THIẾT kế THI CÔNG hệ THỐNG THEO dõi và HIỂN THỊ các THÔNG số môi TRƯỜNG

Khi làm cho electron đang liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử silicon, photon trong ánh sáng mặt trời đưa các electron này vào một trật tự nhất định, từ đó cung cấp dòng điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÌNH DƯƠNG

KHOA Điện – Điện Tử



BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ THI CÔNG HỆ THỐNG THEO DÕI VÀ HIỂN THỊ CÁC THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG

GVHD:th.s Nguyễn Quang Chung SVTH : Phạm Tuấn Thạnh Nguyễn Trần Như Quý MSSV : 15020051

15020057 LỚP : 18DT01 18DT01

BÌNH DƯƠNG …/20…

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 4

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 5

1.1 Đặt Vấn Đề: 5

1.2 Mục Tiêu: 5

1.3 Yêu cầu: 5

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7

1 Bộ nguồn: 7

1.1 Pin năng lượng mặt trời 7

1.2 Bộ lưu trữ năng lượng (Acquy) 9

2 Cảm biến DHT11: 11

3 Kít thu phát wifi ESP32: 13

4 Mạch thu phát Lora SX1278 15

5 Giao thức MQTT: 18

6 Android studio: 21

7 Cơ sở dữ liệu MongoDB: 23

Khái niệm: 23

Các thuật ngữ hay sử dụng trong cơ sở dữ liệu MongoDB: 23

8 Chuẩn giao tiếp SPI: 25

CHƯƠNG III: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH 34

1 Yêu cầu: 34

2 Giải pháp thiết kế: 34

3 Lựa chọn giải pháp 34

4 Lý do chọn giải pháp: 35

5 các tiêu chuẩn của hệ thống (QCVN) 35

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ 47

I Sơ đồ khối tổng quát: 47

II Thiết kế chi tiết: 48

1 Thiết bị đầu cuối: 48

2 Giao thức MQTT: 58

3 Lưu trữ dữ liệu: 60

4 Ứng dụng người dùng (Android Studio): 63

CHƯƠNG V: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 69

1 Kết quả: 69

2 Hướng phát triển: 70

– Đặc biệt nhóm em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Quang Chung –

người hướng dẫn và cũng là người đã luôn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và động viên nhóm em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành đề tài nghiên cứu này

Nhóm em xin trân trọng cám ơn Ban giám hiệu,cùng toàn thể các thầy cô giáo công tác trong trường đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu, giúp đỡ nhóm trong quá trình học tập và nghiên cứu

Tuy có nhiều cố gắng, nhưng trong đề tài nghiên cứu khoa học này không tránh khỏi những thiếu sót Nhóm em kính mong Quý thầy cô, những người quan tâm đến đề tài, tiếp tục có những ý kiến đóng góp, giúp đỡ để đề tài được hoàn thiện hơn

Một lần nữa em xin chân thành cám ơn

Bình Dương, tháng … năm 2019

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Đặt Vấn Đề:

Hiện nay, trong nước đã có một số thiết bị theo dõi thông số môi trường nhưng với giá thành từ 15-30 triệu đồng/ 1 sản phẩm Trong khi đó thiết bị của chúng em đang nghiên cứu dự trù từ 6-8 triệu / 1 sản phẩm

Hoạt động theo dõi thông số môi trường tại Việt Nam đã được triển khai, duy trì

từ năm 1994 đến nay, theo quy mô từ Trung ương đến địa phương Các cơ quan, đơn vị thực hiện quan trắc môi trường ngày càng phát triển cả về số lượng và chất lượng Năm

2016 với việc Thủ tướng Chính phủ ký ban hành Quyết định số 90/2016/QĐ-TTg ngày 12/1/2016 phê duyệt Quy hoạch mạng lưới quan trắc Tài nguyên và Môi trường quốc gia giai đoạn 2016 - 2025, tầm nhìn đến năm 2030, nhằm xây dựng hệ thống quan trắc quốc gia hợp lý, thống nhất, đồng bộ, hiện đại, đạt trình độ hàng đầu khu vực Đông Nam Á và trình độ tiên tiến của khu vực châu Á Đồng thời, để đáp ứng nhu cầu thông tin điều tra

cơ bản phục vụ công tác quản lý nhà nước bảo vệ môi trường và yêu cầu phát triển kinh

tế - xã hội, phục vụ dự báo, cảnh báo, phòng tránh, giảm nhẹ thiệt hại do thiên tai và ô nhiễm môi trường, ứng phó với biến đổi khí hậu, công nghệ quan trắc áp dụng trong mạng lưới ngày càng tiên tiến, hiện đại Việc đầu tư trang thiết bị được đặt ra nhằm đáp ứng yêu cầu thực tiễn của công tác quan trắc và phân tích các thông số chất lượng môi trường

1.2 Mục Tiêu:

Thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị thu thập dữ liệu môi trường Thiết kế hệ thống

có khả năng lưu trữ và hiển thị cho người dùng

1.3 Yêu cầu:

Thiết kế thiết bị thu thập dữ liệu môi trường với:

- Thiết bị có thể đo được dữ liệu môi trường nhiệt độ, độ ẩm với sai số không quá

±5%

- Thiết bị đo có mức giá thành dưới 5 triệu đồng

- Thiết bị có thể hoạt động 24/24

- Người dùng có thể xem được những thông tin nhiệt độ, độ ẩm theo thời gian thực

và theo thống kê theo ngày, tháng, năm

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1 Bộ nguồn:

1.1 Pin năng lượng mặt trời

Khái niệm:

Pin mặt trời hay pin quang điện có tên tiếng Anh là Solar panel, nó bao gồm nhiều tế bào

quang điện (gọi là solar cells) Tế bào quang điện này là các phần tử bán dẫn có chứa trên

bề mặt nhiều các cảm biến của ánh sáng là đi ốt quang, nó làm biến đổi năng lượng của ánh sáng thành năng lượng điện

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời:

Chúng thường được lắp đặt ở những nơi hấp thu được nhiều ánh sáng mặt trời nhất như trên mái của các tòa nhà hay các công trình Hệ thống này sẽ chuyển đổi quang năng

từ ánh sáng mặt trời hấp thụ được thành điện năng, nó được sử dụng như điện lưới thông thường

Silicon được biết đến là một chất bán dẫn, nó là một thành phần quan trọng trong cấu tạo của pin năng lượng mặt trời “Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện, hoạt động như chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện

ở nhiệt độ phòng”

Ánh sáng năng lượng mặt trời gồm các hạt rất nhỏ gọi là photon được tỏa ra từ mặt trời Nó va chạm với các nguyên tử Silicon của tấm pin, lúc này những hạt photon truyền năng lượng của chúng tới các electron rời rạc, kích thích làm cho electron đang liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử, đồng thời ở nguyên tử xuất hiện chỗ trống

vì thiếu electron Tuy nhiên việc giải phóng các electron chỉ là một nửa công đoạn của pin mặt trời, tiếp đến nó dồn các electron rải rác này vào một dòng điện Điều này ảnh hưởng đến việc tạo ra sự mất cân bằng điện trong pin, có tác dụng giống như xây một con dốc để các electron chảy theo cùng một hướng Sự mất cân bằng này cũng có thể được tạo ra bởi tổ chức bên trong của silicon

Các nguyên tử silicon được sắp xếp cùng nhau trong một cấu trúc liên kết chặt chẽ Bằng cách ép một lượng nhỏ các nguyên tố khác vào cấu trúc này, nó sẽ tạo ra 2 loại Silicon là: loại n (bán dẫn âm – Negative) và loại p(bán dẫn dương – Positive) Chất bán

dẫn loại n có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm V, các nguyên tử này dùng 4 electron tạo liên kết và một electron lớp ngoài liên kết lỏng lẻo với nhân, đấy chính là các electron dẫn chính Chất bán dẫn loại p có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm III, dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống

Hình ảnh 2.1: Cấu tạo pin năng lượng mặt trời Khi hai loại bán dẫn n và p này đặt cạnh nhau trong cùng một tấm pin mặt trời, electron dẫn chính của loại n sẽ chuyển qua lấp đầy những khoảng trống của loại p Điều này có nghĩa là silicon loại n tích điện dương và silicon loại p được tích điện âm, tạo nên một điện trường trên tấm pin

Vì silicon là một chất bán dẫn nên có thể hoạt động như một chất cách điện và duy trì sự mất cân bằng này Khi làm cho electron đang liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử silicon, photon trong ánh sáng mặt trời đưa các electron này vào một trật tự nhất định, từ đó cung cấp dòng điện cho máy tính, vệ tinh và tất cả các thiết bị ở giữa

Phân loại pin năng lượng mặt trời:

Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể, nó được chia thành 2 loại:

Hình ảnh 2.2: Các loại pin năng lượng mặt trời

- Đơn tinh thể: Module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski (là một nhà hóa học người Ba Lan đã phát minh ra quy trình Czochralski, một quy trình điều chế silic đơn tinh thể - một nguyên liệu quan trọng trong việc chế tạo các vi mạch bán dẫn) Đơn tinh thể loại này có hiệu suất lên tới 16% Chúng thường có giá thành cao do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module

- Đa tinh thể: làm từ các thỏi đúc-đúc từ silic nung chảy cẩn thận sau đó được làm nguội và làm rắn Các loại pin này có giá rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó

1.2 Bộ lưu trữ năng lượng (Acquy)

Khái niệm:

Ắc quy là bộ lưu trữ điện năng dưới dạng điện áp một chiều (DC)

Cấu tạo:

Hình ảnh 2.3: Cấu tạo các bản cực của Ắc quy

- Đối với loại Ắc quy axit chì: Bao gồm 2 bản cực, trong đó bản cực dương (+) được làm bằng oxit Chì (PbO2) và bản cực âm (-) được làm bằng Chì (Pb) Điền đầy giữa các bản cực là dung dịch axít sulfuric (H2SO4) loãng, và tất nhiên là dung dịch loãng như vậy thì Nước (H2O) là chiếm phần lớn thể tích

- Đối với loại Ắc quy Ni-Cd kiềm: Bản cực dương (+) được làm bằng Niken hydro xít Ni(OH)2 và cực âm được làm bằng Catmi hydro xít Cd(OH)2 Điền đầy giữa các bản cực

là dung dịch kali kiềm (KOH)

Trên thực tế, các cực của ắc quy có số lượng nhiều (để tạo ra dung lượng bình ắc quy lớn) và mỗi bình ắc quy lại bao gồm nhiều ngăn (cells) Nhiều tấm cực mắc song song nhau để tạo ra tổng diện tích bản cực được nhiều hơn, giúp cho quá trình phản ứng xảy ra đồng thời tại nhiều vị trí và do đó dòng điện cực đại xuất ra từ ắc quy đạt trị số cao hơn -

và tất nhiên là dung lượng ắc quy cũng tăng lên; Còn khi nhiều tấm cực mắc nối tiếp nhau sẽ tạo ra mức điện áp định mức của bình lớn hơn Ví dụ: Mỗi một ngăn cực của ắc quy a-xít chì cho mức điện áp khoảng 2 đến 2,2 V, dung lượng 200Ah do đó để 1 bình Ắc quy đạt được các mức 6V, 200Ah thì Ắc quy được ghép nối tiếp 3 ngăn cực với nhau để thành bình ắc quy 6V, 200Ah hoặc muốn bình Ắc quy đạt mức 2V, 600Ah thì cần ghép 3 ngăn cực song song nhau

