Đồ án đo giám sát nhiệt độ, độ ẩm dùng Arduino qua Internet - HPU

Đồ án tốt nghiệp hệ thống đo giám sát nhiệt độ và độ ẩm sử dụng Arduino kết nối internet, hướng dẫn thiết kế mạch, lập trình vi điều khiển chi tiết.

• Tác giả: Phạm Thị Nhung
• Người hướng dẫn: TS. Đoàn Hữu Chức
• Trường học: Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng
• Chuyên ngành: Điện Tự Động Công Nghiệp
• Đề tài: Đo, giám sát nhiệt độ và độ ẩm sử dụng Arduino kết nối qua mạng Internet
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hải Phòng

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án giám sát nhiệt độ độ ẩm Arduino Internet

Đồ án tốt nghiệp này tập trung vào việc phát triển hệ thống giám sát nhiệt độ và độ ẩm sử dụng vi điều khiển Arduino kết nối mạng Internet. Hệ thống này cho phép thu thập dữ liệu môi trường theo thời gian thực thông qua cảm biến DHT11, sau đó truyền tải dữ liệu qua module ESP8266 tới nền tảng IoT như Blynk. Việc ứng dụng công nghệ IoT giúp giám sát từ xa, tối ưu hóa quản lý dữ liệu và hỗ trợ ra quyết định trong nông nghiệp, kho lưu trữ hay hệ thống điều hòa không khí. Hệ thống bao gồm các thành phần chính: cảm biến đo lường, vi điều khiển Arduino Uno, module kết nối WiFi ESP8266, giao diện người dùng trực tuyến và cơ sở dữ liệu lưu trữ. Mục tiêu chính là xây dựng giải pháp đo lường chính xác, ổn định với chi phí hợp lý.

1.1. Vai trò của hệ thống giám sát nhiệt độ độ ẩm

Hệ thống giám sát nhiệt độ và độ ẩm đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và dân dụng. Trong nông nghiệp, nhiệt độ và độ ẩm ảnh hưởng trực tiếp đến sinh trưởng cây trồng, phòng chống dịch bệnh. Trong kho lưu trữ, điều kiện môi trường không phù hợp gây hư hỏng sản phẩm. Hệ thống này cung cấp dữ liệu theo thời gian thực, giúp người quản lý kịp thời điều chỉnh điều kiện môi trường. Ngoài ra, dữ liệu thu thập được có thể phân tích xu hướng, dự báo nguy cơ và tối ưu hóa năng suất. Việc giám sát từ xa thông qua Internet tăng cường khả năng quản lý, giảm thiểu sự hiện diện vật lý tại hiện trường.

1.2. Các ứng dụng phổ biến trong thực tế

Hệ thống giám sát nhiệt độ và độ ẩm được ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp thông minh, kho lạnh bảo quản thực phẩm, phòng thí nghiệm, hệ thống điều hòa không khí và nhà kính trồng trọt. Trong nông nghiệp, hệ thống giúp theo dõi điều kiện đất trồng, cảnh báo thiếu nước hoặc độ ẩm quá cao. Tại kho lạnh, giám sát nhiệt độ đảm bảo sản phẩm không bị hư hỏng do biến đổi nhiệt độ. Hệ thống cũng được sử dụng trong các phòng thí nghiệm y tế để duy trì điều kiện tiêu chuẩn. Với khả năng kết nối Internet, dữ liệu có thể truy cập từ bất kỳ đâu, hỗ trợ quản lý tập trung và ra quyết định nhanh chóng.

