Thiết kế hệ thống đa cảm biến giám sát và phân tích chất lượng môi trường trong toà nhà thông minh

Thiết kế hệ thống đa cảm biến giám sát và phân tích chất lượng môi trường trong toà nhà thông minh. Tìm hiểu về vấn đề giám sát chất lượng môi trường (bao gồm chất lượng không khí, nhiệt độ, âm thanh, ánh sáng, v.v…) và các quy chuẩn chất lượng trong nước và quốc tế. Thiết kế mạch đa cảm biến (sensor array board) đo nhiều chỉ tiêu chất lượng với yêu cầu: thực hiện phép đo tương đối chính xác, chỉnh định..Thiết kế và phát triển hệ thống thu thập dữ liệu bao gồm việc tích hợp module truyền thông vào mạch đa cảm biến, phát triển thiết bị xử lý trung tâm (data center) bao gồm việc lựa chọn và phát triển phần cứng và xây dựng phần mềm thu thập và xử lý dữ liệu. Phát triển thành sản phẩm hoàn chỉnh, thử nghiệm thực tế. Các dữ liệu này có thể được hiển thị bằng LCD và đưa về máy tính trung tâm hiển thị trên một phần mềm giao diện (GUI).

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Ngành CN-CN KT Điều khiển & TĐH

Giảng viên hướng dẫn: TS Hoàng Đức Chính

HÀ NỘI, 7/2020

Chữ ký của GVHD

ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

Thiết kế hệ thống đa cảm biến giám sát và phân tích chất lượng môi trường trong

tòa nhà thông minh

Giáo viên hướng dẫn

Ký và ghi rõ họ tên

Lời cảm ơn

Để hoàn thành được đồ án tốt nghiệp, lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơncác thầy cô trong Trường đại học bách khoa Hà nội nói chung và thầy cô trongviện Điện nói riêng đã tận tình truyền đạt kiến thức trong suốt bốn năm học đạihọc và giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đồ án

Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn TS Hoàng Đức Chính đãtận tình giúp đỡ, truyền đạt kiến thức, giúp chúng em định hướng và thực hiện đồ

án một cách tốt nhất có thể

Bên cạnh đó, trong quá trình làm đồ án cũng gặp nhiều khó khăn nhưng được

sự giúp đỡ của gia đình và bạn bè , những người luôn bên cạnh động viên giúp

đỡ em cả về mặt vật chất cũng như tinh thần Em xin chân thành cảm ơn mọingười và cảm ơn nhà trường đã cũng đồng hành với em trong suốt bốn năm đạihọc

̶X Thiết kế mạch đa cảm biến (sensor array board) đo nhiều chỉ tiêu chất lượngvới yêu cầu: thực hiện phép đo tương đối chính xác, chỉnh định

̶X Thiết kế và phát triển hệ thống thu thập dữ liệu bao gồm việc tích hợp moduletruyền thông vào mạch đa cảm biến, phát triển thiết bị xử lý trung tâm (datacenter) bao gồm việc lựa chọn và phát triển phần cứng và xây dựng phần mềmthu thập và xử lý dữ liệu

̶X Phát triển thành sản phẩm hoàn chỉnh, thử nghiệm thực tế

̶X Các dữ liệu này có thể được hiển thị bằng LCD và đưa về máy tính trung tâmhiển thị trên một phần mềm giao diện (GUI).

Chúng em đã sử dụng phần mềm Altium Designer 18 để thiết kế phần cứng,

sử dụng phần mềm Arduino IDE để lập trình firmware cho vi điều khiển, dùngPostgreSQL để quản lý dữ liệu và hiển thị lên Grafana

Kết quả của đồ án khá chính xác so với thực tế Đồ án này có tính ứng dụngcao trong thời đại công nghệ 4.0 nói chung và lĩnh vực Smart Building nói riêng

Từ quá trình giám sát và phân tích chất lượng môi trường trong tòa nhà thôngminh, sau này chúng em có thể phát triển thêm như, điều khiển các thiết bị trongtòa nhà, ví dụ như nếu nhiệt độ trong tòa nhà cao hơn mức cho phép thì có thể tựđộng bật điều hòa, cường độ ánh sáng trong phòng thấp thì có thể tự động bậtđèn…, Có thể đưa ra cảnh báo người dùng khi có thông số nào đó vượt ngưỡngquy định

Sinh viên thực hiện

Ký và ghi rõ họ tên

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 10

1.1 Đặt vấn đề 10

1.2 Các thông số môi trường cần giám sát trong tòa nhà 11

1.3 Các tiêu chuẩn chất lượng môi trường 11

1.4 Nhiệm vụ và nội dung cần thực hiện 16

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU VỀ TÒA NHÀ THÔNG MINH 18

2.1 Giới thiệu về tòa nhà thông minh 18

2.2 Cơ chế hoạt động của tòa nhà thông minh 18

2.3 Lợi ích của tòa nhà thông minh 19

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 21

3.1 Sơ đồ khối tổng quan hệ thống 21

3.2 Sơ đồ khối phần cứng 22

3.3 Lựa chọn cảm biến 23

3.4 Lựa chọn thiết bị ngoại vi 30

3.5 Tìm hiểu về các chuẩn giao tiếp sử dụng 32

3.6 Bảng tổng hợp các thông số chính và kết nối của cảm biến với vi điều khiển 35 3.7 Lựa chọn vi điều khiển và module truyền thông 37

3.8 Thiết kế bộ nguồn cho hệ thống 39

3.9 Thiết kế lưu đồ thuật toán cho ESP8266 41

3.10 Thiết kế mạch trên phần mềm Altium Designer 18 44

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 51

4.1 Sơ đồ khối phần mềm 51

4.2 Giao thức truyền thông 51

4.2.1 Giới thiệu giao thức MQTT 52

4.3 Phần mềm xử lí dữ liệu 53

4.3.1 Thuật toán lọc để xử lí dữ liệu 53

4.4 Hệ quản trị cơ sở dữ liệu 54

4.5 Phần mềm hiển thị 55

4.6 Lưu đồ thuật toán phần mềm 56

CHƯƠNG 5 MẠCH THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐO ĐƯỢC 58

5.1 Mạch thực nghiệm 58

5.2 Đánh giá kết quả đo được 60

5.3 Áp dụng thuật toán lọc nhiễu Moving Average xử lí số liệu 68

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN 73

6.1 KẾT LUẬN 73

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 73

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các yếu tố chính ảnh hưởng tới chất lượng môi trường trong nhà