Một bình Ắc quy hở khí thông thường sẽ bao gồm các thành phần sau: Nút thông hơi để thoát các khí bên trong bình ra ngoài, cọc bình để nối với tải ngoài hoặc nối ghép

các bình với nhau, thanh nối để nối các bản cực dương/âm lại, bản cực gồm các bản cực

dương và bản cực âm, dung dịch điện phân và tấm chắn nằm giữa các bản cực (Hình 2:

Cấu tạo bình Ắc quy) Nếu là Ắc quy Axit-chì kín khí thì cấu tạo cũng giống với ắc quy

hở nhưng sẽ không có nút thông hơi

Do kết cấu xếp lớp nhau giữa các tấm cực của ắc quy nên thông thường số cực dương

và cực âm không bằng nhau bởi sẽ tận dụng sự làm việc của hai mặt một bản cực (nếu số bản cực bằng nhau thì các tấm ở bên rìa sẽ có hai mặt trái chiều ở cách nhau quá xa, do

đó phản ứng hóa học sẽ không thuận lợi) Ở giữa các bản cực của ắc quy đều có tấm chắn, các tấm chắn này không dẫn điện nhưng có độ thẩm thấu lớn để thuận tiện cho quá trình phản ứng xảy ra khi các cation và anion xuyên qua chúng để đến các điện cực

\ Hình ảnh 2.4: Cấu tạo Acquy

2 Cảm biến DHT11:

DHT11 Là cảm biến nhiệt độ, độ ẩm rất thông dụng hiện nay vì chi phí rẻ và rất dễ

lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1-wire ( giao tiếp kỹ thuật số sử dụng 1 chân data để truyền dữ liệu duy nhất) Cảm biến được tích hợp bộ tiền xử lý tín hiệu giúp dữ liệu nhận

về được chính xác mà không cần phải qua bất kỳ tính toán nào

 Đặc điểm:

o Điện áp hoạt động : 3V - 5V (DC)

o Dải độ ẩm hoạt động : 20% - 90% RH, sai số ±5%RH

o Dải nhiệt độ hoạt động : 0°C ~ 50°C, sai số ±2°C

o Tần số lấy mẫu tối đa: 1 Hz

o Khoảng cách truyền tối đa: 20m

 Sơ đồ chân Cảm biến DHT11 gồm 2 chân cấp nguồn, và 1 chân tín hiệu Hiện nay, thông dụng ngoài thị trường có hai loại đóng gói cho DHT11: 3 chân và 4 chân (Xem các hình dưới)

 Nhận xét: Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 với giá thành rẻ, dễ sử dụng, thích hợp sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác không cao, môi trường không khắc nghiệt

Hình ảnh 2.5: DHT11 loại 3 chân và loại 4 chân

3 Kít thu phát wifi ESP32:

Hình ảnh 2.6: ESP 32 và sơ đồ chân ESP32-WROOM-32 là một module với nhiều tính năng cải tiến hơn các module dòng ESP8266 khi hỗ trợ thêm các tính năng Bluetooth và Bluetooth Low Energy (BLE) bên cạnh tính năng WiFi Sản phẩm sử dụng chip ESP32-D0WDQ6 với 2 CPU có thể được điều khiển độc lập với tần số xung clock lên đến 240 MHz

Module hỗ trợ các chuẩn giao tiếp SPI, UART, I2C và I2S và có khả năng kết nối với nhiều ngoại vi như các cảm biến, các bộ khuếch đại, thẻ nhớ (SD card),…

Ở chế độ sleep dòng điện hoạt động là 5 µA nên thích hợp cho các ứng dụng dùng pin như các thiết bị điện tử đeo tay Ngoài ra module còn hỗ trợ cập nhật firmware từ xa (OTA) do đó người dùng vẫn có thể có những bản cập nhật mới nhất của sản phẩm

Thông số kĩ thuật

- Kích thước: 18 mm x 20 mm x 3 mm

- CPU: Xtensa Dual-Core 32-bit LX6 với tần số hoạt động lên đến 240 MHz

- Bộ nhớ trong:

- 448 KBytes ROM cho booting và các tính năng của lõi chip

- 520 KBytes SRAM trên chip dùng cho dữ liệu và các lệnh instruction

- 8 KBytes SRAM trong RTC (gọi là RTC SLOW Memory) để truy xuất bởi các bộ co-processor

- 8 KBytes SRAM trong RTC (gọi là RTC FAST Memory) dùng cho lữu dữ liệu, truy xuất bởi CPU khi RTC đang boot từ chế độ Deep-sleep

- 1 Kbit EFUSE, với 256 bit cho hệ thống (địa chỉ MAC và cấu hình chip), 768 còn lại cho ứng dụng người dùng, gồm cả mã hóa bộ nhớ Flash và định ID cho chip Kết nối WiFi:

- Wi-Fi: 802.11 b/g/n/e/i

- Bluetooth: BR/EDR phiên bản v4.2 và BLE

- Ethernet MAC hỗ trợ chuẩn: DMA và IEEE 1588

- Bus hỗ trợ mang CAN 2.0

Giao tiếp ngoại vi:

- Bộ chuyển đổi ADC 12 bit, 16 kênh

- Bộ chuyển đổi 8-bits DAC: 2 kênh

- 10 chân để giao tiếp với cảm biến chạm (touch sensor)

