Thiết kế hệ thống giám sát thời tiết theo thời gian thực

Một hệ thống giám sát thời tiết theo thời gian thực có thể hỗ trợ con người giám sát và đưa ra các quyết định kịp thời để giảm thiểu các thiệt hại về người và của do thời tiết gây ra, đặ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT

THỜI TIẾT THEO THỜI GIAN THỰC

GVHD: THS TRƯƠNG QUANG PHÚC SVTH: ĐẶNG MỸ HẠNH

S K L 0 1 1 2 0 0

GVHD: ThS Trương Quang Phúc

Thành phố Thủ Đức, tháng 6 năm 2023

THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT THỜI TIẾT

THEO THỜI GIAN THỰC

Tp Thủ Đức, ngày 13 tháng 6 năm 2023

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Đặng Mỹ Hạnh MSSV: 19161102

Ngành: CNKT Điện tử - Viễn thông Lớp: 19161CLVT1A

SĐT: 0868 049 202 Giảng viên hướng dẫn: ThS Trương Quang Phúc

Ngày nhận đề tài: 15/02/2023 Ngày nộp đề tài: 15/06/2023 Tên đề tài : THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT THỜI TIẾT THEO THỜI GIAN THỰC Các số liệu, tài liệu ban đầu:

- Tìm hiểu về trạm quan trắc thời tiết

- Nghiên cứu về cảm biến được sử dụng trong đề tài

- Lập ra phương án thiết kế hệ thống

- Xây dựng mô hình, bố trí các cảm biến phù hợp

3 Nội dung thực hiện đề tài:

- Thiết kế mô hình phần cứng

- Xây dựngi một trang web, một ứngi dụng di động

- Lập trình cho hệ thống

- Chỉnh sửa và kiểm tra mô hình phần cứng

- Viết báo cáo

Tp Thủ Đức, ngày 13 tháng 6 năm 2023

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: Đặng Mỹ Hạnh

Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT THỜI TIẾT THEO THỜI GIAN THỰC

Tuần/ngày Nội dung Xác nhận

Tìm hiểu module ESP32

Tìm hiểu cảm biến tốc độ gió, hướng gió, lượng mưa, tia

UV và nhiệt độ, độ ẩm DHT11 Tuần 4

Tìm hiểu ứng dụng điện thoại

Đưa ra ý tưởng thiết kế

Chạy thử và sửa lỗi phần cứng

Viết báo cáo

Tuần 13

(15/05 – 21/05)

Hoàn thiên mô hình phàn cứng

Hoàn thiện giao diện người dùng Tuần 14

(22/05 – 28/05) Viết báo cáo

Tuần 15

(29/05 – 04/06)

Thu thập và đánh giá dữ liệu từ mô hình Hoàn thiện luận văn và gửi cho GVHD để xem xét và góp ý lần cuối

Tuần 16

(05/06 – 11/06) Nộp quyển báo cáo

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên sinh viên: Đặng Mỹ Hạnh MSSV: 19161102 Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện tử - Viễn thông

Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT THỜI TIẾT THEO THỜI GIAN THỰC

Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: ThS Trương Quang Phúc

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không ?

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên sinh viên: Đặng Mỹ Hạnh MSSV: 19161102 Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện tử - Viễn thông

Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT THỜI TIẾT THEO THỜI GIAN THỰC

Họ và tên Giáo viên phản biện: TS Đỗ Duy Tân

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị có bảo vệ hay không ?

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ và

hỗ trợ của thầy cô, gia đình và bạn bè

Em xin chân thành cảm ơn thầy Trương Quang Phúc đã hướngi dẫn em hoàni thành

đề tài này Ngay từ lúc bắt đầu chọn đề tài, tìm hướng phát triển, em đã đượci thầy chỉnhi

sửa và góp ý rấti nhiều để đề tài đượci hoàn thiện hơn Quá trình thực hiện có lúc gặp nhiều khó khăn nhưng nhờ có sự hướng dẫn tận tình và kinhi nghiệmi quý báuy của thầy,

em đã cól cơ hội tiếpi cận với nhữngi kiến thứci mới và phát triển kỹ năng của mình

Em cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến quý thầy cô giảng viên hiện đã và đang công tác tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh và đặc biệt là các quý thầy cô trong ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông Cảm ơn quý thầy cô đã luôn tận tâm tận lực truyền dạy những kiến thức cơ sở bổ ích cho em ứng dụng nghiên cứu và thực hiện hoàn chỉnh đề tài này

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã luôn bên cạnh em trong suốt thời gian qua Những lời độngi viên và sự giúpi đỡ củai mọi tngười đã giúp em vượti

qua nhữngi khó khăn và hoàni thành luậni văn một cáchi tốt nhấty

Đềl tài nghiên cứu vẫni còn nhiều khuyết điểm và em rất mongi nhậni được nhiều ý kiến đóngi góp của quýl thầy cô vàl bạn bèi để hệ thốngi được cải thiện và có tínhi ứng dụngi

cao hơni trong cuộc sốngi

Em xin chân thành cảm ơn

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả thực hiện cam đoan rằng luận văn tốt nghiệp này là thànhi phẩmi của quá trìnhi

làm việct nghiêm túct và trung thực củai cá nhân Tất cả các thôngi tin, dữ liệu và các tài liệut tham khảo được sử dụngi trong luậni văn này đều được tríchi dẫni và tham chiếu đầy

đủl và khôngi có bấti kỳ phần nào trongi luận văn được sao chép mà không được trích dẫn Tác giả thực hiện cũng cam đoani rằngi tất cảl những số liệu trong luận văn tốt nghiệp này là số liệu thực và chưa từng được công bố ở bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác

Tác giả thực hiện đề tài Đặng Mỹ Hạnh

TÓM TẮT

Công nghệ IoT (Internet of Things) - một công nghệ tiêu biểu trong Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đang ngày càng phổ biến và được ứngi dụngi rộng rãi trong nhiều lĩnhi

vực đời sốngi, trong đó có lĩnhi vực giám sát môi trường Cùng với việc biến đổi khí hậu

và hiện tượng thời tiết cực đoan đang là những vấn đề căng thẳng tại các thành phố lớn trên thế giới Các diễn biến thời tiết phức tạp, yêu cầu con người phải nổ lực tối đa để đưa ra những phương pháp thu thập dữ liệu thời tiết theo thời gian thực đủ tốt nhằm lưu trữ và phân tích dữ liệu một cách tự động và nhanh chóng nhất Một hệ thống giám sát thời tiết theo thời gian thực có thể hỗ trợ con người giám sát và đưa ra các quyết định kịp thời để giảm thiểu các thiệt hại về người và của do thời tiết gây ra, đặc biệt là các tác động gây hại trực tiếp đến sức khỏe con người

Sự kết hợp công nghệ IoT vào việc giám sát dữ liệu thời tiết là một giải pháp tối ưu với chi phí thấp và thân thiện với môi trường Trong đồ án tốt nghiệp này, một hệ thống giám sát thời tiết sử dụng ESP32 kết hợp với các thiết bị cảm biến đã được nghiên cứu

và thi công Hệ thống được thiết kế để giám sát các yếu tố thời tiết như nhiệt độ, độ ẩm không khí, tốc độ và hướng gió, lượng tia UV và lượng mưa ngay tại khu vực sinh sống, giúp người dùng có được thông tin thời tiết chính xác theo thời gian thực Hệ thống còn truyền dữ liệu thời tiết đến các cơ sở dữ liệu đám mây để lưu trữ và phân tích một cách

tự động, nhanh chóng và hiển thị trực quan nhất Và để phục vụ nhu cầu giám sát của người dùng, hệ thống được thiết kế với ba giao diện hiển thị bao gồm: màn hình trực tiếp trên phần cứng, website và ứng dụng điện thoại, giao diện người dùng hiển thị đầy đủ các thông số về thời tiết, khi xem trên website hoặc ứng dụng điện thoại còn có thể xem được các biểu đồ và thông tin về sức khỏe

