CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Lý do chọn đề tài Trong thời đại mà cách mạng công nghiệp 4.0, các yêu cầu của con người về các hệ thống hay thiết bị thông minh hơn đã và đang là động lực thúc đẩy các lĩnh vực khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ, cùng với đó là sự cải tiến không ngừng của các thiết bị trong lĩnh vực viễn thông. Từ đó công nghệ truyền dẫn dữ liệu ngày càng được nâng cấp và được sử dụng rộng rãi hơn. Công nghệ truyền dẫn LoRa mặc dù đã xuất hiện từ khá lâu nhưng vẫn là một trong những hệ thống đơn giản, hiệu quả và ngày càng chú trọng phát triển. Song hành với đó là sự phát triển mạnh mẽ công nghệ thông tin về lĩnh vực phần mềm và các ứng dụng trên các thiết bị di động để giải quyết các vấn đề về hiển thị, thao tác, điều khiển các thiết bị từ xa mà không cần phải đến tận nơi để bật, tắt hay điều chỉnh các thông số cho thiết bị.
Nhiều công nghệ truyền dẫn dữ liệu đã và đang được phát triển, một số chúng đang được sử dụng trong các ứng dụng thực tế và phát huy hiệu quả cao. Ngành khai thác mỏ đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân ở Việt Nam, đóng góp 10-12% tổng sản phẩm quốc nội (GDP) và tạo công ăn việc làm cho hơn 400. Tuy nhiên khai thác mỏ là ngành lao động nặng nhọc, độc hại nguy hiểm chứa đựng nhiều nguy cơ ảnh hưởng đến sức khỏe người lao động. Tại hầm mỏ, môi trường làm việc rất khắc nghiệt, người công nhân khai thác phải đối mặt với rất nhiều nguy hiểm.
Trong thực tế, việc những công nhân ngày ngày làm việc ở những nơi mà chất độc hại có thể thoát ra bất kỳ lúc nào, nhiệt độ tăng đột ngột hay có thể là sức khỏe không tốt dẫn đến việc đột quỵ hay cao huyết áp,… xảy ra làm ảnh hưởng rất lớn đến gia đình, công ty, kinh tế và xã hội. Hậu quả của nó là gây ra những bệnh nghề nghiệp cho người lao động như bệnh bụi phổi-silic, bệnh bụi phổi-amiăng, bệnh điếc nghề nghiệp do tiếng ồn, bệnh rung cục bộ tần số cao, bệnh nghề nghiệp do rung toàn thân, bệnh viêm phế quản mạn tính nghề nghiệp, bệnh phóng xạ nghề nghiệp, bệnh nhiễm độc cadimi nghề nghiệp, nhiễm độc mangan nghề nghiệp, nhiễm độc cacbonmonoxit và bệnh da nghề nghiệp. Thấy được những nguy hiểm đó và với mong muốn ứng dụng công nghệ vào cuộc sống thực tiễn nhóm quyết định thực hiện đề tài “Thiết kế và thi công mũ bảo hộ thông minh cho công nhân khai thác hầm mỏ” nhằm mục đích hỗ trợ các công nhân làm việc tại hầm mỏ, hay nhà máy khí 13 đốt… giảm thiểu tối đa các trường hợp xấu ảnh hưởng xấu đến sức khỏe, thiệt hại về người, tài sản và cả uy tín của công ty.2 Mục tiêu đề tài - Nghiên cứu về kit Arduino Uno ATmega328P, kit ESP8266, module truyền phát tín hiệu LoRa (SX1278), module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm (DHT11), module cảm biến khí độc (MQ2, MQ7), module cảm biến điện tim (AD8232), các thiết bị điện kết nối lại với nhau để tạo thành sản phẩm hoàn chỉnh. - Tìm hiểu ngôn ngữ lập trình C/C++ để lập trình vi điều khiển, Java cho lập trình ứng dụng app và các ngôn ngữ lập trình website như HTML, CSS, Javascript.