Ứng dụng:

- Module được dùng nhiều trong các ứng dụng thu thập dữ liệu và điều khiển thiết

bị qua WiFi, Bluetooth

- Sử dụng cho các ứng dụng tiết kiệm năng lượng, điều khiển mạng lưới cảm biến,

mã hóa hoặc xử lí tiếng nói, xử lí Analog-Digital trong các ứng dụng phát nhạc, hoặc vói các file MP3…

- Module cũng có thể dùng cho các thiết bị điện tử đeo tay như đồng hồ thông minh…

4 Mạch thu phát Lora SX1278

Mạch thu phát RF SPI Lora SX1278 433Mhz Ra-02 sử dụng chip SX1278 của nhà sản xuất SEMTECH chuẩn giao tiếp LORA, chuẩn LORA mang đến hai yếu tố quan trọng là tiết kiệm năng lượng và khoảng cách phát siêu xa (Ultimate long range wireless solution), ngoài ra nó còn có khả năng cấu hình để tạo thành mạng truyền nhận nên hiện tại được phát triển và sử dụng rất nhiều trong các nghiên cứu về IoT

Mạch thu phát RF SPI Lora SX1278 433Mhz Ra-02 có thiết kế nhỏ gọn dạng module giúp dễ dàng tích hợp trong các thiết kế mạch, mạch được thiết kế và đo đạc chuẩn để có thể đạt công suất và khoảng cách truyền xa nhất, ngoài ra mạch còn có chất lượng linh kiện và gia công tốt cho nên có độ bền cao và khả năng hoạt động ổn định

Hình ảnh 2.7: Sơ đồ chân Lora SX1278

Thông số kỹ thuật:

 IC chính: SX1278 từ SEMTECH

 LoRaTM spread spectrum communication

 +20dBm - 10mW Stable RF output power when input voltage changed

 Half-duplex SPI communication

 Programmable bit rate can reach to 300kbps

 Support FSK, GFSK, MSK, GMSK, LoRaTM and OOK Modulation Mode

 127dB RSSI wave range

 Automatically detect RF signal, CAD mode and super high speed AFC

 With CRC 256 bytes data engine

 Half hole (castellated hole) SMD package

 With metal shielding case

 Pin pitch: 2.0 mm

5 Giao thức MQTT:

Hình ảnh 2.8: Sơ đồ tổng quát giao thức MQTT

MQTT (Message Queue Telemetry Transport) là một giao thức truyền thông

điệp (message) theo mô hình publish/subscribe (xuất bản – theo dõi), sử dụng băng thông thấp, độ tin cậy cao và có khả năng hoạt động trong điều kiện đường truyền không ổn định

Kiến trúc mức cao (high-level) của MQTT gồm 2 phần chính là Broker và Clients Trong đó, broker được coi như trung tâm, nó là điểm giao của tất cả các kết nối đến từ client Nhiệm vụ chính của broker là nhận message từ publisher, xếp các message theo hàng đợi rồi chuyển chúng tới một địa chỉ cụ thể Nhiệm vụ phụ của broker là nó có thể đảm nhận thêm một vài tính năng liên quan tới quá trình truyền thông như: bảo mật message, lưu trữ message, logs,

Client thì được chia thành 2 nhóm là publisher và subscriber Client là các phần mềm hoạt động tại thiết bị biên nên chúng được thiết kế để có thể hoạt động một cách linh hoạt (lightweight) Client có thể làm một hoặc cả hai việc là publish các message lên một topic cụ thể và subscribe một topic nào đó để nhận message từ topic này

MQTT Clients tương thích với hầu hết các nền tảng hệ điều hành hiện có: MAC

OS, Windows, LInux, Androids, iOS

Các khái niệm trong giao thức MQTT:

Trong một hệ thống sử dụng giao thức MQTT, nhiều client kết nối tới một server (Trong MQTT, server được gọi là MQTT Broker).Mỗi client sẽ đăng ký theo dõi các kênh thông tin (topic) hoặc gửi dữ liệu lên kênh thông tin đó Quá trình đăng ký này gọi

là “subscribe” và hành động một client gửi dữ liệu lên kênh thông tin được gọi là

“publish” Mỗi khi kênh thông tin đó được cập nhật dữ liệu (dữ liệu này có thể đến từ các client khác) thì những client nào đã đăng ký theo dõi kênh này sẽ nhận được dữ liệu cập nhật đó

- Message

Trong giao thức MQTT, message còn được gọi là "message payload", có định dạng mặc định là plain-text (chữ viết người đọc được), tuy nhiên người sử dụng có thể cấu hình thành các định dạng khác

- Topic

Topic có thể coi như một "đường truyền" logic giữa 2 điểm là publisher và subscriber Về cơ bản, khi message được publish vào một topic thì tất cả những subscriber của topic đó sẽ nhận được message này

Giao thức MQTT cho phép khai báo các topic kiểu phân cấp

- QoS - Quality of Service: Khái niệm này ra đời do nhu cầu đảm bảo sự chắc chắn

trong việc gửi - nhận message giữa client và broker

MQTT hỗ trợ 3 mức QoS

 QoS-0: là mức đảm bảo thấp nhất, tất cả các message có QoS 0 sau khi

được gửi đi bởi publisher sẽ không được kiểm tra xem đã đến broker hay chưa (fire - and - forget)

 QoS-1: message được đảm bảo rằng đã đến nơi nhận ít nhất 1 lần (tức là sự

trùng lặp vẫn có thể xảy ra)