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN iv

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN v

LỜI CẢM ƠN vi

LỜI CAM ĐOAN vii

TÓM TẮT viii

MỤC LỤC ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xiii

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH xiv

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

1.5 Phương pháp nghiên cứu 3

1.6 Tình hình nghiên cứu 4

1.6.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 4

1.6.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước 5

1.7 Bố cục đề tài 6

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7

2.1 Công nghệ IoT và các ứng dụng 7

2.1.1 Công nghệ Internet Of Things 7

2.1.2 Vai trò và ứng dụng của IoT 7

2.2 Tổng quan về các chỉ số thời tiết 8

2.2.1 Ảnh hưởng của các yếu tố thời tiết đến sức khỏe 9

2.2.2 Các bệnh thường gặp do ảnh hưởng của thời tiết 10

2.3 Nền tảng cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase 11

2.3.1 Tổng quan về Firebase 11

2.3.2 Ứng dụng của Firebase trong việc giám sát thời tiết 11

2.4 Nền tảng ThingSpeak 11

2.4.1 Tổng quan về ThingSpeak 11

2.4.2 Ứng dụng của ThingSpeak trong việc giám sát thời tiết 12

2.5 Giao thức truyền thông HTTP 12

2.5.1 Tổng quan về giao thức HTTP 12

2.5.2 Ứng dụng giao thức HTTP trong hệ thống giám sát thời tiết 13

2.6 Các linh kiện trong hệ thống 13

2.6.1 Phần cứng DOIT ESP32 DevKit V1 13

2.6.2 Cảm biến đo tốc độ gió 14

2.6.3 Cảm biến hướng gió 16

2.6.4 Cảm biến đo lượng mưa 18

2.6.5 Cảm biến tia UV GUVA-S12SD 19

2.6.6 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 22

2.6.7 Màn hình LCD TFT 2’’ 23

2.6.8 Pin năng lượng mặt trời 25

2.6.8.1 Cấu tạo của pin mặt trời 25

2.7 MIT App Inventor 2 26

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 27

3.1 Yêu cầu hệ thống 27

3.2 Đặc tả hệ thống 27

3.2.1 Mô tả tổng quát toàn hệ thống 27

3.2.2 Sơ đồ khối của hệ thống 28

3.2.3 Mô tả hoạt động của hệ thống 29

3.3 Thiết kế phần cứng 30

3.3.1 Khối xử lý trung tâm 32

3.3.2 Khối đo tốc độ gió 33

3.3.3 Khối đo hướng gió 34

3.3.4 Khối đo lượng mưa 35

3.3.5 Khối đo nhiệt độ, độ ẩm không khí 36

3.3.6 Khối đo tia UV 37

3.3.7 Khối hiển thị 38

3.3.8 Khối nguồn 40

3.3.9 Sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống 41

3.4 Thiết kế phần mềm 43

3.4.1 Lưu đồ giải thuật toàn hệ thống 43

3.4.2 Lưu đồ thu thập dữ liệu từ cảm biến 44

3.4.3 Lưu đồ truyền dữ liệu từ ESP32 lên cơ sở dữ liệu 50

3.4.4 Xây dựng Website 52

3.4.5 Xây dựng ứng dụng điện thoại 56

3.5 ĐÁNH GIÁ DỮ LIỆU THỜI TIẾT CỦA HỆ THỐNG 60

3.5.1 Biểu đồ dữ liệu nhiệt độ 61

3.5.2 Biểu đồ dữ liệu độ ẩm 64

3.5.3 Đánh giá chung 65

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ 68

4.1 Mô hình phần cứng 68

4.2 Giao diện người dùng 73

4.2.1 Giao diện website 73

4.2.2 Ứng dụng di động 75

CHƯƠNG 5: HƯỚNG PHÁT TRIỂN 80

5.1 Kết luận 80

5.1.1 Kết quả đạt được 80

5.1.2 Hạn chế 81

5.2 Hướng phát triển 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

PHỤ LỤC 1 85

PHỤ LỤC 2 90

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

COPD Chronic Obstructive Pulmonary Disease

API Application Programming Interface

SPI Serial Peripheral Interface

UART Universal Asynchronous Receiver-Transmitter

SAR Successive Approximation Register

ADC Analog-to-Digital Converter

DAC Digital-to-Analog Converter

NTC Negative Temperature Coefficient

JCI Johnson Controls International

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2 1: Các thông số thời tiết được nhắc đến trong đề tài 9

Bảng 2 2: Thông số kỹ thuật của DOIT ESP32 DevKit V1 14

Bảng 2 3: Mối quan hệ giữa điện áp ngõ ra và tốc độ gió 15

Bảng 2 4: Mối quan hệ giữa điện áp, điện trở và hướng gió 17

Bảng 2 5: Thông số kỹ thuật của cảm biến GUVA S12SD 19

Bảng 2 6: Mức độ tăng dần của tia UV 21

Bảng 2 7: Các thông số kỹ thuật của cảm biến DHT11 23

Bảng 2 8: Thông số kỹ thuật của màn hình LCD TFT 2” 24

Bảng 2 9: Các chân giao tiếp của LCD TFT 2” 24

Bảng 2 10: Các thành phần cấu tạo của pin mặt trời 25

Bảng 3 1: Sơ đồ nối dây giữa cảm biến tốc độ gió và ESP32 34

Bảng 3 2: Sơ đồ nối dây giữa cảm biến hướng gió và ESP32 35

Bảng 3 3: Sơ đồ nối dây giữa cảm biến lượng mưa và ESP32 36

Bảng 3 4: Sơ đồ nối dây giữa cảm biến DHT11 và ESP32 37

Bảng 3 5: Sơ đồ nối dây giữa cảm biến GUVA-S12SD và ESP32 38

Bảng 3 6: Sơ đồ nối dây giữa LCD và ESP32 39

Bảng 3 7: Thông số về dòng điện, điện áp và công suất tiêu thụ của các linh kiện 40

Bảng 3 8 Bảng dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm của hệ thống đo được ngày 30/5/2023 62

Bảng 3 9 Bảng dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm tải về từ trang web LaRC ngày 30/5/2023 62