II. Phân tích yêu cầu và thách thức trong giám sát môi trường

Việc giám sát nhiệt độ và độ ẩm trong môi trường công nghiệp hoặc dân dụng đặt ra nhiều yêu cầu kỹ thuật và thách thức vận hành. Một trong những thách thức lớn nhất là đảm bảo độ chính xác của cảm biến trong điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cao, độ ẩm cực đoan hoặc nhiễu điện từ. Ngoài ra, hệ thống cần xử lý dữ liệu theo thời gian thực để đáp ứng nhu cầu giám sát liên tục. Yêu cầu về kết nối mạng ổn định cũng là yếu tố quan trọng, đặc biệt trong môi trường không có sẵn hạ tầng Internet. Vấn đề bảo mật dữ liệu khi truyền tải qua Internet cũng cần được quan tâm, nhằm ngăn chặn truy cập trái phép hoặc tấn công mạng. Chi phí triển khai hệ thống cũng là yếu tố quyết định, đòi hỏi sự cân bằng giữa hiệu suất và ngân sách hạn chế.

2.1. Các yêu cầu kỹ thuật cơ bản

Hệ thống giám sát nhiệt độ và độ ẩm cần đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật như độ chính xác đo lường, độ ổn định hoạt động và khả năng chống nhiễu. Cảm biến phải có độ phân giải cao, phản ứng nhanh với sự thay đổi môi trường. Vi điều khiển Arduino cần có khả năng xử lý tín hiệu analog/digital và lưu trữ dữ liệu tạm thời. Module kết nối WiFi ESP8266 phải hỗ trợ giao thức truyền dữ liệu ổn định, tiêu thụ năng lượng thấp. Hệ thống cũng cần có giao diện người dùng trực quan, dễ sử dụng và có khả năng mở rộng cho các cảm biến bổ sung.

2.2. Những thách thức thường gặp

Các thách thức phổ biến bao gồm nhiễu tín hiệu từ môi trường xung quanh, lỗi kết nối mạng do sóng WiFi yếu hoặc mất điện đột ngột. Độ ẩm cao có thể gây ăn mòn các linh kiện điện tử, ảnh hưởng đến tuổi thọ hệ thống. Ngoài ra, việc bảo trì và hiệu chuẩn cảm biến định kỳ cũng là thách thức lớn, đòi hỏi nhân lực và chi phí. Hệ thống cũng phải đối mặt với nguy cơ tấn công mạng khi truyền dữ liệu qua Internet, đặc biệt trong môi trường công nghiệp. Cuối cùng, khả năng tương thích giữa các linh kiện phần cứng và phần mềm cũng là vấn đề cần được quan tâm trong quá trình triển khai.

III. Phương pháp triển khai hệ thống giám sát Arduino Internet

Hệ thống giám sát nhiệt độ và độ ẩm sử dụng Arduino kết nối Internet được triển khai thông qua hai giai đoạn chính: xây dựng phần cứng và phát triển phần mềm. Phần cứng bao gồm cảm biến DHT11 đo nhiệt độ và độ ẩm, vi điều khiển Arduino Uno, module ESP8266 kết nối WiFi và màn hình hiển thị LCD. Phần mềm bao gồm chương trình điều khiển Arduino đọc dữ liệu cảm biến, module ESP8266 truyền dữ liệu qua Internet tới nền tảng IoT Blynk. Dữ liệu sau đó được hiển thị trên ứng dụng di động, cho phép người dùng theo dõi theo thời gian thực. Hệ thống cũng có khả năng cảnh báo khi nhiệt độ hoặc độ ẩm vượt ngưỡng cho phép. Quá trình triển khai đòi hỏi lựa chọn linh kiện tương thích, lập trình điều khiển chính xác và kiểm tra hoạt động toàn diện.

3.1. Lựa chọn linh kiện và thiết kế mạch

Lựa chọn linh kiện phù hợp là bước quan trọng trong thiết kế hệ thống. Cảm biến DHT11 được chọn do độ chính xác cao, chi phí thấp và dễ sử dụng. Arduino Uno là lựa chọn phổ biến nhờ khả năng lập trình linh hoạt và hỗ trợ nhiều thư viện. Module ESP8266 cung cấp kết nối WiFi ổn định, tiêu thụ năng lượng thấp. Mạch điện được thiết kế đơn giản, dễ lắp ráp, với các chân kết nối rõ ràng. Thiết kế cũng bao gồm mạch nguồn ổn định, đảm bảo cung cấp điện áp phù hợp cho các linh kiện. Kết nối giữa Arduino và ESP8266 sử dụng giao tiếp UART, đảm bảo truyền dữ liệu nhanh chóng và ổn định.