(IEQ) 10

Hình 2.1 Smart Building 18

Hình 3.1 Sơ đồ khối tổng quan hệ thống 21

Hình 3.2 Sơ đồ khối phần cứng cho 1 node sensor 22

Hình 3.3 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm SHT31 23

Hình 3.4 Cảm biến âm thanh Max9814 26

Hình 3.5 Kết nối Master, Slave của SPI 33

Hình 3.6 Nguyên lý hoạt động của SPI 34

Hình 3.7 Nguyên lý hoạt động của UART 35

Hình 3.8 Module ESP12-E 37

Hình 3.9 Sơ đồ chân ESP12-E 38

Hình 3.10 IC LM7805 40

Hình 3.11 IC LM1117 41

Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 41

Hình 3.13 Lưu đồ thuật toán cho ESP12-E 42

Hình 3.14 Lưu đồ thuật toán cho ESP12-E (tiếp) 43

Hình 3.15 Schematic board 1 45

Hình 3.16 Schematic board 2 46

Hình 3.17 Khối vi điều khiển 46

Hình 3.18 Cấu hình các chân cho chế độ flash mode, run mode 47

Hình 3.19 Khối thời gian thực 48

Hình 3.20 Khối ADC 48

Hình 3.21 Khối SD card, cảm biến chuyển động và LCD 49

Hình 3.22 Khối Conector 49

Hình 3.23 Khối nguồn 49

Hình 4.1 Sơ đồ khối phần mềm 51

Hình 4.2 Nguyên lý hoạt động MQTT 52

Hình 4.3 Lưu đồ thuật toán phần mềm 56

Hình 5.1 Mạch thực nghiệm 58

Hình 5.2 PCB boarrd 1 58

Hình 5.3 PCB board 2 59

Hình 5.4 PCB Board 2 59

Hình 5.5 PCB board nguồn 60

Hình 5.6 Giao diện giám sát chất lượng môi trường trên Grafana 60

Hình 5.7 Drop down list trong Grafana 61

Hình 5.8 Hiển thị cơ bản tất cả thông số từ 2 sensor node 61

Hình 5.9 Thông số nhiệt độ, độ ẩm tại Node sensor 1 61

Hình 5.10 Thông số nhiệt độ, độ ẩm tại Node sensor 2 61

Hình 5.11 Nồng độ CO2 tại sensor node 1 63

Hình 5.12 Nồng độ CO2 tại sensor node 2 63

Hình 5.13 Cường độ ánh sáng đo từ sensor node 1 64

Hình 5.14 Cường độ ánh sáng đo từ sensor node 2 64

Hình 5.15 Nồng độ bụi mịn tại sensor node 1 65

Hình 5.16 Nồng độ bụi mịn đo tại sensor node 2 65

Hình 5.17 Màu sắc được đo tại sensor node 1 66

Hình 5.18 Màu sắc được đo tại sensor node 2 66

Hình 5.19 Nồng độ TVOC tại sensor node 1 67

Hình 5.20 Nồng độ TVOC tại sensor node 2 67

Hình 5.21 Số lần độ ồn vượt ngưỡng 67

Hình 5.22 Cảm biến HC SR 501 đếm số người 68

Hình 5.23 Biểu đồ nhiệt độ trước và sau khi lọc với Moving Average 20 69

Hình 5.24 Đồ thị độ ẩm trước và sau khi lọc với Moving Average 20 70

Hình 5.25 Đồ thị bụi mịn trước và sau khi lọc với Moving Average 20 70

Hình 5.26 Nồng độ CO2 trước và sau khi lọc với Moving Average 20 71

Hình 5.27 Cường độ ánh sáng trước và sau khi có bộ lọc Moving Average 20 72

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: Giá trị cho phép vi khí hậu tại nơi làm việc [2] 11

Bảng 2 Bảng yêu cầu về độ rọi duy trì tối thiểu cho các phòng, khu vực làm việc [3] 13

Bảng 3 Giới hạn cho phép mức áp suất âm thanh theo thời gian tiếp xúc [4] 14

Bảng 4 Bảng tiêu chuẩn mức TVOC [5] 15

Bảng 5 Giới hạn bụi mịn trong không khí [6] 15

Bảng 6 Ngưỡng CO2 cần biết [7] 16

Bảng 7 So sánh một vài cảm biến nhiệt độ, độ ẩm 24

Bảng 8 Bảng tổnrg hợp các thông số chính và kết nối cảm biến với vi điều khiển 36

Bảng 9 Chức năng các chân của Esp12-E 39

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề.

Theo một nghiên cứu thì “ phần lớn thời gian của con người dành cho các hoạt động trong nhà (chiếm 86,9%), còn lại là hoạt động ngoài trời (chiếm 7,6%)

và trên các phương tiện giao thông (chiếm 5,5%) [1]

Chất lượng môi trường trong nhà (IEQ) là chất lượng của môi trường bêntrong các tòa nhà liên quan tới các thông số như chất lượng không khí, nhiệt độ,

độ ẩm, ánh sáng, âm thanh và các yếu tố ảnh hưởng tới sức khỏe con người Việcđảm bảo chất lượng môi trường bên trong các tòa nhà như mức nhiệt độ thíchhợp, sự yên tĩnh, đủ ánh sáng, không khí trong lành, không bị ẩm ướt hay cácchất ô nhiễm là yêu cầu cần thiết để chúng ta có thể sống, học tập làm việc khỏemạnh và tăng năng suất lao động Các thông số chính ảnh hưởng đến chất lượngmôi trường thể hiện trong hình 1.1

Hình 1.1 Các yếu tố chính ảnh hưởng tới chất lượng môi trường trong nhà (IEQ).