Cùng với đó là cách sử dụng các công cụ phần mềm để lập trình cho một hệ thống nhúng và Iot như Arduino, Android Studio….3 Giới hạn đề tài - Nhóm chỉ thực hiện việc thiết kế phần hệ thống thiết bị điện tử để gắn lên mũ bảo hộ đã có sẵn, không thiết kế hình dạng mũ. - Sử dụng các kit và module có sẵn như: Arduino Uno, Esp8266, DHT11,… - Sử dụng các nền tảng công nghệ, công cụ đã có sẵn và thư viện mở để nghiên cứu và phát triển sản phẩm.4 Phương pháp nghiên cứu - Phân tích nghiên cứu các phương pháp về truyền dẫn dữ liệu không dây để chọn ra phương pháp tiết kiệm pin, nhỏ nhẹ, phạm vi hoạt động rộng để ứng dụng cho hệ thống hoạt động. - Từ những đề tài mà các anh chị đi trước đã thực hiện, từ đó đúc kết và học hỏi kinh nghiệm, ứng dụng các ưu điểm và đưa ra các ý tưởng nâng cấp cho thiết bị và hệ thống, nhằm mục đích đáp ứng được các yêu cầu cao hơn. - Tìm hiểu về cơ sở dữ liệu Firebase Database, cách thức hoạt động của nó, phân tích và chọn ra phương thức phù hợp.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ❖ Đối tượng nghiên cứu: - Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của phần cứng kit Arduino Uno V3.0 ATmega328P, ESP node MCU 8266, module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm (DHT11), cảm biến khí độc (MQ2, MQ7), cảm biến điện tim (AD8232), module thu phát tín hiệu LoRa (SX1278).
14 - Nghiên cứu và học hỏi các ngôn ngữ lập trình phục vụ cho việc thiết kế Website và ứng dụng điện dành cho điện thoại. - Nghiên cứu cách kết nối và giao tiếp giữa các module và kit với nhau. ❖ Phạm vi: - Nghiên cứu dựa trên những kiến thức đã học, các mô hình đã có từ đó đưa ra những cải tiến nhằm nâng cấp cho đề tài. 15 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu về công nghệ LoRa Lora là công nghệ truyền thông tin không dây, người dùng có thể truyền dữ liệu với tốc độ thấp trong một diện tích rộng bằng LoRa nhờ vào bộ truyền động và cảm biến cho IoT và M2M hoặc những lĩnh vực khác trong IoT.
M2M chính là kết nối mà LoRa chủ yếu tập trung vào. 15-20 km là khoảng cách LoRa hỗ trợ được để truyền dẫn thông tin, với hàng triệu node mạng. Băng tần mà LoRa hoạt động không cần được cấp phép, có tốc độ thấp trong khoảng 0.3kbps đến tầm 30kbps. Nhờ vào các đặc điểm đó, LoRa được có thể sử dụng cho các ứng dụng thông minh trong lĩnh vực IoTs ví dụ như trao đổi dữ liệu hay thông tin ở mức thấp và cần duy trì hoạt động ở một thời khoảng thời gian tương đối dài Thực tế thì thiết bị LoRa có thể hoạt động và truyền thông tin dữ liệu trong khoảng thời gian lên đến 10 năm dùng hoàn toàn năng lượng là pin.
LoRa cung cấp cho người dùng vùng phủ sóng giống như mạng di động. Anten của LoRa có thể kết hợp với anten di động nếu các tần số này là gần nhau, nhờ đó nó giúp tiết kiệm chi phí người dùng. Các ứng dụng trong thực tế tận dụng những ưu điểm của mạng LoRa: theo dõi thông tin vườn thông minh, theo dõi hàng số lượng hàng hóa, ngoài ra còn có thể ứng dụng trong ngành ô tô. Kỹ thuật điều chế của công nghệ LoRa gọi là Chirp Spread Spectrum.
Nguyên lý của kỹ thuật Chirp Spread Spectrum là dữ liệu sẽ được chia nhỏ bởi các xung cao tần nhằm tạo ra tín hiệu có tần số cao hơn nhiều so với tần số gốc của dữ liệu (chipped), từ đó các tín hiệu cao tần này sẽ tiếp tục được mã hóa thành các chuỗi chirp signal trước khi truyền ra ăng-ten để gửi đi. Từng khu vực trên thế giới sẽ có mỗi băng tần khác nhau. Mạng LoRa có băng tần hoạt động từ 430MHz đến 915MHz. Nhờ việc sử dụng chip signal nên các tín hiệu LoRa có các chirp rate khác nhau nhằm tránh việc gây nhiễu cho các thiết bị LoRa khác ở xung quanh.
