưa
 Cảm biến gió
 Cảm biến khí áp
 Cảm biến ánh sáng
 Bo mạch xử lý trung tâm gốm các bộ phận như: MCU và bộ phận
truyền thơng tín hiệu
 Bộ nguồn cung cấp năng lượng cho mơ hình

Nghiên cứu và xây dựng mơ hình thu thập phân tích và lưu trữ dữ liệu về khí hậu
phân tán


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 4/43

Hình 1-1: Một mơ hình trạm dự báo thời tiết cơ bản
1.2 Yêu cầu thông số kỹ thuật đề tài
Đề tài sẽ nghiên cứu về các thông số của một trạm thời tiết cơ bản như nhiệt độ, độ
ẩm, lượng mưa, gió, khí áp, cách để lấy các thơng số đó từ cảm biến sau đó truyền
dữ liệu về để nghiên cứu lưu trữ và đưa ra dự báo khí hậu có khả năng xảy ra
Đề tài sẽ sử dụng các loại cảm biến như nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến khí áp, cảm biến
lưu lượng mưa với bộ xử lý là chip AT MEGA 32 sau đó sẽ truyền tải thơng qua
modul thu phát RF và sẽ được xử lý và đưa lên web server bằng esp 8266

1.3 Hướng thực hiện mơ hình
Nghiên cứu và xây dựng mơ hình thu thập phân tích và lưu trữ dữ liệu về khí hậu

phân tán


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 5/43

Để thực hiện đề tài cần nghiên cứu các loại cảm biến như nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến
khí áp, cảm biến đo lưu lượng mưa. Mơ hình sẽ gồm 3 trạm, 2 trạm giống nhau để
thu dữ liệu từ hai địa điểm khác nhau thông qua các cảm biến và sẽ dữ liệu sẽ được
truyền không dây đến trạm trung tâm để đưa dữ liệu lên web server. Các cảm biến ở
các trạm thu sẽ được kết nối với ATMEGA 32 để xử lý dữ liệu và sau đó sẽ được
truyền khơng dây qua modul thu phát RF. Trạm chính sẽ nhận dữ liệu thơng qua
modul RF và sẽ xử lý dữ liệu và đưa giữ liệu lên web server qua ESP 8266 đồng
thời đưa ra cảnh báo

CHƯƠNG 2.

TỔNG QUAN VỀ PHẦN CỨNG CỦA MẠCH

Nghiên cứu và xây dựng mơ hình thu thập phân tích và lưu trữ dữ liệu về khí hậu
phân tán


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 6/43

2.1 SƠ ĐỒ KHỐI TOÀN HỆ THỐNG

Hình 2-2: Sơ đồ các khối chính của hệ thống
Hai khối thu 1 và khối thu 2 có gắn các cảm biến giống nhau như nhiệt độ độ ẩm,

khí áp, cảm biến đo lưu lượng mưa, MCU 1 và MCU 2 là vi điều khiên ATMEAGA
32 có nhiệm vụ xử lý dữ liệu thu được từ các khối. Khối liên lạc là module lora RF
có nhiệm vụ liên lạc và trao đổi giữ liệu giữa các trạm thu và trạm trung tâm, MCU
khối trung tâm là vi điều khiển ESP 8266 có nhiệm vụ xử lý dữ liệu nhận được từ
các trạm thu và đưa giữ liệu lên web server đồng thời đưa ra cảnh báo
2.1.1 Phần cứng khối thu
Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT 11


Giới thiệu
Bảng 2-1: Thông số cảm biến
dht11

Nghiên cứu và xây dựng mơ hình thu thập phân tích và lưu trữ dữ liệu về khí hậu
phân tán


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 7/43

Do độ ẩm

20%-95%

Nhiệt độ

0-50ºC

Sai số độ ẩm

±5%

Sai số nhiệt độ

±2ºC

Hình 2-3: Cảm biến dht 11
 Nguyên lý hoạt động
Để có thể giao tiếp với DHT11 theo chuẩn 1 chân vi xử lý thực hiện theo 2
bước:


Gửi tin hiệu muốn đo (Start) tới DHT11, sau đó DHT11 xác nhận lại.