Bảng 4 1 Bảng chỉ số nóng bức 77

Bảng 4 2 Bảng tác động của chỉ số nóng bức 77

Bảng 4 3 Bảng chỉ số phong hàn 78

Bảng 4 4 Bảng chỉ số tia UV 78

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH

Hình 2 1: Hình ảnh thực tế của phần cứng DOIT ESP32 DevKit V1 14

Hình 2 2: Hình ảnh thực tế của cảm biến tốc độ gió 16

Hình 2 3: Tám công tắc và điện trở tương ứng bên trong cánh gió 18

Hình 2 4: Hình ảnh thực tế của cảm biến hướng gió 18

Hình 2 5: Hình ảnh thực tế của cảm biến lượng mưa 18

Hình 2 6 Hình ảnh thực tế của cảm biến tia UV 19

Hình 2 7: Phân chia cấp độ tia UV 20

Hình 2 8: Hình ảnh thực tế của module cảm biến DHT11 22

Hình 2 9: Hình ảnh thực tế của màn hình LCD TFT 2” 24

Hình 2 10: Cấu tạo của một tấm pin mặt trời 26

Hình 3 1: Mô hình tổng quát của hệ thống 27

Hình 3 2: Sơ đồ khối của hệ thống 28

Hình 3 3: Sơ đồ hoạt động của hệ thống 29

Hình 3 4: Sơ đồ khối của phần cứng 31

Hình 3 5: Sơ đồ chân của ESP32 33

Hình 3 6: Sơ đồ nguyên lý kết nối cảm biến tốc độ gió với ESP32 34

Hình 3 7: Sơ đồ nguyên lý kết nối cảm biến hương gió với ESP32 35

Hình 3 8: Sơ đồ nguyên lý kết nối cảm biến lượng mưa với ESP32 36

Hình 3 9: Sơ đồ nguyên lý kết nối cảm biến DHT11 với ESP32 37

Hình 3 10: Sơ đồ nguyên lý kết nối cảm biến GUVA-S12SD với ESP32 38

Hình 3 11: Sơ đồ nguyên lý kết nối màn hình LCD với ESP32 39

Hình 3 12: Sơ đồ nguyên lý kết nối của khối nguồn 41

Hình 3 13: Lưu đồ giải thuật toàn hệ thống 43

Hình 3 14: Lưu đồ đọc giá trị cảm biến DHT11 45

Hình 3 15: Lưu đồ đọc giá trị cảm biến tốc độ gió 46

Hình 3 16: Lưu đồ đọc giá trị cảm biến hướng gió 47

Hình 3 17: Lưu đồ đọc giá trị cảm biến lượng mưa 48

Hình 3 18: Lưu đồ đọc giá trị cảm biến GUVA-S12SD 49

Hình 3 19: Lưu đồ gửi dữ liệu từ ESP32 lên Firebase 50

Hình 3 20: Lưu đồ gửi dữ liệu từ ESP32 lên ThingSpeak 51

Hình 3 21: Mô hình Website 52

Hình 3 22: Lưu đồ gửi dữ liệu từ Firebase lên Website 54

Hình 3 23: Lưu đồ gửi dữ liệu từ Firebase lên Website 55

Hình 3 24: Giao diện thiết kế trên App MIT Inventor 56

Hình 3 25: Liên kết Firebase trong App MIT Inventor 57

Hình 3 26: Giao diện lập trình trên App MIT Inventor 57

Hình 3 27: Lưu đồ gửi dữ liệu từ Firebase lên ứng dụng điện thoại 58

Hình 3 28: Lưu đồ gửi dữ liệu từ ThingSpeak lên ứng dụng điện thoại 59

Hình 3 29: Dữ liệu thời tiết thu thập được từ hệ thống vào mỗi giờ 60

Hình 3 30: Giao diện trang web khí tượng của NASA 61

Hình 3 31: Sự khác nhau của dữ liệu nhiệt độ tại các thời điểm trong ngày 63

Hình 3 32: Sự khác nhau của dữ liệu độ ẩm tại các thời điểm trong ngày 64

Hình 3 33: Tỉ lệ chênh lệch nhiệt độ và độ ẩm giữa hai bảng dữ liệu 65

Hình 3 34: Biểu đồ nhiệt độ, độ ẩm ngày 31/5/2023 66

Hình 3 35: Biểu đồ nhiệt độ, độ ẩm ngày 31/6/2023 66

Hình 4 1: Mạch in PCB của phần cứng 68

Hình 4 2: Sơ đồ bố trí linh kiện 3D 68

Hình 4 3 Hình ảnh thực tế của mạch in sau khi thi công 69

Hình 4 4: Hộp đựng chống nước cho mạch PCB 69

Hình 4 5: Mô hình thực tế của hệ thống 70

Hình 4 6: Dữ liệu thời tiết trên Firebase 71

Hình 4 7: Dữ liệu thời tiết trên ThingSpeak 72

Hình 4 8: Giao diện chính hiển thị thông số thời tiết 73

Hình 4 9: Giao diện hiển thị các biểu đồ thời tiết 74

Hình 4 10: Giao diện trang thông tin sức khỏe 75

Hình 4 11: Giao diện trên ứng dụng điện thoại 76

Hình 4 12: Nút nhấn “Biểu đồ thời tiết” của ứng dụng 79

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Khí hậuViệt Nam ngày càng trở nên bất thường, một số vấn đề đang gặp phải đó chính là nhiệt độ tăng đột ngột ở hầu hết các trạm quan trắc, các hiện tượngi thời tiết cựci

đoan xuất hiện trên toàn bộ lãnh thổ Điển hình là miền núi phía Bắc liên tục có nhiều đợt rét đậm và rét hại, miền Trung gặp khô hạn và mưa cực đoan, khu vực phía Nam thì phải đối diện với hạn hán và xâm nhập mặn [1], tần suất bão lớn, gió giật mạnh thường xuyên hơn, gây ra nhiều tổn thất về kinh tế và con người

Sự nóng dần lên của Trái Đất khiến cho số người phải sống với thời tiết khắc nghiệt,

ô nhiễm không khí và các dịch bệnh truyền nhiễm càng ngày càng tăng Sự thayi đổi này

có ithể igây ra nhiều bệnh tật bao gồm các bệnhi về đườngi hô ihấp, tim imạch, kiệt sức vì nóng, nhiễmi trùng ngoài da và các bệnh lý về tâim thần “Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), mỗi năm có khoảng 150.000 người chết do các bệnh có liên quan đến biến đổi khí hậu, từ bệnh tim do nhiệt độ tăng quá cao tới các vấn đề hô hấp và tiêu chảy” [2] Quá trình đối phó với thời tiết cực đoan đang ngày càng phức tạp khi các biểu hiện cực đoan của thời tiết gây ảnh hưởng rất nhiều đến sản xuất, đời sống và hơn hết là sức khỏe con người Thế nên, việc đưa ra các phương pháp để giám sát thời tiết đã trở nên

vô cùng cần thiết Hệ thống giám sát thời tiết theo thời gian thực sẽ giúp con người cập nhật thời tiết nhanh chóng, chính xác và đầy đủ tại những địa điểm cụ thể Nhờ vào việc ứng dụng công nghệ IoT, hệ thống giám sát thời tiết có khả năngi thu ithập và phâni itích

dữ liệu ithời tiết một cách năng suất và tiết kiệm hơn, giúp người dân và các tổ chứci đưa

rat quyết địnhi, chủ động sắp xếp hoặc lên kế hoạch cho các hoạt độngi sản ixuất và thựci

hiện tcác biện phápt bảo v.ệ sức khỏe, hạn chế sự ảnh hưởng xấu của thời tiết đến mức tối

đa nhất có thể

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài được thực hiện với 4 mục tiêu chính như sau:

• Thiết kế một hệ thống thu thập được các thông số thời tiết như: nhiệt độ, độ ẩm, chỉ số về tốc tđộ igió, chỉ số hướng giói lượngi mưa và chỉ số tia UV

• Hệ thống được thiết kế với khả năng gắn kết các cảm biến và truyền thông tin đến giao diện người dùng thông qua nền tảng đám mây

• Thiết kế một giao diện web và một ứng dụng điện thoại dành cho hệ điều hành Android, cho phép người dùng được tiếpi cận và sử dụng thôngi itin về thời tiết trên cơ

sở dữliệu một cách dễ dàng và nhanh chóng

• Hệ thống được thiết kế để đảmbảo hoạt động liên tục và có khả năng thích nghi với môi trường thời tiết thay đổi, bao gồm cả mưa, gió,

1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài bao gồm:

• Tìm hiểu.về yêut cầu và tiêut chuẩn của hệ thốngi giám.sát thời tiết

• Triển khai các phương.pháp.thu.thập, xử.lý.và phân.tích dữ liệu thời tiết

• Thiết.kế.giao.diện.trực.quan, dễ.sử.dụng, cung.cấp.đầy đủ các.thông.tin.thời.tiết như: nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, hướng gió, lượng mưa, chỉ số tia UV