 QoS-2: đây là mức đảm bảo cao nhất, broker sẽ đảm bảo các message có

QoS-2 sẽ đến nơi nhận chỉ 1 lần duy nhất, không trùng lặp, không thất lạc Tất nhiên việc xác nhận với QoS-2 sẽ tốn băng thông hơn 2 cách còn lại

 address: địa chỉ của broker cần kết nối

 bridge_protocol_version: phiên bản của giao thức MQTT đang sử dụng

chung cho 2 broker

 topic: phần này định nghĩa 3 thong số: tên topic được trao đổi giữa 2 broker,

chiều trao đổi (1 chiều hay 2 chiều) và topic mapping giữa 2 broker

Bảo mật:

MQTT được thiết kế một cách nhẹ nhàng và linh hoạt nhất có thể Do đó nó chỉ có

1 lớp bảo mật ở tầng ứng dụng: bảo mật bằng xác thực (xác thực các client được quyền truy cập tới broker)

Tuy vậy, MQTT vãn có thể được cài đặt kết hợp với các giải pháp bảo mật đa tầng khác như kết hợp với VPN ở tầng mạng hoặc SSL/TLS ở tầng transport

MQTT được thiết kế nhằm phục vụ truyền thông machine-to-machine (tương tác giữa máy với máy) nhưng thực tế chứng minh nó lại linh hoạt hơn mong đợi Nó hoàn toàn có thể áp dụng cho các kịch bản truyền thông khác như: machine-to-cloud (giữa máy với đám mây), cloud-to-machine (giữa đám mây với máy), app-to-app (giữa ứng dụng với ứng dụng) Chỉ cần có một broker phù hợp và MQTT client được cài đặt đúng cách, các thiết bị xây dựng trên nhiều nền tảng khác nhau có thể giao tiếp với nhau một cách dễ dàng

6 Android studio:

Hình ảnh 2.9: Giới thiệu Android studio Android Studio là IDE chính thức trong phát triển ứng dụng Android, dựa trên IntelliJ IDEA Ngoài các khả năng đáng mong đợi từ IntelliJ, Android Studio còn cung cấp:

- Hệ thống Gradle-based linh hoạt

- Xây dựng các biến thể và tạo nhiều tệp APK

- Code các mẫu template để hỗ trợ các tính năng app thông thường

- Chỉnh sửa bố cục đa dạng với khả năng kéo và thả theme

- Công cụ lint giúp nắm bắt hiệu suất, khả năng sử dụng, phiên bản tương thích và các vấn đề khác

Sử dụng Android Studio hoặc giao diện IntelliJ IDEA Sau đây là một số tính năng chính của Android Studio

 Project và cấu trúc tệp

 Chế độ xem project trên Android

 Theo mặc định, Android Studio hiển thị các tệp project trong chế độ xem project trên Android Chế độ xem này cho phép xem cấu trúc project theo lát cắt, cung cấp truy cập nhanh vào các tệp source chính của các project trên Android và giúp làm việc với hệ thống Gradle-based Chế độ xem dự án Android:

Hình ảnh 2.10: Thành chức năng trong Android studio

- Hiển thị các thư mục gốc quan trọng nhất ở cấp cao nhất của phân cấp module

- Nhóm các build file cho tất cả các module vào một thư mục chung

- Nhóm tất cả các file kê khai cho từng module vào một thư mục chung

- Hiển thị các tệp tài nguyên từ tất cả các tập nguồn nguồn Gradle

- Nhóm các tệp tài nguyên cho các khu vực và kiểu màn hình khác nhau trong một nhóm duy nhất cho mỗi loại tài nguyên

Chế độ xem project trong Android hiển thị tất cả các build files ở cấp cao nhất của hệ thống phân cấp dự án theo Gradle Scripts Mỗi module dự án xuất hiện dưới dạng một thư mục ở cấp cao nhất của hệ thống phân cấp dự án và chứa bốn thành phần sau ở cấp cao nhất:

- java/ - Tệp nguồn cho mô-đun

- manifest/ - Tệp kê khai cho mô-đun

- res/ - Tài nguyên tập tin cho mô-đun

- Gradle Scripts/ - Các file Gradle thiết kế và cố định

Hệ thống Android Build là bộ công cụ sử dụng để xây dựng, thử nghiệm, chạy và đóng gói ứng dụng của mình Hệ thống xây dựng này thay thế hệ thống Ant được sử dụng với Eclipse ADT Nó có thể chạy như một công cụ tích hợp từ menu Android Studio và độc lập với dòng lệnh có thể sử dụng các tính năng của build system để:

 Tùy chỉnh, cấu hình và mở rộng quá trình thiết kế, kiến trúc

 Tạo nhiều APK cho ứng dụng của bạn với các tính năng khác nhau bằng cách

sử dụng cùng một dự án và module

 Sử dụng lại mã và tài nguyên trên các tập hợp nguồn

 Tính linh hoạt của hệ thống Android build cho phép bạn đạt được tất cả các yếu tố trên mà không cần sửa đổi các tệp nguồn cốt lõi của ứng dụng

7 Cơ sở dữ liệu MongoDB:

Các thuật ngữ hay sử dụng trong cơ sở dữ liệu MongoDB:

 Id – Là trường bắt buộc có trong mỗi document Trường _id đại diện cho một giá trị duy nhất trong document MongoDB Trường _id cũng có thể được hiểu là khóa chính trong document Nếu bạn thêm mới một document thì MongoDB sẽ tự động

sinh ra một _id đại diện cho document đó và là duy nhất trong cơ sở dữ liệu MongoDB

 Collection – Là nhóm của nhiều document trong MongoDB Collection có thể được hiểu là một bảng tương ứng trong cơ sở dữ liệu RDBMS (Relational Database Management System) Collection nằm trong một cơ sở dữ liệu duy nhất Các collection không phải định nghĩa các cột, các hàng hay kiểu dữ liệu trước