Khi đã giao tiếp được với DHT11, Cảm biến sẽ gửi lại 5 byte dữ liệu và
nhiệt độ đo được.

Cảm biến siêu âm để đo lượng mưa

Nghiên cứu và xây dựng mơ hình thu thập phân tích và lưu trữ dữ liệu về khí hậu
phân tán


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 8/43

Hình 2-4: Cảm biến siêu âm
Bảng 2-2: Thông số kỹ thuật cảm biến siêu âm

Điện áp hoạt động
Dịng cấp
Góc qt
Tín hiệu
Phát hiện vật cản trong khoảng
Kích thước

5VDC
< 2mA
<15 độ
TTL
3-120cm
43mm x 20mm x 17mm

Cảm biến SRF05 là phiên bản nâng cấp của SRF04, cảm biến dùng để nhận biết
khoảng cách đến vật cản nhờ sóng siêu âm phát ra từ cảm biến và nhận về (Quãng
đường = vận tốc x thời gian / 2, các bạn google để biết thêm chi tiết), theo thông tin
từ nhà sản xuất và test thực tế thì SRF05 gần như là giống với SRF04 về cách sử
dụng, SRF05 có thêm 1 chân Out, theo nhà sản xuất thì có thể chỉ dùng chân này
mà không cần đến chân trigger và echo, nó sẽ tự nhận và phản hồi lại xung ln
nhưng test thực tế thì khơng có gì xảy ra, rất mong có những ý kiến thêm của Khách
hàng đã sử dụng được chân này rồi.

Cảm biến khí áp BMP 280

Nghiên cứu và xây dựng mơ hình thu thập phân tích và lưu trữ dữ liệu về khí hậu
phân tán


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 9/43

Hình 2-5: Cảm biến khí áp BMP 280
Cảm biến áp suất I2C/SPI BMP280 3.3V với chi phí thấp, độ chính xác cao,
tiêu thụ điện năng thấp rất phù hợp với những ứng dụng thiết bị di động.
Cảm biến có thể đo được áp suất khí quyển với độ chính xác ± 12 hPa và đo
được nhiệt độ với độ chính xác ± 1.0 ° C. Ngồi ra, cảm biến cịn có thể đo
được độ cao ( ứng dụng việc áp suất khí quyển thay đổi theo độ cao).
Vi điểu khiển ATMEGA 328

Nghiên cứu và xây dựng mơ hình thu thập phân tích và lưu trữ dữ liệu về khí hậu
phân tán


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 10/43

Hình 2-6: Vi điểu khiển ATMEGA 328


Giới thiệu

Atmega328 là một chíp vi điều khiển được sản xuất bời hãng Atmel thuộc họ
MegaAVR có sức mạnh hơn hẳn Atmega8. Atmega 328 là một bộ vi điều khiển
8 bít dựa trên kiến trúc RISC bộ nhớ chương trình 32KB ISP flash có thể ghi xóa
hàng nghìn lần, 1KB EEPROM, một bộ nhớ RAM vô cùng lớn trong thế giới vi
xử lý 8 bít (2KB SRAM)
Với 23 chân có thể sử dụng cho các kết nối vào hoặc ra i/O, 32 thanh ghi, 3 bộ
timer/counter có thể lập trình, có các gắt nội và ngoại (2 lệnh trên một vector
ngắt), giao thức truyền thông nối tiếp USART, SPI, I2C. Ngồi ra có thể sử dụng

bộ biến đổi số tương tự 10 bít (ADC/DAC) mở rộng tới 8 kênh, khả năng lập
trình được watchdog timer, hoạt động với 5 chế độ nguồn, có thể sử dụng tới 6
kênh điều chế độ rộng xung (PWM), hỗ trợ bootloader.
Nghiên cứu và xây dựng mơ hình thu thập phân tích và lưu trữ dữ liệu về khí hậu
phân tán


