ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ỨNG DỤNG LORA GIÁM SÁT MÔI
TRƯỜNG

1


MỤC LỤC

2


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

3


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

LCD

Liquid Crystal Display

LED

Light Emitting Diode

LoRa

Long Range

RF

Radio Frequency

UART

Universal Asynchronous Receiver

4


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 5/39

CHƯƠNG 1.

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu chung
Với sự phát triển của công nghệ không dây như hiện nay các ứng dụng truyền nhận
dữ liệu không dây đang dần thay thế cách dữ dụng truyền bằng cáp. Mạng không
dây với chí phí lắp đặt, triển khai hệ thống một cách linh hoạt hơn để giảm chi phí
lặp đặt và bảo trì.
Các công cụ máy móc đang dần thay thế sự hiện hiện của con người và tự động hóa
đang được đặt lên hết giúp con người trong mọi công việc trở nên đơn giản hơn.
Trong giám sát môi trường cũng thế với hệ thống truyền không dây và các cảm biến
theo dõi được các chất ô nhiễm môi trường sống của chúng ta mà không cần nhiều
người xuống hiện trường để đo kiểm.
1.2 Truyền nhận không dây trong giám sát môi trường

Với sự phát triển của công nghệ, truyền nhận không dây đang ngày càng phổ biến
như hiện nay, giám sát môi trường sống của chúng ta ngày càng dễ dàng hơn.
Công nghệ truyền dữ liệu không dây để thu thập dữ liệu từ xa mà không cần con
người xuống tại hiện trường để đo đạt mà chúng tự truyền về trung tâm và cảnh báo
khi các chỉ số đo đạt quá ngưỡng.
1.3 Lý thuyết về thu thập dữ liệu môi trường và mục đích của đề tài
Dùng cảm biến cùng với vi điều khiển để theo dõi được các thông số môi trường
như: hàm lượng CO2 trong không khí, nhiệt độ, độ ẩm, giá trị pH, độ bụi trong
không khí. Tất cả các giá trị được truyền về trung tâm để cảnh báo cho chúng ta biết
và đưa ra hướng giải quyết tốt nhất cho môi trường sống.
Chúng ta chỉ cần bật hệ thống lên là có thể theo dõi được các thông số gửi về từ
nhiều trạm đặt cảm biến khác nhau.

Ứng dụng LoRa giám sát môi trường


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 6/39

CHƯƠNG 2.

SƠ ĐỒ KHỐI VÀ MẠCH NGUYÊN LY

1.1 Sơ đồ của hệ thống

Hình 2-1: Sơ đồ toàn mạch

Giải thích sơ đồ:
-


Khối slave có chức năng thu thập các giá trị cảm biến và gửi về cho trung
tâm bộ master.

-

Khối master có chức năng tổng hợp các giá trị cảm biến từ slave gửi về đưa
ra các cảnh báo và đẩy dữ liệu lên server để theo dõi.

-

Khối alarm cảnh báo qua đèn tín hiệu và loa.

-

Khối server dữ liệu được thể hiện ở đây để theo dõi.

1.1.1 Sơ đồ khối slave

Ứng dụng LoRa giám sát môi trường


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 7/39

Hình 2-2: Sơ đồ khối mạch slave

Giải thích sơ đồ:
-

Khối nguồn cấp nguồn cho các thiết bị hoạt động.


-

Khối cảm biến để đo các giá trị môi trường như CO2, pH….

-

Khối truyền nhận sử dụng LoRa để truyền dữ liệu về trung tâm.

-

Khối xử lý để xử lý các giá trị cảm biến đo được và ra lệnh truyền về
trung tâm khi được yêu cầu từ trung tâm.
1.1.2 Sơ đồ khối master

Ứng dụng LoRa giám sát môi trường


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 8/39

Hình 2-3: Sơ đồ khối mạch master

Giải thích sơ đồ:
− Khối nguồn cấp nguồn cho mạch hoạt động.
− Khối hiển thị, cảnh báo dung để hiển thị các giá trị đo được và cảnh báo ra
màn hình để chúng ta dễ dàng theo dõi .
− Khối phát RF sử dụng module LoRa để truyền nhận dữ liệu.
− Khối xử lí dùng PIC16F877A để đưa dữ liệu lên server thông qua UART kết
nối với máy tính.