3.2. Lập trình và truyền dữ liệu qua Internet

Lập trình Arduino bao gồm đọc dữ liệu từ cảm biến DHT11, xử lý tín hiệu và truyền dữ liệu tới module ESP8266. Chương trình sử dụng thư viện DHT.h để đọc dữ liệu cảm biến, sau đó gửi qua giao tiếp Serial tới ESP8266. Module ESP8266 kết nối với mạng WiFi, truyền dữ liệu qua Internet tới nền tảng Blynk. Dữ liệu được hiển thị trên ứng dụng di động, cho phép người dùng theo dõi theo thời gian thực. Hệ thống cũng có khả năng cảnh báo khi nhiệt độ hoặc độ ẩm vượt ngưỡng. Quá trình lập trình đòi hỏi hiểu biết về giao tiếp UART, giao thức WiFi và API của nền tảng Blynk.

IV. Kết luận và triển vọng ứng dụng trong thực tế

Đồ án đã thành công xây dựng hệ thống giám sát nhiệt độ và độ ẩm sử dụng Arduino kết nối Internet, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cơ bản. Hệ thống có khả năng đo lường chính xác, truyền dữ liệu theo thời gian thực và hiển thị trên giao diện người dùng. Việc ứng dụng IoT giúp giám sát từ xa, tối ưu hóa quản lý dữ liệu và hỗ trợ ra quyết định. Hệ thống có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp, kho lưu trữ, phòng thí nghiệm và hệ thống điều hòa không khí. Trong tương lai, hệ thống có thể mở rộng bằng cách thêm nhiều cảm biến, tích hợp trí tuệ nhân tạo để dự báo nguy cơ và tối ưu hóa điều kiện môi trường. Ngoài ra, việc tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ và nâng cao bảo mật dữ liệu cũng là hướng phát triển quan trọng.

4.1. Đánh giá hiệu quả và ưu điểm nổi bật

Hệ thống giám sát nhiệt độ và độ ẩm đạt được hiệu quả cao nhờ độ chính xác của cảm biến DHT11, khả năng truyền dữ liệu ổn định qua module ESP8266 và giao diện người dùng trực quan trên nền tảng Blynk. Ưu điểm nổi bật bao gồm chi phí triển khai thấp, dễ dàng lắp ráp và lập trình. Hệ thống có khả năng mở rộng, cho phép thêm nhiều cảm biến hoặc tích hợp các chức năng mới. Dữ liệu theo thời gian thực giúp người dùng kịp thời điều chỉnh điều kiện môi trường, tối ưu hóa năng suất. Ngoài ra, hệ thống cũng có khả năng cảnh báo tự động khi phát hiện điều kiện bất thường.

4.2. Định hướng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, hệ thống có thể được nâng cấp bằng cách tích hợp trí tuệ nhân tạo để phân tích dữ liệu, dự báo nguy cơ và tối ưu hóa điều kiện môi trường. Việc sử dụng cảm biến tiên tiến như SHT31 hoặc BME280 có thể cải thiện độ chính xác đo lường. Hệ thống cũng có thể tích hợp với các nền tảng IoT khác như ThingSpeak hoặc AWS IoT. Ngoài ra, việc tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ bằng cách sử dụng chế độ sleep mode cho Arduino và ESP8266 cũng là hướng phát triển quan trọng. Bảo mật dữ liệu có thể được nâng cao bằng cách mã hóa dữ liệu truyền tải và sử dụng giao thức bảo mật nâng cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ INTERNET OF THING 1. GIỚI THIỆU VỀ INTERNET OF THING 1. Giới thiệu về Internet of Things (IoT) Khi nhu cầu phát triển các ứng dụng liên quan đến Internet ngày càng cao.

