Đề tài hệ THỐNG CẢNH báo CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ, HIỂN THỊ NHIỆT độ, độ ẩm lên WEB

IOT là một mạng lưới các vật thể được gắn các cảm biến hoặc hệ thống điện tử đặc biệt cho phép chúng kết nối với nhau để thu thập và trao đổi dữ liệu.. Ngoài ra, chúng em còn đo nhiệt độ

BÁO CÁO MÔN THIẾT KẾ NGOẠI VI VÀ KỸ THUẬT

GHÉP NỐI

Đề tài: HỆ THỐNG CẢNH BÁO CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ,

HIỂN THỊ NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM LÊN WEB

Giảng viên hướng dẫn : Trần Thu Hà

1.1 ESP32 4

1.1.1 Giới thiệu chung 4

1.1.2 Thông số kĩ thuật 4

1.1.3 So sánh ESP32 và ESP8266 8

1.2 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 9

1.2.1 Giới thiệu chung 9

1.2.2 Cấu tạo 9

1.2.3 Sơ đồ chân và thông số kỹ thuật 10

1.2.4 So sánh DHT22 và DHT11 10

1.3 Cảm biến bụi GP2Y1010AU0F 11

1.3.1 Giới thiệu chung và cách hoạt động 11

1.3.2 Bảng kết nối và chức năng các chân cảm biến 13

1.3.3 Thông số kỹ thuật 13

PHẦN II NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 14

2.1 Sơ đồ khối hệ thống 14

2.2 Sơ đồ nguyên lý 14

2.3 Nguyên lý hoạt động 15

2.3.1 Nguyên lý chung 15

2.3.2 Nguyên lý từng khối 15

PHẦN III KẾT QUẢ 17

3.1 Giao diện web 17

3.2 Hướng phát triển 20

LỜI CẢM ƠN 21

LỜI MỞ ĐẦU

Mỗi giai đoạn phát triển của lịch sử thế giới đều gắn liền với những cuộc cách mạng về khoa học kỹ thuật Và ngày nay, cuộc cách mạng Internet of Things đã tạo nên những thay đổi đáng kể cuộc sống của chúng ta ở hiện tại và trong tương lai Với sự phát triển của Internet, Smartphone và đặc biệt là các thiết bị cảm biến, Internet of Things (IOT) đang trở thành xu hướng mới của thế giới IOT là một mạng lưới các vật thể được gắn các cảm biến hoặc hệ thống điện tử đặc biệt cho phép chúng kết nối với nhau để thu thập và trao đổi dữ liệu Các vật thể trong mạng lưới này có thể được kết nối với mạng Internet cho mục đích điều khiển và giám sát từ xa Việc chúng ta vào nhà, mở cửa, đèn

sẽ tự động sáng ở chỗ ta đang đứng, điều hòa sẽ tự động điều chỉnh nhiệt độ, nhạc sẽ tự động bật lên, Những điều chỉ có trong phim khoa học viễn tưởng mà chúng ta thường xem, đang dần trở thành hiện thực với công nghệ IOT

Ngày nay, mức độ ô nhiễm tăng lên theo thời gian do nhiều yếu tố như sự gia tăng dân số, gia tăng sử dụng phương tiện, quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa dẫn đến những tác hại đối với con người do ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của những người

tiếp xúc với nó Vì vậy, chúng ta cần theo dõi chỉ số chất lượng không khí Trong dự án

này, chúng em sẽ tạo ra Hệ thống giám sát chỉ số chất lượng không khí dựa trên IoT, trong đó chúng em sẽ theo dõi chỉ số chất lượng không khí qua Webserver Khi sử dụng cảm biến chất lượng không khí MQ135 có thể phát hiện mức độ ô nhiễm không khí khác nhau Ngoài ra, chúng em còn đo nhiệt độ, độ ẩm thông qua cảm biến DHT22, độ bụi bằng cảm biến bụi GP2Y1010AU0F và tất cả dữ liệu đọc được sẽ gửi lên Web cũng như gửi về messenger

Thiết kế, xây dựng một hệ thống iot để hiển thị dữ liệu cảm biến nhiệt độ, độ ẩm

và trạng thái led Sử dụng ESP32 để truyền nhận dữ liệu Xây dựng 1 trang web cơ bản để hiện thị dữ liệu đọc được từ cảm biến và thông báo cho người sử dụng biết khi chất lượng không khí không được tốt.

