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

Sử dụng hệ thống cảm biến để điều chỉnh ánh sáng dựa trên mức độ tự nhiên củaánh sáng trong môi trường không chỉ giúp giảm lượng điện tiêu thụ một cách đáng kể màcòn tạo ra một môi trườn

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚPMôn học: Mạng cảm biến

Hà Nội – 2023

Họ và tên : Trần Huy Đạt - B20DCDT050

: Trần Mạnh Điệp - B20DCDT051 : Nguyễn Thành Đô - B20DCDT052 : Bùi Ngọc Đức - B20DCDT053 : Nguyễn Minh Đức - B20DCDT001 Nhóm bài tập : 03

Nhóm lớp : 02

Giảng viên : ThS Trần Thị Thanh Thuỷ

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN

MỞ ĐẦU

Hiện nay, việc bảo đảm tiết kiệm năng lượng là một ưu tiên quan trọng trên toàncầu Việc tiêu tốn lượng lớn điện năng để chiếu sáng các phòng học, phòng thư viện vàkhu vực khác tạo ra một thách thức đáng kể cho việc tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môitrường Sử dụng hệ thống cảm biến để điều chỉnh ánh sáng dựa trên mức độ tự nhiên củaánh sáng trong môi trường không chỉ giúp giảm lượng điện tiêu thụ một cách đáng kể màcòn tạo ra một môi trường chiếu sáng tối ưu Ánh sáng tự nhiên là nguồn tài nguyên vôgiá mà chúng ta có sẵn mỗi ngày, và việc tận dụng nó một cách hiệu quả có thể đóng gópđáng kể vào mục tiêu bảo vệ môi trường và giảm thiểu tác động tiêu cực đến hệ sinh thái

Sử dụng hệ thống cảm biến để điều chỉnh ánh sáng dựa trên mức độ tự nhiên của ánh sángtrong môi trường sẽ giúp 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 tậptrung và hiệu suất học tập của học sinh và sinh viên Môi trường quá tối hoặc quá sáng cóthể gây mệt mỏi và gây sự phân tâm Sử dụng cảm biến ánh sáng để điều chỉnh đèn theocách thông minh sẽ giúp tạo ra môi trường học tập lý tưởng, thích hợp với hoạt động họctập và tương tác giữa giảng viên và học sinh Điều này có thể cải thiện hiệu suất học tập,giảm căng thẳng cho học sinh và giảng viên, và tạo ra một môi trường học tập hấp dẫnhơn

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 phát triển của học sinh cũng là yếu tố quan trọng không thể bỏ qua Trường họckhông chỉ là nơi để truyền đạt kiến thức, mà còn là môi trường hình thành tư duy, sự sángtạo và phát triển cá nhân

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 triểntoàn diện của thế hệ trẻ

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

tính 100% (12)

59

NHDT MMT - Đề ôn thi trắc nghiệm…Mang máy

tính 92% (26)

42

De tai iot su dung esp - hệ thống cảm…Mang máy

84

Bai giang Computer Network 2012 1118Mang máy

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 biếnđược phân bố trong một khu vực hoặc môi trường cụ thể để thu thập, ghi nhận và truyềntải thông tin về môi trường xung quanh Mạng cảm biến được thiết kế để tự động thu thập

dữ liệu và gửi chúng về một trạm cơ sở hoặc điểm tập trung để xử lý, phân tích hoặc hiểnthị

Hình 1.1: Mạng cảm biến (Sensor Network)

