Đồ Án HCMUTE: Mạng Cảm Biến Không Dây Ứng Dụng cho Thành Phố Thông Minh

• Tác giả: Vũ Đức Phú
• Người hướng dẫn: TS. Đỗ Đình Thuấn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Máy Tính
• Đề tài: Mạng Cảm Biến Không Dây Ứng Dụng Cho Thành Phố Thông Minh
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ BIỂU ĐỒ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu
• 1.2. Tổng quan về SmartCity
• 1.3. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.5. Mục tiêu nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.6. Nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu
• 1.7. Giới hạn của việc nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Truyền nhận dữ liệu dựa trên lớp liên kết dữ liệu Enhanced ShockBurstTM
• 2.1.1. Vùng mở đầu
• 2.1.2. Vùng địa chỉ
• 2.1.3. Vùng kiểm soát tải trọng
• 2.1.4. Vùng tải trọng
• 2.2. Xử lý gói tự động
• 2.2.1. Độ dài tải trọng tĩnh và độ dài tải trọng động
• 2.2.2. Đóng gói tự động
• 2.2.3. Xác nhận gói tự động
• 2.2.4. Gỡ gói tin tự động
• 2.3. Truyền gói tự động
• 2.3.1. Tự động thừa nhận (Auto acknowledgement - ACK)
• 2.3.2. Tự động truyền lại (Auto Retransmission – ART)
• 2.4. Các chế độ Standby và hoạt động của PTX và PRX
• 2.4.1. Hoạt động của PTX
• 2.4.2. Hoạt động của PRX
• 2.5. Thời gian truyền trong Enhanced ShockBurstTM
• 2.6. Enhanced ShockBurstTM và biểu đồ giao dịch
• 2.6.1. Giao dịch duy nhất với một gói ACK và các ngắt
• 2.6.2. Một giao dịch bị mất gói tin
• 2.6.3. Một giao dịch bị mất gói tin ACK
• 2.6.4. Một giao dịch với một gói tải trọng ACK
• 2.6.5. Một giao dịch với một gói ACK và một gói mất
• 2.6.6. Hai giao dịch với tải trọng gói ACK và gói ACK đầu bị mất
• 2.6.7. Hai lần giao dịch mà khi số lần truyền lại đạt tới hạn
• 2.6.8. Đường dữ liệu và giao diện của nRF24L01 cho phép giao tiếp qua SPI
• 2.7. Mô tả chức năng
• 2.7.1. Hoạt động của SPI
• 2.7.2. Dữ liệu FIFO
• 2.8. Tóm tắt về cấu hình truyền nhận
• 2.8.1. Bên truyền khi gửi một gói tin chứa dữ liệu
• 2.8.2. Bên nhận khi nhận một gói tin chứa dữ liệu
• 2.9. Truyền dữ liệu trong không khí
• 2.10. Bộ xử lý trung tâm
• 2.10.1. Board Arduino Uno R3
• 2.10.2. Board Arduino Mega2560
• 2.11. Giao diện hiển thị trên phần cứng
• 2.11.1. Arduino Mega LCD TFT Shield
• 2.12. Bộ truyền nhận vô tuyến
• 2.12.1. Giao tiếp nRF24L01 qua SPI
• 2.13. Các cảm biến và đồng hồ thời gian thực
• 2.13.1. Cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm DHT11
• 2.13.2. Cảm biến chất lượng không khí MQ_135
• 2.13.3. Đồng hồ thời gian thực DS1307
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 3.1. Tổng quan về hệ thống
• 3.2. Yêu cầu của hệ thống
• 3.3. Hoạt động của hệ thống
• 3.4. Tính toán và thiết kế hệ thống
• 3.5. Khối cảm ứng
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH MẠNG, MÔ PHỎNG THỰC TẾ TRÊN PHẦN CỨNG, SO SÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
• 4.1. Hệ thống mạng cảm biến không dây phân tầng
• 4.2. Mô hình mạng cảm biến không dây khi triển khai
• 4.3. Hiện thực hóa mô hình và kết quả thu được so với hệ thống mạng lý thuyết
• 4.4. Tiến hành thi công và kết quả đạt được
• 4.5. Ưu điểm và Nhược điểm
• 4.6. Nhược điểm
• 4.7. Màn hình cảm ứng UTFT hiển thị tại trung tâm
• 4.8. Giao diện tại trung tâm điều khiển
• 4.9. Tính khả thi trong thực tế
• 4.10. So sánh với hệ thống mạng cảm biến không dây khác
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Kết luận về đề tài đồ án
• 5.2. Các mặt hạn chế và thiếu sót
• 5.3. Hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan

