Nghiên cứu và thi công mô hình cảm biến sử dụng công nghệ 4g trên mô đun sim7000

TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH CẢM BIẾN SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ 4G TRÊN MÔ ĐUN SIM7000 II.. TÓM TẮT Hệ thống mạng di động đã trải qua một quá trình phát triển dài với các công ng

GVHD: THS GVC TRƯƠNG NGỌC ANH SVTH: NGUYỄN PHÚC TẤN

PHẠM QUỐC HOÀN

S K L 0 0 9 7 0 1

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGHIÊN CỨU VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH CẢM BIẾN SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ 4G TRÊN MÔ ĐUN SIM7000

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

-

NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Tp Hồ Chí Minh - 12/2022

Tp HCM, ngày 30 tháng 9 năm 2022

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: Nguyễn Phúc Tấn MSSV: 18161269

Chuyên ngành: Điện tử viễn thông Mã ngành: 161

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH CẢM BIẾN SỬ

DỤNG CÔNG NGHỆ 4G TRÊN MÔ ĐUN SIM7000

II NHIỆM VỤ

Nội dung thực hiện:

- Tìm hiểu về cách thức hoạt động của các cảm biến được sử dụng

- Viết chương trình điều khiển cho Arduino, mô đun sim 7000, nạp code và

chạy thử nghiệm sản phẩm

- Viết chương trình gửi dữ liệu từ các cảm biến của Arduino lưu trên cơ sở dữ

liệu MySQL

- Thiết kế giao diện WEB hiển thị dữ liệu nhận được từ cơ sở dữ liệu MySQL

- Thiết kế mô hình hệ thống cảm biến

- Thi công phần cứng, chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống

- Viết báo cáo thực hiện

- Bảo vệ luận văn

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05/01/2023

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS GVC Trương Ngọc Anh

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Tìm hiểu, lập trình mô đun sim + Arduino Tuần 3

LỜI CAM ĐOAN

Đề tài này là do nhóm chúng tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó Nếu có bất kỳ sự gian lận nào chúng tôi xin chịu trách nhiệm về nội dung đồ án của mình

Nhóm thực hiện đề tài

Cảm ơn ba mẹ và người thân đã luôn tin tưởng, ủng hộ trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Cảm ơn các bạn sinh viên khoa Điện điện tử đã hỗ trợ và chia sẻ kinh nghiệm, kiến thức trong thời gian thực hiện đề tài

Xin chân thành cảm ơn!

