GIÁM sát CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ QUA NOTE RED ,có CODE

ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ QUA NOTE RED

ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ QUA NOTE-

RED

●

● DANH MỤC HÌNH ẢNH

3

● DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MQTT Message Queuing Telemetry Transport

IoT

Internet of Things

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Mô hình có thể thu thập dữ liệu môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ bụi, nồng độ

CO2, TVOC và truyền dữ liệu về máy chủ để quan sát.

Dữ liệu được lấy từ cảm biến sau đó gửi dữ liệu đến Server và hiển thị một cách công khai, mọi thiết bị có kết nối mạng đều có thể xem được dễ dàng

Ứng dụng IoT trong việc quan trắc nhiệt độ, độ ẩm, chất lượng không khí

Nghiên cứu, sử dụng module ESP32 truyền thông lên nền tảng Node-RED thông qua giao thức truyền thông MQTT và từ Node RED gửi dữ liệu đến Mongodb để hiển thị công khai dữ liệu.

Board mạch ESP32.

Cảm biến độ ẩm, nhiệt độ DHT21 AM2301.

Cảm biến chất lượng không khí CO2 VOC TVOC CCS811

Cảm biến bụi GP2Y1010AU0F SHARP

Nền tảng Node-RED, giao thức truyền thông MQTT và Mongodb.

Xây dựng mô hình, giải pháp.

Xác định ẩm từ 0-100% và nhiệt độ từ -40 o C-80 o C.

Nồng độ eCO2 đo được: 400~8192ppm

Nồng độ TVOC đo được: 0~1187ppb

Đo mật độ bụi với giá trị từ 0-3.3.

Dùng cho hộ gia đình, xưởng làm việc, nhà kho,…

1.5 DỰ KIẾN KẾT QUẢ

Sản phẩm đo và gửi giữ liệu nhiệt độ và độ ẩm lên lên Web Server, sau đó hiện thịtrên cả Web Sever và Mongodb Chart

5

1.6 MODULE ESP32

1.6.1 THÔNG TIN VỀ ESP32

- ESP32 là một loạt vi điều khiển trên một vi mạch có giá cả và năng lượng thấp , hỗ trợ cảWiFi kèm Bluetooth chế độ kép Dòng ESP32 sử dụng bộ vi xử lý Tensilica Xtensa LX6 ởhai biến thể lõi kép và lõi đơn, ngoài ra còn bao gồm các công tắc antenna tích hợp, RFbalun, bộ khuếch đại công suất, bộ khuếch đại thu nhiễu thấp, bộ lọc và module quản lýnăng lượng ESP32 được chế tạo và phát triển bởi một công ty Trung Quốc có trụ sở tạiThượng Hải là Espressif Systems và được sản xuất bởi TSMC bằng cách sử dụng côngnghệ 40 nm ESP32 là sản phẩm kế thừa từ vi điều khiển ESP8266

- ESP32 thuộc dòng mô đun MCU đa dụng, mạnh mẽ, được dùng rất nhiều trong thiết kếmạch PCB Wifi - Bluetooth, BLE được ứng dụng rất nhiều về IoT hiện nay Phạm vi ứngdụng bao gồm mạng sensor tiết kiệm năng lượng và những ứng dụng có tác vụ phức có thể

kể đến âm nhạc trực tuyến, mã hóa âm thanh và MP3

1.6.2 THÔNG SỐ KỸ THUẬT ESP32

CPU

● CPU: Xtensa Dual-Core LX6 microprocessor

● Chạy hệ 32 bit

● Tốc độ xử lý 160MHZ up to 240 MHz

● Tốc độ xung nhịp đọc flash chip 40mhz > 80mhz (tùy chỉnh khi lập trình)

● RAM: 520 KByte SRAM

● 520 KB SRAM liền chip –(trong đó 8 KB RAM RTC tốc độ cao – 8 KB RAM RTC tốc độ thấp (dùng ở chế độ DeepSleep)

Hỗ trợ 2 giao tiếp không dây

● Wi-Fi: 802.11 b/g/n/e/i

● Bluetooth: v4.2 BR/EDR and BLE

Hỗ trợ các loại giao tiếp

● 8-bit DACs( digital to analog) 2 cổng

● Băm xung PWM (tất cả các chân )

● Ultra low power analog pre-amplifier’

Cảm biến tích hợp trên chip esp32

● 1 cảm biến Hall (cảm biến từ trường)

● 1 cảm biến đo nhiệt độ

● Cảm biến chạm (điện dung) với 10 đầu vào khác nhau

7

Hình STYLEREF 1 \s 1 SEQ Figure \* ARABIC \s 1 1: Sơ đồ chân ESP32

Nguồn điện hoạt động

Dựa trên một Máy chủ môi giới (Broker) dễ dàng cài đặt, có thiết kế đặc tính mở, đơngiản và không nhiều các xử lý