− Khối server hiển thị các giá trị đo được cho chúng ta theo dõi.

Ứng dụng LoRa giám sát môi trường


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 9/39

1.4 Sơ đồ nguyên lý
1.1.3 Mạch slave
Sơ đồ khối nguồn và cảm biến:

Hình 2-4: Sơ đồ nguyên lý mạch slave

Từ sơ đồ khối ta xây dựng được sơ đồ nguyên lý.
Sơ đồ kết nối các cảm biến và module LoRa với vi khiển khiển PIC16F877A.
Cảm biến DHT11 đo nhiệt độ và độ ẩm được kết nối với chân RB0 của vi điều
khiển.
Module RF LoRa sử dụng kết nối UART để giao tiếp với vi điều khiển truyền tín
hiệu về cho bộ trung tâm.

Ứng dụng LoRa giám sát môi trường


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 10/39

1.1.4 Mạch master

Hình 2-5: Sơ đồ nguyên lý master


Sơ đồ với chip ESP8266 để điều khiển truyền nhận dữ liệu qua module LoRa và kết
nối với server.
Hiển thị các thông số cảm biến đo được qua LCD và cảnh báo qua đèn tín hiệu và
loa.

Ứng dụng LoRa giám sát môi trường


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 11/39

1.5 Sơ đồ mạch in
1.1.5 Mạch slave

Hình 2-6: Sơ đồ mạch in master

1.1.6 Mạch slave

Hình 2-7: Sơ đồ mạch in slave

1.6 Một số linh kiện chính được sử dụng trong mạch

Ứng dụng LoRa giám sát môi trường


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 12/39

1.1.7 Giới thiệu về PIC16F877A

PIC16F877A là loại vi điều khiển 8bit tầm trung của hãng Microchip.
-

PIC16F877A có kiểu tập lênh RISC và có 35 tập lệnh cơ bản.

-

Tất cả các lệnh được thực hiện trong một chu kì lệnh ngoại trừ các lệnh rẽ
nhánh.

-

Sơ đồ chân với chip loại cắm 28 chân:

Hình 2-8: PIC16F877A

1.1.8 Cảm biến độ bụi
Cảm biến cho phép đo được độ bụi trong không khí. Với tín hiệu đầu ra là giá trị
analog quy đổi theo điện áp cứ 0,5V ~ 0,1mg/m3. Hoạt động dựa trên LED phát

Ứng dụng LoRa giám sát môi trường


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 13/39

hồng ngoại được tích hợp trên cảm biến khi có bụi đi qua sẽ làm khúc xạ tia hồng
ngoại từ đó thay đổi giá trị điện áp.
Cảm biến với dải đo 0 đến 0,5mg/m3 độ chính xác tương đối, dễ sử dụng và có giá
thành hợp lý.

Với yêu cầu của đề tài cần đo độ bụi của không khí nên sử dụng cảm biến này vì sự
thông dụng và dễ sử dụng của nó.

Hình 2-9: Cảm biến độ bụi

1.1.9 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm
Cảm biến DHT11 dùng để đo giá trị nhiệt độ, độ ẩm trong không khí qua giao tiếp
one-wire với tín hiệu là dạng số một chuỗi 40 bit tín hiệu.
Vì sự thông dụng dễ sử dụng đo được cùng lúc nhiệt độ, độ ẩm đáp ứng được yêu
cầu đề tài nên chọn cảm biến này làm linh kiện trong mạch.

Ứng dụng LoRa giám sát môi trường


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 14/39

Hình 2-10: Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm

1.1.10 Cảm biến chất lượng không khí
Cảm biến MQ-135 có thể phát hiện ra nồng độ CO2 trong không khí, MQ-135 có thể
phát hiện NH3, NOx, Ancol, Benzen, khói, CO2 trong không khí từ đó đánh giá
được chất lượng không khí chúng ta đang sinh sống.
Với giá trị trả về là dạng analog ta dễ dàng lấy được nồng độ CO2 trong không khí.
Thông số ký thuật:
-

Điện áp nguồn: 5V±0.1 AC/DC,

-


Điện trở tải: thay đổi được (2kΩ-47kΩ),

-

Điện trở của heater: 33Ω±5%,

-

Công suất tiêu thụ của heater: ít hơn 800mW,

-

Khoảng phát hiện: 10 - 300 ppm NH 3, 10 - 1000 ppm Benzene, 10 - 300
Alcol, 0 – 1000 ppm CO2,

-

Khoảng đo rộng,

-

Bền, tuổi thọ cao,

-

Phát hiện nhanh, độ nhạy cao.