• Đánh giá tính.ổn.định.và.độ.tin.cậy.của.dữ.liệu.thu.thập.được từ hệ thống

Mục.tiêu.của nhiệm vụ nghiên cứu nàylà thi công được một hệ thống giám sát thời tiết đáng tin cậy, cung cấp dữ liệu thời tiết chính.xác.và.đầy.đủ.để.phục.vụ cho việc chăm sóc sứckhỏe người dùng hằng ngày, giúp người dùng đưa ra các kế hoạch học.tập, làm việc.hiệu.quả, và có các.biện.pháp.bảo.vệ sức khỏe mỗi khi phải ra ngoài cũng như ngay tại ngôi nhà của mình

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối.tượng.nghiên.cứu.của.đề.tài.là.các thiết bị cảm biến, hệ thống mạng, các nền tảng lưu.trữ.dữ.liệu và các.phần mềm liên.quan.đến.việc.thu.thập, xử.lý và truyền.tải dữ liệu thời tiết Nghiên cứu này còn tìm.hiểu.về giải pháp IoT trong việc kết nối các thiết

bị cảm biến thành một hệ thống giám sát thời tiết, đồng thời đưa ra các phương pháp.thu thập.và.xử.lý.dữ.liệu thời tiết thông.qua IoT Đối tượng nghiên cứu cũng bao.gồm.vấn

đề.đánh.giá.tính.ổn.định và dữ liệu của.hệ.thống phần cứng

Phạm vi nghiên cứu của hệ thống giám sát thời.tiết.theo.thời.gian.thực.bao.gồm:

• Nghiên cứu các.thiết.bị.cảm.biến.IoT.để.thu.thập dữ liệu thời tiết với độ chính xác.cao và.đáp.ứng.được.nhiều điều.kiện khác nhau

• Nghiên cứu về mạng Wifi để.kết.nối.các.thiết.bị với cơ sở dữ liệu và truyền tải

dữ liệu thời tiết đến giao.diện.người.dùng

• Nghiên.cứu về các.nền tảng.cơ.sở.dữ liệu thường dùng trong lĩnh vực IoT để.dễ dàng.quản.lý và tăng.tính.linh.hoạt trong.việc.truy.xuất dữ.liệu

• Nghiên cứu và thiết kế giao diện.người.dùng để giúp.người.dùng.dễ.dàng.truy cập

và sử dụng các thông tin thời tiết được thu thập từ hệ.thống

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Để.thực.hiện.đề.tài.này.cần phải tìm.hiểu, thu.thập.thông.tin, nghiên.cứu về các lý thuyết và nguyên lý hoạt động của các cảm biến tốc độ gió, hướng gió, lượng mưa, nhiệt

độ, độ ẩm và tia UV; cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase và nền tảng trực quan hóa dữ liệu ThingSpeak; giao thức truyền tải dữ liệu HTTP và phương.pháp.xây.dựng.giao.diện người.dùng Phân tích các thành phần cần có trong một hệ thống giám sát thời tiết dựa trên nền tảng IoT Bước tiếp theo là thiết kế chi tiết hệ thống bằng cách thiết lập các khối chức năng và lên ý.tưởng.thiết.kế.giao.diện.người.dùng Sau cùng là kiểm thử tình trạng hoạt.động.của hệ.thống và đánh.giá.kết quả thực tế mà hệ thống thu thập được

1.6 Tình hình nghiên cứu

Sau đây là một số công trình nghiên cứu, các bài báo khoa.học.mang.tính.ứng.dụng cao.của trạm đo thời tiết trên toàn thế.giới.và.cả.Việt.Nam

1.6.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

Trong bài viết của [3], nhóm tác giả đã thiết kế mạng lưới giám sát các.biến.số khí tượng liên.quan.đến lốc xoáy ở Barranquilla - Colombia và khu vực đô thị xung quanh

Để đo được mưa, hướng và tốc độ gió, nhóm tác giả sử dụng trạm thời tiết WS-3000 (một thiết bị tích hợp máy đo gió, cánh gió và máy đo mưa) kết hợp công nghệ truyền thông Zigbee Mạng lưới này thu thập các thông số về khí tượng địa phương trước khi tạo ra cơn lốc xoáy, nhằm đưa ra cảnh báo có thể bị ảnh hưởng bởi hiện tượng này cho người dân trong tương lai Sau khi phát triển cách thức này, nhóm tác giả đã có được một bản đồ cùng với các.vị.trí.có.khả.năng.xảy.ra.lốc.xoáy với tần suất lớn nhất (một điểm trên mỗi ranh giới) Hệ thống của họ được.trình.bày.như một tài liệu tham khảo để thiết lập các nút cảm biến theo từng vị trí địa lý, giúp con người chủ động triển khai và thiết

kế nguyên mẫu của hệ thống giám sát các điều kiện khí tượng địa phương

Bên cạnh đó, trong bài viết [4], nhóm tác giả xây dựng hệ thống lưới cảm biến thông minh tăng cường kỹ thuật tưới tiêu ở Jordan Hệ thống của nhóm tác giả ứng.dụng.mạng.cảm.biến không dây WSN (Wireless Sensor Network) và trạm thời tiết WS-3000 kết hợp với cảm biến độ ẩm đất Watermark 200SS để quan sát các biến đổi không gian về độ ẩm của đất cũng như phát hiện sự có mặt của lượng mưa theo thời gian Cơ sở thử nghiệm lưới điện thông minh được thiết lập ở Jordan, theo dõi độ ẩm của bề mặt đất và sự hiện diện của lượng mưa Mục tiêu dài hạn của nhóm tác giả là theo dõi độ ẩm của đất thường xuyên để thực hiện các kỹ thuật tưới tiêu, cũng như triển khai WSN để phát hiện khi nào

và ở đâu trời mưa để được.áp.dụng.các.biện.pháp.kiểm.soát tưới tiêu cần thiết Dữ liệu thời từ hệ thống sẽ được sử.dụng.để.quản.lý.tài.nguyên thủy lợi trên khắp Jordan bằng cách cung.cấp.hướng.dẫn cải tiến cho.quản.lý mô hình thủy lợi Jordan

Trên thế giới, các nước ngày.càng.phát.triển.cùng.với.các.công.nghệ mới nhất trong việc giám sát thời tiết như việc sử dụng máy bay không người lái để.thu.thập.thông.số thời tiết và ứng.dụng.trí.tuệ.nhân.tạo.để.dự.báo.thời.tiết Các.nhà.khoa học và kỹ sư cũng đang nghiên.cứu và áp.dụng.các.công.nghệ mới như Blockchain và Internet of Things (IoT), để tăng.cường.tính.bảo.mật.và.độ.tin.cậy.của hệ thống này Việc nghiênicứu và phát.triển.hệ.thống.giám.sát thời tiết hiện nay là.rất.quan.trọng.để.đảm.bảo.sức.khỏe.cho con.người, cũng như hỗ trợ cho nhiều lĩnh vực khác Đa số các công trình nghiên cứu khoa học trên đã được kiểm duyệt và đăng tải công khai, hoàn toàn bổ ích cho việc tham khảo và phát triển đề tài đang thực hiện

1.6.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước

Trong bài viết.của [5], nhóm tác giả cho biết rằng, Việt Nam đã phải chịu nhiều ảnh hưởng nặng nề nhất do biến đổi khí hậu, cụ thể là rét đậm rét hạn kéo dài ở miền Bắc, hạn hán kéo dài và bão lũ liên tiếp ở miền Trung và ngập lụt, nhiễm mặn do triều cường