Giao thức MQTT rất phù hợp trong các điều kiện hoạt động như:

o Nơi có giá mạng viễn thông cao, tốc độ băng thông kém hoặc không ổn định

o Hoạt động trên hệ thống nhúng có giới hạn tốc độ và bộ nhớ thấp

o Hoạt động trên các ứng dụng Machine to Machine (M2M)

Hình 1-2: Phương thức hoạt động của MQTT

Cửa sổ soạn thảo gồm 4 thành phần chính:

● Nodes: chứa các mục Node palette gồm các Node bên trong

● Flow: nơi làm việc chính của người dùng.

● Deploy and Options: nút Deploy dùng để update các thay đổi trong Flow

và lưu các thay đổi Nút Options chứa các tùy chọn mở rộng và cài đặt

● Management: Chứa các tab Information, help, debug, messages,

configuration nodes, context data, dashboard

●

9

Hình STYLEREF 1 \s 1 SEQ Figure \* ARABIC \s 1 3: Các khu vực làm việc trên

1.9 MongoDB

- MongoDB là một cơ sở dữ liệu hướng tài liệu, một loại cơ sở dữ liệu NoSQL Do

đó, MongoDB tránh cấu trúc dựa trên bảng của cơ sở dữ liệu quan hệ,nhưng sử dụng một chế

độ rất linh hoạt gọi là BSON để lưu trữ các tài liệu giống JSON MongoDB sử dụng địnhdạng Document JSON để lưu trữ dữ liệu, vì vậy mỗi bộ sưu tập sẽ có kích thước và tài liệukhác nhau Dữ liệu được lưu trong tài liệu JSON nên tốc độ truy vấn rất nhanh

- Cửa sổ làm việc gồm thành phần chính:

Hình 1-4: Các khu vực trên Mongodb

1.10 Cảm Biến Độ Ẩm, Nhiệt Độ DHT21 AM2301

- Cảm biến gồm 2 phần, một cảm biến độ ẩm điện dung và một điện trở nhiệt để đonhiệt độ, độ ẩm

● Kích thước cơ thể 15,1mm x 25mm x 7,7mm

11

1.11 Cảm Biến đo Chất Lượng Không Khí CO2 VOC TVOC CCS811

- Là cảm biến sử dụng để đo và giám sát chất lượng môi trường với các thông số: khí CO2, khí VOC, TVOC, cảm biến dùng giao tiếp I2C với kích thước gọn gàng, đơn giản, độ chính xác cao, cập nhật liên tục theo thời gian, sử dụng ít điện, phù hợp cho hệ thống theo dõi thông số môi trường, đo chất lượng môi trường,

- Thông số kỹ thuật

● Điện áp sử dụng: 3.3VDC

● Dòng tiêu thụ: < 45mA

● Giao tiếp: I2C mức TTL 3.3VDC

● Khoảng nồng độ eCO2 đo được: 400~8192ppm

● Khoảng nồng độ TVOC đo được: 0~1187ppb

Hình 1-6: Cảm biến chất lượng không khí CO2 VOC TVOC CCS811

1.12 CẢM BIẾN BỤI GP2Y1010AU0F SHARP

- Cảm Biến đo Bụi GP2Y1010AU0F được dùng để phát hiện nồng độ bụi trongkhông khí, nguyên lý hoạt động dựa trên LED phát hồng ngoại tích hợp bên trong cảmbiến bụi, khi có bụi vào thì sẽ bị khúc xạ, làm giảm đi cường độ tia hồng ngoại làm điện

áp thay đổi và đo được mật độ bụi

Hình STYLEREF 1 \s 1 SEQ Figure \* ARABIC \s 1 5:

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

2.1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG

Hình 2-1: Sơ đồ khối của hệ thống

2.2 KHỐI CẢM BIẾN:

- Bao gồm: Cảm biến độ ẩm, nhiệt độ DHT21 AM2301; cảm biến bụi GP2Y1010AU0F SHARP;cảm biến chất lượng không khí CO2 VOC TVOC CCS811

- Chức năng: Thu thập dữ liệu về nhiệt độ,độ ẩm, mật độ bui, nồng độ CO2 và TVOC.