Nhờ vào việc này cho phép nhiều thiết bị LoRa có thể hoạt động truyền dẫn dữ liệu cùng lúc mà không sợ nhiễu tín hiệu (các chirp rate khác nhau).1: Mô hình mạng LoRa trong IoTs 2.2 Giới thiệu chung về Internet of Things (IoT) 2.1 Giới thiệu Internet of things hiện nay đang xuất hiện rộng rãi, thu hút các nhà công nghệ đầu tư vào để phát triển. Trong tương lai, công nghệ IoT sẽ có ảnh hưởng tích cực đến cuộc sống, công việc và cả con người. Trên thực tế thì công nghệ IoT đã xuất hiện khá lâu trước đây khoảng vài thập kỷ trước. Tuy nhiên mãi đến đầu thế kỷ 21 công nghệ này mới được đưa ra ứng dụng.
Cuộc sống của chúng ta đang thay đổi hàng ngày, hàng giờ, các nhu cầu cho việc phát triển các ứng dụng có thể kết nối Internet ngày càng cao. Từ khóa rất hot hiện nay IoT đó là một công nghệ thiết yếu, quan trọng bởi vì dựa vào công nghệ này chúng ta có thể chế tạo ra các ứng dụng, các phương pháp phong phú nhằm đáp ứng nhu cầu trong mọi lĩnh vực, mọi nghề nghiệp trong cuộc sống của mọi người. Trong hệ thống IoT các thiết bị, các đối tượng trong hệ thống được kết nối với nhau thông qua Internet nhờ vào các thiết bị mạng (Network Device), các cổng kết nối (Gateway) hoặc bộ định tuyến (Routers). Nhờ vào công nghệ IoT các thiết bị hoạt động ở nơi làm việc có thể được người dùng điều khiển từ xa thông qua các trang web hay app mobile bằng mạng.
Công nghệ IoT đã giúp con người giảm đi rất nhiều chi phí trong quá trình sản xuất ví dụ như: giảm công sức vận hành thiết bị, giảm thiểu con người tham gia vào quá trình sản xuất, tiết kiệm thời gian,… 17 Hình 2.2: Công nghệ IoTs 2.2 Ưu điểm và nhược điểm ❖ Ưu điểm: - Được phép truy cập từ xa, mọi lúc mọi nơi thông qua mạng, rất nhanh chóng và tiện lợi. - Tiết kiệm thời gian nhờ việc lưu trữ dữ liệu trên cơ sở dữ liệu cùng với đó là tiền bạc giúp tăng tính linh động cho dữ liệu. - Giúp mọi thứ trở nên tự động hóa nhằm cải thiện cuộc sống, giúp cho người dùng cải thiện chất lượng cuộc sống. ❖ Khuyết điểm: - Với sự tiện lợi trong việc truyền dẫn và liên kết các thông tin dữ liệu trên Internet khi nhiều thiết bị được kết nối một cách dễ dàng sẽ gây ra tình trạng lấy cắp dữ liệu người dùng.
- Vì cấu trúc của hệ thống luôn liên quan mật thiết với nhau nên khi hệ thống xảy ra lỗi tại một vị trí sẽ dẫn đến các thiết bị khác sẽ bị ảnh hưởng theo. - Hệ thống IoT không có tiêu chuẩn quốc tế cũng như sự tương thích làm cho việc phát triển các thiết bị của nhà phát triển gặp khó khi phải thực hiện giao tiếp giữa các thiết bị với nhau.3 Tổng quan về phần mềm lập trình Android Studio 2.1 Khái niệm về hệ điều hành Android 18 Hình 2.3 Logo hệ điều hành Android Android được thiết kế ra cho các thiết bị có màn hình cảm ứng ví dụ như điện thoại thông minh và máy tính bảng.