ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CẢNH BÁO
MỨC ĐỘ ỒN VÀ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
RF

Radio Frequency

LoRa

Long Range Active

UART

Universal Asynchronous Receiver Transmitter


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 3/40

CHƯƠNG 1.

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1 Mục đích
Đề tài hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ô nhiễm không khí được yêu
cầu làm ra với mục đích là thiết kế được một hệ thống đơn giản có khả năng đo
lường được độ ồn ào và độ ô nhiễm của môi trường sống xung quanh ta để phục vụ

cho nhu cầu của con người. Ở thời đại hiện nay với sự phát triển và gia tăng nhanh
của các phương tiện giao thông đặc biệt là ở Việt Nam thì tỉ lệ lưu thông xe gắn
máy và các xe cơ giới, xe thô sơ là rất cao, ở các thành phố lớn thì hầu như ngày
nào cũng có một lượng xe cộ đông đúc lưu thông trên đường, bên cạnh đó là sự hối
hả trong đời sống sinh hoạt của con người, đặc biệt ở trong các khu dân cư, các
công trường xây dựng, các khu chợ thì vấn đề ô nhiễm không khí và tiếng ồn là cực
kì nghiêm trọng, thế nên việc chế tạo ra được một mô hình hệ thống có thể có khả
năng đo đạc, phát hiện và cảnh báo để đưa ra những phương pháp xử lý và hạn chế
được tối đa độ ồn và độ ô nhiễm trong môi trường là hết sức mật thiết. Một hệ thống
giám sát và cảnh báo bất kỳ nào thì đều phải có những thông số kỹ thuật, cách thức
hoạt động và cách mức ngưỡng cảnh báo riêng.
1.1 Yêu cầu, thông số kĩ thuật
Những thành phần cần có trong một hệ thống giám sát và cảnh báo là các cảm biến
riêng biệt, phù hợp với mỗi chức năng của hệ thống đó. Đề tài này là một đề tài về
độ ồn ào và ô nhiễm cho nên yêu cầu của đề tài được đặt ra ở đây là tìm hiểu kỹ
lưỡng các cảm biến liên quan đến đề tài. Những cảm biến cần tìm hiểu ở trong đề
tài này lần lượt là cảm biến âm thanh (Sound sensor), để hệ thống có thể làm việc
ổn định và đưa ra được các lượng âm thanh chính xác thì cảm biến âm thanh cụ thể
ở đây là cảm biến max9812L được tích hợp sẵn với một amply khuếch đại âm
thanh. Cảm biến ô nhiễm không khí (Dust sensor) ở đây cụ thể là cảm biến đo độ
bụi trong sharp GP2Y10, ngoài ra để hệ thống có thể điều khiển được các cảm biến
đó thì phải cần đến một chip vi điều khiển, vi điều khiển cụ thể được sử dụng trong
đề tài này là một con Pic16f877a. Các cảnh báo và hiển thị giá trị của các cảm biến

Hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ô nhiễm không khí


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 4/40


sẽ được thiết kế lên những linh kiện phù hợp, các giá trị hiển thi sẽ được đưa lên
màn hình Lcd 20x4, các cảnh báo thì ở các linh kiện nhỏ hơn đó là các đèn led và
còi hú buzzer. Đề tài để có thể đạt được yêu cầu là giám sát và cảnh báo thì phải
thiết kế được một mạch giám sát mức độ ồn và ô nhiễm không khí tại một khu vực
nào đó, sau đó số liệu đo được sẽ được đưa lên Internet cụ thể là một giao diện web
thingspeak, giao diện có thể hiển thị được các dữ liệu tại mức cảnh báo độ ồn và ô
nhiễm khi vượt mức cho phép.
Hệ thống cảnh báo và giám sát độ ồn và ô nhiễm không khí này sẽ có các thông số
như là: Nguồn điện áp hoạt động từ 5 – 9V, các giá trị ngưỡng đó là nồng độ bụi
trong không khí lớn hơn 300 (µɡ/m3) sẽ vượt ngưỡng và gửi cảnh báo, độ ồn ào lớn
hơn 50 dB cũng sẽ vượt ngưỡng và được cảnh báo. Khối chính trong hệ thống này
sẽ tiến hành việc thu lấy thông tin và dữ liệu từ các cảm biến và sau đó đưa lên một
giao diện thingspeak, có thể lưu trữ và truy xuất lại dữ liệu từ quá khứ.
1.2 Phương pháp thực hiện
Phương pháp để thực hiện đề tài này là ta cần phải thi công được một mô hình mạch
cứng trong đó vi điều khiển sẽ thực hiện kết nối với các cảm biến, sau đó lấy được
thông tin dữ liệu có được từ các cảm biến, các thông số đó là mức độ ồn của âm
thanh đơn vị là dB và độ ô nhiễm bụi có trong không khí đơn vị là µg/m3.
Hệ thống khi muốn nhận được các thông số dữ liệu từ cảm biến và đưa ra những
mức cảnh báo, ta cần có một khối trung tâm để nhận tất cả dữ liệu có được từ các
khu vực đặt hệ thống để đẩy lên giao diện thingspeak sau đó mới có thể thực hiện
việc giám sát và xem xét để đưa ra các giải pháp hạn chế và khắc phục tốt nhất.

Hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ô nhiễm không khí


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 5/40

CHƯƠNG 2.


THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

1.2 Sơ đồ hệ thống
Đề tài hệ thống giám sát và cảnh báo độ ồn và ô nhiễm không khí này là một đề tài
được thực hiện theo hướng IoT (Internet of Things), đối với bất kì một đề tài nào
mà làm theo hướng IoT thì đều có một điểm chung đó là thu thập dữ liệu từ các cảm
biến, gửi dữ liệu lên giao diện web, nhận cảnh báo và được giám sát từ xa, hoặc có
thể là một hệ thống điều khiển thiết bị, cảm biến từ xa trên giao diện web. Các hệ
thống để có thể đáp ứng được những yêu cầu đó đều phải được lắp đặt, thiết kế bao
gồm nhiều khối riêng biệt. Cụ thể ở đây là các khối đo đạc, lấy dữ liệu cảm biến,
khối kết nối wifi và khối giao diện web. Đề tài này sẽ bao gồm các khối đó là các
khối con nhỏ dùng là nơi để đặt các cảm biến và một khối chính thực hiện việc lấy
dữ liệu từ các khối con để đẩy lên giao diện web.

Hình 2-1: Sơ đồ hệ thống

Hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ô nhiễm không khí


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 6/40

Hình 2-1 thể hiện sơ đồ của toàn bộ hệ thống, hệ thống sẽ hoạt động theo những
bước như sau: đầu tiên sau khi cấp nguồn, các khối con sẽ thu lấy những thông số
giá trị từ các cảm biến bụi và âm thanh là những giá trị dB và µg/m 3, tiếp theo sau
đó sẽ truyền các dữ liệu giá trị đó tới khối chính, điều kiện là khi có yêu cầu từ khối
chính đến khối con nào thì khối con đó sẽ trả lời trước. Chức năng của khối chính ở
đây là nhận lấy tất cả các giá trị ở những cảm biến từ các khối con gửi lên, sau đó sẽ
thực hiện hiển thị các cảnh báo và đưa lên giao diện thingspeak để theo dõi. Các

cảnh báo sẽ được hiển thị tại khối cảnh báo, gồm buzzer và led hiển thị, cuối cùng
dữ liệu sẽ được theo dõi qua giao diện web thingSpeak.
Phần tiếp theo cần làm là các trình bày cụ thể về những khối có trong toàn bộ hệ
thống, đó lần lượt là các khối: hai khối con có các chức năng tương tự dùng để đo ở
hai vị trị khác nhau và một khối chính có nhiệm vụ quan trọng nhất.
1.1.1 Sơ đồ khối con

Hình 2-2: Sơ đồ khối con

Hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ô nhiễm không khí


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 7/40

Hình 2-2 là một hình mô tả về cấu trúc các thành phần bên trong của một khối con.
Một khối con sẽ có nguyên lý làm việc được thực hiện theo như sau:
Khối nguồn sẽ cung cấp nguồn điện tất cả các khối cảm biến, khối vi điều khiển và
khối thu phát RF để hệ thống hoạt động. Khối cảm biến gồm có các cảm biến âm
thanh và cảm biến đo độ bụi. Hai khối con gồm được chia ra lần lượt có hai cảm
biến âm thanh và hai cảm biến độ bụi ở mỗi khối. Hệ thống đo độ ồn và độ ô nhiễm
này khá đơn giản nên chỉ cần các loại cảm biến này là đủ và tất nhiên giá trị đo
được chỉ là những giá trị tương đối chứ không thể nào được như những thiết bị đo
đắt tiền.
Module LoRa dùng để truyền dữ liệu về trung tâm tại khối thu phát RF, tức là sau
khi khối vi điều khiển xử lí các giá trị đo đạc lấy từ các cảm biến âm thanh và cảm
biến bụi, khối sẽ tiến hành giao tiếp với khối thu phát tín hiệu RF để thực hiện việc
truyền nhận dữ liệu với khối chính.
Khối vi điều khiển thức hiện các công việc kết nối chân với các khối nhỏ khác đó
khối thu phát RF và khối cảm biến. vi điều khiển Pic16f877a kết nối với các khối