PHẦN I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 ESP32

1.1.1 Giới thiệu chung

ESP32 kết hợp cả WiFi và Bluetooth chip trên cùng 1 Board phát triển Nhờ

đó, ESP32 có thể vừa có thể phát tín hiệu điều khiển vừa có thể nhận tín hiệu điều khiển

từ thiết bị khác thông qua Wifi và Bluetooth.

Tối ưu hóa trong việc tiêu thụ năng lượng: ESP32 được thiết kế để phù hợp với các thiết bị di động, các thiết bị và ứng dụng IoT.

Được tích hợp bên trong các cảm biến như cảm biến nhiệt, bản biến Hall và cảm ứng chạm.

Hình 1.1 Sơ đồ chân ESP32

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

- RAM: 520 KByte 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 tất cả các loại giao tiếp

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

- 16 cổng Analog (ADC) 12-bit

- 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.

 Nguồn điện hoạt động

- Nhiệt độ hoạt động -40 + 85C

- Điện áp hoạt động: 2.2-3.6V

- Số cổng GPIOs: 34

 Chức năng của các chân GPIO

 Chỉ đầu vào các chân GPIO từ 34 đến 39 là GPI - chân chỉ đầu vào Các chân này không có điện trở kéo lên hoặc kéo xuống bên trong Chúng không thể được sử dụng làm đầu ra, vì vậy chỉ sử dụng các chân này làm đầu vào: GPIO34, GPIO35, GPIO36, GPIO39.

 Đèn flash SPI tích hợp GPIO 6 đến GPIO 11 được hiển thị trong một số bảng phát triển ESP32 Tuy nhiên, các chân này được kết nối với đèn flash SPI tích hợp trên chip ESP- WROOM-32 và không được khuyến khích cho các mục đích sử dụng khác Vì vậy, không sử dụng các chân này trong các dự án:

 GPIO 6 (SCK / CLK)

 GPIO 7 (SDO / SD0)

 GPIO 8 (SDI / SD1)

 GPIO 9 (SHD / SD2)

 GPIO 10 (SWP / SD3)

 GPIO 11 (CSC / CMD)

 GPIO cảm ứng điện dung ESP32 có 10 cảm biến cảm ứng điện dung bên trong Chúng có thể cảm nhận được các biến thể của bất cứ thứ gì chứa điện tích, như da người Vì vậy, họ có thể phát hiện các biến thể gây ra khi chạm vào các GPIO bằng ngón tay Các chân này

có thể dễ dàng tích hợp vào các miếng đệm điện dung, và thay thế các nút cơ học Các chân cảm ứng điện dung cũng có thể được sử dụng để đánh thức ESP32 Các cảm biến cảm ứng bên trong đó được kết nối với các GPIO sau:

 Bộ chuyển đổi Digital sang Analog (DAC)

Có 2 kênh DAC 2 x 8 bit trên ESP32 để chuyển đổi tín hiệu kỹ thuật số thành đầu ra tín hiệu điện áp tương tự Đây là các kênh DAC:

 RTC_GPIO17 (GPIO27)

 PWM

Bộ điều khiển ESP32 LED PWM có 16 kênh độc lập có thể được cấu hình để tạo tín hiệu PWM với các đặc tính khác nhau Tất cả các chân có thể hoạt động như đầu ra đều có thể được sử dụng làm chân PWM (GPIO từ 34 đến 39 không thể tạo PWM).