Nhóm thực hiện đề tài

MỤC LỤC

Khóa luận tốt nghiệp i

Nhiệm vụ khóa luận tốt nghiệp ii

Lịch trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp iii

Lời cam đoan v

Lời cảm ơn vi

Mục lục vii

Liệt kê hình vẽ x

Liệt kê bảng xiii

Tóm tắt xiv

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

Đặt vấn đề 1

Mục tiêu 1

Mội dung nghiên cứu 2

Giới hạn 2

Bố cục 2

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

Lịch sử phát triển mạng di động 4

2.1.1 Mạng 1G 4

2.1.2 Mạng 2G 4

2.1.3 Mạng 3G 5

2.1.4 Mạng 4G 5

2.1.5 Mạng 5G 6

Giới thiệu phần cứng 7

2.2.1 Tổng quan về mô đun sim A7670C-LASS 7

2.2.2 Tổng quan về Arduino Nano 11

2.2.3 Tổng quan về mô đun giảm áp Buck DC-DC LM2596 3A 14

2.2.4 Tổng quan về mạch chuyển mức logic 4 kênh 15

2.2.5 Tổng quan về mạch sạc pin 18650 2S 16

2.2.6 Tổng quan về cảm biến DHT11 18

2.2.7 Tổng quan về cảm biến BH1750 20

2.2.8 Tổng quan về cảm biến chuyển động HCSR 501 22

2.2.9 Tổng quan về cảm biến tốc độ gió SEN0170 24

2.2.10 Tổng quan về cảm biến khí gas MQ2 26

2.2.11 Tổng quan về cảm biến phát hiện lửa 27

2.2.12 Tổng quan về tấm pin mặt trời 29

2.2.13 Tổng quan về pin lithium 31

Giới thiệu phần mềm 33

2.3.1 Tìm hiểu về web server 33

2.3.2 Giới thiệu về HTML, CSS, PHP 35

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 39

Giới thiệu 39

Tính toán và thiết kế hệ thống 39

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 39

3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch 41

3.2.3 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 54

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 56

Giới thiệu 56

Thi công hệ thống 56

4.2.1 Thi công bo mạch 56

4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra 60

Đóng gói và thi công mô hình 61

4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển 61

4.3.2 Thi công mô hình 62

Lập trình hệ thống 65

4.4.1 Lưu đồ giải thuật 66

4.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển 73

4.4.3 Phần mềm lập trình web 76

4.4.4 Phần mềm mô phỏng web server 78

Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng, thao tác 81

4.5.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng 81

4.5.2 Quy trình thao tác 82

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 84

Kết quả thu được 84

Đánh giá hoạt động của hệ thống 102

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 103

Kết luận 103

Hướng phát triển 103

TÀI LIỆU THAM KHẢO 104

LIỆT KÊ HÌNH VẼ

Hình 2-1 Mạng 2G 5

Hình 2-2 Mạng 3G 5

Hình 2-3 Mạng 4G 6

Hình 2-4 Mạng 5G 6

Hình 2-5 Mô đun sim A7670C-LASS 7

Hình 2-6 Arduino Nano 11

Hình 2-7 Sơ đồ chân chi tiết của Nano 13

Hình 2-8 Mô đun giảm áp Buck DC-DC LM2596 14

Hình 2-9 Mạch chuyển mức logic 4 kênh 15

Hình 2-10 Sơ đồ chân mạch chuyển mức logic 4 kênh 16

Hình 2-11 Mạch sạc pin 18650 2S 17

Hình 2-12 Sơ đồ kết nối mạch sạc pin 18

Hình 2-13 Mô đun cảm biến DHT11 18

Hình 2-14 Sơ đồ chân DHT11 19

Hình 2-15 Cảm biến ánh sáng BH1750 20

Hình 2-16 Sơ đồ chân BH1750 21

Hình 2-17 Cảm biến chuyển động HCSR 501 22

Hình 2-18 Sơ đồ chân cảm biến chuyển động 23

Hình 2-19 Cảm biến tốc độ gió 24

Hình 2-20 Dây cáp kết nối cảm biến gió 25

Hình 2-21 Cảm biến khí gas MQ2 26

Hình 2-22 Sơ đồ mạch cảm biến MQ2 27

Hình 2-23 Cảm biến phát hiện lửa 28

Hình 2-24 Sơ đồ chân cảm biến phát hiện lửa 29

Hình 2-25 Cấu tạo một tế bào (cell) pin mặt trời 30

Hình 2-26 Cấu tạo pin lithium 31

Hình 2-27 Quá trình sạc/xả pin Lithium 32

Hình 2-28 Web server 33

Hình 2-29 HTML 35

Hình 2-30 CSS 36

Hình 2-31 PHP 37

Hình 3-1 Sơ đồ khối mô hình 1 39

Hình 3-2 Sơ đồ khối mô hình 2 40

Hình 3-3 Chóa led cầu 43

Hình 3-4 Mạch mosfet chỉnh công suất đèn 44

Hình 3-5 Mạch so sánh opamp kiểm tra led 45

Hình 3-6 Mạch đo áp tấm pin mặt trời 47

Hình 3-7 Trang đăng nhập web 48

Hình 3-8 Trang chính web 49

Hình 3-9 Giao diện chi tiết 50

Hình 3-10 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 50

Hình 3-11 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 1 54

Hình 3-12 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 2 55

Hình 4-1 Sơ đồ bố trí linh kiện mô hình 1 58

Hình 4-2 Sơ đồ bố trí linh kiện mô hình 2 58

Hình 4-3 Mạch in lớp dưới mô hình 1 59

Hình 4-4 Mạch in lớp dưới mô hình 2 59

Hình 4-5 Bo mạch mô hình 1 60

Hình 4-6 Bo mạch mô hình 2 60

Hình 4-7 Bo mạch 1 sau khi được cố định bên trong mô hình 61

Hình 4-8 Bo mạch 2 sau khi được cố định bên trong mô hình 61

Hình 4-9 Mô hình 1 hoàn thiện 62

Hình 4-10 Hộp điện và led trên mô hình 1 63