Để đảm bảo chất lượng không khí trong tòa nhà thì chúng ta cần đo đạc, giám sát và phân tích các thông số của chất lượng không khí, từ đó làm cơ sở để chúng

ta có những biện pháp cải thiện hay nâng cao không khí trong tòa nhà để đảm bảo sức khỏe của con người

Vì thế, được sự định hướng của giáo viên hướng dẫn, em đã lựa chọn đề tài:

“Thiết kế hệ thống đa cảm biến giám sát và phân tích chất lượng không khí trong tòa nhà thông minh”

Em thấy đây là đề tài có ứng dụng thực tiễn cao, giúp đảm bảo và nâng cao chất lượng không khí cho con người

1.2 Các thông số môi trường cần giám sát trong tòa nhà

Có rất nhiểu thông số ảnh hưởng tới sức khỏe, cũng như năng suất lao độngcon người, trong phạm vi đồ án, em giám sát những thông số sau đây:

1.3 Các tiêu chuẩn chất lượng môi trường

Quy chuẩn kĩ thuật quốc gia nhiệt độ, độ ẩm.

Yêu cầu về điều kiện vi khí hậu tại nơi làm việc phân theo từng loại lao độngđược quy định tại bảng 1

Chênh lệch nhiệt độ theo độ cao làm việc không quá 3 °C .

Chênh lệch nhiệt độ theo chiều ngang của vùng làm việc không quá 4°C đối vớilao động nhẹ, không quá 5°C đối với lao động trung bình và không quá 6°C đốivới lao động nặng Nhiệt độ chênh lệch trong nơi sản xuất và ngoài trời khôngvượt quá 5°C

Quy chuẩn kĩ thuật quốc gia về chiếu sáng.

Quy chuẩn này quy định mức cho phép chiếu sáng nơi làm việc trong nhà.Mỗi khu vực được quy định với mức chiếu sáng tối thiểu để đảm bảo điều kiệnlàm việc cũng như sức khỏe

Độ rọi hay độ chiếu sáng (illuminance): Là độ sáng của một vật được mộtchùm sáng chiếu vào, đơn vị là Lux 1 Lux là độ sáng của một vật được mộtnguồn sáng ở cách xa 1m có quang thông bằng 1 Lumen chiếu trên diện tíchbằng 1m2

Độ rọi duy trì tối thiểu với một số loại hình công việc được quy định ở bảng sau:

Loại phòng, công việc hoặc các hoạt động E (Lux)

1 Khu vực chung trong nhà

Bảng 2 Bảng yêu cầu về độ rọi duy trì tối thiểu cho các phòng, khu vực làm việc [3]

Độ rọi duy trì tối đa với các loại hình công việc không vượt quá 10.000 Lux

Quy chuẩn tiếng ồn kĩ thuật quốc gia về tiếng ồn

  Mức tiếp xúc cho phép với tiếng ồn của người lao động tại nơi làm việc khôngvượt quá các giá trị quy định tại bảng 1

Thời gian tiếp xúc với

tiếng ồn Giới hạn cho phép mức áp suất âm tương đương (L Aeq ) - dBA

Bảng 3 Giới hạn cho phép mức áp suất âm thanh theo thời gian tiếp xúc [4]

Trong mọi thời điểm khi làm việc, mức áp âm cực đại (Max) không vượt quá

115 dBA dBA là đơn vị đo độ ồn tương đối âm thanh theo cảm nhận của tai người

Tiêu chuẩn về mức TVOC

VOC là cụm từ viết tắt của Volatile organic compounds Nó là các chất hữu

cơ dạng rắn hoặc lỏng có thế bay hơi một cách tự nhiên khi tiếp xúc với áp suấtkhí quyển tại nhiệt độ thường

Mức Đánh giá Giới hạn

tiếp xúc TVCO(ppb)1

Có hại

Tránh tiếp xúc không giới

Bảng 4 Bảng tiêu chuẩn mức TVOC [5]

Quy chuẩn kĩ thuật quốc gia về bụi mịn.

Theo quy chuẩn kĩ thuật quốc gia về chất lượng không khí xung quanh thì giới hạn của bụi mịn được quy định như bảng sau:

Đơn vị: Microgam trên mét khối (mg/m3)

TT Thông số Trung bình

24 giờ Trung bình năm

Bảng 5 Giới hạn bụi mịn trong không khí [6]

Trong đó: Bụi PM10 là tổng các hạt bụi lơ lửng có đường kính khí động học nhỏhơn hoặc bằng 10 mm

Bụi PM2,5 là tổng các hạt bụi lơ lửng có đường kính khí động học nhỏhơn hoặc bằng 2,5 mm

Tiêu chuẩn về nồng độ khí CO2 an toàn

Nồng độ CO2 Đánh giá

 5000ppm  Mức tối đa cho phép tại nơi làm việc

 380ppm  Mức CO2 điển hình ngoài trời

 650ppm

 Mức CO2 trong nhà không nên vượt quá 650ppm so với mức CO2 ngoài trời theo

đề xuất ASHRAE( Hiệp hội kĩ sư nhiệt lạnh

và điều hòa không khí Hoa Kì)

1030ppm  Với nồng độ CO2 ngoài trời trung bình là 380 ppm, nồng độ CO2 trong nhà không được

vượt quá 1030ppm

Bảng 6 Ngưỡng CO2 cần biết [7]

Đơn vị đo: ppm một phần triệu (ml/m3)

1.4 Nhiệm vụ và nội dung cần thực hiện

Trong đồ án này, chúng em thiết kế hệ thống đa cảm biến giám sát và phântích chất lượng môi trường trong tòa nhà thông minh

Để hiểu rõ tại sao cần giám sát và phân tích chất lượng môi trường trong tòanhà thông minh thì ban đầu em tìm hiểu các tiêu chuẩn về chất lượng môi trườngnhư nhiệt độ, độ ẩm, âm thanh, ánh sáng, nồng độ CO2, nồng độ bụi mịn để có

cơ sở để thiết kế hệ thống chặt chẽ và có thể đưa ra cảnh báo mỗi khi thông sốnày vượt ngưỡng cho phép

Tiếp theo, em thiết kế mạch đa cảm biến gồm: cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, ánhsáng, âm thanh, màu sắc, cảm biến khí gas, TVOC, bụi mịn và cảm biến CO2