ở miền Nam,…Chính vì thế mà nhóm tác giả đã thiết kế một “Hệ đo giám sát thông số môi trường di động thời gian thực thông qua Web Server” để có các giải pháp hạn chế tác động xấu của môi trường đối với sức khỏe và đời sống con người Ngoài sử dụng trạm đo thời tiết WS-3000, nhóm tác giả còn sử dụng thêm hai cảm biến đo bụi PM2.5

và cảm biến nồng độ khí CO (hai thông số phản ánh chất lượng không khí) Các giá trị của cảm biến sẽ được hiển thị trên web server và cập nhật liên tục sau mỗi khoảng thời gian hai phút và toàn bộ hệ thống được cung cấp năng lượng từ pin lithium Thiết bị này tương đối nhỏ gọn nên có thể trang bị trên các phương tiện quan trắc di động, có thể ứng dụng ở các thành phố lớn một cách hiệu quả nhất, góp phần mang lại nhiều lợi ích cho cộng đồng [5]

Trong bài viết số [6], nhóm tác giả đã trình bày các dẫn chứng về sự tàn phá của thiên.tai, đặc.biệt.là hiện tượng sạt.lở.đất Sạt.lở.đất không chỉ.xảy.ra.ở.các.tỉnh.miền núi

mà.còn.xảy.ra.ở.các.tỉnh đồng.bằng Nhóm tác giả đã nghiên.cứu.và.phát.triển.hệ.thống giám.sát.và cảnh.báo sớm sạt.lở.đất.ở.các.tỉnh.miền.núi.Bắc.bộ Nguyên nhân chính của

sạt lở đất là do lượng mưa lớn kéo dài Nhóm tác giả đã đo đạc để xác định ngưỡng cường độ mưa dẫn đến sạt lở đất và sử dụng trạm thời tiết WS-3000 để thực hiện thử nghiệm Hệ thống sử dụng bộ vi xử lý Atmega328 để nhận biết và xử lý dữ liệu từ thiết

bị WS-3000 sau đó hiển thị lên giao diện website và ứng dụng điện thoại di động Trong trường hợp đưa ra cảnh báo, tin nhắn SMS sẽ được tự động gửi thông qua modem GSM/GPRS SIM900 đến người liên hệ phản hồi để hành động kịp thời

Hệ thống giám sát thời tiết ở Việt Nam đang được phát triển và cải tiến nhằm nâng cao hiệu suất và độ tin cậy từ dữ liệu đo được Bộ Khoa học và Công nghệ đã thành lập Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương để quản lý, cập nhật và cung cấp thông tin về thời tiết đến người dân Ngoài ra, Việt Nam cũng đã phát triển các hệ thống giám sát thời tiết chuyên dụng trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, hàng hải, hàng không, giao thông vận tải,…

1.7 Bố cục đề tài

Chương 1: Tổng quan đề tài: Giới thiệu lý do chọn đề tài và mục tiêu hướng đến

Cập nhật tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước cũng như phương pháp nghiên cứu

cho đề tài

Chương 2: Cơ sở lý thuyết: Trình bày ngắn gọn và rõ ràng các linh kiện được sử

dụng trong mô hình, các cơ sở lý thuyết liên quan, mô tả đặc.điểm.của.các.phần.mềm thiết.kế.hệ.thống

Chương 3: Thiết kế hệ thống: Trình bày các yêu cầu, sơ đồ khối và chức năng từng

khối trong hệ thống Mô tả hoạt động của hệ thống

Chương 4: Thi công hệ thống: Trình bày kết quả cuối cùng đạt được từ phần cứng

và phần mềm Kiểm tra chức năng toàn hệ thống

Chương 5: Kết quả: Trình bày kết quả đạt được Đưa ra kết.luận và hướng phát triển dựa trên những mặt còn hạn chế

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Công nghệ IoT và các ứng dụng

2.1.1 Công nghệ Internet Of Things

IoT (Internet Of Things) được bắt đầu phát triển vào những năm 1990, mãi cho đến khi Internet phổ biến, IoT mới thực sự được phát triển Năm 1999, nhà khoa học máy tính người Anh, Kevin Ashton đã mang đến một thuật ngữ "Internet of Things" để miêu

tả khái quát quá trình kết.nối.những.thiết.bị.thông.minh.với Internet Kể từ đó, IoT trở thành một đề tài nghiên. cứu và phát triển quan trọng trong lĩnh vực công nghệ thông tin

và là một phần quan trọng của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0

Chưa có một định nghĩa nào ngắn gọn và chính xác về IoT nhưng nhóm tác giả Vermesan et al đã định nghĩa “nó chỉ đơn giản là sự tương tác giữa thế giới vật lý và kỹ thuật số Thế giới kỹ thuật số tương tác với thế giới vật chất bằng cách sử dụng rất nhiều cảm biến và bộ truyền động” [7] IoT còn được.định.nghĩa.là “Một mạng mở và toàn diện gồm các đối tượng thông minh có khả năng tự động tổ chức, chia sẻ thông tin, dữ liệu và tài nguyên, phản ứng và hành động trước các tình huống và thay đổi của môi trường” [8]

Công nghệ IoT cho phép các thiết bị điện tử thông minh, máy móc, cảm biến kết nối với phần mềm và tương tác với con người thông qua Internet Các hệ thống IoT thường được tích hợp với các cảm biến để thu thập dữ liệu là các yếu tố từ môi trường xung quanh rồi truyền tải dữ liệu qua Internet để lưu trữ và phân tích Các thiết bị này có khả năng được ứng dụng trong việc giám sát và điều khiển các quy trình tự động, theo dõi môi trường cho đến quản lý tài sản và gia.tăng.chất.lượng, giảm.thiểu.chi.phí và tăng cường quản lý an toàn, cải thiện chất lượng cuộc sống

2.1.2 Vai trò và ứng dụng của IoT

Công nghệ IoT đang đóng.vai.trò ngày càng quan trọng trong cuộc sống của con người và xã hội, mang lại nhiều lợi ích trong nhiều lĩnh vực khác nhau Đặc biệt, trong lĩnh vực IoT for Environment (IoT cho Môi trường), IoT được triển khai để giám sát chất

lượng không khí trong các thành phố; giám sát chất lượng nước trong hồ, sông, và biển; giám sát tiếng ồn và ánh sáng trong các khu đô thị; cũng như giám sát tình hình thời tiết trước những ảnh hưởng xấu của biến đổi khí hậu Hệ thống IoT có khả năng được thu nhận và truyền tải dữ liệu thời tiết như nhiệt độ, độ ẩm, cường độ tia cực tím, tốc độ gió, hướng gió và lượng mưa

Quá trình thu thập, xử lý và phân tích dữ liệu thời tiết bằng các thiết bị cảm biến IoT giúp con người giám sát thời tiết hiệu quả hơn, có những biện pháp ngăn chặn kịp thời

từ các trận thiên tai, giảm thiểu thiệt hại về người và của Ngoài ra, IoT giúp cải thiện chất lượng cuộc sống cho người dân địa phương bằng cách đưa ra thông tin thời tiết chính xác và khoa học, hỗ trợ cơ sở chức năng và giúp ngườip dân chủ động sắp xếp kế hoạch cũng như có sự chuẩn bị khi thời tiết biến đổi bất thường Tóm lại, IoT đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát thời tiết, giúp con người đưa ra các quyết định phù hợp, đảm bảo an toàn về mặt sức khỏe, tinh thần và tài sản cho con người