Hình 4-11 Mô hình 1 hoàn thiện 64

Hình 4-12 Mô hình 2 hoàn thiện 65

Hình 4-13 Lưu đồ giải thuật mô hình 1 66

Hình 4-14 Lưu đồ giải thuật kiểm tra trạng thái mô đun sim 67

Hình 4-15 Lưu đồ giải thuật điều khiển đèn 68

Hình 4-16 Lưu đồ giải thuật mô hình 2 69

Hình 4-17 Lưu đồ giải thuật chương trình con báo cháy 70

Hình 4-18 Lưu đồ giải thuật chương trình con báo khói 71

Hình 4-19 Mô hình điều khiển web server 72

Hình 4-20 Mô hình điều khiển website 72

Hình 4-21 Nhấp vào “Win 10 and newer, 64 bits” 73

Hình 4-22 Giao diện tải xuống 74

Hình 4-23 Giao diện cài đặt Arduino IDE 74

Hình 4-24 Giao diện chọn địa chỉ lưu trữ 75

Hình 4-25 Biểu tượng Arduino IDE 75

Hình 4-26 Giao diện Arduino IDE 75

Hình 4-27 Giao diện tải xuống VS Code 76

Hình 4-28 Giao diện cài đặt Visual Studio Code 77

Hình 4-29 Giao diện Visual Studio Code 77

Hình 4-30 Giao diện tải xuống XAMPP 79

Hình 4-31 Cửa sổ cài đặt XAMPP 79

Hình 4-32 Cửa sổ lựa chọn tiện ích cài đặt 80

Hình 4-33 Quy trình thao tác mô hình 1 82

Hình 4-34 Quy trình thao tác mô hình 2 82

Hình 4-35 Giao diện xuất dữ liệu 83

Hình 4-36 Thiết lập thời gian mong muốn 83

Hình 4-37 Bấm nút tải về 83

Hình 5-1 Mô hình 1 84

Hình 5-2 Mô hình 1 85

Hình 5-3 Mô hình 1 86

Hình 5-4 Mô hình 1 đang hoạt động 87

Hình 5-5 Mô hình 1 đang hoạt động 88

Hình 5-6 Dữ liệu mô hình 1 gửi lên web 88

Hình 5-7 Mô hình 1 đang hoạt động 89

Hình 5-8 Mô hình 1 đang hoạt động 90

Hình 5-9 Dữ liệu mô hình 1 gửi lên web 90

Hình 5-10 Mô hình 1 đang hoạt động 91

Hình 5-11 Dữ liệu mô hình 1 gửi lên web 91

Hình 5-12 Mô hình 1 đang hoạt động 92

Hình 5-13 Dữ liệu mô hình 1 gửi lên web 92

Hình 5-14 Dữ liệu mô hình 1 gửi lên web 93

Hình 5-15 Đo điện áp tấm pin mặt trời mô hình 1 93

Hình 5-16 Dữ liệu mô hình 1 gửi lên web 94

Hình 5-17 Đo điện áp tấm pin mặt trời mô hình 1 94

Hình 5-18 Dữ liệu mô hình 1 gửi lên web 95

Hình 5-19 Mô hình 2 95

Hình 5-20 Mô hình 2 đang hoạt động 96

Hình 5-21 Dữ liệu mô hình 2 gửi lên web 96

Hình 5-22 Mô hình 2 đang hoạt động 97

Hình 5-23 Dữ liệu mô hình 2 gửi lên web 97

Hình 5-24 Mô hình 2 đang hoạt động 98

Hình 5-25 Dữ liệu mô hình 2 gửi lên web 98

Hình 5-26 Giao diện đăng nhập 99

Hình 5-27 Giao diện chính 99

Hình 5-28 Tập tin excel trích xuất từ web 100

Hình 5-29 Giao diện chi tiết 101

LIỆT KÊ BẢNG

Bảng 2-1 Bảng lệnh kiểm tra và điều khiển trạng thái mô đun 8

Bảng 2-2 Bảng lệnh điều khiển tin nhắn 9

Bảng 2-3 Bảng lệnh HTTP 9

Bảng 2-4 Bảng lệnh MQTT 10

Bảng 2-5 Các chế độ đo của BH1750 22

Bảng 2-6 Tốc độ gió theo điện áp 26

Bảng 3-1 Bảng so sánh các cảm biến nhiệt độ độ ẩm 41

Bảng 3-2 Bảng so sánh các cảm biến ánh sáng 42

Bảng 3-3 Bảng so sánh các bo Arduino 43

Bảng 3-4 Bảng chu kỳ xung PWM 44

Bảng 3-5 Dòng và điện áp làm việc của mô hình 1 51

Bảng 3-6 Dòng và điện áp làm việc của mô hình 2 53

Bảng 4-1 Danh sách các linh kiện 56

TÓM TẮT

Hệ thống mạng di động đã trải qua một quá trình phát triển dài với các công nghệ khác nhau Mạng 2G ra đời từ năm 1992, cho đến nay hầu hết mạng 2G sử dụng các dải tần có giá trị, mang lại vùng phủ sóng lớn và khả năng thâm nhập trong tòa nhà Tuy nhiên, cần loại bỏ dần mạng di động 2G giúp giải phóng không gian, phân

bổ lại băng tần cho các mạng lưới mới hơn, nhanh hơn với các thiết bị đang sử dụng mạng 4G và 5G trong tương lai

Các nhà mạng trên toàn thế giới đang tiến tới tắt sóng mạng 2G 3G hoặc dự định thực hiện trong tương lai gần Việc tắt sóng các mạng di động cũ giúp giảm chi phí duy trì, giảm mức tiêu thụ năng lượng và làm đơn giản hóa hoạt động mạng

Tại Việt Nam, trong chương trình chuyển đổi số quốc gia đến năm 2025 định hướng đến 2030 Mục tiêu trọng điểm là phổ cập mạng 4G, tích hợp công nghệ 4G/5G đối với các sản phẩm thiết bị di động, các thiết bị IoT và loại bỏ kết nối 2G nhằm tạo không gian phát triển mạng 5G Do đó ứng dụng công nghệ 4G trong các dự án IOT

là một xu hướng tất yếu

Hiện nay, đã có nhiều đồ án về mô đun sim sử dụng mạng 2G như: “Thiết kế

và thi công hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm, cường độ gió, cường độ sáng qua SMS dùng nguồn pin và sạc bằng năng lượng mặt trời” của Lê Trọng Hoàng và Võ Đình Luân năm 2019 Đề tài trên sử dụng mô đun SIM800L, đây là một đề tài hay nhưng

sử dụng mạng 2G đã cũ, không còn thích hợp để ứng dụng

Từ những khảo sát, tìm hiểu và với mong muốn tạo nên một hệ thống sử dụng

mạng 4G, kết hợp cảm biến có thể giám sát từ xa Nhóm xin chọn đề tài “Nghiên cứu

và thi công mô hình cảm biến sử dụng công nghệ 4G trên mô đun SIM7000”