 Cursor – Đây là một con trỏ đến tập kết quả của một truy vấn Máy khách có thể lặp qua một con trỏ để lấy kết quả

 Database – Nơi chứa các Collection, giống với cơ sở dữ liệu RDMS chúng chứa các bảng Mỗi Database có một tập tin riêng lưu trữ trên bộ nhớ vật lý Một mấy chủ MongoDB có thể chứa nhiều Database

 Document – Một bản ghi thuộc một Collection thì được gọi là một Document Các Document lần lượt bao gồm các trường tên và giá trị

 Field – Là một cặp name – value trong một document Một document có thể có không hoặc nhiều trường Các trường giống các cột ở cơ sở dữ liệu quan hệ

 JSON – Viết tắt của JavaScript Object Notation Con người có thể đọc được ở định dạng văn bản đơn giản thể hiện cho các dữ liệu có cấu trúc Hiện tại JSON đang hỗ trợ rất nhiều ngôn ngữ lập trình

 Index – Là những cấu trúc dữ liệu đặc biệt, dùng để chứa một phần nhỏ của các tập dữ liệu một cách dễ dàng để quét Chỉ số lưu trữ giá trị của một fields cụ thể hoặc thiết lập các fields, sắp xếp theo giá trị của các fields này Index hỗ trợ độ phân tích một cách hiệu quả các truy vấn Nếu không có chỉ mục, MongoDB sẽ phải quét tất cả các documents của collection để chọn ra những document phù hợp với câu truy vấn Quá trình quét này là không hiệu quả và yêu cầu MongoDB để

xử lý một khối lượng lớn dữ liệu

Hãy lưu ý sự khác biệt của các trường và _id trong một document Một _id được dùng

để đại diện cho một document và chúng được sinh ra khi thêm một Document vào Collection

8 Chuẩn giao tiếp SPI:

bộ vi điều khiển khác

Đối với giao tiếp khoảng cách ngắn, giao tiếp nối tiếp đồng bộ sẽ là lựa chọn tốt hơn và trong đó giao tiếp ngoại vi nối tiếp hoặc SPI nói riêng là lựa chọn tốt nhất Khi chúng ta nói truyền thông khoảng cách ngắn, nó thường có nghĩa là giao tiếp với một thiết bị hoặc giữa các thiết bị trên cùng một board mạch in (PCB)

Loại giao thức truyền thông đồng bộ nối tiếp khác là I2C (Inter-Integrated Communication Đối với bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào SPI Bạn có thể xem bài viết về giao thức I2C

SPI là một kiểu truyền thông nối tiếp kiểu đồng bộ tức là nó sử dụng tín hiệu đồng

hồ chuyên dụng để đồng bộ hóa bộ phát và bộ thu hoặc Master và Slave Bộ phát và bộ thu được kết nối với dữ liệu riêng biệt và tín hiệu đồng hồ sẽ giúp bộ thu khi tìm kiếm dữ liệu trên bus

Hình ảnh 2.12: Xung tín hiệu chuẩn SPI Tín hiệu đồng hồ phải được cung cấp bởi Master tới Slave (hoặc tất cả các Slave trong trường hợp thiết lập nhiều Slave) Có hai loại cơ chế kích hoạt trên tín hiệu đồng hồ được sử dụng để báo cho bên nhận biết về dữ liệu: Kích hoạt cạnh và kích hoạt mức Kích hoạt thường được sử dụng nhất là kích hoạt cạnh và có hai loại: cạnh lên (chuyển đổi từ thấp lên cao trên đồng hồ) và cạnh xuống (chuyển đổi từ cao xuống thấp) Tùy thuộc vào cách bộ thu được cấu hình, lên trên phát hiện các cạnh, bộ thu sẽ tìm kiếm dữ liệu trên bus dữ liệu từ bit tiếp theo

Bởi vì cả tín hiệu đồng hồ và dữ liệu được gửi bởi Master (hoặc bộ phát), chúng ta không cần phải lo lắng về tốc độ truyền dữ liệu

Điều làm cho SPI trở nên phổ biến trong các giao thức truyền thông đồng bộ nối tiếp khác (hoặc bất kỳ giao tiếp nối tiếp nào) là nó cung cấp tốc độ truyền dữ liệu bảo mật cao với phần cứng khá đơn giản giống như thanh ghi dịch với chi phí tương đối thấp

Hoạt động SPI

SPI hoặc giao tiếp ngoại vi nối tiếp được Motorola phát triển vào những năm 1980 như một giao diện tiêu chuẩn, chi phí thấp và đáng tin cậy giữa vi điều khiển (Vi điều khiển của Motorola lúc đầu) và các IC ngoại vi của nó

Nhờ giao diện đơn giản, linh hoạt và dễ sử dụng, SPI đã trở thành một tiêu chuẩn

và các nhà sản xuất bán dẫn khác bắt đầu sử dụng giao thức này trong các chip của mình Trong giao thức SPI, các thiết bị được kết nối trong một mối quan hệ Master – Slave trong một giao diện đa điểm Trong loại giao diện này, một thiết bị được coi là Master của bus (thường là một vi điều khiển) và tất cả các thiết bị khác (IC ngoại vi hoặc thậm chí các vi điều khiển khác) đều được coi là Slave

Trong giao thức SPI, có thể chỉ có một thiết bị Master nhưng nhiều thiết bị Slave Bus SPI bao gồm 4 tín hiệu hoặc chân Chúng là