cảm biến để thực hiện việc đọc và xử lí dữ liệu từ các khối cảm biến, sau đó được
truyền về khi khối chính có yêu cầu để khối chính thực hiện việc giao tiếp và đẩy
dữ liệu lên để cảnh báo và giám sát.
1.1.2 Sơ đồ khối chính (Main)
Hình 2-3 là hình ảnh về sơ đồ khối của khối chính. Các khối nhỏ thành phần bên
trong khối chính lần lượt là các khối nguồn, cung cấp nguồn đến toàn bộ các khối
nhỏ khác. Khối Module wifi esp8266 dùng để giao tiếp với khối thu phát RF và
khối giao diện web (giao diện thingspeak), khối thu phát RF thực hiện giao tiếp
UART, khối hiển thị LCD và cuối cùng là khối cảnh báo quá ngưỡng gồm buzzer và
đèn LED.

Hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ô nhiễm không khí


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 8/40

Hình 2-3: Sơ đồ khối chính (Main)

Nguyên lý làm việc của sơ đồ khối chính như sau
Khối nguồn thực hiện cấp nguồn đến các khối cảm biến, vi điều khiển, khối thu
phát RF.
Module LoRa được dùng tại khối thu phát RF sẽ thực hiện việc truyền nhận dữ liệu,
ở đây sau khi thực hiện lấy dữ liệu từ các khối con, khối RF sẽ truyền thông tin lên
khối wifi esp8266 nhằm thực hiện việc đẩy dữ liệu lên web.
Khối hiển thị sẽ hiển thị những thông số đo được và các cảnh báo quá ngưỡng tại
khối cảnh báo và hiển thị thông qua màn hình nhằm Lcd dễ dàng theo dõi.
Khối giao diện web cuối cùng sẽ đưa ra những giá trị đo từ cảm biến để theo dõi.
Dữ liệu ở đây bao gồm các biểu đồ hiển thị các giá trị lên xuống của dB và nồng độ
bụi trong không khí, ngoài ra giao diện web thingspeak còn có thể lấy lại được

những dữ liệu mà đã được đo trước đó với thời gian thực cụ thể.

Hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ô nhiễm không khí


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 9/40

1.3 Khối vi điều khiển [1]

Hình 2-4: Pic16f877a

Vi điều khiển chính được sử dụng trong các khối con để điều khiển đó là
Pic16F877a. Hình 2-6 thể hiện sơ đồ các chân của vi điều khiển Pic16f877a, bao
gồm khá nhiều chân với những chức năng khác nhau. Vi điều khiển thuộc loại 8 bit
được sản xuất và phát triển bởi hãng Microchip. Pic16f877a là vi điều khiển được
sử dụng thông dụng nhất hiện nay trong tất cả các loại vi điều khiển, được ứng dụng
nhiều trong những đề tài mạch ứng dụng cơ bản và là loại dễ sử dụng.
Bảng 2-1 ghi rõ các giá trị thông số kỹ thuật của một vi điều khiển Pic16f877a.
Bảng 2-1: Thông số kỹ thuật Pic16f877a

Thông số

Giá trị

Loại
8 bit
Kiểu lệnh
RISC
Số lệnh

35 tập lệnh căn bản
Số chân
40
Hình 2-5 là hình ảnh các cấu hình phía trong một con Pic16f877a. Linh kiện đầu
tiên là thạch anh từ 0-20MHz, một khối giao tiếp serial gồm giao tiếp I2C và giao

Hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ô nhiễm không khí


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 10/40

tiếp UART, các thanh timers T0, T1, T3. Các bộ nhớ đó là ROM (bộ nhớ trong) 8K,
bộ nhớ tạm thời RAM (368) và EEPROM (256). Bộ chuyển đổi ADC và các
modules tạo xung. Các cổng output và input được chia ra trên các bộ cổng A, B, C,
D và E. Một CPU có tất cả 35 tập lệnh, bộ ngắt và cổng nguồn 2 – 5.5V.