Ứng dụng LoRa giám sát môi trường



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 15/39

Hình 2-11: Cảm biến nồng độ CO2

1.1.11 Cảm biến đo độ pH trong nước.
Cảm biến pH giúp ta đo được giá trị pH với tín hiệu trả về là analog quy đổi theo
điện áp 3,5mV ~ 1pH.
Cảm biến đo độ pH Analog DFRobot đáp ứng được yêu cầu đo, dễ tìm thấy trên thị
trường và tương đối dễ sử dụng.

Hình 2-12: Cảm biến pH

1.1.12

Module LoRa SX1278 433MHz

Ứng dụng LoRa giám sát môi trường


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 16/39

LoRa truyền tín hiệu không dây qua tần số sóng mang 433MHz với kênh truyền và
địa chỉ riêng được cấu hình sẵn.
Với khả năng truyền xa dễ sử dụng và dễ tìm thấy trên thị trường nên chọn module
này để sử dụng truyền nhận tín hiệu cho hệ thống.

Hình 2-13: Module RF LoRa


1.1.13 LCD
Dùng LCD 20x4 để hiển thị các thông số cảm biến và cảnh báo khi quá ngưỡng cho
phép.

Hình 2-14: LCD 20x4

Ứng dụng LoRa giám sát môi trường


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 17/39

CHƯƠNG 3.

THI CÔNG ĐỀ TÀI

1.7 Yêu cầu
Yêu cầu của đề tài:
-

Sử dụng module RF LoRa để truyền nhận dữ liệu không dây.
Hỗ trợ khả năng thêm bớt các node.
Đưa dữ liệu lên web, lưu trữ và thống kê dữ liệu thu thập được.
Sử dụng các cảm biến để đo nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ CO 2, nồng độ pH, độ

-

bụi, cảm biến mưa.
Thiết kế và thi công phần cứng.

1.8 Đưa dữ liệu lên web

1.1.14 Tìm hiểu về ThingSpeak
ThingSpeak ™ có thể phân tích dữ liệu khi nó được đưa lên, dung để theo dõi các
giá trị thông qua internet. Có thể cảnh báo các giá trị ngưỡng cài đặt trước qua mail
hoặc sms và có thể lưu trữ dữ liệu để ta dễ dàng theo dõi.
Giao diện bao gồm:
-

Nhiệt độ, độ ẩm môi trường.

-

Độ bụi không khí.

-

Độ pH, nồng độ CO2.

-

Cảnh báo mưa.

Ứng dụng LoRa giám sát môi trường


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 18/39

Hình 3-1: Giao diện website


1.1.15 Các tính năng của ThingSpeak
ThingSpeak có nhiều chức năng cho phép phân tích lưu trữ đám mây các dữ liệu
theo thời gian thực và lưu trữ lại:
-

Ta có thể dễ dàng chỉnh sửa giao diện theo dõi .
Dữ liệu đưa lên sẽ thể hiện theo thời gian thực.
Dùng MATLAB để phân tích dữ liệu.
Phân tích dữ liệu theo lịch biểu và sự kiện có sẵn.
Cảnh báo qua mail, tin nhắn khi quá ngưỡng cho phép được cài đặt trước.
1.9 Sơ đồ giải thuật
1.1.1 Khối slave

Ứng dụng LoRa giám sát môi trường


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 19/39

Hình 3-2: Sơ đồ giải thuật

Giải thích lưu đồ:
Khởi tạo ban đầu, slave sẽ chờ tín hiệu từ master nếu được yêu cầu thì sẽ đọc cảm
biến và gửi dữ liệu về slave.