2.2 Tổng quan về các chỉ số thời tiết

Thời tiết và khí hậu có mối liên hệ chặt chẽ với nhau Thời tiết là trạng thái của khí quyển trong một khoảng thời gian từ vài phút, vài giờ đến vài ngày, tại một địa điểm cụ thể Khí hậu là một mô tả về tình trạng thời tiết trung bình, thường được xác định bởi dữ liệu thời tiết trong khoảng thời gian dài hơn và có tính quy luật [9] Thời tiết có thể khác nhau và thay đổi liên tục đối với các vùng địa lý khác nhau, trong khi khí hậu thường ổn định và có tính liên tục hơn Tuy nhiên, thời tiết có thể tác động đến khí hậu nếu các yếu

tố này được duy trì trong một khoảng thời gian dài Ví dụ, tại vùng đất trải qua nhiều mùa hè nóng và khô liên tiếp có thể gây ra sự biến đổi về khí hậu trong vùng đó Và việc biến đổi khí hậu làm thay đổi thời tiết ở nhiều cách khác nhau Khí hậu bị biến đổi khiến thời tiết trở nên bất thường như mưa lớn, lốc xoáy, sương mù, và nóng bức Các biến đổi này có thể làm cho khu vực đó khô hạn hoặc ẩm ướt hơn, từ đó gây ra hạn hán hoặc lũ lụt và tác động xấu đến các loài động thực vật, và hơn hết là gây ra các tác động xấu đến sức khỏe của con người

Các chỉ số thời tiết thường được dùng để biểu thị điều.kiện.thời.tiết trong một.khu vực.nhất.định Dưới đây là một số thông số thời tiết được đề cập trong đề tài:

Bảng.2 1: Các thông số thời tiết được nhắc đến trong đề tài

2.2.1 Ảnh hưởng của các yếu tố thời tiết đến sức khỏe

Thời tiết tác động lớn đến môi trường sống của mỗi con người Nhiệt độ, độ ẩm, chỉ

số UV, gió và mưa là những yếu tố thời tiết quan trọng ảnh hưởng đến sức khỏe và tinh thần của con người theo nhiều khía cạnh khác nhau

Khi thời tiết thay đổi có thể gây ảnh hưởng đến sức khỏe và đời sống sinh hoạt hằng ngày của mọi người Sự.thay.đổi.đột.ngột này làm cho cơ thể con người không kịp thích nghi được với môi trường mới Nếu trời quá.nóng hoặc quá.lạnh sẽ gây ra mệt mỏi, khó thở, đau đầu hoặc sốt Độ ẩm cũng có thể gây ra khó chịu và khó thở Môi trường ẩm thấp dễ tạo điều kiện cho nấm mốc và các loại vi khuẩn phát triển và nhân rộng, gây ra các căn bệnh lây truyền Cường độ tia UV quá cao có thể gây ra bỏng nắng, tổn thương mắt như đục thủy tinh thể, lão hóa da, ức chế miễn dịch và ung thư da [10] Tốc độ gió

và mưa ảnh hưởng đến việc đảm bảo an toàn cho người dân khi tham gia giao thông hoặc những người phải làm việc ngoài trời

Bên cạnh đó, thời.tiết.còn ảnh.hưởng đến sức.khỏe.tinh.thần.của mọi người Những ngày nắng đẹp và ấm áp có thể làm cho con người cảm thấy nhiều năng lượng và vui vẻ, trong khi những ngày mưa buồn làm cho mọi người cảm thấy u sầu và mệt mỏi Trong

thời tiết nóng bức, con người có thể dễ bực bội và có cảm giác nóng nực hơn, dẫn đến tăng tỷ lệ các cuộc xung đột trong vòng cộng đồng hoặc các hành vi bạo lực cá nhân Do

đó, việc theo dõi thời tiết và lên kế hoạch để đảm.bảo.an.toàn và gìn giữ sức.khỏe.cho mọi người là rất quan trọng

Tóm lại, sức khỏe, tâm.trạng và đời.sống sinh.hoạt của.con.người dễ bị tác động bởi thời tiết Để tránh sự ảnh.hưởng.tiêu.cực.của.thời.tiết.đến.sức.khỏe, có nhiều cách để bảo

vệ sức khỏe trong các điều kiện thời tiết khác nhau, và mọi người cần thực hiện các biện pháp phòng ngừa thích hợp dựa trên việc giám sát thời tiết để đảm bảo sức khỏe tốt nhất cho bản thân và gia đình

2.2.2 Các bệnh thường gặp do ảnh hưởng của thời tiết

Có rất nhiều căn bệnh do tác động của thời tiết gây ra Thời tiết thay đổi có khả năng cao ảnh hưởng đến hệ thống miễn dịch của con người, tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của các vi khuẩn, virus [11] và một số căn bệnh như:

tiếp xúc với vi khuẩn và tác nhân gây bệnh Với những giải pháp trên, con người có thể giảm thiểu tác động của thời tiết đến sức khỏe và duy trì một cơ thể khỏe mạnh

2.3 Nền tảng cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase

2.3.1 Tổng quan về Firebase

Firebase là một dịch vụ cơ sở dữ liệu hoạt động trên nền tảng đám mây (Cloud) với

hệ thống máy chủ mạnh mẽ của Google [12] Firebase có nhiều khái niệm khác nhau tùy vào mục đích sử dụng và góc độ của người dùng Đây là hai định nghĩa tiêu biểu:

“Firebase là nền tảng phát triển ứng dụng di động và trang web, tích hợp sẵn các API đơn giản không cần backend hay server; hoặc Firebase là một dịch vụ hệ thống backend của Google, giúp các lập trình viên triển khai và mở rộng quy mô của ứng dụng di động nhanh chóng hơn” [12]

Firebase hỗ trợ tốt cho hệ điều hành Android và iOS, do bản chất của dịch vụ cơ sở

dữ liệu này là giúp các nhà lập trình tiết kiệm thời gian và đơn giản hóa các thao tác với

cơ sở dữ liệu [13]

2.3.2 Ứng dụng của Firebase trong việc giám sát thời tiết

Trong ứng dụng để giám sát thời tiết, dữ liệu được gửi đến Firebase Realtime Database theo thời gian thực để người dùng giám sát tình trạng thời tiết trên các ứng dụng di động hoặc trang web ngay lập tức Với định dạng dữ liệu JSON (JavaScript Object Notation), Firebase Realtime Database cho phép các ứng dụng cập nhật và truy cập dữ liệu một cách dễ dàng và nhanh chóng Firebase còn hỗ trợ tính năng xử lý offline

và tự động đồng bộ lại dữ liệu khi thiết bị kết nối lại Internet, việc phát triển ứng dụng IoT giám sát thời tiết trở nên hiệu quả hơn [14] Với các tính năng trên, Firebase là một nền tảng lưu trữ và quản lý dữ liệu thời gian thực tuyệt vời cho đề tài

2.4 Nền tảng ThingSpeak

2.4.1 Tổng quan về ThingSpeak

ThingSpeak là một nền tảng phân tích IoT trực tuyến quản lý bởi MathWorks (một công.ty.công.nghệ.của.Mỹ.chuyên.phát.triển.các.sản.phẩm về phần mềm khoahọcvà.kỹ

thuật.như.MATLAB, Simulink và Stateflow [15]) ThingSpeak hỗ trợ tổng hợp, trực

quan hóa, và phân tích các luồng dữ liệu trực tiếp trên nền tảng đám mây Điểm đặc biệt của ThingSpeak là khả năng thực thi mã MATLAB® trực tuyến, cung.cấp.khả.năng.phân tích.và.xử.lý.dữ liệu ThingSpeak cũng hỗ trợ tích.hợp.với các.thiết bị.IoT.khác, như Arduino và Raspberry Pi, để người dùng dễ dàng truyền và nhận dữ liệu Đây là một giải pháp.lý.tưởng.cho việc phát triển ứng dụng đơn giản, nhanh chóng và có yêu cầu phân

tích trong lĩnh vực IoT [16]