Chương 1 TỔNG QUAN

ĐẶT VẤN ĐỀ

Hệ thống mạng di động đã trải qua một quá trình phát triển dài với các công nghệ khác nhau Mạng 2G ra đời từ năm 1992, cho đến nay hầu hết mạng 2G sử dụng các dải tần có giá trị, mang lại vùng phủ sóng lớn và khả năng thâm nhập trong tòa nhà Tuy nhiên, cần loại bỏ dần mạng di động 2G giúp giải phóng không gian, phân

bổ lại băng tần cho các mạng lưới mới hơn, nhanh hơn với các thiết bị đang sử dụng mạng 4G và 5G trong tương lai

Các nhà mạng trên toàn thế giới đang tiến tới tắt sóng mạng 2G 3G hoặc dự định thực hiện trong tương lai gần Việc tắt sóng các mạng di động cũ giúp giảm chi phí duy trì, giảm mức tiêu thụ năng lượng và làm đơn giản hóa hoạt động mạng

Tại Việt Nam, trong chương trình chuyển đổi số quốc gia đến năm 2025 định hướng đến 2030 Mục tiêu trọng điểm là phổ cập mạng 4G, tích hợp công nghệ 4G/5G đối với các sản phẩm thiết bị di động, các thiết bị IoT và loại bỏ kết nối 2G nhằm tạo không gian phát triển mạng 5G [4] Do đó ứng dụng công nghệ 4G trong các dự án IOT là một xu hướng tất yếu

Hiện nay, đã có nhiều đồ án về mô đun sim sử dụng mạng 2G như: “Thiết kế

và thi công hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm, cường độ gió, cường độ sáng qua SMS dùng nguồn pin và sạc bằng năng lượng mặt trời” của Lê Trọng Hoàng và Võ Đình Luân năm 2019 [1] Đề tài trên sử dụng mô đun SIM800L, đây là một đề tài hay nhưng sử dụng mạng 2G đã cũ, không còn thích hợp để ứng dụng

Từ những khảo sát, tìm hiểu và với mong muốn tạo nên một hệ thống chiếu sáng hiệu quả hơn, kết hợp cảm biến có thể giám sát từ xa Nhóm xin chọn đề tài

“Nghiên cứu và thi công mô hình cảm biến sử dụng công nghệ 4G trên mô đun SIM7000”

MỤC TIÊU

Nghiên cứu và thi công mô hình cảm biến gồm mô hình cảm biến 1: cảm biến

đo nhiệt độ-độ ẩm, cảm biến chuyển động, cảm biến tốc độ gió và mô hình cảm biến

2: cảm biến khí gas, cảm biến cường độ sáng, cảm biến nhiệt độ-độ ẩm, cảm biến phát hiện lửa Hệ thống cảm biến được giám sát trên web và điện thoại thông qua mạng 4G/LTE dùng mô đun sim7000

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Trong quá trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp với đề tài Nghiên cứu và thi công

mô hình cảm biến sử dụng công nghệ 4G trên mô đun SIM7000, nhóm chúng em dự kiến tập trung giải quyết những nội dung sau:

- Nội dung 1: Kết nối cảm biến với Arduino

- Nội dung 2: Kết nối mô đun SIM7000 với Arduino

- Nội dung 3: Kết nối mô đun SIM7000 với internet để cập nhật dữ liệu dùng

cho việc hiển thị

- Nội dung 4: Tính toán công suất nguồn và công suất pin năng lượng mặt trời

- Nội dung 5: Thiết kế giao diện hiển thị dữ liệu trên web

- Nội dung 6: Thiết kế mô hình hệ thống

- Nội dung 7: Chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống

- Nội dung 8: Viết báo cáo thực hiện

- Nội dung 9: Bảo vệ luận văn

GIỚI HẠN

- Thiết kế 2 mô hình cảm biến

- Gửi dữ liệu lên server, gửi tin nhắn SMS đến điện thoại và theo dõi qua giao diện web

BỐ CỤC

 Chương 1: Tổng quan

Chương này trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, giới hạn bố cục của đồ án

 Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Giới thiệu các linh kiện, thiết bị sử dụng thiết kế hệ thống, trình bày các lý thuyết liên quan đến đề tài

 Chương 3: Tính toán và thiết kế

Tính toán thiết kế, đưa ra sơ đồ nguyên lý của hệ thống

 Chương 4: Thi công hệ thống

Nội dung chương sẽ trình bày tóm tắt quá trình thực hiện thi công hệ thống: Liệt kê linh kiện, thi công các khối, hình ảnh toàn hệ thống sau khi hoàn thiện, lưu đồ giải thuật…

 Chương 5: Kết quả, nhận xét, đánh giá

Sau khi thi công hệ thống trình bày kết quả thu được đồng thời rút ra nhận xét đánh giá