Hình 2-3: Cảm biến chất lượng không khí CO2 VOC TVOC CCS811

15

Hình STYLEREF 1 \s 2 SEQ Figure \* ARABIC \s 1 2: Cảm Biến Độ Ẩm, Nhiệt

Hình 2-4: Cảm biến bụi GP2Y1010AU0F SHARP

2.3 KHỐI TRUNG TÂM:

- Chức năng: tìm kiếm và tổng hợp dữ liệu, đưa dữ liệu lên Server thông qua giao thức truyền thông MQTT

- Linh kiện chính sử dụng: Module Wifi BLE

17

- Chức năng: Hiển thị thông tin môi trường trên Web Sever

- Nền tảng sử dụng: Node RED Dashboard

Hình 2-8: LCD 1602, mạch chuyển đổi giao tiếp I2C cho LCD

19

- Cung cấp nguồn cho hệ thống.

- Linh kiện sử dụng: Sử dụng nguồn trực tiếp từ cổng USB trên máy tính hoặc cục sạc điện thoại

2.9.3 MÔ HÌNH THỰC TẾ

Hình 2-13: Mô hình thực tế của hộp thu thập dữ liệu Hình STYLEREF 1 \s 2 SEQ Figure \* ARABIC \s 1 12: Mô hình 3D của hộp

Hình 2-14: Bên trong hộp thu thập dữ liệu

23

2.10 THIẾT KẾ GIAO DIỆN

2.10.1 LẬP TRÌNH ESP32

- Khai báo thư viện, khởi tạo các biến và quy ước các thư viện phụ

Hình STYLEREF 1 \s 2 SEQ Figure \* ARABIC \s 1 15: Phần đầu chương trình

- Viết chương trình con có nhiệm vụ kết nối Wifi và MQTT

Hình 2-16: Phần kết nối Wifi và MQTT

- Khai báo Setup

Hình 2-17: Khai báo SETUP

25

- Viết chương trình chính

Hình 2-18: Chương trình chính

2.10.2

2.10.3 THIẾT KẾ GIAO DIỆN GIÁM SÁT NODE RED

- Dùng khối Aedes broken và mqtt in để lấy giá trị môi trường từ MQTT

Hình 2-19: Khối MQTT in và thiết lập thông số

- Đưa giá trị đo được ra biểu đồ Gauge và tính giá trị trung bình (của 10 giây) theo thời gianthực Có nút điều khiển On-Off để bật tắt dữ liệu

27

Hình 2-20: Hiển thị giá trị đo trung bình và hiện tại

2.10.4 THÔNG TIN MÔI TRƯỜNG TRÊN NODE RED

- Bảng giám sát nhiệt độ hiện tại và giá trị đo trung bình 10 giây:

Hình 2-21: bảng giám sát theo thời gian thực

29

2.10.5 GIAO DIỆN GIÁM SÁT MONGO CHART

- Thêm các khối Function, InsertMany và MSG để gửi dữ liệu từ Node RED sang Mongodb

Hình 2-22: Sơ đồ Node RED sau khi kết nối khối gửi dữ liệu lên Mongodb

Hình 2-23: Lập trình cho khối Function gửi dữ liệu lên Mongodb

- Mongodb nhận dữ liệu từ Node RED chuyển qua.

Hình 2-24: Dữ liệu nhận được trên Mongodb

- Sử dụng dữ liệu nhận được để hiển thị công khai

Hình 2-25: Dùng dữ liệu nhận được hiển thị ra các biểu đồ

- Bảng giám sát sau khi hoàn thiện

31

Hình 2-26: Bảng giám sát sau khi hoàn thiện

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC HIỆN

3.1 MÔ HÌNH HOẠT ĐỘNG THỰC TẾ

- Hình ành hoạt động của mô hình

Hình 3-1: Hoạt động thực tế của mô hình

33

3.2 LẤY GIÁ TRỊ ĐO THÔNG QUA ESP32

- Giá trị đo thông qua cổng COM:

Hình 3-2: Giá trị thu được qua cổng COM

3.3 GIÁ TRỊ ĐO ĐƯỢC HIỂN THỊ TRÊN NODE RED DASHBOARD

- Giao diện giám sát trên Node RED dashboard

Hì

nh 3-3: Bảng quan sát dữ liệu môi trường trên Node Red Dashboard

Hình 3-4: Bảng quan sát dữ liệu môi trường trên Mongo Chart

35

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN

4.1 ƯU ĐIỂM

- Giá trị được hiển thị gần như tức thời, độ trể thấp

- Dễ dàng quan sát trên Node Red Dashboard và Mongo Chart

- Chi phí lắp đặt thấp, dễ dàng thay thế khi sãy ra hư hỏng

4.2 NHƯỢC ĐIỂM

- Tuổi thọ cảm biến dễ bị tác động bởi môi trường

- Các cảm biến rẻ tiền có sai số cao, không thích hợp ở khu vực cần độ chính sátcao

- Chưa có loa cảnh báo

4.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN

- Sử dụng cảm biến có độ bền, độ chính sát cao

- Nâng cấp thêm loa cảnh báo

● TÀI LIỆU THAM KHẢO