(Tiểu luận) đề tài nghiên cứu ứng dụng mạngcảm biến cho hệ thống chiếu sáng thông minh trong trường học

Sửdụng hệ thống cảm biến để điều chỉnh ánh sáng dựa trên mức độ tự nhiên của ánh sángtrong môi trường không chỉ giúp giảm lượng điện tiêu thụ một cách đáng kể mà còn tạo ramột môi trường

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚPMôn học: Mạng cảm biến

Hà Nội – 2023

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN

BẢNG PHÂN CÔNG

1 B20DCDT050 Trần Huy Đạt Làm word, code, Thuyết trình

2 B20DCDT051 Trần Mạnh Điệp Tìm tài liệu, làm về nút cảm biến

3 B20DCDT052 Nguyễn Thành Đô Tìm tài liệu, làm về nút cảm biến

4 B20DCDT053 Bùi Ngọc Đức Tìm tài liệu, làm về sink nut

5 B20DCDT001 Nguyễn Minh Đức Tìm tài liệu, làm về sink nut, slide

MỞ ĐẦU

Hiện nay, việc bảo đảm tiết kiệm năng lượng là một ưu tiên quan trọng trên toàn cầu.Việc tiêu tốn lượng lớn điện năng để chiếu sáng các phòng học, phòng thư viện và khu vựckhác tạo ra một thách thức đáng kể cho việc tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường Sửdụng hệ thống cảm biến để điều chỉnh ánh sáng dựa trên mức độ tự nhiên của ánh sángtrong môi trường không chỉ giúp giảm lượng điện tiêu thụ một cách đáng kể mà còn tạo ramột môi trường chiếu sáng tối ưu Ánh sáng tự nhiên là nguồn tài nguyên vô giá mà chúng

ta có sẵn mỗi ngày, và việc tận dụng nó một cách hiệu quả có thể đóng góp đáng kể vào mụctiêu bảo vệ môi trường và giảm thiểu tác động tiêu cực đến hệ sinh thái Sử dụng hệ thốngcảm biến để điều chỉnh ánh sáng dựa trên mức độ tự nhiên của ánh sáng trong môi trường sẽgiúp giảm lượng điện tiêu thụ một cách đáng kể

Một môi trường học tập thoải mái và tối ưu có thể tác động tích cực đến sự tập trung

và hiệu suất học tập của học sinh và sinh viên Môi trường quá tối hoặc quá sáng có thể gâymệt mỏi và gây sự phân tâm Sử dụng cảm biến ánh sáng để điều chỉnh đèn theo cách thôngminh sẽ giúp tạo ra môi trường học tập lý tưởng, thích hợp với hoạt động học tập và tươngtác giữa giảng viên và học sinh Điều này có thể cải thiện hiệu suất học tập, giảm căng thẳngcho học sinh và giảng viên, và tạo ra một môi trường học tập hấp dẫn hơn

Vì những lý do trên nên nhóm chúng em chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng mạng cảm biến cho hệ thống chiếu sáng thông minh trong trường học” không chỉ vì tiết kiệm

năng lượng là một ưu tiên quan trọng trên toàn cầu, mà còn vì hiệu suất học tập và sự pháttriển của học sinh cũng là yếu tố quan trọng không thể bỏ qua Trường học không chỉ là nơi

để truyền đạt kiến thức, mà còn là môi trường hình thành tư duy, sự sáng tạo và phát triển cánhân

Chúng em hy vọng rằng thông qua nghiên cứu này, chúng ta có thể đóng góp vàoviệc xây dựng các trường học thông minh, bảo vệ môi trường, và thúc đẩy sự phát triển toàndiện của thế hệ trẻ

Bài báo cáo được trình bày như sau:

 CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

 CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG CHIẾU SÁNGTHÔNG MINH TRONG TRƯỜNG HỌC

 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG THÔNG MINHTRONG TRƯỜNG HỌC

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 4

MỤC LỤC 6

DANH MỤC HÌNH ẢNH 8

CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 9

1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến 9

1.2 Những ứng dụng nổi bật của mạng cảm biến 9

1.2.1 Giám sát và điều khiển công nghiệp 9

1.2.2 Tự động hoá gia đình và điện dân dụng 10

1.2.2 Trong quân sự 10

1.2.4 Trong y tế và giám sát sức khoẻ 10

1.2.5 Với môi trường và ngành nông nghiệp 11

1.2.6 Ứng dụng trong hệ thống chiếu sáng thông minh trong trường học 11

1.3 Tiểu kết 12

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG THÔNG MINH TRONG TRƯỜNG HỌC 13