Mạng cảm biến không dây (Mạng cảm biến không dây) là một mạng lưới được thiết lập bởi một loạt các node cảm biến độc lập, nhằm mục đích thu thập dữ liệu về môi trường và truyền tải dữ liệu tới một trạm đích thông qua kênh tín hiệu vô tuyến. Trạm đích thường được kết nối với máy tính của trung tâm qua một cổng chính, thu thập tất cả dữ liệu từ các node cảm biến. Hệ thống này có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ chăm sóc y tế công cộng đến điều khiển từ xa. Việc triển khai mạng cảm biến không dây trong các ứng dụng thành phố thông minh (Thành phố thông minh) đang trở thành một xu hướng quan trọng, giúp cải thiện chất lượng cuộc sống của cư dân. Hệ thống này không chỉ thu thập dữ liệu mà còn phân tích và hiển thị thông tin một cách hiệu quả, từ đó hỗ trợ các quyết định quản lý đô thị.

1.1 Giới thiệu về SmartCity

SmartCity, hay thành phố thông minh, là một khái niệm phát triển đô thị hiện đại, kết hợp công nghệ thông tin và truyền thông để giải quyết các vấn đề quản lý đô thị. Mục tiêu chính của SmartCity là cải thiện chất lượng cuộc sống của cư dân thông qua việc tối ưu hóa các dịch vụ công cộng như giao thông, y tế, và giáo dục. Công nghệ thông tin và truyền thông cho phép các nhà quản lý thành phố tương tác trực tiếp với cộng đồng và giám sát hoạt động của thành phố. Việc sử dụng các cảm biến tích hợp và hệ thống giám sát thời gian thực giúp thu thập và phân tích dữ liệu, từ đó đưa ra các giải pháp kịp thời cho các vấn đề phát sinh trong quản lý đô thị.

II. Tính cấp thiết của đề tài

Việc áp dụng công nghệ trong lĩnh vực thành phố thông minh yêu cầu kiến thức chuyên sâu về công nghệ thông tin, truyền thông và địa lý. Nhu cầu thiết kế một hệ thống mạng cảm biến không dây (Wireless sensor network) chính xác và hiệu quả là rất cần thiết. Các câu hỏi như khả năng áp dụng của hệ thống, chi phí và năng lượng tiêu thụ, cũng như ảnh hưởng của các điều kiện vật lý đến giá trị đo được là những vấn đề cần được giải quyết. Những thách thức này đòi hỏi sự nghiên cứu kỹ lưỡng và sự hợp tác giữa các chuyên gia trong lĩnh vực công nghệ và quản lý đô thị. Đề tài này không chỉ mang tính lý thuyết mà còn có giá trị thực tiễn cao, góp phần vào việc cải thiện chất lượng cuộc sống của cư dân trong thành phố.

2.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Trên thế giới, lĩnh vực thành phố thông minh đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ. Nhiều quốc gia đã đầu tư vào các dự án nhằm xây dựng mô hình thành phố thông minh, như thành phố Kansas ở Mỹ với các cảm biến giám sát hệ thống đèn đường LED. Tại Việt Nam, các thành phố lớn như TP. Hồ Chí Minh và Hà Nội cũng đang tích cực nghiên cứu và triển khai các giải pháp công nghệ thông tin để phát triển thành phố thông minh. Các hội nghị và triển lãm công nghệ được tổ chức thường xuyên nhằm thu hút sự tham gia của các nhà khoa học và doanh nghiệp trong lĩnh vực này.

III. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của nghiên cứu này là xây dựng một mạng cảm biến không dây ứng dụng cho thành phố thông minh tại HCMUTE. Hệ thống sẽ được thiết kế để thu thập dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm và chất lượng không khí, từ đó cung cấp thông tin hữu ích cho cư dân. Việc thiết kế và thi công hệ thống yêu cầu sự lựa chọn thiết bị phù hợp, cấu hình chính xác và lắp đặt tại các vị trí chiến lược. Hệ thống không chỉ nhằm mục đích thu thập dữ liệu mà còn phải đảm bảo tính khả thi và hiệu quả trong việc sử dụng năng lượng. Đề tài này sẽ góp phần vào việc phát triển công nghệ thông tin và truyền thông trong quản lý đô thị, đồng thời nâng cao chất lượng cuộc sống cho cư dân.

3.1 Nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu

Nhiệm vụ nghiên cứu bao gồm việc thiết kế, xây dựng và đánh giá hệ thống mạng cảm biến không dây. Phương pháp nghiên cứu sẽ được thực hiện thông qua việc thu thập dữ liệu từ các cảm biến, phân tích và xử lý dữ liệu tại trung tâm điều khiển. Các công nghệ IoT (Internet of Things) sẽ được áp dụng để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và thân thiện với người dùng. Hệ thống sẽ được thử nghiệm trong các điều kiện thực tế để đánh giá tính khả thi và hiệu quả của nó trong việc cải thiện chất lượng cuộc sống của cư dân.