 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Trình bày ngắn gọn kết quả thu được dựa trên mục tiêu và nội dung nghiên cứu Đưa ra hướng phát triển cho đề tài

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

âm thanh nhiễu, không hề có bảo mật và dung lượng pin của điện thoại cũng không cao Tốc độ khi đó của mạng vào khoảng 2,4 Kbps

2.1.2 Mạng 2G

Thế hệ mạng di động tiếp theo của 1G, mạng 2G hay hệ thống thông tin di động toàn cầu (GSM) được thử nghiệm triển khai lần đầu tiên tại Phần Lan năm 1991 Việc chuyển đổi từ truyền thông tương tự sang truyền thông số là một bước cải tiến lớn, mạng 2G lúc này không chỉ cung cấp dịch vụ thoại mã hoá kĩ thuật số, cải thiện chất lượng âm thanh, giảm nhiễu mà còn hỗ trợ lưu dữ liệu nhắn tin SMS, nhắn tin đa phương tiên MMS, tốc độ đã cải thiện hơn so với 1G đạt khoảng 10 Kbps Sau nhiều cải tiến thì đã có thể đạt tới 500 Kbps với các công nghệ GPRS, EDGE

Tuy hiện nay đã được thay thế bởi nhiều công nghệ mới, nhưng mạng 2G vẫn được sử dụng ở nhiều nơi trên thế giới bao gồm cả Việt Nam

Hình 2-1 Mạng 2G

2.1.3 Mạng 3G

Mạng di động thế hệ thứ 3 được triển khai lần đầu tại Nhật Bản, hỗ trợ truyền tải dữ liệu điện thoại như nghe gọi, SMS, gửi mail, tải dữ liệu, hình ảnh Chất lượng mạng 3G cũng được cải thiện đáng kể so với mạng 2G, có thể truy cập internet tốc

độ cao ngay khi đang di chuyển, khả năng truyền dữ liệu nhanh gấp 4 lần 2G trung bình lên tới 2 Mbps, nhờ vậy mà có thể hiện thực hoá việc phát sóng trực tiếp các video hội thoại, hội nghị

Hình 2-2 Mạng 3G

2.1.4 Mạng 4G

Được triển khai lần đầu vào năm 2009, mạng di động 4G lúc đó được gọi với tên gọi LTE do chưa đạt đến ngưỡng tốc độ tối thiểu (12,5 Mbps) Mạng LTE (Long-term evolution) có nhiều phiên bản cải tiến tốc độ tiêu biểu là LTE Cat 1 hỗ trợ tốc

độ tải xuống ở mức 10 Mbps và tải lên 5Mbps thích hợp cho các tình huống không cần tốc độ truyền tải nhanh nhưng yêu cầu độ tin cậy cao của mạng 4G phù hợp cho các dự án IoT

Hiện nay mạng 4G cung cấp khả năng truy cập mạng tốc độ cao lên đến 1 Gbps đối với người dùng cố định như truyền tải video hội nghị, trực tiếp sự kiện ở độ phân giải Full-HD, 4K, công suất và hiệu suất hoạt động cao với việc đáp ứng cùng lúc hơn 300 người dùng, tốc độ mã hoá nhanh hơn, nén nhiều dữ liệu hơn so với 3G

Hình 2-3 Mạng 4G

2.1.5 Mạng 5G

Mạng di động 5G được triển khai lần đầu tại Hàn Quốc vào năm 2019, theo lý thuyết, tốc độ của nó có thể đạt đến gần 170 Mbps, nhanh hơn nhiều so với 4G Điểm phát triển lớn của 5G so với người tiền nhiệm đó là độ trễ (trung bình 4G khoảng 50ms – 5G chỉ có 10ms và độ trễ còn có thể giảm xuống đến 1ms), kích thước băng thông (trải dài từ 30GHz đến 300GHz), tốc độ tải lên, tải xuống được tăng lên đáng

kể

Hình 2-4 Mạng 5G

GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG

2.2.1 Tổng quan về mô đun sim A7670C-LASS

 Giới thiệu sơ lược về mô đun A7670C-LASS

Mô đun được thiết kế dựa trên chip A7670C-LASS của hãng SIMCOM, đây

là phiên bản rút gọn hỗ trợ 4G-LTE, nhắn tin SMS, HTTP, MQTT… và không hỗ trợ gọi thoại, GPS Mô đun có thể giao tiếp nhận và gửi lệnh với vi điều khiển thông qua giao thức UART và sử dụng tập lệnh AT để điều khiển

Hình 2-5 Mô đun sim A7670C-LASS

 Thông số kĩ thuật

- Nguồn cấp: 5-16V

- Mạng hỗ trợ: LTE Cat1

- Kiểu khay sim: Nano SIM, Open-Lock

- Logic I/O: TTL (Serial 3.3V)