Để đo được các thông số trên thì em sử dụng vi điểu khiển, sử dụng moduletruyền thông để truyền các thông số trên lên máy tính

Trên máy tính, em viết chương trình để thu thập dữ liệu và xử lí và phân tích

dữ liệu từ đó đưa dữ liệu vào database và hiển thị lên giao diện giám sát Cuốicùng, em thiết kế sản phẩm, thử nghiệm thực tế và đánh giá kết quả thu được

Để thực hiện những nhiệm vụ trên thì em đã phân tích hệ thống, lựa chọnnhững cảm biến cũng như những thiết bị ngoại vi cần thiết để đo thông số môitrường cũng như thực hiện chức năng như hiển thị, lưu trữ… Lựa chọn vi điềukhiển thích hợp cho quá trình đọc dữ liệu từ cảm biến Xây dựng lưu đồ thuật

toán cho vi điểu khiển để thực hiện các nhiệm vụ đặt ra Tìm hiểu giao thứctruyền thông để gửi dữ liệu lên máy tính.

Để quản lí dữ liệu nhận được trên máy tính thì em đã tìm hiểu về Time seriesmanagement systerm để lựa chọn phần mềm quản lí dữ liệu Cũng như lựa chọnphần mềm giám sát để hiện thị dữ liệu một cách trực quan

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU VỀ TÒA NHÀ THÔNG MINH

2.1 Giới thiệu về tòa nhà thông minh.

Với sự phát triển của cách mạng công nghệ 4.0, việc quản lí tòa nhà trở nênđơn giản hơn, cũng như giảm chi phí vận hành cũng như kiểm soát toàn diện.Trên cơ sở này, nhiều giải pháp cho tòa nhà thông minh (Smart Building) được

đề xuất

Tòa nhà thông mình là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có thểđược điều khiển, tự động hóa hoặc bán tự động hóa thay thể con người trong thựchiện một số thao tác quản lý, điều khiển Hệ thống điện tự này giao tiếp vớingười dùng thông qua bảng điện tử đặt trong nhà, ứng dụng trên điện thoại diđộng hoặc một giao diện web

Tại các thành phố lớn ở Việt Nam như Hà Nội và TP Hồ Chí Minh số lượngtòa nhà văn phòng, chưng cư cao cấp, khách sạn và khu đô thị tăng nhanh mỗinăm Smart Buildinh sẽ có nhiều có hội để phát triển

Hình 2.2 Smart Building

2.2 Cơ chế hoạt động của tòa nhà thông minh.

Smart Building được xây dựng dựa trên ứng dụng công nghệ IoT ( Internet ofThings – Kết nối vạn vật) Các thiết bị thông minh sẽ được lắp đặt ở nơi cần thiếtxung quanh tòa nhà Những thông tin, số liệu của nhiều khía cạnh khác nhau củatòa nhà sẽ được cung cấp một cách chi tiết đến Ban quản lý Từ đó, dữ liệu sẽđược phân tích để cải thiện hiệu suất quản lý, chi phí, cũng như đảm bảo môitrường thoải mái, thân thiện cho người dùng [8]

2.3 Lợi ích của tòa nhà thông minh.

Tòa nhà thông minh đem lại nhiều lợi ích thiết thực cho người sử dụng, cũngnhư trong việc quản lí

 Đảm bảo an ninh khu vực

 Dễ dàng quản lý

 Tiết kiệm tài nguyên (nguồn điện, nước…)

 Nhận thông báo cảnh báo chính xác khi có sử cố xảy ra

 Đảm bảo chất lượng môi trường trong tòa nhà

Với hệ thống camera thông minh và cảm biến chuyển động thông minh,Smart Buildinh giúp cho Ban quản lý kiểm soát an ninh 24/24 với màn hình theodõi Tránh sự xâm nhập của người xấu

Smart Building – Tiết kiệm nguồn năng lượng:

Các thiết bị chiếu sáng sẽ dựa vào cảm biến ánh sáng để tự động điều chỉnhbật, tắt cho phù hợp Hệ thống điều hòa nhiệt độ trong tòa nhà thông minh kiểmsoát bật tắt, mức nhiệt độ dựa vào cảm biến nhiệt độ, độ ẩm giúp tiết kiệm nguồnnăng lượng

Smart Building – Dễ dàng trong việc quản lý:

Tất cả các thiết bị thông minh, cảm biến được kết nối với nhau và hoạt độngthông qua một máy chủ đặt tại tòa nhà Các cảm biến từ xa sẽ được tích hợp dữliệu vào máy chủ và hệ thống điều khiển Dữ liệu được gửi đi, được phân tích vàgiám sát Từ đây quản lý sẽ theo dõi và phát hiện được lỗi phát sinh nếu có

Smart Building – Nâng cao chất lượng môi trường:

Tòa nhà thông minh giúp nâng cao chất lượng cuộc sống cho con người.Chúng ta có thể kiểm soát thông số môi trường thông qua các cảm biến từ đó cóthể điều khiển để chất lượng môi trường trong tòa nhà thông minh là thoải máinhất cho người sử dụng

Với những lợi ích thiết thực mà mang lại, trong tương lai Smart Building sẽ làmột xu hướng thương mại cho nhà đầu tự Đây cũng chính là cơ hội để cải thiệnhiệu suất quản lý, nâng cao năng suất lao động, mang lại môi trường sinh sốngthoải mái và hiệu quả cho ban quản lý các tòa nhà

Trong đồ án này, em hướng tới giám sát và phân tích chất lượng môi trườngtrong tòa nhà thông minh, từ đây làm cơ sở để sau này hướng tới điều khiển cácthiết bị trong tòa nhà để đảm bảo môi trường sinh sống và làm việc cho ngườidùng thoải mái nhất có thể.