Để đặt tín hiệu PWM, bạn cần xác định các thông số này trong mã:

 GPIO 21 (SDA)

 GPIO 22 (SCL)

 SPI Theo mặc định, ánh xạ pin cho SPI là:

VSPI GPIO23 GPIO19 GPIO18 GPIO5

HSPI GPIO13 GPIO12 GPIO14 GPIO15

 Ngắt Tất cả các GPIO có thể được cấu hình như ngắt.

 Cảm biến hiệu ứng Hall tích hợp ESP32 ESP32 cũng có cảm biến hiệu ứng hội trường tích hợp để phát hiện những thay đổi trong từ trường xung quanh nó.

1.1.3 So sánh ESP32 và ESP8266

 Tổng quan:

- Cả hai chip đều có bộ xử lý 32-bit ESP32 có CPU dual core 160MHz đến 240MHz CPU trong khi ESP8266 là single core chạy ở 80MHz Chúng ta đều biết mỗi vi xử lý đều phải có một CPU (core) để làm nhiệm vụ là trung tâm xử lý mọi hoạt động Khi ESP32 có 2 CPU có nghĩa là nó có thể chạy nhiều tác vụ, xử lý nhanh hơn

- Các module này đều đi kèm với các ngoại vi hỗ trợ nhiều loại giao thức như SPI, I2C, UART, ADC, DAC, PWM ESP8266 là 17 chân GPIO, ADC độ phân giải 10 bit, 8 kênh PWM mềm trong khi đó ESP 32 có tới 30/36 chân GPIO, 18 kênh ADC

độ phân giải 12-bit, 16 kênh PWM mềm, Touch Sensor, Hall Effect Sensor…

- Về bộ nhớ ESP32 có thêm 4MB External Flash và 520KB SRAM (static random access memory) trong đó 8 KB RAM RTC tốc độ cao – 8 KB RAM RTC tốc độ thấp (dùng ở chế độ DeepSleep)

 Điểm vượt trội của ESP32 với ESP8266

- Điểm vượt trội của ESP32 với ESP8266 chình là công nghệ Bluetooth và Ultra Low Power.

- ESP32 hỗ trợ Bluetooth 4.2 và BLE (Bluetooth Low Energy) Việc hỗ trợ cả bluetooth khiến ESP32 có thể tương tác với các thiết bị như là bàn phím, chuột, điện thoại khi mà không có wifi.

- Ultra Low Power giải quyết vấn đề năng lượng cho ESP bởi vì sử dụng Wi-Fi sẽ rất ngốn điện đặc biệt khi chúng ta sử dụng pin phải tính toán rất kĩ.

1.2 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT22 1.2.1 Giới thiệu chung

DHT22 là cảm biến nhiệt độ và độ ẩm có độ chính xác cao Cảm biến này đo các giá trị độ ẩm tương đối Nó sử dụng phần tử cảm biến điện dung để đo Độ ẩm Để đo nhiệt độ, nó sử dụng nhiệt điện trở NTC Cảm biến này cũng có thể được sử dụng trong các điều kiện khắc nghiệt Nó có sẵn dưới dạng cảm biến cũng như Mô-đun.

- Để đo nhiệt độ, cảm biến này sử dụng một nhiệt điện trở có hệ số nhiệt độ âm, làm giảm giá trị điện trở của nó khi nhiệt độ tăng Để có được giá trị điện trở lớn hơn ngay

cả đối với sự thay đổi nhỏ nhất của nhiệt độ, cảm biến này thường được làm bằng gốm bán dẫn hoặc polymer.

1.2.3 Sơ đồ chân và thông số kỹ thuật

 Sơ đồ chân

Hình 1.2 Sơ đồ chân DHT22

1 Vcc Nguồn 3.3V đến 5V

2 Data Đầu ra cả nhiệt độ và độ ẩm thông qua dữ liệu nối tiếp

3 NC Không có kết nối và do đó không sử dụng

4 Ground Nối đất

 Thông số kỹ thuật:

 Nguồn sử dụng: 3~5VDC.

 Dòng sử dụng: 2.5mA max (khi truyền dữ liệu).