- Dòng ở chế độ ngủ: 2.5mA

- Dòng ở chế độ chờ: 24mA

- Dòng khi truy cập mạng: ~600mA

- Dòng tiêu thụ tối đa: 2A

- Tốc độ truyền tải: 10(DL)/5(UL) Mbps

- Hỗ trợ tin nhắn SMS

- Băng tần hỗ trợ: LTE-FDD: B1/B3/B5/B8

LTE-TDD: B34/B38/B39/B40/B41

- Giao thức hỗ trợ:

TCP/IP/IPV4/IPV6/Multi-PDP/FTP/FTPS/HTTP/HTTPS/DNS

- Chức năng các chân mô đun:

- VCC: cấp nguồn cho mô đun, nguồn cấp trong khoảng từ 5V đến 16V

- GND: chân nối đất

- RX: chân UART nhận lệnh từ vi điều khiển

- TX: chân gửi dữ liệu về vi điều khiển

- NET: chân anten

- RST: chân điều khiển reset

- PWK: chân bật/tắt mô đun

 Tập lệnh kiểm tra và điều khiển trạng thái mô đun

Bảng 2-1 Bảng lệnh kiểm tra và điều khiển trạng thái mô đun

thái SIM

lượng tin hiệu

ký mạng

LTE, Online, 460-01, 0x230A,

175499523, 318, BAND3,1650,5,0,21,67,255,19

Revision: A7670C-LASS IMEI: 3516020345688570 +GCAP: +CGSM,+FCLASS,+DS

 Tập lệnh AT điều khiển tin nhắn:

Bảng 2-2 Bảng lệnh điều khiển tin nhắn

AT+CMGF=1 Chọn định dạng tin nhắn SMS ở dạng

kí tự AT+CMGS="84XXXXXXXXX" Gửi tin nhắn, 84 là mã khu vực Việt

Nam, X là số điện thoại, sau khi gửi lệnh sẽ bắt đầu nhập nội dung tin nhắn

Để gửi tin nhắn đi thì cần gửi kí tự char(26) đối với Arduino AT+CMGR=X Đọc tin nhắn trong bộ nhớ, X là địa chỉ

tin nhắn cần đọc, thông tin đưa ra gồm

nội dung, số điện thoại AT+CPMS? Hiển thị thông tin số lượng lưu trữ tin

AT+HTTPPARA=”URL”,<url> Đặt địa chỉ muốn truy cập, địa chỉ

URL bắt đầu ghi tại <url> và được đặt

trong 2 dấu ngoặc kép AT+HTTPACTION=<method> Chọn phương thức HTTP:

0 GET, 1 POST, 2 HEAD, 3 DELETE, 4 PUT

AT+CMQTTACCQ=X, “ten-client”, Y Đặt tên client để để thực hiện kết nối

đến MQTT Broker, X là 0 hoặc 1 biểu thị số lượng client, Y nếu đặt 0 thì kết nối MQTT broker dùng TCP, nếu 1 thì kết nối MQTT broker dùng

giao tiếp AT+CMQTTTOPIC=0, 9 Dùng để chọn topic muốn gửi đến

Chọn client đã đặt và thiết lập độ dài

tối đa cua topic

AT+CMQTTPAYLOAD= 0, 15 Nhập tin nhắn muốn gửi đến broker,

chọn client 0 đã đặt trước đó và độ dài

của tin nhắn

2.2.2 Tổng quan về Arduino Nano

 Giới thiệu sơ lược về Arduino Nano

Mạch điện Arduino Nano V3.0 ATmega328P là bản thu gọn của các bo như uno rất thích hợp cho các dự án cần sự nhỏ gọn và tiện lợi

Bo mạch Arduino Nano V3 sử dụng chip Atmega328-AU nên có thêm 2 chân Analog A6, A7 Trên bo có một opamp có chức năng tự động chuyển nguồn khi nguồn cấp đó lớn hơn nguồn đang dùng Arduino Nano sử dụng chip CH340 để giao

tiếp nên giá thành rẻ hơn

Hình 2-6 Arduino Nano

 Thông số kỹ thuật

- IC chính: ATmega328P-AU

- IC nạp và giao tiếp UART: CH340

- Điện áp cấp: 5VDC cổng USB hoặc 7-12VDC chân Vin

- Mức điện áp giao tiếp GPIO: TTL 5VDC

- Dòng GPIO: 40mA

- Số chân Digital: 14 chân, trong đó có 6 chân PWM

- Số chân Analog: 8 chân (hơn Arduino Uno 2 chân)

- Flash Memory: 32KB (2KB Bootloader)

 Nguồn cấp cho Arduino

Arduino nano có thể cấp nguồn vào mini USB hoặc nguồn ngoài cấp vào chân Vin Điện áp cấp chân Vin phải từ 7V đến 12V theo khuyến cáo nhà sản xuất Nếu cấp nguồn lớn hơn 12V thì IC ổn áp có thế bị quá nhiệt gây hư hỏng mạch

Chân cấp nguồn gồm:

- GND (Ground): Cực âm của nguồn cấp cho Arduino

- 5V: Cấp 5V đầu ra, dòng tối đa ở chân này là 500mA

- 3.3V: Cấp 3.3V đầu ra, dòng tối ra tói đa 50mA

- Vin (Voltage Input): Chân cấp nguồn 7V đến 12V cho Arduino

- REF: Tham chiếu điện áp hoạt động của vi xử lí

 Các ngõ vào/ra (I/O pins) của Arduino Nano

Hình 2-7 Sơ đồ chân chi tiết của Nano

Arduino Nano có 14 chân digital Mỗi chân digital đều có thể lập trình là ngõ vào hoặc ngõ ra Điện áp ra của mỗi chân là 5V với dòng tối đa 40mA và có điện trở kéo lên từ 20 – 50Kohm Ngoài ra còn một số chân có chức năng riêng biệt:

- 0 (RX), 1 (TX) dùng để nhận (RX) và truyền (TX) dữ liệu nối tiếp TTL

- 2, 3 là 2 chân dùng ngắt ngoài (exernal interrupts)

- 3, 5, 6, 9, 10, 11 là chân cung cấp PWM 8-bit với hàm analogWrite()

- 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) hỗ trợ giao tiếp SPI

- 13 được tích hợp với một LED khi chân có giá trị cao LED bật và ngược lại Nano có 8 chân analog 10 bit (0 – 1023) có giá trị đo từ 0 đến 5V Chân 6,7 không thể sử dụng làm chân kỹ thuật số Ngoài ra còn có một số chân có chức năng riêng biệt:

- A4 (SDA), A5 (SCL) dùng để giao tiếp I2C

- AREF chân điện áp tham chiếu dùng cho tín hiệu analog ngõ vào

- RESET dùng để reset vi điều khiển

2.2.3 Tổng quan về mô đun giảm áp Buck DC-DC LM2596 3A

 Giới thiệu sơ lược về mô đun

Mạch hạ áp DC LM2596S có thể giảm áp từ 30V xuống 1.5V nhưng vẫn giữ hiệu suất cao tới 92% Phù hợp với các ứng dụng cần chia nguồn, hạ áp như điều khiển motor, mạch sạc, …

Hình 2-8 Mô đun giảm áp Buck DC-DC LM2596

 Thông số kỹ thuật

- Điện áp đầu vào: Từ 4V đến 35V

- Điện áp đầu ra: Từ 1.25 đến 30V

- IN+: Nối ngõ vào dương

- IN-: Nối ngõ vào âm

- OUT+: Nối ngõ ra dương

- OUT-: Nối ngõ ra âm

 Nguyên lý hoạt động

Mô đun hoạt động dựa theo nguyên lý mạch hạ áp Buck Buck hoạt động bằng cách dùng các khóa mạch thực hiện việc chuyển mạch điện tử là Mosfet hoặc có thể dùng BJT nhằm nối tải với nguồn trong một khoảng thời gian nhất định theo chu kỳ

T nhất định của mạch Lúc này điện áp ngõ ra sẽ thay đổi phụ thuộc vào chu kỳ T và thời gian đóng cắt của khóa chuyển mạch trong mạch Buck

2.2.4 Tổng quan về mạch chuyển mức logic 4 kênh

 Giới thiệu sơ lược

Mạch chuyển mức tín hiệu logic 3.3V sang 5V theo 2 chiều và có tất cả là 4 kênh Mạch chuyển đổi với tốc độ cao nên có thể hỗ trợ các giao tiếp UART ,SPI, I2C

Hình 2-9 Mạch chuyển mức logic 4 kênh

 Thông số kỹ thuật

- Mô đun giảm tín hiệu 5V xuống 3.3V và đồng thời tăng từ 3.3V-5V

- Mô đun này cũng có thể hoạt động với các thiết bị 2.8V và 1.8V

- Có 4 kênh chuyển đổi độc lập với nhau

- Hỗ trợ giao tiếp: I2C, UART, SPI, 1-wire,

 Giới thiệu sơ lược

Mạch Sạc Pin 2 Viên 18650 quản lí sạc được 2 pin lithium hoặc 2 pin tương

tự Mạch có bảo vệ quá dòng, quá áp, ngắn mạch Khi ngắn mạch cần phải sạc phục hồi

- Dòng điện tức thời giới hạn trên: 10A

- Điều kiện bảo quản: -40 + 80 ℃

- B+: Nối đầu pin có điện áp + 7.4V

- B+: Nối đầu pin có điện áp 0V

- BM: Nối đầu pin có điện áp +3.7V

- P+: Tải/sạc dương

- P-: Tải/sạc âm

Hình 2-12 Sơ đồ kết nối mạch sạc pin

2.2.6 Tổng quan về cảm biến DHT11

 Giới thiệu sơ lược

Mô đun cảm biến nhiệt độ độ ẩm được sử dụng khá phổ biến do giá thành rẻ, kết nối dễ dàng với chuần giao tiếp one wire đơn giản

Hình 2-13 Mô đun cảm biến DHT11

 Thông số kỹ thuật

- Điện áp đầu vào từ 3 đến 5VDC

- Các chân cách nhau 0.1"

- Đo tốt ở dải nhiệt độ từ 0 đến 55 độ C với sai số +- 2 độ C

- Đo tốt ở độ ẩm 20 - 90 % RH với sai số 5%

- Tần số lấy mẫu tối đa 1%

- Byte 1: Giá trị phần nguyên của độ ẩm (RH%)