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

Tòa nhà thông minh là hệ thống kiến trúc lớn như tòa nhà văn phòng, chung

cư cao cấp, khách sạn cao cấp khu đô thị Để đo được các thông số môi trườngtrong tòa nhà thì cần nhiều cảm biến khác nhau, bên cạnh đó để đảm bảo tínhkhách quan trong thu thập và phân tích dữ liệu, cần đo đạc thông số môi trường ởnhiều vị trí khác nhau trong tòa nhà thông minh để có thể đánh giá tổng quanđược chất lượng môi trường trong tòa nhà

Từ đó, đặt ra vấn đề thu thập dữ liệu cảm biến từ nhiều vị trí khác nhau,phương thức gửi dữ liệu để phân tích và quản lý dữ liệu để hệ thống hoạt độnghiệu quả nhất Trên cơ sở đó, em đã hình thành ý tưởng và thiết kế sơ đồ tổngquan hệ thống trong phần sau

3.1 Sơ đồ khối tổng quan hệ thống.

Hình 3.3 Sơ đồ khối tổng quan hệ thống.

Hệ thống của em bao gồm nhiều node sensor, các node sensor có thể mở rộng phụ thuộc vào ứng dụng trong thực tế Mỗi node sensor thì bao gồm nhiều cảm biến có tích hợp vi xử lí và module truyền thông Cách thức truyền thông

được sử dụng là Wifi vì nó có sẵn trong hầu hết tòa nhà Tuy nhiên nó có thể thay đổi thành Bluetooth hay Zigbee nếu được yêu cầu.

Dữ liệu được truyền qua Wifi tới Base Station, dữ liệu từ Base Sation truyền tới chương trình nhận dữ liệu trên máy tính (Server Program) Sau đó, dữ liệu được phân tích ở hệ quản trị cơ sở dữ liệu (database) rồi đưa lên phần mềm hiển thị (GUI)

3.2 Sơ đồ khối phần cứng.

Hình 3.4 Sơ đồ khối phần cứng cho 1 node sensor.

Sơ đồ phần cứng cho một Node sensor trong hệ thống này bao gồm 4 thànhphần chính Thứ nhất là hệ thống các cảm biến; cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, cường

độ ánh sáng, màu sắc, âm thanh, khí CO2, Bụi mịn PM2.5, cảm biến phát hiệnthân nhiệt chuyển động Thứ hai là các thiết bị ngoại vi như module thời gianthực, màn hình LCD 1602, moduler thẻ nhớ Thứ ba là vi xử lý và cuối cùng lànguồn cung cấp cho cảm biến, thiết bị ngoại vi và vi điều khiển

Đặc điểm SHT31 SHT21 DHT11 DHT22Điện áp

cung cấp

2.4 – 5.5VDC

2.1 – 3.6VDC

8 bit 1℃

0.1%RH0.1℃

Dải đo 0 – 100 %RH

-40 - 125 °C

0 đến 100

%RH-40 đến 125

°C

20-90%RH0-50 ℃ 0-100%RH-40~80℃

10s RH6-30s t°

2 way

serial interface ,single wire

2 way

Bảng 7 So sánh một vài cảm biến nhiệt độ, độ ẩm.

Từ bảng 7 thì ta thấy, dải điện áp cung cấp của SHT31 là rộng nhất, SHT31

có độ chính xác cao nhất trong 4 loại cảm biến kể trên, dải đo rộng, thời gianphản hồi nhanh, cũng như độ lệch dài hạn nhỏ Đồng thời, giao tiếp ngoại vi I2Ccũng có nhiều điểm mạnh hơn so với giao tiếp Vì vậy trong đồ án này, em sẽ sửdụng cảm biến SHT31

a Giới thiệu: SHT31 là thế hệ cảm biến nhiệt độ, độ ẩm tiếp theo của Sensirion.Xây dựng trên chip cảm biến CMOSens® SHT31 bao gồm cảm biến độ ẩm vàcảm biến nhiệt độ kết hợp với hiệu chuẩn đầu ra kĩ thuật số Các cảm biến baogồm một cảm biến polymer điện dung cho độ ẩm tương đối và một cảm biếnnhiệt độ bán dẫn, cả hai được kết nối với một bộ chuyển đổi tương tự sang số vàmột mạch giao diện nối tiếp trên cùng một chip

b Thông số kĩ thuật [9]:

 Điện áp cung cấp: 2.4 – 5.5 VDC

 Dòng điện cung cấp: trong quá trình đo 800µA điển hình và 1500µ max

 Độ phân giải: 14 bit

 Độ chính xác: ±2% RH, ±0.3 °C ( trong điều kiện nhiệt độ 10 đến +55 °C)

 Dải đo: Độ ẩm 0 đến 100 %RH, Nhiệt độ -40 đến 125 °C

 Thời gian phản hồi: Phản hồi nhiệt độ >2 s, phản hổi độ ẩm 8 s

 Độ lệch dài hạn: <0.25%RH/yr và <0.03°C/yr

c Giao tiếp ngoại vi: Chuẩn giao tiếp I2C

Cảm biến cường độ ánh sáng TSL2561

a Nguyên lý hoạt động: Là bộ chuyển đổi ánh sáng kĩ thuật số, biến đổi cường

độ ánh sáng thành tín hiệu kĩ thuật số Mỗi cảm biến gồm một photodiode băngthông rộng và một photodiode phản ứng hồng ngoại Dòng diện qua photodiodeđược chuyển đổi bằng 2 ADC tích hợp rồi đưa vào vi điều khiển để xử lí, tínhtoán độ rọi(lux) xấp xỉ mức độ phản ứng của mắt người

b Thông số kĩ thuật [10]:

 Điện áp cung cấp: 2.7 – 3.6VDC

 Dòng điện cung cấp: Chế độ hoạt động 0.24mA điển hình, 0.6mA(max) Chế độ công suất thấp 3.2µA điển hình

 Điều kiện nhiệt độ: -30 đến 70°C

 Công suất hoạt động: 0.75mW điển hình

 Đầu vào điện áp thấp SCL, SDA: -0.5 – 0.8V

 Đầu vào điện áp cao SCL, SDA: 2.1 – 3.6V

 Tần số hoạt động max: 400kHz

 Độ phân giải: 16bit

c Giao tiếp ngoại vi: Giao thức I2C

TSL2561 thực hiện đọc và ghi dữ liệu thông qua giao thức I2C Dữ liệu đượctruyền từ TSL2561 đến Master cho đến khi bit Nack được gửi tới Master