Và IoT (Internet of things) là một công nghệ quan trọng mà tất cả các thiết bị có thể kết nối với nhau. Việc kết nối thì có thể thực hiện qua Wi-Fi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại…Về cơ bản, IoT là một hệ thống mạng lưới mà trong đó tất cả các thiết bị, đối tượng được kết nối Internet thông qua thiết bị mạng (network devices) hoặc các bộ định tuyến (routers). IoT cho phép các đối tượng được điều khiển từ xa dựa trên hệ thống mạng hiện tại. Công nghệ tiên tiến này giúp giảm công sức vận hành của con người bằng cách tự động hóa việc điều khiển các thiết bị.Các thành phần chính trong một hệ thống IoT.

- Thiết bị: Mỗi thiết bị sẽ bao gồm một hoặc nhiều cảm biến để phát hiện các thông số của ứng dụng và gửi chúng đến Platform. - IoT – Platform: • Nền tảng này là một phần mềm được lưu trữ trực tuyến còn được gọi là điện toán đám mây, các thiết bị được kết nối với nhau thông qua nó. • Nền tảng này thu thập dữ liệu từ thiết bị, toàn bộ dữ liệu được phân tích, xử lý, phát hiện nếu có lỗi phát sinh trong quá trình hệ thống vận hành. - Kết nối Internet: Để giao tiếp được trong IoT, kết nối Internet của các thiết bị là một điều bắt buộc.

Wifi là một trong những phương thức kết nối Internet phổ biến. - Ứng dụng: Ứng dụng là giao diện để người dùng điều khiển. Lịch sử hình thành Khái niệm về một mạng lưới thiết bị được kết nối với nhau đã được thảo luận vào đầu năm 1982, với một máy bán hàng tự động Coke được thực hiện ở Đại học Carnegie Mellon trở thành thiết bị kết nối Internet đầu tiên trên thế giới. Thuật ngữ “Internet of things” được sử dụng lần đầu tiên bởi Kevin Ashton vào năm 1999.

Sau đó IoT trải qua nhiều giai đoạn và có bước phát triển nhảy vọt cho đến ngày nay. Lịch sử hình thành ➢ Nhà thông minh (Smart Home) Bất cứ khi nào chúng ta nghĩ về các hệ thống IoT, ứng dụng quan trọng, hiệu quả và nổi bật nhất được nhắc đến chính là Smart Home – ứng dụng IOT xếp hạng cao nhất trên tất cả các kênh. Hiện nay do nhu cầu muốn được sở hữu căn hộ thông minh của người dùng ngày càng cao nên nhà thông minh là một trong những ứng dụng được nhiều người quan tâm. Một ngôi nhà có thể giúp bạn quản lý các thiết bị điện thông minh điều khiển từ xa, thông qua internet hoặc các thiết bị điện tử bạn đang sử dụng như laptop, điện thoại,… Bạn sẽ có được sự nghỉ ngơi thoải mái với smarthome.

Bạn không phải mất nhiều thời gian và công sức để đi lên đi xuống bật tắt điện, điều hòa, hay không phải đi ra đi vào để mở rèm cửa, mở cửa nhà, cổng… Tất cả có thể tự động thông qua hệ 4 thống cảm ứng và hệ thống tự động. Bên cạnh đó, bạn còn có thể kiểm soát ngôi nhà của mình với hệ thống an ninh tự động, hệ thống giám sát từ xa,… Hình 1. Nhà thông minh (Smart Home) ➢ Giao thông thông minh An toàn là điều đầu tiên khi nghĩ đến tác động của IoT đối với giao thông vận tải. Ý tưởng đưa ra là các phương tiện có khả năng liên lạc với nhau bằng cách sửdụng dữ liệu đã được phân tích để có thể giảm đáng kể các sự cố tai nạn xảy ra khi tham gia giao thông.