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 11/43

2.1.2 Khối trung tâm
ESP 8266

Hình 2-7: Modul wife ESP 8266
 Giới thiệu
Xuất hiện vào tháng 8 năm 2014 module ESP8266 do AI-Thinker sản suất sử
dụng chip ESP8266 giá rẻ được đánh giá rất cao cho đến nay đối với các ứng
dụng internet of thing (IoT) thông qua kết nối Wifi. Với ưu điểm là kích
thước nhỏ, giá thành rẻ nhiều tính năng hữu ích. Module cho phép các vi
điều khiển kết nối với mạng Wi-Fi và thực hiện các kết nối TCP / IP đơn giản
sử dụng các tập lệnh AT thông dụng. Kết nối dễ dàng với những vi điều
khiển board mạch tích hợp UART.
 Thơng số kỹ thuật








Wifi 802.11 b/g/n, Wi-Fi Direct (P2P), soft-AP
Tích hợp giao thức TCP / IP stack
PLLs tích hợp, quản lý, DCXO và các đơn vị quản lý điện năng
Công suất đầu ra 19.5dBm ở chế độ 802.11b
Giao tiếp SDIO 1.1 / 2.0, SPI, UART
Thức dậy và truyền tải các gói dữ liệu trong <2ms
Chế độ chờ tiêu thụ điện năng <1.0mW (DTIM3)

2.1.3 Khối liên lạc
Module thu phát RF

Nghiên cứu và xây dựng mơ hình thu thập phân tích và lưu trữ dữ liệu về khí hậu
phân tán


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 12/43

Hình 2-8: Module thu phát RF


Giới thiệu

Mạch thu phát RF UART Lora SX1278 433Mhz 3000m được tích hợp phần
chuyển đổi giao tiếp SPI của SX1278 sang UART giúp việc giao tiếp và sử dụng
rất dễ dàng, chỉ cần kết nối với Software của hãng để cấu hình địa chỉ , tốc độ và
cơng suất truyền là có thể sử dụng (cần mua thêm mạch chuyển USB-UART để kết
nối máy tính).


Thơng số kỹ thuật
Bảng 2-3: Thơng số kỹ thuật module RF

Model
IC chính
Điện áp hoạt đơng
Điện áp giao tiếp
Giao tiếp UART

E32-TTL-100 RF
SX1278 từ SEMTECH.
2.3 - 5.5 VDC
TTL
Data bits 8, Stop bits 1, Parity none,
tốc độ từ 1200 - 115200.
Tần số
410 - 441Mhz
Công suất
20dbm (100mW)
Khoảng cách truyền tối đa trong điều 3000m
kiện lý tưởng
Tốc độ truyền



0.3 - 19.2 Kbps ( mặc định 2.4 Kbps)

2.1.4 Tìm hiểu web server thinkspeak
Giới thiệu

Nghiên cứu và xây dựng mơ hình thu thập phân tích và lưu trữ dữ liệu về khí hậu
phân tán


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 13/43

ThingSpeak là một mã nguồn mở cho các ứng dụng của “Internet of Things”.
Mã nguồn này hỗ trợ các API lưu trữ, lấy dữ liệu từ các thiết bị, sản phẩm sử
dụng HTTP qua Internet hoặc thông qua một Local Area Network. Như một
HUB đợi các thơng tin cảm biến từ thiết bị và có nhiệm vụ lưu trữ và xử lý dữ
liệu, với ThingSpeak, bạn có thể tạo ra các ứng dụng phân tích dữ liệu, lưu trữ
dữ liệu, quản lý dữ liệu một cách đơn giản.
 Giao diện bao gồm
• Nhiệt độ trạm 1
• Độ ẩm trạm 1
• Khí áp trạm 1
• Lượng mưa trạm 1
• Nhiệt độ trạm 2
• Độ ẩm trạm 2
• Khí áp trạm 2
• Lượng mưa trạm 2
2.1.5 Giao tiếp UART
UART là viết tắt của Universal Asynchronous Receiver – Transmitter. UART
được tích hợp trên hầu hết vi điều khiển và PC/laptop với tên gọi cổng COM,
tốc độ truyền nhận trong khoảng từ 9600 - 200000 baud. Để đồng bộ tốc độ
truyền thì mỗi vi điều khiển sẽ tạo xung clock của nó theo tốc độ baudrate
quy định khi lập trình.