2.4.2 Ứng dụng của ThingSpeak trong việc giám sát thời tiết

ThingSpeak có thể được ứng dụng trong việc giám sát thời tiết bằng cách phân tích

dữ liệu từ các cảm biến thời tiết Người dùng tạo các kênh dữ liệu để lưu trữ các thông

số thời tiết như nhiệt độ, độ ẩm, lượng tia UV, tốc độ gió, hướng gió và lượng mưa Các cảm biến thời tiết được kết nối với ThingSpeak để gửi dữ liệu thời tiết đến các kênh dữ liệu này Cụ thể, ThingSpeak được triển khai để:

• Tạo các kênh dữ liệu để lưu trữ các thông số thời tiết từ cảm biến

• Kết nối các thiết bị cảm biến IoT với Arduino hoặc Raspberry Pi để gửi dữ liệu thời tiết đến các kênh dữ liệu

• Phân tích dữ liệu để biểu diễn thông tin thời tiết dưới dạng biểu đồ và bảng

• Cho phép người dùng chia sẻ dữ liệu môi trường với nhiều đối tượng khác thông qua các kênh dữ liệu công khai hoặc API

2.5 Giao thức truyền thông HTTP

2.5.1 Tổng quan về giao thức HTTP

HTTP (Hypertext Transfer Protocol) là một giao thức ứng dụng được sử.dụng trong

bộ giao.thức TCP/IP, thường.được.sử.dụng.để.truyền.tải.các.tài liệu siêu văn bản, bao

gồm các ngôn ngữ đánh dấu như HTML, CSS và JavaScript giữa các máy tính trên mạng

[17] Giao thức HTTP được hình thành dựa trên mô hình yêu cầu - trả lời, trong đó các máy khách gửi yêu cầu và các máy chủ trả lời bằng cách gửi lại các tài liệu yêu cầu Yêu

cầu HTTP bao gồm các câu lệnh như GET, POST, PUT, DELETE, để.thực.hiện các hoạt.động.trên.tài.nguyên.được yêu cầu [18]

2.5.2 Ứng dụng giao thức HTTP trong hệ thống giám sát thời tiết

Ngoài việc được sử dụng trong hệ thống giám sát thời tiết để truyền dữ liệu từ các trạm.quan.trắc đến.máy.chủ.hoặc các ứng dụng khác, giao thức HTTP còn có khả năng được áp dụng để cập nhật liên tục các thông tin thời tiết Các.trạm quan trắc có thể được lập trình để gửi yêu cầu HTTP POST để gửi thông tin thời tiết mới nhất đến máy chủ hoặc ứng dụng khác để cập nhật vào cơ sở dữ liệu, chẳng hạn như Firebase Realtime Database hoặc ThingSpeak HTTP là một giao thức tiêu chuẩn và được hỗ trợ rộng rãi trên nhiều nền tảng và thiết bị Giao thức này được xem là đơn giản và dễ sử dụng, giúp cho việc lập trình các thiết bị IoT để gửi dữ liệu lên máy chủ trở.nên.đơn.giản, dễ.dàng hơn Bằng cách sử dụng giao thức HTTP để đưa dữ liệu từ thiết bị IoT lên cơ.sở.dữ.liệu trong hệ thống.giám.sát thời tiết, việc quản.lý dữ liệu và thực hiện thu thập có thể trở nên

dễ dàng hơn

2.6 Các linh kiện trong hệ thống

2.6.1 Phần cứng DOIT ESP32 DevKit V1

DOIT ESP32 DevKit V1 là một bo mạch phát triển dựa trên module ESP32, được sản xuất bởi Espressif Systems Với thiết kế nhỏ gọn và tích hợp các tính năng như Wi-

Fi, Bluetooth, UART, SPI, I2C và các chân GPIO, bo mạch này rất dễ sử dụng Ngoài các.tính.năng.được.tích.hợp.sẵn, người dùng còn có thể sử dụng một nút reset và một nút flash để thiết lập bo mạch phát triển một cách dễ dàng Anten PCB đã tích hợp giúp đơn giản hóa việc phát triển các ứng dụng IoT Bo mạch DOIT ESP32 DevKit V1 còn được

hỗ trợ bởi nhiều công cụ phát triển phần mềm như Arduino IDE, ESP-IDF và MicroPython giúp cho người dùng có thể tùy chọn công cụ phát triển phù hợp [19] Phần cứng ESP32 trên thị trường có rất nhiều biến thể khác nhau cùng với các tính năng và thông số kỹ thuật khác nhau Bảng 2.1 là mô tả thông số kỹ thuật của của phần

cứng DOIT ESP32 DevKit V1 dựa trên datasheet của nhà sản xuất và hình 2.1 là hình ảnh thực tế của phần cứng ESP32

Bảng.2 2: Thông.số kỹ.thuật của DOIT.ESP32 DevKit V1

Hình 2 1: Hình ảnh thực tế của phần cứng DOIT ESP32 DevKit V1

2.6.2 Cảm biến đo tốc độ gió

Cảm biến đo chỉ số tốc.độ.gió.được.thiết.kế.dưới dạng ba.cốc.xoay, cảm.biến.có chiều cao 7.1 cm và độ dài cánh quạt là 8.9 cm Cảm biến này có độ nhạy 2.4 km/h/vòng,

có phạm vi đo từ 0 đến 240 km/h và được kết nối thông qua cổng RJ11 [20]

Các cảm.biến điện từ thường.sử.dụng cho thiết.bị.đo tốc độ gió Cảm.biến điện từ cảm ứng được thiết kế với một nam châm xoay và cuộn dây đặt trên trục xoay của nam châm đó Khi gió thổi qua các cánh quạt hoặc cốc xoay, chúng sẽ quay với một tốc độ tương ứng, làm xoay nam châm và cuộn dây Trong đó, cuộn dây sẽ tạo ra điện áp xoay

và nó sẽ tạo ra một tín hiệu phù hợp với tốc độ xoay của nam châm và tương ứng với tốc

độ gió Điện áp được tạo ra bởi cảm biến này sẽ được đọc bởi một mạch điện tử để chuyển đổi thành tốc độ gió tương ứng Cảm biến điện từ trong máy đo gió có.độ.chính xác.cao.và.được.sử.dụng.rộng rãi trong các.ứng.dụng đo tốc.độ gió trong các trạm quan trắc thời tiết

Bảng 2 3: Mối quan hệ giữa điện áp ngõ ra và tốc độ gió

Để có.được bảng giá trị này, bước đầu tiên là chuyển đổi giá trị tốc độ gió được đo bằng cảm biến thành giá trị điện áp tương ứng với công thức như sau:

Outvoltage = sensorValue × (5.0 | 1023.0) (1)

Trong đó:

• Outvoltage là giá trị điện áp ngõ ra

• sensorValue là giá trị vật lý mà cảm biến thu thập được

ESP32 được trang bị bộ chuyển đổi từ tương tự sang kỹ thuật số đa kênh, với độ phân giải 10 bit Bộ chuyển đổi này ánh xạ đầu vào điện áp từ 0 đến mức hoạt động (thường là 5V hoặc 3.3V) sang các giá.trị.nguyên.trong.khoảng.từ 0.đến 1023 [21] Do

đó, công thức chuyển đổi giá trị analog sang giá trị điện áp thích hợp là (5.0 | 1023.0) Các giá trị tương ứng với tốc độ gió được ứng dụng để đo lường và hệ thống điện gió sẽ được liệt kê trong bảng giá trị điện áp ngõ ra Cảm biến đo tốc độ gió kiểu cốc có hình dạng như.hình.2.2