 Đo tốt ở độ ẩm 0100%RH với sai số 2-5%.

 Đo tốt ở nhiệt độ -40 to 80°C sai số ±0.5°C.

 Tần số lấy mẫu tối đa 0.5Hz (2 giây 1 lần)

 Kích thước 27mm x 59mm x 13.5mm (1.05" x 2.32" x 0.53")

 4 chân, khoảng cách chân 0.1''.

1.2.4 So sánh DHT22 và DHT11

- DHT11 và DHT22 (AM2302) là cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số đo nhiệt độ và độ

ẩm Chúng trông rất giống nhau và hoạt động theo cùng một cách, nhưng có thông

- DHT11 rẻ hơn một chút, có phạm vi nhỏ hơn và kém chính xác hơn Nhưng có thể nhận được các chỉ số cảm biến mỗi giây.

- Mặc dù có sự khác biệt nhưng cả hai hoạt động theo cách tương tự và có thể sử dụng cùng một code để đọc nhiệt độ và độ ẩm Chúng ta chỉ cần chọn trong code loại cảm biến đang sử dụng.

1.3 Cảm biến bụi GP2Y1010AU0F 1.

1.1.

1.2.

1.3.

1.3.1 Giới thiệu chung và cách hoạt động

Hình 1.4 Cảm biến bụi GP2Y1010AU0F

GP2Y10 là dòng cảm biến dùng để đo mật độ bụi trong không khí gồm có 3 bộ phận chính: IR led, Phototransistor, Amplifer.

GP2Y10 là cảm biến đo các hạt bụi PM2.5 Khi các hạt bụi lọt vào lỗ ở trên cảm biến, đèn hồng ngoại IR sẽ phát tín hiệu và bị các hạt bụi dội lại vào phototransistor lúc này điện áp từ phototransistor được đưa đến amplifer (mạch khuếch đại) và xuất ra chân Vo.

Theo datasheet, mỗi lần đo mất khoảng 10ms Mỗi lần đo của chúng ta sẽ gồm có:

 Bật IR LED

 Delay 0.28ms

 Đọc giá trị analog

 Tắt IR LED

 Delay 0.04ms

 Delay 9.68ms Sau khi đo xong, chúng ta cần chuyển đổi từ analog sang vol rồi sang mg/m^3 Tương ứng với mỗi 0.5V thì sẽ là 0.1mg/m^3 Tuy nhiên, sau khi thử nghiệm thì kết quả đưa ra không chuẩn với theo datasheet, nên người ta đã dùng thuật toán linear equation để tìm ra phép tính gần đúng sau khi khảo sát.

dustDensity = 0.172 * calcVoltage - 0.1

Hình 1.5 Đồ thị cho thuật toán linear equation

Tại sao gọi là Dust sensor PM2.5? Ở đây, PM có nghĩa là chất dạng hạt (Particulate Matter) Còn con số 2.5 là chỉ kích thước có đường kính nhỏ hơn hoặc bằng 2.5 micromet (1/triệu mét) Thế vì sao ta phải đo mật độ của một loại bụi nhỏ hơn hạt cát như vậy? Các loại bụi PM2.5 này rất nguy hiểm Các nhà khoa học cho biết: “những chất dạng hạt có đường kính dưới 10µm có thể xâm nhập vào cơ thể người qua hoạt động hít thở.” Khác với PM10, loại PM2.5 chúng đặc biệt nguy hiểm khi có khả năng luồn lách

vào các túi phổi và tĩnh mạch phổi, gây nên nhiều căn bệnh chết người Trên hết, mức

độ ô nhiễm của PM2.5 trên thế giới đã ở mức đáng cảnh báo.

1.3.1.