Cách thức truyền dữ liệu bằng UART
Để bắt đầu cho việc truyền dữ liệu bằng UART, một START bit được gửi đi,
sau đó là các bit dữ liệu và kết thúc quá trình truyền là STOP bit.

Nghiên cứu và xây dựng mơ hình thu thập phân tích và lưu trữ dữ liệu về khí hậu
phân tán


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 14/43

Khi ở trạng thái chờ mức điện thế ở mức 1 (high). Khi bắt đầu truyền START
bit sẻ chuyển từ 1 xuống 0 để báo hiệu cho bộ nhận là quá trình truyền dữ
liệu sắp xảy ra. Sau START bit là đến các bit dữ liệu D0-D7 Cuối cùng là
STOP bit là 1 báo cho thiết bị rằng các bit đã được gửi xong. Thiết bị nhận sẽ
tiến hành kiểm tra khung truyền nhằm đảm báo tính đúng đắn của dữ liệu.

CHƯƠNG 3.

CHI TIẾT VỀ HOẠT ĐỘNG CỦA MƠ HÌNH

3.1 SƠ ĐỒ HỆ THỐNG
3.1.1 Sơ đồ khối tồn hệ thống

Nghiên cứu và xây dựng mơ hình thu thập phân tích và lưu trữ dữ liệu về khí hậu
phân tán

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 15/43

Hình 3-9: Sơ đồ khối hoạt động của mạch



Hoạt động của mơ hình
Khi hệ thống bắt đầu hoạt động các cảm biến sẽ thu thập dữ liệu nhiệt độ, độ
ẩm, khí áp, lượng mưa sau đó dữ liệu sẽ được xử lý ADC qua vi điều khiển
ATMEGA 32, dữ liệu sau đó khi được chuyển đổi sang số sẽ được truyền đến
trạm chính thơng qua module RF, trạm chính sau khi nhận được dữ liệu sẽ

Nghiên cứu và xây dựng mơ hình thu thập phân tích và lưu trữ dữ liệu về khí hậu
phân tán


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 16/43

tiến hành phân tích đưa ra dự báo và sau đó sẽ đưa dữ liệu lên webserver
thơng qua module ESP 8266
3.1.2 Sơ đồ khối trạm thu

Hình 3-10: Sơ đồ khối trạm thu dữ liệu
 Hoạt động mạch thu dữ liệu
Các cảm biến sau sẽ liên tục lấy giữ liệu về nhiệt độ độ ẩm , khí áp, đồng
thời đo lưu lượng nước khi có mưa
Sau khi cảm biến lấy giữ liệu khí hậu sẽ gửi tín hiệu về cho MCU( atmega
328 ) để tiến hành phân tích và xử lý

Giữ liệu sau khi được MCU xử lý sẽ được truyền tải không giây qua modul
RF phát đến trạm trung tâm
3.1.3 Sơ đồ khối trạm trung tâm

Nghiên cứu và xây dựng mơ hình thu thập phân tích và lưu trữ dữ liệu về khí hậu
phân tán


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 17/43

Hình 3-11: Sơ đồ khối trạm trung tâm
 Hoạt động của mạch trung tâm
Khối mạch trạm chính sẽ liên tục lệnh để yêu cầu khối trạm phụ ( trạm lấy
thơng tin khí hậu) , sau khi được yêu cầu từ trạm chính, trạm phụ sẽ gửi dữ
liệu thu thập được từ cảm biến đến trạm chính, sau khi nhận được dữ liệu từ
trạm phụ trạm chính sẽ lưu trữ phân tích đồng thời gửi dữ liệu nhận được lên
web server thinkspeak để theo dõi đồng thời đưa ra cảnh báo.
3.2 Sơ đồ tổng quan hoạt động của mơ hình
3.2.1 Sơ đồ giải thuật trạm thu