2.1 Giới thiệu về các linh kiện 13

2.1.1 Vi điều khiển ESP 32 WROOM 32U 13

2.1.2 Giới thiệu về ANTEN 2.4G Wifi PIEX SMA 16

2.1.3 Cảm biến ánh sáng(có đầu ra analog) 17

2.1.4 Đèn Led 19

2.1.5 Nguồn 20

2.2 Giao thức 21

2.2.1 Giới thiệu về giao thức 21

-Công nghệ… None

11

DC3DT34 - Bài giảng -Cơ sở truyền số liệ…Học viện

Công nghệ… None

124

2.2.2 Mục đích sử dụng giao thức trong ứng dụng 24

2.3 Điều chế PWM 24

2.3.1 Giới thiệu về điều chế xung PWM 24

2.3.2 Ứng dụng PWM 24

2.4 Phần mềm Arduino IDE 25

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG THÔNG MINH TRONG TRƯỜNG HỌC 30

3.1 Kịch bản ứng dụng 30

3.1.1 Mục tiêu 30

3.1.2 Phương pháp 30

3.2 Thiết kế phần cứng 31

3.2.1 Mô hình của mạng cảm biến 31

3.2.2 Nút cảm biến 32

3.2.3 Sink nút 32

3.3 Thiết kế phần mềm 33

3.3.1 Phần mềm thu thập và truyền tải dữ liệu từ nút cảm biến về sink nút 33

3.3.2 Phần mềm điều khiển thiết bị 36

3.4 Kết quả của nghiên cứu 38

3.4.1 Ưu nhược điểm của hệ thống 38

3.4.2 Khả năng mở rộng của hệ thống 39

3.5 kết luận 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

Bìa bài thi cuối kỳ -none

Học viện Công nghệ… None

1

Dự đoán diễn biến phim Moving ep 10… Học viện

Công nghệ… None

2

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Mạng cảm biến (Sensor Network) 8

Hình 2.1: Kit ESP32 WROOM 32u 12

Hình 2.2 : chíp ESP32 13

Hình 2.3 : ANTEN 2.4G Wifi PIEX SMA 15

Hình 2.4: Mô-đun cảm biến ánh sáng 17

Hình 2.5: sơ đồ chân của cảm biến ánh sáng 17

Hình 2.5: Led đơn 18

Hình 2.6: nguồn 5V-2A microusb 20

Hình 2.7: mô hình ESP-NOW 22

Hình 2.8: Điều chế xung PWM 23

Hình 3.1: Mô hình của mạng 30

Hình 3.2: Sơ đồ nối chân của nút cảm biến 31

Hình 3.3: Sơ đồ nối chân của sink nút 31

Hình 3.4: Lưu đồ thuật toán của nút cảm biến 32

Hình 3.5: Lưu đồ thuật toán của Sink nút 35

CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG CẢM BIẾN

KHÔNG DÂY1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến

Mạng cảm biến (Sensor Network) là một hệ thống gồm nhiều thiết bị cảm biến đượcphân bố trong một khu vực hoặc môi trường cụ thể để thu thập, ghi nhận và truyền tải thôngtin về môi trường xung quanh Mạng cảm biến được thiết kế để tự động thu thập dữ liệu vàgửi chúng về một trạm cơ sở hoặc điểm tập trung để xử lý, phân tích hoặc hiển thị

Hình 1.1: Mạng cảm biến (Sensor Network) 1.2 Những ứng dụng nổi bật của mạng cảm biến

1.2.1 Giám sát và điều khiển công nghiệp

Phục vụ việc thu thập thông tin, giám sát trạng thái hoạt động của hệ thống, nhưtrạng thái các van, trạng thái thiết bị, nhiệt độ và áp suất của nguyên liệu được lưu trữ; hệthống điều khiển không dây ánh sáng quảng cáo

1.2.2 Tự động hoá gia đình và điện dân dụng

Mục đích lớn của các mạng cảm biến không dây trong gia đình được mong chờ làmức tiêu thụ điện thấp Ứng dụng khác trong gia đình là việc hỗ trợ các dịch vụ gia đìnhtrên ôtô: ổ khoá không dây, các cảm biến cửa ra vào và cửa sổ, và các bộ điều khiển bóngđèn không dây, chủ nhà có một thiết bị tương tự như một key-fob với một nút bấm Khi bấmnút, thiết bị khoá tất cả các cửa ra vào và cửa sổ trong nhà, tắt hầu hết các bóng đèn trongnhà (trừ một vài bóng đèn ngủ), bật các bóng đèn an toàn ngoài nhà, và thiết lập hệ thốngHVAC đến chế độ ngủ Người sử dụng nhận một tiếng beep một lần hồi đáp thể hiện tất cả