1.1.2 Khối master
Lưu đồ:

Ứng dụng LoRa giám sát môi trường



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 20/39

Hình 3-3: Sơ đồ giải thuật

Giải thích lưu đồ:
Khởi tạo giá trị thời gian và biến số thứ tự slave, master sẽ gửi lệnh xuống yêu cầu
slave và chờ trả lời, nếu không nhận được tín hiệu từ slave sẽ tăng biến để vào trình

Ứng dụng LoRa giám sát môi trường


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 21/39

xóa slave. Nếu biến xóa lớn hơn 10 thì sẽ xóa slave. Nếu Ssave trả lời thì master sẽ
bắt đầu xử lý dữ liệu, hiển thị ra LCD và đẩy dữ liệu lên server.
1.1.3 Hoạt động của hệ thống
Khi cho hệ thống bắt đầu hoạt động thì master sẽ bắt đầu truyền lệnh tuần tự xuống
từng slave thôi khe thời gian. Khi slave nhận được tín hiệu yêu cầu của master thì sẽ
bắt đầu đọc cảm biến và gửi về master. Sau khi master nhận được dữ liệu từ slave
gửi về thì bắt đầu phân tích dữ liệu, đưa dữ liệu lên server và cảnh báo nếu những
thông số gửi về vượt ngưỡng. Cứ thế tuần tự từng slave.
Khi master gửi yêu cầu xuống slave ba lần mà slave không phản hồi thì master sẽ
phát cảnh báo là slave đã tắt, nếu gửi yêu cầu 10 lần mà không thấy trả lời thì sẽ tự
động xóa slave đó ra khỏi hệ thống.
Trên master có một nút nhấn để thêm slave vào hệ thống, khi nhấn nút thì master sẽ
truyền lệnh thêm xuống và khi slave nhận được thì sẽ truyền về master mã số của

mình để lưu vào hệ thống và bắt đầu hoạt động.
1.10 Kết quả thi công
Mạch điều khiển bao gồm:
-

ESP8266 kết nối wifi và điều khiển, xử lý dữ liệu.
Module LoRa truyền nhận dữ liệu.
Màn hình hiển thị LCD cho phép theo dõi trực tiếp thông số mà không cần
thông qua điện thoại hay web.

Ứng dụng LoRa giám sát môi trường


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 22/39

Hình 3-4: Bộ điều khiển trung tâm

Mạch truyền tín hiệu về trung tâm bao gồm:
-

Vi điều khiển PIC 16F877A đọc các giá trị từ cảm biến và gửi các giá trị đó
đi.

-

Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm trả về các thông số về môi trường.

-


Cảm biến pH để lấy đo độ pH nguồn nước.

-

Cảm biến CO2 để đô lượng CO2 trong không khí.

-

Module LoRa cho phép truyền nhận dữ liệu không dây về bộ điều khiển.

Ứng dụng LoRa giám sát môi trường


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 23/39

Hình 3-5: Bộ truyền tín hiệu cảm biến về trung tâm

Ứng dụng LoRa giám sát môi trường


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 24/39

CHƯƠNG 4.
1.11

THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

Mô hình hệ thống


Hình 3-5: Mô hình hệ thống

1.12 Nhận xét
Trong khi thực hiện đề tài có gặp một số khó khăn:
-

Tín hiệu nhận được không ổn định, thỉnh thoảng sẽ bị trễ hoặc không gửi
được do tín hiệu bị ảnh hưởng môi trường truyền hoặc do bộ phát bị treo,
khắc phục sự cố bằng cách cho hệ thống tự khởi động lại khi quá thời gian

-

cho phép.
Khoảng cách truyền, độ chính xác và ổn định khi truyền dữ liệu đi cũng bị
ảnh hưởng do vật cản.

1.13 Ưu điểm
Ưu điểm hệ thống:

Ứng dụng LoRa giám sát môi trường


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 25/39

-

Truyền nhận được dữ liệu ở xa thuận lợi cho công tác quản lý theo dõi môi


-

trường.
Mạch dễ sử dụng, giá thành thấp, có tính ứng dụng cao.
Dễ theo dõi cũng như lưu trữ được dữ liệu, dễ dàng truy xuất dữ liệu khi cần.

1.14 Hạn chế
Hạn chế của hệ thống:
-

Chưa cảnh báo cho người dùng biết tình trạng của hệ thống khi có xảy ra các

-

thay đổi bất ngờ.
Tín hiệu dễ bị nhiễu do nhiều nguyên nhân khác nhau gây ảnh hưởng đến giá

-

trị cảm biến truyền về.
Cảm biến có độ chính xác chưa cao.

Ứng dụng LoRa giám sát môi trường