Module cảm biến âm thanh MAX9814

Hình 3.6 Cảm biến âm thanh Max9814

a Giới thiệu: Cảm biến âm thanh tích hợp AGC MAX9814 Microphone

Amplifier Module với khả năng tự động điều chỉnh độ khuếch đại (AGC Automatic Gain Control), điều này có nghĩa là các âm thanh lớn khi qua mạch sẽ

-tự động giảm tới mức ấn định, tương -tự các âm thanh nhỏ hoặc xa sẽ được -tựđộng tăng lên tới mức ấn định mà không cần căn chỉnh thủ công

b Thông số kĩ thuật [11]:

 Điện áp cung cấp: 2.4−¿5.5V

 Dòng điện cung cấp: 3.1mA ở chế độ điển hình, dòng điện max 6mA

 Tần số phản hổi: 20Hz- 20KHz

 Tự động điều chỉnh độ khuếch đại

 Nhiễu đầu vào thấp, 30nV/ Hz

 Mức Total harmonic distortion (THD) thấp: 0.04% (typ)

 Khoảng nhiệt độ hoạt động từ -45 đến 85°C

c Giao tiếp : đầu ra tương tự

Cảm biến màu sắc TCS34725

a Nguyên lý hoạt động: TCL34725 là bộ chuyển đổi ánh sáng sang kĩ thuật sốchứa 3x4 mảng photodiode, bốn bộ ADC tích hợp dòng photodiode, thanh ghi dữliệu, máy trạng thái và giao tiếp I2C Các mảng photodiode là đỏ, xanh lá, xanh

da trời đã được lọc và 1 photodiode chưa lọc Các lớp photodiode được phủ 1 lớpchặn tia hồng ngoại IR

Bốn ADC tích hợp chuyển đổi dòng photodiode đồng thời được khuếch đại thànhgiá trị kĩ thuật số 16 bit, giá trị này được chuyển tới thanh ghi dữ liệu màu Saukhi chuyển thiết bị tự động chuyển sang trạng thái tiếp theo

b Thông số kĩ thuật [12]:

 Điện áp cung cấp: 2.7−¿3.6V

 Khoảng nhiệt độ hoạt động: -30−¿70℃

 Dòng điện cung cấp: chế độ hoạt động 235µA, chế độ chờ 65µA, chế độngủ: 2.5µA

 Độ phân giải: 16bit hiển thị 65535 giá trị

 Tần số hoạt động : max 400kHz

 Số bước tích hợp ADC: 1→256 bước

 Thời gian bước tích hợp ADC: 2.4ms

c Giao tiếp ngoại vi: sử dụng giao tiếp I2C tốc độ đồng bộ lên tới 400kHz, dễdàng kết nối đến vi điều khiển

Cảm biến đo nồng độ khí CO2 NDIR MH-Z19

a Nguyên lý hoạt động: Module MH-Z19 là moudle đo khí CO2 là loại phổ biến,cảm biến kích thước nhỏ, sử dụng phương pháp hồng ngoại không phân tán −¿non dispersive infrared (NDIR) với độ chon lọc tốt, vòng đợi dài Module có tíchhợp hồng ngoại, đầu ra UART và PWM

b Thông số kĩ thuật [13]:

 Điện áp hoạt động: 4.5→5.5V

 Dòng điện trung bình: < 60mA(5V)

 Dòng điện đỉnh: 150mA

 Mức điện áp giao tiếp: 3.3V

 Thời gian phản hồi: < 120s

 Điều kiện nhiệt độ, độ ẩm môi trường: 0→50℃ và 0→90%H

 Khoảng đo: 0→2000 ppm hoặc 0→5000 ppm với độ chính xác ±(50ppm+3% Giá trị đo được)

c Giao tiếp ngoại vi: Giao tiếp UART ( cần TTL level 3.3V) và giao tiếp PWM

Cảm Biến Bụi Optical Dust Sensor PM2.5 GP2Y1010AU0F

 Nguyên lý hoạt động: GP2Y1010AU0F xác định nồng độ bụi PM2.5trong không khí bằng hệ thống cảm biến quang học Một diode phát hồng

ngoại(IRED) và một phototransistor được xếp theo đường chéo vào thiết

bị này Nó phát hiện ánh sáng phản chiếu trong không khí

 Thông số kĩ thuật:

 Điện áp cung cấp: 4.5→5.5V

 Độ nhạy: 0.5 V/(0.1mg/m3 )

 Khoảng nhiệt độ hoạt động tuyệt đối: −10 →+65℃

 Điện áp đầu ra khi không có bụi: 0.9V

 Dải điện áp đầu ra: > 3.4V

 Dòng điện tiêu thụ: 11mA

ngoại IR Các cơ thể sống luôn phát ra tia hồng ngoại, cảm biến chuyển đổi tiahồng ngoại thành tín hiệu điện nhờ đó mà cảm biến phát hiện có chuyển động.

b Thông số kĩ thuật:

 Điện áp hoạt động: 4.5→20V(5V được đề xuất)

 Dòng điện tĩnh: < 50µA

 Năng lượng tiêu thụ: 65mA

 Mức điện áp đầu ra: high 3.3V, low 0V

 Phạm vi phát hiện: < 110 °, khoảng cách phát hiện xa nhất 7m

 Thời gian trễ: 5→300s

 Thời gian khóa: 2.5s

 Dải nhiệt độ hoạt động: -15→70℃

c Giao tiếp ngoại vi: Đầu ra Digital

3.4 Lựa chọn thiết bị ngoại vi

I2C 1602 Serial LCD Module

a Giới thiệu: Kết nối bộ chuyển đổi I2C cho LCD 1602 để dễ dàng, giảm sốlượng dây khi kết nối với vi điều khiển Bởi vì giao tiếp I2C chỉ yêu cầu 2 chân

 Độ tương phản: điều chỉnh bởi chiết áp trên mạch giao tiếp I2C

 Dòng điện cung cấp LCD: 1.1mA với Vdd= 3V

c Giao tiếp ngoại vi: Chuẩn giao tiếp I2C

Module micro SD card

a Giới thiệu: là module đọc thẻ micro SD, đọc và ghi dữ liệu thông qua hệ thốngtệp và chuẩn giao tiếp SPI,SCM

b Thông số kĩ thuật:

Điện áp cung cấp: 4.5 →5.5V

Dòng điện cung cấp: 80mA

Hỗ trợ loại thẻ nhớ: micro SD card < 2G

Mạch điều chỉnh trong module: Đầu ra 3.3V cung cấp cho micro SD card

Khe cắm thẻ nhớ: Chèn thẻ nhớ vào soket dễ dàng

c Giao tiếp ngoại vi: Chuẩn giao tiếp SPI

Module thời gian thực DS3231

a Giới thiệu: DS3231 là đồng hồ thời gian thực cực kì chính xác với bộ daođộng tinh thể 32kHz có tích hợp bù nhiệt độ(TCXO -temperaturecompensatedcrystal oscillator) và tinh thể thạch anh Module kết hợp nguồn cấp năng lượng từpin, duy trì thời gian chính xác khi nguồn điện chính bị gián đoạn

RTC cung cấp thông tin giây, phút, giờ, thứ, ngày, tháng, năm Đồng hồ hoạtđộng định dạng 12 giờ hoặc 24 giờ, có tích hợp chế độ báo thức

b Thông số kĩ thuật:

 Điện áp cung cấp: Vcc =Vbat 2.3→ 5.5V

 Dòng điện cung cấp nguồn: 200µA (3.63V) và 300µA(5.5V)

 Dòng điện cung cấp của Pin: 70µA (3.63V) và 150µA(5.5V)

 Độ chính xác của đầu ra cảm biến nhiệt: ±3 ℃

 Độ chính xác: ±2 phút/ năm trong khoảng nhiệt độ -40→ 85℃

 Tần số đồng bộ hóa của giao tiếp I2C: lên tới 400kHz, 100kHz ở chế độtiêu chuẩn

c Giao tiếp ngoại vi: Chuẩn giao tiếp I2C

IC chuyển đổi tín hiệu tương tự thành số (ADC) MCP3208

a Giới thiệu: IC MCP3208 tăng đầu vào analog cho vi điều khiển, tăng độ phân

 Tiêu thụ công suất thấp: dòng diện tiêu chuẩn 500nA

 Khoảng nhiệt độ hoạt động: -40 đến 85°C

c Giao tiếp ngoại vi: Giao tiếp SPI.

3.5 Tìm hiểu về các chuẩn giao tiếp sử dụng.

Chuẩn giao tiếp I2C:

Giới thiệu: I2C (Inter-intergrated Circuit) là giao thức truyền thông nối tiếp

đồng bộ Nghĩa là các bit dữ liệu được truyền theo từng bit một theo khoảng thờigian đều đặn, thiết lập bởi tín hiệu xung đồng hồ

Đặc điểm:

 Chỉ cần hai dây để điều khiển thiết bị là SCL và SDA Dữ liệu đượctruyền đi được gửi qua dây SDA và được đồng bộ với tín hiệu đồng hồ(clock) từ SCL. 

 Cơ chế đơn giản để xác thực dữ liệu được truyền

 Sử dụng hệ thống địa chỉ 7 bit để xác định một thiết bị

 Các mạng I2C dễ dàng mở rộng

Nguyên lý hoạt động: Giao tiếp I2C được bắt đầu bởi thiết bị Master để gửi

dữ liệu đến Slave hoặc nhận dữ liệu từ Slave

Trình tự hoạt động:

 Master gửi điều kiện bất đầu tới Slave

 Master gửi 7 bit địa chỉ của thiết bị Slave

 Slave so sánh địa chỉ được gửi từ Master với địa chỉ riêng Nếu trùngSlave gửi bit ACK – cho phép truyền Nếu không khớp thì Slave gửibit NACK – không cho phép truyền

 Nếu Master gửi dữ liệu đến Slave thì bit Read/Write mức thấp NếuMasre nhận dữ liệu Slave thì bit này mức cao

 Khi tất cả dữ liệu gửi đến Slave thì Master gửi điều kiện dừng

Chuẩn giao tiếp SPI:

Giới thiệu: SPI (Serial Peripheral Interface) giao tiếp ngoiaj vi nối tiếp.

Chuẩn đồng bộ nối tiếp có thể vừa truyền vừa nhận dữ liệu

Đặc điểm: Giao tiếp SPI sử dụng 4 dây

Hình 3.7 Kết nối Master, Slave của SPI.

 MOSI: ( Master Out Slave IN) Đây là chân dành cho việc truyền dữ liệu từ Master đến Slave

 MISO: (Master IN Slave Out) Đây là chân dành cho việc truyền dữ liệu từ Slave đến Master

 SCK: tín hiệu clock đồng bộ (Serial Clock) Xung nhịp chỉ được tạo bởi Master

 CS: tín hiệu chọn vi mạch ( Chip Select )

Nguyên lý hoạt động:

Để bắt đầu hoạt động thì kéo chân SS xuống thấp và kích hoạt clock ở cả Maser và Slave

Hình 3.8 Nguyên lý hoạt động của SPI

Mỗi Master hay Slave có một thanh ghi 8 bit Cứ mối xung nhịp do Mastertạo ta trên SCK, một bit thanh ghi dữ liệu Master được truyền qua Slave trênMOSI, đồng thời một bit trong thanh ghi dữ liệu của chip Slave cũng được truyềnqua Master trên MISO

Chuẩn giao tiếp UART:

Giới thiệu: UART (Universal Asynchronous Receiver / Transmitter) là bộtruyền nhận không đồng bộ Trong giao tiếp UART, hai UART giao tiếp nhau.UART truyền chuyển đổi dữ liệu song song từ CPU thành dạng nối tiếp sangUART nhận Chỉ cần 2 dây truyền dữ liệu giữa 2 UART, dữ liệu được truyền từ

Tx của UART truyền sang Rx của UART nhận

Nguyên lý hoạt động: Các UART truyền dữ liệu không đồng bộ, không có tín

hiệu để đồng bộ hóa Thay vì thế UART truyền phát thêm bit start và stop chogói dữ liệ được truyền Các bit này xác định điểm bắt đầu và kết thúc của gói dữliệu