đã thực hiện thành công, và nghỉ ngơi hoàn toàn, như vậy ngôi nhà an toàn Khi một cánhcửa hỏng không thể mở, hoặc vấn đề tồn tại, một màn hình hiển thị trên thiết bị chỉ thị nơi bịhỏng

1.2.2 Trong quân sự

Vì các mạng cảm biến dựa trên cơ sở triển khai dày đặc với các nút giá rẻ và chỉdùng một lần, việc bị địch phá huỷ một số nút không ảnh hưởng tới hoạt động chung nhưcác cảm biến truyền thống nên chúng tiếp cận chiến trường tốt hơn Một số ứng dụng củamạng cảm biến là: kiểm tra lực lượng, trang bị, đạn dược, giám sát chiến trường, trinh sátvùng và lực lượng địch, tìm mục tiêu, đánh giá thiệt hại trận đánh, trinh sát và phát hiện các

vũ khí hóa học - sinh học - hạt nhân

1.2.4 Trong y tế và giám sát sức khoẻ

Một số ứng dụng trong y tế của mạng cảm biến không dây là cung cấp khả năng giaotiếp cho người khuyết tật; kiểm tra tình trạng của bệnh nhân; chẩn đoán; quản lý dược phẩmtrong bệnh viện; kiểm tra sự di chuyển và các cơ chế sinh học bên trong của côn trùng vàcác loài sinh vật nhỏ khác; kiểm tra từ xa các số liệu về sinh lý con người; giám sát, kiểm tracác bác sĩ và bệnh nhân bên trong bệnh viện

1.2.5 Với môi trường và ngành nông nghiệp

Theo dõi sự di chuyển của các loài chim, loài thú nhỏ, côn trùng; kiểm tra các điềukiện môi trường ảnh hưởng tới mùa màng và vật nuôi; tình trạng nước tưới; các công cụ vĩ

mô cho việc giám sát mặt đất ở phạm vi rộng và thám hiểm các hành tinh; phát hiện hóahọc, sinh học; tính toán trong nông nghiệp; kiểm tra môi trường không khí, đất trồng, biển;phát hiện cháy rừng; nghiên cứu khí tượng và địa lý; phát hiện lũ lụt; vẽ bản đồ sinh họcphức tạp của môi trường và nghiên cứu ô nhiễm môi trường Các ứng dụng của các mạngcảm biến không dây cũng được sử dụng trên các trang trại chăn nuôi.

1.2.6 Ứng dụng trong hệ thống chiếu sáng thông minh trong trường học

Hệ thống chiếu sáng thông minh trong trường học có thể được nâng cấp và tối ưu hóathông qua việc ứng dụng mạng cảm biến Dưới đây là một số cách mà mạng cảm biến có thểđược áp dụng trong lĩnh vực này:

 Điều chỉnh ánh sáng tự động: Mạng cảm biến có thể được sử dụng để theo dõimức độ tự nhiên của ánh sáng trong từng phòng học và điều chỉnh đèn theocách thông minh Khi ánh sáng tự nhiên đủ, hệ thống có thể tắt hoặc giảm ánhsáng điện để tiết kiệm năng lượng Ngược lại, khi cần thêm ánh sáng, hệ thống

có thể tăng cường đèn

 Tạo cài đặt ánh sáng tùy chỉnh: Hệ thống có thể cho phép giảng viên và quản

lý trường học tạo ra cài đặt ánh sáng tùy chỉnh cho từng phòng học Mộtphòng có thể có một cài đặt ánh sáng phù hợp cho giảng dạy trong buổi sáng

và một cài đặt khác cho buổi tối

 Giảm căng thẳng và tạo môi trường học tập tốt hơn: Ánh sáng có thể ảnhhưởng đến tâm trạng và hiệu suất học tập của học sinh Mạng cảm biến có thểđược sử dụng để cân nhắc mức độ ánh sáng thích hợp cho từng hoạt động họctập, giúp giảm căng thẳng và tạo môi trường học tập tối ưu