 Master – Out / Slave – In (MOSI hay SI): cổng ra của bên Master, cổng vào

của bên Slave, dành cho việc truyền dữ liệu từ thiết bị Master đến thiết bị Slave

 Master – In / Slave – Out (MISO hay SO): cổng vào của bên Master, cổng ra

của bên Slave, dành cho việc truyền dữ liệu từ thiết Slave đến thiết bị Master

 Serial Clock (SCK hay SCLK): xung giữ nhịp cho giao tiếp SPI

 Chip Select (CS) hay Slave Select (SS): chọn chip

Hình ảnh 2.13: mô tả thiết bị Master kết nối với thiết bị Slave sử dụng SPI

Master – Out / Slave – In hay MOSI, như tên cho thấy, là dữ liệu được tạo ra bởi

Master và nhận bởi Slave Do đó, các chân MOSI trên cả Master và Slave được kết nối với nhau

Master – In / Slave – Out hay MISO là dữ liệu được tạo ra bởi Slave và phải

được truyền tới Master.Các chân MISO trên cả Master và Slave được kết nối với nhau Mặc dù tín hiệu trong MISO được tạo ra bởi Slave, đường tín hiệu này được điều khiển bởi Master

Master tạo tín hiệu đồng hồ SCLK và được cung cấp cho đầu vào đồng hồ của

Slave Xung này có chức năng giữ nhịp cho giao tiếp SPI, vì SPI là chuẩn truyền đồng bộ nên cần 1 đường giữ nhịp, mỗi nhịp trên chân SCK báo 1 bit dữ liệu đến hoặc đi Sự tồn tại của xung SCK giúp quá trình tuyền ít bị lỗi và vì thế tốc độ truyền của SPI có thể đạt rất cao

Chip Select (CS) hoặc Slave Select (SS) được sử dụng để chọn một Slave cụ thể

bởi Master Nếu Master kéo đường SS của một Slave nào đó xuống mức thấp thì việc giao tiếp sẽ xảy ra giữa Master và Slave đó

Vì đồng hồ được tạo ra bởi Master, luồng dữ liệu được điều khiển bởi Master Với mỗi chu kỳ đồng hồ, một bit dữ liệu được truyền từ Master đến Slave và một bit dữ liệu được truyền từ Slave đến Master

Quá trình này xảy ra đồng thời và sau 8 chu kỳ đồng hồ, một byte dữ liệu được truyền theo cả hai hướng và do đó, SPI là một giao tiếp song công toàn phần (full – duplex)

Nếu dữ liệu phải được truyền bởi chỉ một thiết bị, thì thiết bị kia phải gửi một cái

gì đó (dữ liệu giả) và nó phụ thuộc vào thiết bị cho dù dữ liệu được truyền là dữ liệu thực

tế hay không

Điều này có nghĩa là đối với mỗi bit được truyền bởi một thiết bị, thiết bị kia phải gửi dữ liệu một bit, tức là Master truyền dữ liệu đồng thời trên MOSI và nhận dữ liệu từ Slave trên đường MISO

Nếu Slave muốn truyền dữ liệu, Master phải tạo ra tín hiệu đồng hồ cho phù hợp bằng cách biết khi nào Slave muốn gửi dữ liệu trước Nếu một Master được kết nối với nhiều Slave thì sơ đồ kết nối như hình ảnh sau đây

Hình ảnh 2.14: Sơ đồ kết nối Master với nhiều Slave Mặc dù nhiều Slave được kết nối với Master trong bus SPI, ở một thời điểm bất kỳ thì chỉ có một Slave hoạt động Để chọn Slave, Master sẽ kéo đường SS (Slave Select) hoặc CS (Chip Select) của Slave tương ứng xuống mức thấp

Do đó, phải có một chân CS riêng trên Master tương ứng với từng thiết bị Slave Chúng ta cần phải kéo xuống đường SS hoặc CS xuống thấp để chọn Slave bởi vì đường này tích cực mức thấp

4 chế độ hoạt động của SPI:

Mode 2 xảy ra khi Clock Polarity là 1 và Clock Phase là 0 (CPOL = 1 và CPHA = 0) Trong mode 2, truyền dữ liệu xảy ra trong khi cạnh lên của xung đồng hồ

Hình ảnh 2.16: cho thấy các yêu cầu hệ thống tối thiểu cho cả hai thiết bị

Từ hình ảnh trên cho thấy thiết bị Master bao gồm một thanh ghi dịch (Shift Register), một mạch chốt dữ liệu (Latch) và một bộ tạo xung nhịp (Clock Generator) Thiết bị Slave bao gồm phần cứng tương tự: một thanh ghi dịch (Shift Register) và một mạch chốt dữ liệu (Latch) Cả hai thanh ghi dịch được kết nối để tạo thành một vòng Thông thường, kích thước của thanh ghi là 8 – bit nhưng thanh ghi kích thước lớn hơn 16 bit cũng rất phổ biến

Thiết bị Master bắt đầu việc trao đổi dữ liệu bằng cách truyền đi một Byte vào thanh ghi dịch của nó, sau đó Byte dữ liệu sẽ được đưa sang Slave theo đường tín hiệu MOSI, Slave sẽ truyền dữ liệu nằm trong thanh ghi dịch của chính nó ngược trở về Master thông qua đường tín hiệu MISO Bằng cách này, dữ liệu của hai thanh ghi sẽ được trao đổi với nhau Việc đọc và ghi dữ liệu vào Slave diễn ra cùng một lúc nên tốc độ trao đổi dữ liệu diễn ra rất nhanh Do đó, giao thức SPI là một giao thức rất có hiệu quả