Sử dụng cảm biến, các phương tiện như ô tô, xe buýt được cảnh báo nguy cơ tiềm ẩn trên đường, hoặc thậm chí là tình trạng ùn tắc giao thông ở một số tuyến đường. Dịch vụ vận chuyển hàng hóa cũng được ứng dụng từ công nghệ này. Công nghệ quản lý lịch trình vận chuyển, tối ưu hóa các tuyến giao hàng, mức tiêu thụ nhiên liệu của phương tiện, giám sát tốc độ của tài xế giao hàng tuân thủ quy định an toàn nhằm mang lại những lợi ích về kinh tế và sự hài lòng của khách hàng. ➢ Y tế thông minh IoT có các ứng dụng khác nhau trong chăm sóc sức khỏe, từ các thiết bị giám sát từ xa đến các bộ cảm ứng tiên tiến và thông minh để tích hợp thiết bị.

Nó có tiềm năng để cải thiện cách thức các bác sĩ chăm sóc và giữ cho bệnh nhân an toàn và khỏe mạnh. Miếng dãn theo dõi sức khỏe cho bệnh nhân: bạn không cần đến bác sĩ, những thông số về nhịp tim, huyết áp, đều được thu thập từ xa được phân tích sau đó chuẩn 5 đoán để đưa ra tình trạng sức khỏe hiện tại của bệnh nhân và có thể dự đoán nguy cơ mắc bệnh nhằm có biện pháp phòng ngừa kịp thời. Mô hình chăm sóc sức khỏe ➢ Nông nghiệp (Smart Farming) Mô hình nhà kín là một trong những ứng dụng điển hình của công nghệ IoT được áp dụng trong lĩnh vực nông nghiệp. Và ở nước ta đã được áp dụng rộng rãi.

Bên trong hệ thống này cây trồng hoàn toàn cách ly với điều kiện thời tiết bên ngoài, việc điều khiển nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng đều tự động hóa. Đồng thời theo dõi được tình trạng phát triển của cây trồng, xác định thời gian thu hoạch, giảm thiểu tối đa công suất người lao động. 6 ➢ Thành phố thông minh (Smart City) Có thể xem đây là tập hợp của tất cả ứng dụng của IoT vào một hệ thống lớn. Một giải pháp đã và đang được nhiều quốc gia trên thế giới áp dụng ở các thành phố lớn nhằm giải quyết những vấn đề cấp bách như tình trạng kẹt xe, gia tăng dân số, ô nhiễm môi trường, ngập lụt,.

Mọi thứ trong thành phố thông minh này được kết nối, dữ liệu sẽ được giám sát bởi một loạt các máy tính mà không cần bất kỳ sự tương tác nào của con người. Mô hình thành phố thông minh.2 CÔNG NGHỆ WIFi 1. Giới thiệu Wifi là một mạng thay thế cho mạng có dây thông thường, thường được sử dụng để kết nối các thiết bị ở chế độ không dây bằng việc sử dụng công nghệ sóng vô tuyến. Dữ liệu được truyền qua sóng vô tuyến cho phép các thiết bị truyền nhận dữ liệu ở tốc độ cao trong phạm vi của mạng Wifi.

Kết nối các máy tính với nhau, với Internet và với mạng có dây. Wifi (Wireless Fidelity) là thuật ngữ dùng chung để chỉ tiêu chuẩn IEEE802.11 cho mạng cục bộ không dây (Wireless Local Networks) hoặc WLANs. Việc sử dụng rộng rãi và tính sẵn có của nó ở nhà và nơi công cộng như công viên, quán café, sân 7 bay,. đã khiến Wifi trở thành một trong những công nghệ truyền nhận dữ liệu phổ biến nhất hiện nay.