 Tích hợp với hệ thống quản lý tòa nhà thông minh: Mạng cảm biến có thểđược tích hợp với các hệ thống quản lý tòa nhà thông minh để tối ưu hóa việc

sử dụng năng lượng và quản lý các thiết bị khác trong tòa nhà

1.3 Tiểu kết

Các mạng cảm biến không dây với chi phí đầu tư thấp, tiêu thụ ít điện năng, cho phéptriển khai trong nhiều điều kiện địa hình khí hậu phức tạp, đặc biệt là khả năng tự tổ chức

mạng, khả năng xử lý cộng tác và chịu được các hư hỏng sự cố đã tạo ra một triển vọng ứngdụng đầy tiềm năng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Tuy nhiên để triển khai mạng cảm biếnkhông dây, người thiết kế hệ thống cần phải nắm bắt được những nhân tố tác động đếnmạng, những nhược điểm của mạng cần phải được khắc phục, cần quan tâm đến các tham

số mạng, … cần có sự mô phỏng đánh giá để từ đó có thể thiết kế hệ thống theo cách tối ưunhất

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG THÔNG MINH TRONG TRƯỜNG HỌC

2.1 Giới thiệu về các linh kiện

2.1.1 Vi điều khiển ESP 32 WROOM 32U

a Giới thiệu chung về ESP32

Hình 2.1: Kit ESP32 WROOM 32u

ESP32 là một dòng vi điều khiển hệ thống trên chip (SoC) giá rẻ, tiết kiệmnăng lượng với Wi-Fi và Bluetooth tích hợp ESP32 được tạo và phát triển bởi Espressif Systems, một công ty Trung Quốc có trụ sở tại Thượng Hải, và được sảnxuất bởi TSMC sử dụng quy trình 40 nm của họ1 Nó là người kế nhiệm của vi điều khiển ESP8266

Các tính năng của ESP32 bao gồm :

 Bộ xử lý: CPU Xtensa hai nhân (hoặc một nhân) 32 bit LX6, hoạt động ở 160hoặc 240 MHz và thực hiện lên đến 600 DMIPS.

 Bộ nhớ: 520 KiB RAM, 448 KiB ROM

 Kết nối không dây: Wi-Fi: 802.11 b/g/n, Bluetooth: v4.2 BR/EDR và BLE(chia sẻ radio với Wi-Fi)

 Giao diện ngoại vi: 34 × GPIO có thể lập trình, ADC SAR 12 bit lên đến 18kênh, 2 × DAC 8 bit, 10 × cảm biến cảm ứng (GPIO cảm biến điện dung), 4 ×SPI, 2 × giao diện I²S, 2 × giao diện I²C, 3 × UART, SD / SDIO / CE-ATA /MMC / eMMC host controller, SDIO/SPI slave controller, Ethernet MACinterface với DMA chuyên dụng và hỗ trợ giao thức thời gian chính xác IEEE

1588 đã được lên kế hoạch

 Bộ nhớ: 448KByte ROM, 520 Kbyte SRAM

 Antenna: đầu nối U.FL (giúp kết nối với anten IPEX bên ngoài)

 Network protocols: IPv4, IPv6, SSL, TCP/UDP/HTTP/FTP/MQTT

 User configuration: AT instruction set, cloud server, Android/iOS app

 WiFi:

o Wi-Fi mode: Station/SoftAP/SoftAP+Station/P2P

o Wi-Fi Security: WPA/WPA2/WPA2-Enterprise/WPS

 NZIF receiver with –97 dBm sensitivity

 Class-1, class-2 and class-3 transmitter

 AFH

o Audio: CVSD and SBC

 Encryption: AES/RSA/ECC/SHA

 Firmware upgrade: UART Download / OTA

 Software development: Supports Cloud Server Development / SDK forcustom firmware development

 Module interface: SD card, UART, SPI, SDIO, I2C, LED PWM, Motor PWM,I2S, IR

 On-chip sensor: Hall sensor

 On-board clock: 40 MHz crystal

 Điê ¥n áp hoạt động: 2.7 ~ 3.6V

 Dòng điê ¥n hoạt động: trung bình: 80 mA

 Dòng điê ¥n tối thiểu lấy từ nguồn điê ¥n: 500 mA

 Nhiê ¥t độ hoạt động: –40°C ~ +85°C

 Tùy chọn cung cấp điê ¥n

Có các tùy chọn sau để cung cấp nguồn điê ¥n cho bo mạch này:

o Cổng Micro USB, đây là kết nối cấp nguồn mặc định

c Mục đích sử dụng trong ứng dụng

Sử dụng ESSP32 làm các nút và sink nút để thực hiện thu thập dữ liệu để phục vụcho ứng dụng điều khiển ánh sáng