Nghiên cứu và xây dựng mơ hình thu thập phân tích và lưu trữ dữ liệu về khí hậu
phân tán


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 18/43

Hình 3-12: Sơ đồ nguyên lý mạch thu
 Giải thích hoạt động của mạch thu

Khi mạch bắt đầu hoạt động , MCU trạm trung tâm sẽ gửi lệnh đến trạm thu
để bắt đầu hoạt động của mơ hình, sau khi nhận được u cầu khối mạch
trạm thu sẽ phản hồi đồng thời gửi các thông số lấy được từ cảm biến đến
trạm trung tâm

Nghiên cứu và xây dựng mơ hình thu thập phân tích và lưu trữ dữ liệu về khí hậu
phân tán


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 19/43

3.2.2 Sơ đồ giải thuật trạm trung tâm

Hình 3-13: Sơ đồ nguyên lý mạch trung tâm


Giải thích hoạt động mạch trung tâm

Nghiên cứu và xây dựng mơ hình thu thập phân tích và lưu trữ dữ liệu về khí hậu
phân tán


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 20/43

Mạch chính gửi yêu cầu đến mạch phụ để bắt đầu quá trình chuyền dữ liệu
Sau nhận được yêu cầu từ mạch chính, mạch phụ sẽ gửi dữ liệu đo được từ
cảm biến sau khi đo được đến mạch chính
Sau khi nhận được dữ liệu từ mạch phụ, mạch chính sẽ tiến hành xử lý, phân

tích, đưa ra dữ liệu lên web server đồng thời cảnh báo và lưu trữ lại dữ liệu

CHƯƠNG 4.

THI CÔNG THỰC TẾ VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

4.1 Sơ đồ mạch mô phỏng trên proteus
4.1.1 Khối mạch trạm thu

Hình 4-14: Mạch mơ phỏng trạm thu
Nghiên cứu và xây dựng mơ hình thu thập phân tích và lưu trữ dữ liệu về khí hậu
phân tán


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 21/43

Cảm biến nhiệt độ độ ẩm gồm ba chân được kết nối với lần lượt PC0, PC1, PC2 của
ATMEGA 32. Cảm biến khí áp được kết nối vào chân PC4, PC5 của vi điều khiển.
Cảm biến đo lưu lượng mưa được kết nối vào chân PB0, PB1 của vi điều khiển.
Lora với nhiệm vụ truyền dữ liệu từ cảm biến về trạm trung tâm được kết nối vào
chân PD0, PD1
4.1.2 Khối mạch trạm trung tâm

Hình 4-15: Khối mạch trung tâm
Khối mạch trung tâm gồn module wife esp 8266 và kết nối với module RF để nhận
tín hiệu từ trạm thu
.
4.2 Mạch in
4.2.1 Trạm thu

Nghiên cứu và xây dựng mơ hình thu thập phân tích và lưu trữ dữ liệu về khí hậu
phân tán


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 22/43

Hình 4-16: Mạch in trạm thu
4.2.2 Trạm trung tâm

Nghiên cứu và xây dựng mơ hình thu thập phân tích và lưu trữ dữ liệu về khí hậu
phân tán


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 23/43

Hình 4-17: Mạch in trạm trung tâm
4.3 Mạch thực tế
4.3.1 Trạm thu

Nghiên cứu và xây dựng mơ hình thu thập phân tích và lưu trữ dữ liệu về khí hậu
phân tán


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 24/43

Hình 4-18: Mạch thu dữ liệu
4.3.2 Trạm trung tâm

Nghiên cứu và xây dựng mơ hình thu thập phân tích và lưu trữ dữ liệu về khí hậu
phân tán


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 25/43

Nghiên cứu và xây dựng mô hình thu thập phân tích và lưu trữ dữ liệu về khí hậu
phân tán