Hình 2-5: Cấu hình bên trong Pic

1.4 Khối cảm biến
Khối cảm biến của hệ thống thì bao gồm các cảm biến như sau:

Hình 2-6: Cảm biến âm thanh [2]

Hình 2-6 là hình ảnh cảm biến âm thanh tích hợp amply max9812L. Cảm biến này
là một cảm biến có kích thước khá nhỏ gọn và đã được tích hợp sẵn một ic khuếch
đại âm thanh amply max9812L nên có khả năng đọc ngay tín hiệu analog trực tiếp

Hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ô nhiễm không khí



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 11/40

bằng vi điều khiển. Cảm biến này thường được sử dụng trong các mạch phát hiện
âm thanh để mở cửa, mở tắt đèn hoặc những ứng dụng giám sát và cảnh báo khi
phát hiện tiếng động.
Bảng 2-2 ghi rõ những thông số kỹ thuật của một cảm biến âm thanh.
Bảng 2-2: Thông số cảm biến âm thanh

Nguồn hoạt động
Dòng điện tiêu thụ
Độ nhạy
Độ lợi (fixed gain)
Kích cỡ
Băng thông để khuếch đại
Nhiễu ngõ ra
IC được sử dụng chính

Từ 3 đến 5 VDC
230 mA
Cao
20 dB
15 x 9 mm
500 kHz
Thấp
Max9812L

Cảm biến âm thanh khi kết nối với chân Analog của vi điều khiển, nhiệm vụ làm
cần làm của cảm biến âm thanh sẽ là:

Micro nhỏ được gắn làm đầu thu cho cảm biến, chức năng của nó là thu lấy âm
thanh tại một khu vực nào đó, cảm nhận, nhận biết những độ rung động của sóng
âm tuân theo nguyên lý cảm ứng điện từ và biến hóa thành tín hiệu điện. Khi tín
hiệu âm thanh được thu vào từ micro sẽ được đưa qua một ic nhỏ để chuyển đổi tín
hiệu analog thành tín hiệu ADC. Để có giá trị Decibel từ con cảm biến âm thanh, ta
phải tiến hành map giá trị âm thanh từ ADC qua dB. Trước tiên ta phải có một phần
mềm đo độ ồn bằng decibel (cụ thể ở đây là một app đơn giản trên điện thoại di
động).
Hình 2-7 là hình ảnh của một phần mềm đo âm thanh trên điện thoại di động, trong
hình là các giá trị dB và các giá trị ngưỡng của âm thanh.

Hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ô nhiễm không khí


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 12/40

Bảng 2-3: Quy đổi giá trị ADC và dB

ADC Value
460

dB
44

480
500
508
550
600

613
700
859

47
59
60
61
63
65
70
78

Hình 2-7: App hiện giá trị dB trên di động

Mạch sau khi được hoàn thành xong, cấp nguồn, khởi chạy app đo âm thanh
decibel, tiến hành lấy độ ồn cùng lúc, qua nhiều lần tiến hành ta có thể rút ra được
một bảng qui đổi giá trị tương đối. Bảng 2-3 thể hiện các giá trị qui đổi đó.
Về vấn đề ô nhiễm trong môi trường, sử dụng một cảm biến với khả năng đo được
các khối bụi cực nhỏ có trong môi trường.

Hình 2-8: Cảm biến đo độ bụi Sharp GP2Y10 [3]

Hình 2-8 là hình ảnh một cảm biến đo độ bụi Sharp GP2Y10 và cấu tạo sơ đồ
nguyên lý bên trong của nó. Cấu tạo bao gồm một Ired (diode phát quang) và một

Hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ô nhiễm không khí


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 13/40

diode thu phototransistor, một mạch khuếch đại amplifier dùng để khuếch đại độ bụi
để đưa ra ngõ ra.

Hình 2-9: Kết nối chân cảm biến bụi với VDK

Hình 2-9 mô tả sơ đồ kết nối chân từ cảm biến bụi đến vi điều khiển Pic16f877a,
các chân nguồn hoạt động V CC và GND được nối chung vớ nhau. Chân Analog ngõ
ra của cảm biến sẽ được kết nối tới chân ngõ vào I/O của vi điều khiển, chân I led
cũng được kết nối tới chân ngõ vào I/O của vi điều khiển.
Bảng 2-4: Thông số của cảm biến bụi

Giá trị nhạy

0.5V/ 0.1mg/m3

Nguồn cung cấp

2.5-5V

Dòng vào max

20 mA

Kích thước

63.2mm x 41.3mm x 21.1mm

Bảng 2-4 ghi rõ các thông số kỹ thuật cơ bản của một module cảm biến bụi Sharp

GP2Y10 gồm điện áp cung cấp để hoạt động, độ nhạy, dòng tối đa và kích thước.

Hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ô nhiễm không khí


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 14/40

Cảm biến bụi Sharp GP2Y10 có nguyên lý làm việc như sau:
Cấu tạo bên trong của cảm biến bụi có IR LED và Phototransisto được đặt góc lệch
với nhau, khi có một lượng bụi nhất định đi qua lỗ giữa thì lúc này tia hồng ngoại từ
IR LED sẽ bắn vào Phototransistor, trải qua quá trình lấy mẫu điện áp, sau đó điện
áp có được sẽ được chuyển đến một mạch khuếch đại (Amplifier) và sẽ xuất ra chân
Vo.
Hình 2-10 thể hiện quá trình thu điện áp được diễn ra sau khi được lấy mẫu.

Hình 2-10: Quá trình lấy mẫu

Quá trình hoạt động của cảm biến bụi mỗi lần thực hiện đo đạc sẽ mất khoảng 10ms
(chu kỳ mỗi lần đo), và trong 10ms đó sẽ có:
Thời gian 0.32ms: là thời gian khi mà tín hiệu xung được đẩy lên mức cao, tại thời
gian này, IRLED sẽ được bật lên và chiếu thẳng vào lượng bụi đi qua lỗ tròn lớn
nằm ở giữa cảm biến và tiến hành đọc giá trị. Tuy vậy, chỉ được đọc giá trị sau
0.28ms (Sampling time). Tín hiệu đầu ra lúc đạt tới trạng thái ổn định sau khi chờ
0.28ms, tiến hành lấy mẫu. Chu kỳ lấy mẫu sẽ thực hiện ngay trong 0.04ms sau đó.
Quá trình lấy mẫu sẽ được tắt đi bằng việc cho tín hiệu xung xuống mức thấp, cuối
cùng là đọc giá trị điện áp đã lấy được. Phương pháp tính toán và cho ra kết quả
cuối cùng:

Hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ô nhiễm không khí



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 15/40

Điện áp đầu ra V0 được tỷ lệ với nồng độ bụi trong không khí và được quy đổi ra là
0.5V/0.1 ( mg/m3), nhưng khi sử dụng các chân Analog của VDK thì các giá trị điện
áp sẽ được chuyển thành giá trị digital (0 - 1023), thế nên giá trị điện áp phải được
qui đổi ra thành giá trị digital tương ứng. Xét:
Vpd: Đây là giá trị điện áp ứng với 1 giá trị digital.
Vref: Đây là giá trị cấp cho cảm biến (3.3V hoặc 5V)
Ta xét công thức:

Vdp = Vref / 1024

Giá trị Vdp sau khi lấy được nếu muốn tính giá trị điện áp ở ngõ ra thì ta lấy giá trị
vừa tính được đó, theo công thức nhân cho giá trị ADC từ chân V 0 của cảm biến.
cuối cùng khi đã có điện áp, ta suy ra giá trị nồng độ bụi trong không khí sẽ là:
DustDensity = (V0 * Vdp)/ 0.5.
Trong môi trường thực tế, khi thực hiện đo đạc kiểm tra, giá trị này được cho là
chưa hoàn toàn chính xác, vì giá trị đo được ngoài thực tế không như giá trị mà nhà
sản xuất cho trước, vậy nên các nhà nghiên cứu đã thực hiện một phương pháp đó là
phương pháp linear equation để có thể rút ra được một kết quả gần đúng với giá trị
thực tế hơn:
DustDensity = 0.17 * (V0 * Vpd) - 0.1
Ví dụ: V0 tại ngõ ra của cảm biến bụi đọc được giá trị là 170 V
 Giá trị ADC ngõ ra = 170 *(5V / 1024) và gần bằng 0.8330 bit.
 DustDensity (nồng độ bụi) = 0.17 * (0.8330) – 0.1 = 0.250mg.

Hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ô nhiễm không khí



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 16/40

Bảng 2-5: Bảng thể hiện giá trị và độ ô nhiễm bụi

Giá trị mật độ bụi
(µɡ/m3)

Các mức
chất lượng
không khí
Level 1

Các ngưỡng chất
lượng không khí

0 – 35

Chỉ số chất
lượng
không khí
0 – 50

35 – 75

51 – 100

Level 2


Average

75 – 115

101 – 150

Level 3

Light Pollution

115 – 150

151 – 200

Level 4

Moderate
Pollution

150 – 250

201 – 300

Level 5

Heavy Pollution

250 – 500


≥ 300

Level 6

Serious Pollution

Execllent

Bảng 2-5 cho thấy được những ngưỡng chất lượng không khí trong môi trường, đối
với các môi trường nào mà có mật độ bụi từ 50 µg trở xuống thì đó là môi trường
cực kỳ lý tưởng (Execllent). Các quốc gia như Việt Nam cũng như các nước phát
triển khác thì việc có một môi trường có chất lượng bụi lý tưởng là khá khó khăn,
thế nên chất lượng không khí ở mức 50 mg sẽ được xét là mức ngưỡng hợp lý nhất
cho một môi trường sạch, còn ở mức độ chất lượng không khí có mức ô nhiễm khói
bụi vượt trội từ 300 µg trở lên thì là được xem như là môi trường ô nhiễm. Ví dụ
như ở các công trường xây dựng, những đoạn đường hay tắc nghẽn có nhiều
phương tiện giao thông qua lại hay là những khu dân cư đông đúc.
1.5 Khối hiển thị
Những giá trị, số liệu từ cảm biến sẽ được hiển thị ở khối hiển thị, cả các thông báo
quá ngưỡng cũng vậy. Khối hiển thị ở đây cụ thể sẽ là hiển thị lên một màn hình lcd
20x4, các giá trị sẽ hiển thị đó là độ ồn quá ngưỡng (dB) và độ bụi vượt quá ngưỡng
và đây chỉ là khối hiển thị trên mạch cứng hệ thống.

Hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ô nhiễm không khí


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 17/40

Hình 2-11 là hình ảnh của một màn hình lcd 20x4 bao gồm các chân nguồn, các

chân truyền dữ liệu từ D0 đến D7 và chân hiệu chỉnh độ sáng tương phản của lcd.

Hình 2-11: Màn hình lcd 20 x 4

Lcd được chọn với kích thước màn hình 20x4 thì phù hợp hơn thay vì chọn một lcd
có kích thước 16x2 như thông thường, bởi vì khi sử dụng một màn hình rộng thì các
giá trị đo đạc từ cảm biến và các cảnh báo quá ngưỡng sẽ được hiện lên màn hình
cùng một lúc và dễ dàng hơn nhiều trong việc quan sát và ghi nhớ giá trị.
Bảng 2-6 thể hiện các giá trị mức logic và những chức năng của từng chân của Lcd
20x4.
Bảng 2-6: Các chân Lcd

Kí hiệu
VCC
VSS
VEE
RS
R/W

Mức logic

I/O

0/1
0/1

I
I

E

DB0-DB7
Lamp (-)
Lamp (+)

0/1
0/1

I
I/O

Chức năng
Điện áp vào 5V
Gnd (điện áp nối đất)
Hiệu chỉnh tương phản
1: nhập DL, 0: nhập lệnh
1: đọc DL, 0: ghi DL
Chân cho phép
Các bus DL
Âm đèn lcd
Dương đèn lcd

1.6 Khối module wifi esp8266 - NODEMCU v1.0
Module này được chọn vì nó có ưu điểm là có thể dùng những thao tác đơn giản
như là có thể dễ dàng thực hiện kết nối wifi và đưa dữ liệu lên giao diện web nhờ
những giao thức kết nối đã được tích hợp sẵn. Tiện lợi cho quá trình thực hành và
tiết kiệm được thời gian nhờ các nút nhấn. Trong đề tài này, nhiệm vụ chính của
Hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ô nhiễm không khí


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 18/40

module này là thu lấy dữ liệu từ các khối con thông qua giao tiếp UART giữa các
module thu phát RF, sau đó sẽ từ dữ liệu đó đẩy lên web server.

Hình 2-12: Kit wifi esp8266 NODEMCU [4]

Hình ảnh 2-12 là hình ảnh một kit wifi esp8266 NODEMCU v1.0, với một linh kiện
chính nằm ở trên đó là esp8266, ngoài ra còn có thêm rất nhiều linh kiện khác nữa
và sơ đồ chân kết nối là khá phức tạp.
Bảng 2-7 thể hiện các thông số kỹ thuật của một kit wifi esp8266 NODEMCU.
Bảng 2-7: Các thông số kỹ thuật

Nguồn hoạt động
Chip
Wifi
Các chân I/O
Flash bộ nhớ
Các giao thức được tích hợp
Bảo mật

3.3 V
Esp8266ex
2.4GHz với chuẩn 802.11 b/g/n
Gồm 11 chân
4 MB
TCP/IP
WPA/WPA2

1.7 Khối giao diện web server

Giao diện web được sử dụng ở đây là một giao diện thingspeak với các tính năng
nổi bật, có sẵn và khá dễ dàng để có thể phục vụ được cho nhu cầu của toàn bộ hệ
thống.

Hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ô nhiễm không khí


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 19/40

Hình 2-13: Hình ảnh 1 giao diện thingspeak

Hình 2-13 là hình ảnh một giao diện thingspeak đầy đủ tính năng, việc cần làm của
người sử dụng là tạo một tài khoản, để có thể lấy dữ liệu từ hệ thống và đưa lên.
Người dùng sau khi tạo một tài khoản trên thingspeak, việc cần làm tiếp theo sẽ là
kết nối module NODE MCU esp8266 và đẩy dữ liệu có được sau khi lấy từ các khối
con và đưa lên giao diện. Giao diện ở đây sẽ bao gồm hai khối chia ra thành bốn
phần, khối con 1 thể hiện các biểu đồ và giá trị của hai giá trị đó là Noise và Dust,
khối con 2 thể hiện các biểu đồ và giá trị của hai giá trị đó là Noise2 và Dust2,
ngoài ra còn có một phần để lấy dữ liệu để xem xét đó là phần data export.

Hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ô nhiễm không khí


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 20/40

Hình 2-14: Giao diện chính

Hình 2-14 thể hiện giao diện chính của ThingSpeak trong đề tài này, các giá trị biểu

đồ có trong hình chính là các giá trị độ bụi và độ ồn ào đo được từ các cảm biến
trong hai khối con, ngoài ra thời gian thể hiện độ bụi và độ ồn cũng gần như chính
xác với thời gian thực tế, sai số khá nhỏ. Ưu điểm của giao diện này khá hay, vì khi
kết thúc một quá trình đo đạc lấy dữ liệu, nếu người dùng muốn xem lại những dữ
liệu đã đo trước đây có thể là vài tiếng hoặc có thể là vài ngày để tiện cho việc so
sánh và kiểm soát. Mỗi một lần đo xong nếu người dùng muốn xem lại các giá trị
quá khứ họ có thể truy cập vào một đường dẫn và tải về một file excel bao gồm tất
cả các giá trị đã đo được, thời gian lúc mấy giờ và ngày tháng chính xác của lần đo
đó, rất thuận tiện.

Hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ô nhiễm không khí


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 21/40

Chức năng của 1 giao diện ThingSpeak là phân tích, lưu trữ đám mây (cloud) các
dữ liệu tại thời gian thực tế. Lợi ích khi ta dùng một giao diện ThingSpeak đó là có
thể dễ dàng thay đổi và chỉnh sửa. Các dữ liệu luôn hiển thị đúng với thời gian đo
thực, xem lại được các dữ liệu đã lưu trước đó, có thể gửi cảnh báo qua sms và
email khi có dữ liệu đo có giá trị vượt quá ngưỡng được phép.
1.8 Khối thu phát RF
Với tần số 433MHz của sóng mang, RF LoRa sẽ tiến hành truyền tín hiệu không
dây với địa chỉ và các kênh truyền riêng đã được cấu hình sẵn.
Lý do chọn một module RF LoRa để truyền và nhận tín hiệu là vì nguyên tắc sử
dụng đơn giản dễ hiểu và khả năng truyền được xa.

Hình 2-15: Module RF LoRa SX1278 433 MHz [5]

Hình 2-14 là hình ảnh thực tế của một module RF LoRa SX1278 433 MHz được

sản xuất bởi SEMTECH, chip được dùng trong module là SX1278. Các ưu điểm nổi
bật khi dùng module này là quãng đường thu phát cực xa, mà quan trọng hơn là còn
giúp người dùng tiết kiệm được năng lượng, với khả năng nổi bật khác nữa đó là có
thể được cấu hình tạo nên mạng. Module này hiện tại được ứng dụng trong rất nhiều
hệ thống khác nhau, đặc biệt là trong các mô hình hệ thống IoT bởi vì bản thân nó
đã có phần giao tiếp SPI của SX1278 qua UART được tích hợp sẵn vào nên việc
thực hiện các giao tiếp tầm xa và giữa các khối với nhau trở nên cực kỳ dễ dàng.

Hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ô nhiễm không khí


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 22/40

Bảng 2-8: Thông số của Module LoRa RF SX1278

Kiểu

E32-TTL-100 RF

IC được tích hợp

SX1278

Nguồn cung cấp

2.3 đến 5.5 VDC

Điện áp fiao tiếp


TTL

Kiểu giao tiếp

UART, 8 bits dữ liệu, 1 bit Stop

Tần số hoạt động

410 MHz đến 441 MHz

Hoạt động với công suất

100 mW

Khoảng cách có thể truyền

3 kilomet

Số bytes của bộ đệm

512

Số địa chỉ cấu hình được hỗ trợ

65536

Kích cỡ (size)

21 x 36 (mm)


Tốc độ truyền bit trên 1giây

Mặc định 2.4 kbps

Bảng 3-1 là bảng là các thông số kỹ thuật của module LoRa RF SX1278 433Hz.
1.9 Khối cảnh báo
Tại khối cảnh báo chỉ gồm các linh kiện đơn giản như các led và buzzer. Các đèn
led được thiết kế để khi các giá trị độ bụi ở hai khối con vượt quá ngưỡng cho phép
(quá 300 mg) thì các led sẽ phát sáng. Các buzzer sẽ kêu lên khi giá trị âm thanh
vượt quá ngưỡng ( vượt quá 50dB). Các led và buzzer chỉ cảnh báo ở hai khối mạch
con, còn tại khối chính (main) thì màn hình lcd sẽ có vai trò vừa hiển thị và vừa
cảnh báo.

CHƯƠNG 3.

GIẢI THUẬT VÀ CHƯƠNG TRÌNH CHÍNH

1.10 Các lưu đồ giải thuật
Hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ô nhiễm không khí


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 23/40

Hình 3-16: Sơ đồ giải thuật khối Main

Hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ô nhiễm không khí


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 24/40

Hình 3-17: Sơ đồ giải thuật khối con

Hình 3-1 là hình ảnh về lưu đồ giải thuật của khối chính, thể hiện làm việc của toàn
bộ hệ thống.
Hình 3-2 minh họa sơ đồ giải thuật của các khối con, thể hiện các bước làm việc
giống nhau của từng khối con.

Hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ô nhiễm không khí


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 25/40

1.11 Giải thích các sơ đồ
Sơ đồ giải thuật của khối con sẽ được giải thích như sau:
Khối nguồn cấp nguồn vào hệ thống, các khối con sẽ chờ, nếu khối chính (main)
yêu cầu thì đọc các giá trị từ cảm biến sau đó gửi về. Thời gian chờ tối đa khi yêu
cầu của khối chính tới mỗi khối con là 10s (tự thiết lập).
Sơ đồ giải thuật của khối chính được giải thích như sau:
Hệ thống được khởi động, khởi tạo biến thứ tự của khối con, biến này có thể tự đặt
tên, ở đây biến được đặt là biến n. Toàn bộ hệ thống lúc này đã được cấp nguồn,
khối chính bắt đầu làm việc. Đầu tiên khối chính sẽ gửi yêu cầu tới các khối con
theo biến n, bắt đầu từ n = 0 để hỏi khối đầu tiên. Thời gian chờ mỗi lần yêu cầu của
khối chính tối đa là 10s, sau 10s nếu khối con đầu tiên trả lời sai hoặc không có
phản hồi, khối chính sẽ quay lại tiến hành tiếp lần hỏi tiếp theo với biến n = 1, tức là
tiến hành hỏi khối con thứ hai. Khối con thứ hai nếu đã trả lời đúng thì khối chính
sẽ thực hiện bước tiếp theo đó là xử lý các thông số dữ liệu (dữ liệu đã được xử lý
từ khối con hai lấy từ cảm biến và gửi lên). Dữ liệu sau đó khi đã được xử lý số liệu

xong sẽ hiển thị qua màn hình Lcd đưa ra các thông số đó chính là hai giá trị dB và
µg/m3 và đồng thời các dữ liệu này cũng sẽ được đẩy lên giao diện web thingspeak.
Trình tự xử lý của hệ thống sẽ đi từ khối chính sang khối con, khối chính có hai
nhiệm vụ là hỏi khối con để nhận dữ liệu và đẩy lên giao diệ web. Các khối con có
hai nhiệm vụ chính đó là đọc dữ liệu từ cảm biến, xử lý sau đó gửi lên khối chính
sau khi nhận được yêu cầu.

Hệ thống giám sát và cảnh báo mức độ ồn và ô nhiễm không khí