Bởi vì với mỗi chu kỳ đồng hồ, một bit dữ liệu được truyền theo từng hướng tức là

từ Master đến Slave và từ Slave đến Master Vì vậy, đối với một byte dữ liệu được truyền

từ mỗi thiết bị, nó sẽ mất 8 chu kỳ đồng hồ

Cấu hình SPI

Có hai loại cấu hình trong đó các thiết bị SPI có thể được kết nối trong một bus SPI Đó là:

 Cấu hình Master và các Slave độc lập (Independent Slave Configuration) và

 Cấu hình Daisy Chain (Daisy Chain Configuration)

Trong cấu hình Master và các Slave độc lập, Master đã dành riêng các đường Slave Select cho tất cả các Slave và mỗi Slave có thể được chọn riêng lẻ Tất cả tín hiệu đồng

hồ của các Slave được kết nối chung với SCK của Master

Tương tự, tất cả các chân MOSI của tất cả các SLave được kết nối với chân MOSI của Master và tất cả các chân MISO của tất cả các Slave được kết nối với chân MISO của Master

Trong cấu hình Daisy Chain, chỉ có một đường Slave Select được kết nối với tất

cả các Slave MOSI của Master được kết nối với MOSI của Slave 1 MISO của Slave 1 được kết nối với MOSI của Slave 2 và v.v MISO của Slave cuối cùng được kết nối với MISO của Master

Giả sử Master truyền đi 3 byte dữ liệu lên bus SPI Byte đầu tiên được dịch vào Slave 1 Khi byte thứ hai truyền đến 1, byte đầu tiên sẽ bị đẩy ra khỏi Slave 1 và truyền đến Slave 2 Tương tự, khi byte thứ ba truyền vào Slave 1, byte thứ hai sẽ bị dịch sang Slave 2 và byte đầu tiên sẽ bị dịch Slave 3

Nếu Master muốn đọc lại dữ liệu trong Slave 1, nó phải truyền lại chuỗi 3 byte dữ liệu (giả) lần nữa Khi đó dữ liệu trong Slave 1 sẽ chuyển sang Slave 2 rồi chuyển sang Slave 3, sau đó về Master

Suốt quá trình xử lý, Master luôn nhận được byte dữ liệu từ Slave 2 và 3

Tuy nhiên, cầu hình Daisy Chain không phải lúc nào cũng áp dụng được cho tất cả các thiết bị Slave Do đó, ta cần phải tham khảo datasheet trước khi tiến hành kết nối

Ứng dụng của SPI

Giao thức SPI được tích hợp trong một số loại thiết bị như:

 Các bộ chuyển đổi (ADC và DAC)

 Các loại bộ nhớ (SD Card , MMC , EEPROM , Flash)

 Các loại IC thời gian thực

 Các loại cảm biến (nhiệt độ, áp suất…)

 và một số loại khác như: bộ trộn tín hiệu, LCD, Graphic LCD, video game controller,…

CHƯƠNG III: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH

1 Yêu cầu:

Thiết kế thiết bị thu thập dữ liệu môi trường với:

- Thiết bị có thể đo được dữ liệu môi trường nhiệt độ, độ ẩm với sai số không quá

±5%

- Thiết bị đo có mức giá thành dưới 5 triệu đồng

- Thiết bị có thể hoạt động 24/24

- Người dùng có thể xem được những thông tin nhiệt độ, độ ẩm theo thời gian thực

và theo thống kê theo ngày, tháng, năm

Xét theo yêu cầu của đề tài, chúng em chọn giải pháp 1 vì nó phù hợp với kinh

tế và phù hợp với yêu cầu nghiên cứu nên chúng em Chọn giải pháp 1:

 Nguồn: Pin năng lượng mặt trời và acquy lưu trữ năng lượng

 Thiết bị đầu cuối và phương thức chuyển dữ liệu: Dùng cảm biến DHT11 (cảm biến đọc nhiệt độ, độ ẩm), Lora SX1278 tạo mạng thiết bị và board ESP32 để gửi

dữ liệu

 Vị trí lưu trữ: Sever MongoDB

 Ứng dụng người dùng: Ứng dụng trên điện thoại android và trên web html

4 Lý do chọn giải pháp:

 Nguồn: Sử dụng Pin năng lượng mặt trời và acquy lưu trữ năng lượng, vì: Pin năng lượng mặt trời sử dụng năng lượng sạch, thích hợp với những nơi chưa có điện lưới Bình acquy dùng để lưu trữ năng lượng giúp thiết bị hoạt động 24/24

 Thiết bị đầu cuối và phương thức chuyển dữ liệu: Dùng lora SX1278 có thể liên kết các Lora với nhau tạo thành một mạng lưới và sẽ có một thiết bị trung tâm chuyển dữ liệu vào ESP32 rồi từ ESP32 gửi dữ liệu lên Internet dựa trên giao thức MQTT

 Vị trí lưu trữ: Lựa chọn cơ sở dữ liệu MongoDB vì cơ sở dữ liệu Google Cloud phải mất một khoản chi phí đăng ký cơ sở dữ liệu trong khi đó MongoDB được đăng ký cơ sở dữ liệu miễn phí

 Ứng dụng người dùng: Ứng dụng trên điện thoại android vì hiện nay đa số mọi người đều sử dụng smartphone theo dòng android Dòng IOS cũng được sử dụng nhưng nó có độ bảo mật cao Khó có thể lập trình với IOS

5 các tiêu chuẩn của hệ thống (QCVN)

1.1.2 Quy chuẩn này áp dụng để giám sát, đánh giá chất lượng không khí xung quanh 1.1.3 Quy chuẩn này không áp dụng đối với không khí trong phạm vi cơ sở sản xuât và không khí trong nhà