1.3.2 Bảng kết nối và chức năng các chân cảm biến

Hình 1.6 Chức năng các chân của cảm biến bụi

1.3.3 Thông số kỹ thuật

 Mức tiêu thụ hiên tại thấp: tối đa 20mA

 Điện áp hoat động điển hình: 4,5V đên 5,5V

 Kích thước bụi tối thiểu có thể phát hiên: 0,5um

 Phạm vi cảm biến mật đô bụi: lên đến 580 ug/m3

 Thời gian cảm biến: ít hơn 1s

 Kích thước 1,81 x 1,18 x 0,69"(46,0x 30,0x 17,6mm)

PHẦN II NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 2.

2.1 Sơ đồ khối hệ thống

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống

bụi và chất lượng không khí liên tục rồi đưa các giá trị lên Webserver của ESP32 để hiển thị cho người sử dụng thông qua việc hiển thi các giá trị cùng với biểu đồ trực quan các giá trị đo được trong khoảng thời gian thực cho người sử dụng biết được không chỉ hiện tại mà cả các chỉ số đã đọc khoảng thời gian trước đó Cảm biến nhiệt độ độ ẩm cũng sẽ đọc và hiển thị giá trị lên web Khi khối sử lý trung tâm phát hiện có các chỉ số vượt mức

đã quy định, sẽ lập tức thông báo trên giao diện web bằng hình thức chuyển đỏ thanh thông báo và gửi tin nhắn trực tiếp đến messenger của người sử dụng đã đăng kí để nhắc nhở về tình trạng không khí hôm nay Để người sử dụng có các biện pháp xử lý phù hợp khi ở nhà hoặc khi ra ngoài học tập, làm việc.

2.3.

2.3.1.

2.3.2 Nguyên lý từng khối

a) Khối cảm biến độ ẩm nhiệt độ

Hình 2.3 Khối giao tiếp cảm biến DHT22 với Kit ESP32

Cảm biến DHT22 được kết nối qua chuẩn giao tiếp một dây, do đó chân tín hiệu của cảm biến được kết nối với chân D4 của Kit ESP32 Dải điện áp hoạt động của cảm biến thuộc khoảng 3.3V-5V, vì vậy chân VCC của cảm biến được đấu nối chung với chân 3v3 của Kit.

b) Khối cảm biến bụi

Hình 2.4 Khối giao tiếp cảm biến bụi

Cảm biến bụi gồm ba phần chính: IR LED, Phototransistor, Amplifier Ở đây ta thấy

có 2 bộ phận dùng để truyền nhận hồng ngoại (IR LED và Phototransistor) 2 bộ phận này được đặt chệch gốc với nhau Khi có bụi bay vào, tia hồng ngoại từ IR LED sẽ bị dội vào Phototransistor, lúc này điện áp từ phototransistor sẽ được đưa đến mạch khuếch đại và xuất ra chân V0 Do đó để đọc được thông số từ cảm biến bụi thì chân V0 của cảm biến được kết nối với chân GPIO32, một trong những chân ADC1 trên Kit để đọc được giá trị cần đo.

c) Khối cảm biến không khí

Hình 2.5 Khối giao tiếp cảm biến không khí MQ135

Chân tín hiệu A0 của cảm biến MQ135 được kết nối với chân GPIO32 của Kit ESP32 để thực hiện quá trình đọc tín hiệu analog, mặt khác cảm biến MQ135 hoạt động ở dải điện áp 5v do đó chân VCC được kết nối với chân Vin của Kit ESP32.

PHẦN III KẾT QUẢ 3.

3.1 Giao diện web

Hình 3.1 Giao diện Web hiển thị

Hình 3.3 Mạnh thực tế

 Phát triển ứng dụng điện thoại (mobie app) hiển thị, thống báo và điều khiển.

 Kết hợp việc đọc giá trị với các đầu ra khác trong hệ thống IoT để điều khiển ví dụ như bật quạt hoặc điều hòa khi nhiệt độ cao…

 Lưu trữ dữ liệu đo được thông qua MQTT server và Database.

 Gửi email báo cáo thông số được lưu trữ trên file excel cho người sử dụng.

 Thêm hệ thống user, thiết kế hệ thống đăng kí cho nhiều người sử dụng.