Khi UART nhận phát hiện bit bắt đầu, nó bắt đầu đọc các bit đến ở tần số cụthể được gọi là tốc độ truyền Tốc độ Baud là thước đo tốc độ truyền dữ liệu, đơn

vị (bps) Cả hai UART phải hoạt động ở cùng tốc độ truyền Tốc độ truyền giữaUART truyền và nhận chỉ có thể khác nhau khoảng 10% trước khi thời gian củabit quá xa

UART truyền nhận dữ liệu song song từ bus dữ liệu ( bus dữ liệu gởi dữ liệutới UART bởi vi điều khiển) Nó bắt đầu thêm bit bắt đầu, bit chẵn lẻ, bit dừng

và tạo gói dữ liệu Tiếp theo, gói dữ liệu được xuất ra một cách tuần tự, ở chân

Tx UART nhận đọc từng bit của gói dữ liệu tại chân Rx UART nhận sau đóchuyển đổi dữ liệu trở lại song song và loại bỏ bit chẵn lẻ, bit stop Cuối cũng,UART chuyển gọi dữ liệu song song với bus dữ liệu ở đầu nhận

Hình 3.9 Nguyên lý hoạt động của UART.

3.6 Bảng tổng hợp các thông số chính và kết nối của cảm biến với vi điều khiển

Bảng tổng hợp

(V)

Imax(A)

SDA

3.7 Lựa chọn vi điều khiển và module truyền thông.

Từ Bảng 6, ta thấy vi điểu cần lựa chọn phải có tích hợp giao tiếp I2C,UART, SPI, có 2 đầu vào ADC và 2 chân vào ra Digital Qua tìm hiểu thì chọnMoudle ESP-12E làm vi điểu khiển.Module ESP12-E có đủ các chân để giao tiếpvới cảm biến cũng như thiết bị ngoại vi Tuy nhiên, nó chỉ có 1 đầu vào Analogvới khoảng đo từ 0 – 1V, không phù hợp để đo giá trị của cảm biến trên nên cần

36

sử dụng thêm một module ADC ngoài Moudle này vừa thực hiện chức năng xử

lí vừa làm module truyền thông

Hình 3.10 Module ESP12-E

a Giới thiệu:

Module được phát triển bởi hãng Ai-thinhker Technology có nhân xử lý bêntrong là IC SoC ESP8266EX, thường được sử dụng trong các kết nối Wifi, IoThiện nay

Moudle ESP12-E có kích thước nhỏ gọn, được thiết kế và gia công chấtlượng tốt với vỏ bọc kim loại chống nhiễu và anten Wifi PCB tích hợp chotruyền xa và ổn định

 CPU 32 bit công suất thấp

 Tích hợp bộ nhớ SPI Flash 4Mb trong module,

 Tốc độ xung nhịp lên tới 160MHz

 Tốc độ truyền của UART lên tới 4Mbps

 Các chế độ hoạt động: Station, Access Point và Station + Access Point

 Dòng điện hoạt động: chế độ truyền phát: 71mA, peak 500mA, modem sleep: 20mA, light sleep: 2mA, deed sleep:

0.02mA

 Hỗ trợ nâng cấp firmware từ xa

 Nguồn cung cấp: điện áp sử dụng 3.3V, dòng điện > 500mA

 Công suất tiêu thụ: Giá trị dòng điện trung bình 80mA nên P=264mW

Dòng điện max 170mA nên Pmax=561mW

 Nhiệt độ hoạt động : -20 →85℃

 GPIP giao tiếp mức 3.3VDC

 Số chân I/O: 11 chân I/O đều có interrupt/PWM/I2C/ trừ chân D0

 Số chân Analog:1 độ phân giải 10 bit

 Lập trình trên các ngôn ngữ: C/C++, MicroPython NodeMCU-Lua

c Giao tiếp ngoại vi: UART, GPIO, I2C, PWM, ADC

d Sơ đồ chân ESP12-E

Hình 3.11 Sơ đồ chân ESP12-E.

Module có 22 chân , trong các GPIO6 đến GPIO11 để kết nối với Flash bêntrong module

TT Tên chân Chức năng

1 RST Reset, hoạt động mức thấp

2 ADC Chuyển đổi ADC, khoảng 0-1V,10 bit

3 EN Chân enable, hoạt động mức cao

4 GPIO16 chân wake up từ chế độ Sleep

Nhận xét: Module ESP12-E có ưu điểm vừa làm chức năng đọc dữ liệu từ

cảm biến, bên cạnh đó được tích hợp Wifi 2.4Ghz , moudle này cũng sử dụng đểtruyền dữ liệu thông qua mạng Wifi Tuy nhiên module này chỉ có 1 đầu vàoAnalog với khoảng đo 0 – 1 V, khi cần đo nhiều dữ liệu analog với dải đo lớnhơn thì gặp nhiều khó khăn Cho nên em đã lựa chọn một ADC ngoài để thíchhợp cho việc đọc nhiều tín hiệu analog hơn

3.8 Thiết kế bộ nguồn cho hệ thống.

Tính toán:

Công suất tiêu thụ của hệ thống lớn nhất: Pmax

Công suất tiêu thụ trên cảm biến P1

Công suất tiêu thụ trên thiết bị ngoại vi: P2

Công suất tiêu thụ trên vi điều khiển: P3

Điện áp đầu vào 12VDC, từ Adapter 12V - 2A

Điện áp đầu ra : 5V-1A và 3.3V-1A

Bảo vệ quá tải: cầu chì 1A

Bảo vệ chống dòng ngược

Lựa chọn IC ổn áp:

Bộ nguồn này em sử dụng IC LM7805 để chuyển điện áp 12V về 5V LM7805

là IC cung cấp điện áp đầu ra cố định 5V với dung sai nhỏ 5%, dòng ra tối đa 1.5A

Hình 3.12 IC LM7805.

Sử dụng IC LM1117-3.3V để chuyển từ điện áp 5V về 3.3V Dòng diện đầu ra tối đa của IC 0.8A