Hình 2 2: Hình ảnh thực tế của cảm biến tốc độ gió

2.6.3 Cảm biến hướng gió

Cảm.biến.đo.hướng.gió được thiết.kế.với các cánh quạt nhỏ được gắn trên trục quay nằm ngang giúp cho các cánh quạt quay theo hướng của gió và tạo.ra một tín.hiệu.điện tương.ứng, từ.đó các máy.đo.gió có thể dễ dàng đo được hướng gió Cảm biến đo hướng gió có chiều dài tính từ đầu đến hết cánh là 17.8 cm, chiều cao là 8.9 cm và độ chính xác

lên đến 22.5° Dải điện trở từ 688Ω đến 120KΩ được sử dụng để quy đổi thành mạch phân áp, cho phép đo được 16 vị trí khác nhau tương ứng với 16 hướng gió [22]

Cánh gió chỉ phương hướng là phần phức tạp nhất trong bộ ba cảm biến gió và mưa Cảm biến có tám công tắc, mỗi công tắc được kết nối với một điện trở khác nhau Nam châm của cánh có thể đóng hai công tắc cùng một lúc, cho phép chỉ định tới 16 vị trí khác nhau Một điện trở bên ngoài được dùng để tạo thành một bộ chia điện áp, tạo ra một đầu ra điện áp có thể đo được bằng kênh ADC, như hình minh họa 2.3

Giá trị điện trở cho các vị trí được.hiển.thị.trong.bảng là kết quả của hai điện trở liền

kề được kết nối song song khi nam châm của cánh quạt kích hoạt đồng thời hai công tắc Các giá trị điện trở cho tất cả 16 vị trí như bảng 2.4 và hình.2.4 là hình.ảnh.thực.tế.của cảm biến

Bảng.2 4: Mối quan hệ giữa điện áp, điện trở và hướng gió

Hình 2 3: Tám công tắc và điện trở

tương ứng bên trong cánh gió

Hình 2 4: Hình ảnh thực tế của cảm biến

hướng gió

2.6.4 Cảm biến đo lượng mưa

Cảm biến đo chỉ số lượng.mưa.được.thiết.kế với hình dáng.phễu.để hứng nước mưa

và có chiều cao 9.05cm và chiều dài 23cm Mỗi gầu chứa khoảng 0.2794 mm nước mưa Khi cảm biến đầy, nó được thiết kế với một cơ chế tự động để xả hết nước Cơ chế này bao gồm một nắp xả được gắn với một tiếp điểm thường mở Khi nắp xả được mở, nó sẽ đóng tiếp điểm thường mở và tạo ra một tín hiệu số để cho biết lượng mưa đã đo được [22] Hình dạng thực.tế.của cảm.biến lượng mưa được.thể.hiện.như.hình.2.5

Hình 2 5: Hình ảnh thực tế của cảm biến lượng mưa

Cảm biến đo lượng mưa hoạt động bằng cơ chế gầu lật tự đổ, gọi là "gầu lật" hay

"tipping bucket" Gầu này được thiết kế để tự động lật qua sau mỗi lần bị đầy, tạo ra một xung điện tương ứng Khi mưa rơi vào bề mặt của gầu, nước sẽ đọng lại và dần đầy gầu cho đến khi nó đủ trọng lượng để lật qua Quá trình này tạo ra một xung điện tương ứng,

và số lần lật được tính để đo lượng mưa đã rơi Cảm biến thường được thiết kế để đếm

số lượng xung điện đã tạo ra, và chuyển đổi chúng thành các đơn vị lượng mưa (mm hoặc inch) Cảm biến đo lượng mưa bằng gầu lật tự đổ thường được ứng dụng trong các trạm thời tiết và môi trường nhằm giám sát nguồn tài nguyên nước

2.6.5 Cảm biến tia UV GUVA-S12SD

Mô-đun cảm biến tia UV GUVA-S12SD là một cảm biến dùng để đo lường tia UV trong một dải bước sóng từ 200 đến 400nm Cảm.biến.dùng.để đo lường mức.độ phóng

xạ.UV, giúp người dùng đánh giá được mức độ nguy hiểm từ tia cực tím và các nguồn phát UV Thông số kỹ thuật của cảm biến được thể hiện trong.bảng.2.5

Bảng.2 5: Thông số kỹ thuật của cảm biến GUVA S12SD

Hình 2 6 Hình ảnh thực tế của cảm biến tia UV

Hình ảnh thực tế của cảm biến UV được thể hiện qua hình 2.6 Cảm biến tia UV GUVA-SD12S hoạt động bằng cách chuyển đổi ánh sáng tia UV thành tín hiệu điện áp tương tự Nó được trang bị bộ lọc tia UV, giúp lọc các bước sóng UV-B và UV-A Trong cảm.biến.có.sử.dụng một cặp photodiode dùng.để.chuyển.đổi.ánh.sáng UV thành dạng tín hiệu điện áp Khi ánh sáng UV chiếu vào cảm biến, phụ.thuộc.vào lượng ánh.sáng

UV mà cặp.photodiode.này tạo ra một dòng điện tương ứng Tín hiệu dòng điện này được khuếch đại và chuyển đổi thành tín hiệu điện áp tương tự Cảm biến GUVA-SD12S được thiết kế với tính năng chống nhiễu và chống tia UV khác, giúp cải thiện độ chính

xác và độ tin cậy của kết quả đo cường độ tia UV [23]

Hình 2 7: Phân chia cấp độ tia UV

Một.số.biện.pháp.bảo.vệ cơ thể khi tiếp xúc với tia UV, bảng dữ liệu 2.6 được tham khảo tại bài viết số [24]:

Bảng 2 6: Mức độ tăng dần của tia UV

2.6.6 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11

Cảm biến DHT11 có chức năng đo nhiệt độ và độ ẩm không khí và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điều khiển tự động, giám sát môi trường và.các.thiết.bị.khác Với.độ.chính.xác ±2°C cho nhiệt độ và ±5% cho độ ẩm, cảm biến sử dụng giao tiếp số

để truyền dữ liệu Ngoài ra, kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ điện năng thấp và giá thành rẻ cũng là các ưu điểm của cảm biến DHT11 Vì vậy, nó là.lựa.chọn.phổ.biến.cho.các.dự

án.DIY [25] Hình 2.8 bên dưới mô tả hình dạng thực tế của cảm biến và bảng 2.7 là các thông số kỹ thuật quan trọng của DHT11

Hình.2 8: Hình ảnh thực tế của.module.cảm.biến DHT11

Bảng.2 7: Các thông số kỹ thuật của cảm.biến.DHT11

Cảm.biến.DHT11 sử.dụng.một phần tử cảm.biến.độ.ẩm điện.dung và một điện.trở nhiệt để đo.nhiệt.độ Phần tử cảm biến độ ẩm tụ điện có hai điện cực, giữa chúng là chất điện môi giữ ẩm Thay đổi độ ẩm sẽ dẫn đến giá trị điện.dung.của phần tử cảm.biến.thay đổi Cảm biến DHT11 sử.dụng.kỹ.thuật.xử.lý.tín.hiệu để chuyển giá trị điện.trở và nhiệt

độ,.độ ẩm thành dạng kỹ thuật số [24]

2.6.7 Màn hình LCD TFT 2’’

LCD TFT là từ viết tắt của Liquid Crystal Display và Thin Film Transistor, đây là loại màn hình sử dụng bóng bán dẫn dạng phim mỏng và các đèn nền để tạo ánh sáng cho điểm ảnh Khác với các loại màn.hình khác, LCD.TFT không.tự.tạo.ánh.sáng Tuy nhiên, màn hình này có khả năng tái tạo màu tốt hơn và có thể sản xuất ra màn hình độ phân giải cao hơn với chi phí sản xuất thấp hơn [26] Một.số.thông.tin.về.các.linh kiện liên quan đến LCD TFT được mô tả như bảng 2.8 và hình 2.9 là hình dạng thực tế.của màn.hình