2.1.2 Giới thiệu về ANTEN 2.4G Wifi PIEX SMA

a Giới thiệu chung

Loại anten có đầu kết nối dạng SMA giúp tăng khả năng thu phát sóng của ESP32

Hình 2.3 : ANTEN 2.4G Wifi PIEX SMA

Thông số kỹ thuật:

 Băng tần: 2400-2500

 Chỉ số chi tiết: hiệu suất điện điện Thông số kỹ thuật

 Tối đa sức mạnh công suất tối đa đầu vào (W) 50

 Hình thức kết nối Loại SMA

 Nhiệt độ hoạt động nhiệt độ (℃) -40 ~ + 70

b Mục đích sử dụng trong ứng dụng

Mục đích sử dụng Anten là để tăng khoảng cách giữa các nút và sink nút với nhau.Đảm bảo việc kết nối được liện tục và ko bị gián đoạn

2.1.3 Cảm biến ánh sáng(có đầu ra analog)

a Giới thiệu chung về cảm biến ánh sáng

Cảm biến ánh sáng với đầu ra analog là một thiết bị chuyển đổi năng lượng ánh sáng(photon) thành năng lượng điện tử (electron) Cảm biến này cũng quan sát sự thay đổi trongcác yếu tố bên ngoài như cường độ ánh sáng, tốc độ gió, bức xạ mặt trời và những yếu tốkhác

Hình 2.4: Mô-đun cảm biến ánh sáng

b Cấu tạo

Mô-đun cảm biến ánh sáng LDR có 4 chân:

 Chân VCC: nối chân này với nguồn điện (trong khoảng từ 3.3V đến 5V)

 Chân GND: nối chân này với đất

 Chân D0: Đây là chân đầu ra kỹ thuật số nó cho tín hiệu cao kho trời tối vàthấp khi trời sáng có thể tuỳ chỉnh ngưỡng giữa tối và sáng bằng chiết áp tíchhợp

 Chân A0: Đây là chân đầu ra analog Giá trị giảm khi ánh sáng sáng hơn vàtăng khi ánh sáng tối hơn

Hình 2.5: sơ đồ chân của cảm biến ánh sáng

Ngoài ra, mô-đun cảm biến ánh sáng LDR được trang bị hai đèn LED:

 Đèn báo PWR-LED hiển thị trạng thái nguồn

 Đèn báo DO-LED phản ánh trạng thái ánh sáng trên chân DO: nó sáng khi cóánh sáng và tắt khi tối.

c Mục đích sử dụng trong ứng dụng

Sử dụng cảm biến áng sáng có đầu ra tương tự (Analog) để đọc cường độ sáng củaánh sang ngoài môi trường để giúp điều chỉnh độ sáng của đèn để tạo môi trường sáng thíchhợp

2.1.4 Đèn Led

a Giới thiệu về đèn led

Đèn LED đơn thường được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ chiếu sángnền trên màn hình điện tử đến đèn báo trạng thái trong thiết bị điện tử, và thậm chí trong các

dự án DIY (làm đồ thủ công) hoặc trong công việc sửa chữa

Hình 2.5: Led đơn Nguyên tắc hoạt động: Đèn LED đơn hoạt động dựa trên nguyên tắc phát quang

điện tử của các đèn LED Khi một dòng điện đi qua đèn LED, nó kích thích các electrontrong chất bán dẫn (semiconductor) bên trong, làm cho chúng chuyển động và phát ra ánhsáng

Ứng dụng phổ biến:

 Đèn báo trạng thái: Đèn LED đơn thường được sử dụng để hiển thị trạng thái

của các thiết bị, ví dụ, đèn báo nguồn hoặc đèn báo Wi-Fi trên thiết bị điện tử

 Chiếu sáng nền màn hình: Trong các màn hình điện tử như TV, điện thoại di

động hoặc máy tính, đèn LED đơn thường được sử dụng để tạo ánh sáng nền

a Giới thiệu về nguồn

Nguồn cung cấp 5V 2A thông qua cổng Micro USB là một loại nguồn phổ biến được

sử dụng để cung cấp nguồn cho nhiều thiết bị di động và điện tử khác nhau, bao gồm điệnthoại di động, máy tính bảng, Raspberry Pi, các loại board phát triển như Arduino, ESP32,

và nhiều thiết bị khác