- Byte 2: Giá trị phần thập phân của độ ẩm (RH%)

- Byte 3: Giá trị phần nguyên của nhiệt độ (°C)

- Byte 4: Giá trị phần thập phân của nhiệt độ (°C)

- Byte 5: Kiểm tra tổng

Byte 5 có giá trị bằng tổng các byte 1, 2, 3, 4 thì đo nhiệt độ, độ ẩm chính xác còn nếu byte 5 có giá trị khác thì phép đo sai

2.2.7 Tổng quan về cảm biến BH1750

 Giới thiệu sơ lược

Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 được sử dụng để đo cường độ ánh sáng theo đơn vị lux, với ADC nội và bộ tiền xử lý nên ngõ ra cảm biến là cường độ ánh sáng lux giao tiếp bằng chuẩn I2C

Hình 2-15 Cảm biến ánh sáng BH1750

 Thông số kỹ thuật

- Nguồn: 3~5VDC

- Tiêu thụ dòng điện thấp: 0,12mA

- Điện áp giao tiếp: TTL 3.3~5VDC

- Chuẩn giao tiếp: I2C

- Khoảng đo: 1 -> 65535 lux

- Độ chính xác: +/- 20%

- Kích cỡ: 21*16*3.3mm

Một số mẫu về cường độ của ánh sáng:

- Vào buổi tối: 0.001 - 0.02 Lux

- Ánh trăng: 0.02 - 0.3 lux

- Trời nhiều mây trong nhà: 5 - 50 lux

- Trời nhiều mây ngoài trời: 50 - 500 lux

- Trời nắng trong nhà: 100 - 1000 lux

- Ánh sáng cần thiết để đọc sách: 50 - 60 lux

 Chức năng các chân

- VCC: Chân cấp nguồn mô đun từ 2.4V đến 3.6V, thường sử dụng 3V

- GND: Chân nối đất

- SCL: Chân xung clock cấp xung nhịp cho giao thức I2C

- SDA: Chân truyền dữ liệu giao thức I2C

- ADDR: Chân địa chỉ chọn địa chỉ thiết bị giao tiếp khi có nhiều hơn hai mô đun kết nối

(Chân ADDR thả nổi hoặc kết nối với GND → địa chỉ:0x23

Chân ADDR kết nối với VCC → địa chỉ: 0x5C)

Hình 2-16 Sơ đồ chân BH1750

 Các chế độ đo

Cảm biến hỗ trợ hai chế độ đo khác nhau: chế độ đo liên tục và chế độ đo một lần Mỗi chế độ hỗ trợ ba chế độ phân giải khác nhau

Bảng 2-5 Các chế độ đo của BH1750

Chế độ độ phân giải thấp 16 ms 4 lux

Chế độ độ phân giải cao 120 ms 1 lux

Chế độ độ phân giải cao 2 120 ms 0,5 lux

Ở chế độ đo liên tục, cảm biến liên tục đo các giá trị ánh sáng xung quanh Trong chế độ đo một lần, cảm biến đo giá trị ánh sáng xung quanh một lần, sau đó chuyển sang chế độ tắt nguồn

2.2.8 Tổng quan về cảm biến chuyển động HCSR 501

 Giới thiệu sơ lược

Cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR (Passive infrared sensor) HC-SR501 dùng để phát hiện chuyển động của các nguồn phát ra hồng ngoại (con người, con vật, các vật phát nhiệt…), cảm biến có thể chỉnh được độ nhạy và thời gian trễ bằng biến trở tích hợp sẵn

- + H lặp lại kích hoạt

- Thời gian trễ: 5 – 200s có thể điều chỉnh từ 0,xx đến hàng chục giây

- Thời gian khóa: 2.5s (mặc định)

Mô đun có hai biến trở để tùy chỉnh độ trễ và độ nhạy của cảm biến Cảm biến

có hai chế độ hoạt dộng chuyển đổi qua lại bằng jumper gồm:

- Chế độ L điện áp ra Vout tự chuyển về 0 khi hết thời gian trễ dù vẫn có chuyển động

- Chết độ H điện áp ra Vout tự động giữ nguyên 3,3V cho đến khi không còn chuyển động

Hình 2-18 Sơ đồ chân cảm biến chuyển động

2 điện cực Một cái là điện cực dương (+) và cái kia là âm (-) Khi 2 đơn vị này được tuần tự kích hoạt (cái này xong rồi mới đến cái kia) thì sẽ sinh ra một xung điện, xung điện này kích hoạt cảm biến

2.2.9 Tổng quan về cảm biến tốc độ gió SEN0170

 Giới thiệu sơ lược

Cảm biến tốc độ gió bao gồm vỏ, cốc gió và mô đun mạch Vật liệu vỏ cảm biến và cốc gió là hợp kim nhôm được đúc bằng công nghệ với độ chính xác cao, có khả năng chống chịu thời tiết, chống ăn mòn và chống thấm nước

Hình 2-19 Cảm biến tốc độ gió