1.2 Những ứng dụng nổi bật của mạng cảm biến

a 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

Mang máy

300 cau hoi trac nghiem kien truc…Mang máy

53

b 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 Khibấm nút, thiết bị khoá tất cả các cửa ra vào và cửa sổ trong nhà, tắt hầu hết các bóng đèntrong nhà (trừ một vài bóng đèn ngủ), bật các bóng đèn an toàn ngoài nhà, và thiết lập hệthống HVAC đến chế độ ngủ Người sử dụng nhận một tiếng beep một lần hồi đáp thểhiện tất cả đã thực hiện thành công, và nghỉ ngơi hoàn toàn, như vậy ngôi nhà an toàn.Khi một cánh cửa hỏng không thể mở, hoặc vấn đề tồn tại, một màn hình hiển thị trênthiết bị chỉ thị nơi bị hỏng

c 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 hiệncác vũ khí hóa học - sinh học - hạt nhân

d 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 nănggiao tiếp cho người khuyết tật; kiểm tra tình trạng của bệnh nhân; chẩn đoán; quản lýdược phẩm trong bệnh viện; kiểm tra sự di chuyển và các cơ chế sinh học bên trong củacôn trùng và các loài sinh vật nhỏ khác; kiểm tra từ xa các số liệu về sinh lý con người;giám sát, kiểm tra các bác sĩ và bệnh nhân bên trong bệnh viện

e 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 hiệnhóa học, 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 sinhhọc phức tạp của môi trường và nghiên cứu ô nhiễm môi trường Các ứng dụng của cácmạng cảm biến không dây cũng được sử dụng trên các trang trại chăn nuôi

1.3 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 ưuhóa thông qua việc ứng dụng mạng cảm biến Dưới đây là một số cách mà mạng cảm biến

có thể được áp dụng trong lĩnh vực này:

 Điều chỉnh ánh sáng tự động: Mạng cảm biến có thể được sử dụng để theodõi mức độ tự nhiên của ánh sáng trong từng phòng học và điều chỉnh đèntheo cách thông minh Khi ánh sáng tự nhiên đủ, hệ thống có thể tắt hoặcgiảm ánh sáng điện để tiết kiệm năng lượng Ngược lại, khi cần thêm ánhsáng, hệ thống có thể tăng cường đèn

 Tạo cài đặt ánh sáng tùy chỉnh: Hệ thống có thể cho phép giảng viên vàquản lý trường học tạo ra cài đặt ánh sáng tùy chỉnh cho từng phòng học.Một phòng có thể có một cài đặt ánh sáng phù hợp cho giảng dạy trong buổisáng 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 cóthể được sử dụng để cân nhắc mức độ ánh sáng thích hợp cho từng hoạtđộng học tập, 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 hóaviệc sử dụng năng lượng và quản lý các thiết bị khác trong tòa nhà

1.4 Kết luận

Các mạng cảm biến không dây với chi phí đầu tư thấp, tiêu thụ ít điện năng, chophép triển khai trong nhiều điều kiện địa hình khí hậu phức tạp, đặc biệt là khả năng tự tổchức mạng, khả năng xử lý cộng tác và chịu được các hư hỏng sự cố đã tạo ra một triểnvọng ứng dụng đầy tiềm năng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Tuy nhiên để triển khaimạng cảm biến không dây, người thiết kế hệ thống cần phải nắm bắt được những nhân tốtác động đến mạng, những nhược điểm của mạng cần phải được khắc phục, cần quan tâmđến các tham số mạng, … cần có sự mô phỏng đánh giá để từ đó có thể thiết kế hệ thốngtheo cách tối ưu nhất

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 bởiEspressif Systems, một công ty Trung Quốc có trụ sở tại Thượng Hải, và được sảnxuất bởi TSMC sử dụng quy trình 40 nm của họ Nó là người kế nhiệm của vi điều1khiển ESP8266

Các tính năng của ESP32 bao gồm :

 Bộ xử lý: CPU Xtensa hai nhân (hoặc một nhân) 32 bit LX6, hoạt động ở

160 hoặc 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 / ATA / MMC / eMMC host controller, SDIO/SPI slave controller, EthernetMAC interface với DMA chuyên dụng và hỗ trợ giao thức thời gian chínhxác 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, MotorPWM, 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:

 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 ánhsáng (photon) thành năng lượng điện tử (electron) Cảm biến này cũng quan sát sự thayđổi trong các yếu tố bên ngoài như cường độ ánh sáng, tốc độ gió, bức xạ mặt trời vànhững yếu tố khác