Công nghệ truyền nhận dữ liệu Các chuẩn của wifi : Wifi là viết tắt của từ Wireless Fidelity trong tiếng Anh, được gọi chung là mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến. Wifi là loại sóng vô tuyến tương tự như sóng điện thoại, sóng truyền hình và radio. Hầu hết các thiết bị sử dụng điện tử hiện nay như : Smartphone, Máy tính bảng, Tivi, Laptop… đều có thể kết nối được WiFi. Và Wifi là thứ gắn liền và không thể thiếu với đời sống của người dân trong hầu hết công việc cũng như giải trí hàng ngày Chúng truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz hoặc 5 GHz.

Tần số này cao hơn so với các tần số sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay và truyền hình. Tần số cao hơn cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn - Chuẩn 802.11 là một tập các chuẩn của tổ chức IEEE.11 mô tả một giao tiếp “truyền qua không khí” (tiếng Anh: over-the-air) sử dụng sóng vô tuyến để truyền nhận tín hiệu giữa một thiết bị không dây và tổng đài hoặc điểm truy cập (tiếng Anh: access point), hoặc giữa 2 hay nhiều thiết bị không dây với nhau • Năm 1997, IEEE giới thiệu chuẩn mạng không dây đầu tiên và đặt tên nó là 802. Khi đó, tốc độ hỗ trợ tối đa của mạng này chỉ là 2 Mbps với bang tầng 2.11b • IEEE đã mở rộng trên chuẩn 802.11 gốc vào tháng Bảy năm 1999, đó chính là chuẩn802. Chuẩn này hỗ trợ băng thông lên đến 11Mbps, tương quan với Ethernet truyền thống 802.11b sử dụng tần số vô tuyến (2.4 GHz) giống như chuẩn ban đầu 802.

• Các hãng thích sử dụng các tần số này để chi phí trong sản xuất của họ được giảm.11b có thể bị xuyên nhiễu từ các thiết bị điện thoại không dây (kéo dài), lò vi sóng hoặc các thiết bị khác sử dụng cùng dải tần 2. • Mặc dù vậy, bằng cách cài đặt các thiết bị 802.11b cách xa các thiết bị như vậy có thể giảm được hiện tượng xuyên nhiễu này 8 • Ưu điểm của 802.11b – giá thành thấp nhất; phạm vi tín hiệu tốt và không dễ bị cản trở. • Nhược điểm của 802.11b – tốc độ tối đa thấp nhất; các ứng dụng gia đình có thể xuyên nhiễu.11a • Được phát triển song song cùng với chuẩn 802.11a hỗ trợ tốc độ tối đa gần gấp 5 lần lên đến 54 Mpbs và sử dụng bằng tầng 5Ghz nhằm tránh bị nhiễu từ các thiết bị khác. Tuy nhiên, đây cũng là nhược điểm của chuẩn này vì phạm vi phát sẽ hẹp hơn (40-100m) và khó xuyên qua các vật cản như vách tường.

• Chuẩn này thường được sử dụng trong các mạng doanh nghiệp thay vì gia đình vì giá thành của nó khá cao.11g • Năm 2003, chuẩn Wifi thế hệ thứ 3 ra đời và mang tên 802. Chuẩn này được kết hợp từ chuẩn a và b. Được hỗ trợ tốc độ 54Mpbs như chuẩn a và sử dụng băng tầng 2.4GHz của chuẩn b vì vậy chuẩn này có phạm vi tín hiệu khá tốt (80- 200m) và vẫn dễ bị nhiễu từ các thiết bị điện tử khác. Ngày nay, một số hộ gia đình vẫn còn sử dụng chuẩn này .11g – tốc độ cao; phạm vi tín hiệu tốt và ít bị che khuất.

• Nhược điểm của 802.11g – giá thành đắt hơn 802.11b; các thiết bị có thể bị xuyên nhiễu từ nhiều thiết bị khác sử dụng cùng băng tần.11 b/g/n) • Đây là chuẩn được sử dụng phổ biến nhất hiện nay và tương đối mới.11n được đưa ra nhằm cải thiện chuẩn 802.11g bằng cách sử dụng công nghệ MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) tận dụng nhiều anten hơn • Chuẩn kết nối 802.