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 áptích hợp

 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

có ánh 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 sángthích hợp

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 chiếusáng nền trên màn hình điện tử đến đèn báo trạng thái trong thiết bị điện tử, và thậm chítrong 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 bịđiện 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 sángnền và hiển thị hình ảnh trên màn hình

a Giới thiệu về nguồn

Nguồn cung cấp 5V 2A thông qua cổng Micro USB là một loại nguồn phổ biếnđược sử dụng để cung cấp nguồn cho nhiều thiết bị di động và điện tử khác nhau, baogồm điện thoại di động, máy tính bảng, Raspberry Pi, các loại board phát triển nhưArduino, ESP32, và nhiều thiết bị khác

Hình 2.6: nguồn 5V-2A microusb Điện áp và Dòng điện: Nguồn này cung cấp điện áp 5V (Volts) và dòng điện 2A

(Amperes) Điện áp 5V là điện áp tiêu chuẩn cho nhiều thiết bị điện tử, và dòngđiện 2A thường đủ để cung cấp nguồn cho các thiết bị đòi hỏi năng lượng cao hơn

Loại cổng kết nối: Nguồn 5V 2A Micro USB có một cổng Micro USB ở một đầu

để kết nối với thiết bị cần cung cấp nguồn Đây là một loại cổng phổ biến được sửdụng trong nhiều thiết bị di động và board phát triển

liệu trong mô hình 7 tầng OSI Tầng liên kết dữ liệu (tầng nhì) được chia thành 2 tầngcon: MAC nằm ở dưới, trên nó là tần con LLC MAC cung cấp các cơ chế đánh địa chỉ vàđiều khiển (channel access), các cơ chế này cho phép các trạm cuối (terminal) hoặc cácnút mạng liên lạc với nhau trong một mạng, điển hình là mạng hoặc MAN Giao thứcMAC không cần thiết trong liên lạc điểm-tới-điểm song công (full-duplex).

Tầng con MAC hoạt động với vai trò một giao diện giữa tầng con điều khiển liênkết lôgic LLC và tầng vật lý của mạng

Tầng MAC cung cấp một cơ chế đánh địa chỉ được gọi là địa chỉ vật lý hoặc địachỉ MAC Đây là một con số được cấp một cách phân biệt cho từng card mạng, cho phépchuyển giao các gói dữ liệu tới đích trong một mạng con, nghĩa là một mạng vật lý không

có các thiết bị định tuyến, ví dụ một mạng Ethernet

MAC - Media access control thường được dùng như là một từ đồng nghĩa với giaothức đa truy nhập (multiple access protocol), do tầng con MAC cung cấp giao thức và các

cơ chế điều khiển cần thiết cho một phương pháp truy nhập kênh nhất định (channelaccess method) Việc này cho phép nhiều trạm kết nối tới cùng một môi trường vật lýdùng chung môi trường đó Ví dụ về các môi trường vật lý dùng chung là bus network,ring network, hub network, mạng không dây và các liên kết điểm-tới-điểm bán song công(half-duplex)

b Giao thức ESP-NOW

ESP-NOW là một “ giao thức được phát triển bởi Espressif, cho phép nhiều thiết bịgiao tiếp với nhau mà không cần sử dụng Wi-Fi Giao thức này tương tự như kết nốikhông dây 2.4GHz công suất thấp (…) Việc ghép nối giữa các thiết bị là cần thiết trướckhi giao tiếp Sau khi ghép nối xong, kết nối sẽ an toàn và ngang hàng, không cần bắt tay Điều này có nghĩa là sau khi ghép nối một thiết bị với nhau, kết nối sẽ được duytrì Nói cách khác, nếu đột nhiên một trong các bảng của bạn bị mất điện hoặc khởi độnglại, khi khởi động lại, nó sẽ tự động kết nối với bảng ngang hàng của mình để tiếp tục liênlạc