Nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát chất lượng nước ứng dụng IoT tại Đại học Quốc gia Hà Nội

Nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát chất lượng nước ứng dụng IoT. Giải pháp hiệu quả, tiết kiệm chi phí, nâng cao độ chính xác và tính kịp thời.

• Tác giả: Lê Hùng Việt
• Người hướng dẫn: ThS. Phạm Đình Tuân
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Robot
• Đề tài: Nghiên Cứu, Xây Dựng Hệ Thống Giám Sát Chất Lượng Nước Ứng Dụng Iot
• Loại tài liệu: Đồ án
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan hệ thống giám sát chất lượng nước ứng dụng IoT

Trong bối cảnh công nghệ phát triển, việc ứng dụng Internet vạn vật trong quản lý nước (IoT) đã mở ra một kỷ nguyên mới cho việc giám sát môi trường. Đặc biệt, hệ thống giám sát chất lượng nước ứng dụng IoT đang trở thành giải pháp cốt lõi để giải quyết các thách thức về ô nhiễm và quản lý tài nguyên nước. Hệ thống này cho phép thu thập dữ liệu liên tục và chính xác từ các nguồn nước, thay thế cho các phương pháp thủ công tốn kém và không hiệu quả. Mục tiêu chính của nghiên cứu là xây dựng một mô hình giám sát hoàn chỉnh, từ việc thu thập dữ liệu bằng cảm biến, truyền tải qua mạng không dây, đến việc xử lý và hiển thị thông tin trên một giao diện trực quan. Việc này không chỉ giúp các cơ quan quản lý đưa ra quyết định kịp thời mà còn hỗ trợ các ngành kinh tế phụ thuộc vào nguồn nước như giám sát chất lượng nước nuôi trồng thủy sản. Hệ thống hoạt động dựa trên nguyên tắc kết nối các thiết bị đo chất lượng nước tự động vào một mạng lưới, nơi dữ liệu được truyền về một máy chủ trung tâm để phân tích dữ liệu nước và lưu trữ. Sự kết hợp giữa các vi điều khiển Arduino/ESP32 và máy tính nhúng như Raspberry Pi tạo nên một giải pháp linh hoạt, chi phí hợp lý và dễ dàng triển khai ở nhiều quy mô khác nhau, từ ao hồ nhỏ đến các trạm quan trắc nước mặt tự động quy mô lớn. Nền tảng này cung cấp khả năng thu thập dữ liệu thời gian thực, giúp phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường và gửi cảnh báo ô nhiễm nguồn nước ngay lập tức.

1.1. Tầm quan trọng của việc giám sát chất lượng nước hiện nay

Chất lượng nước là yếu tố sống còn, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người, đa dạng sinh học và sự phát triển kinh tế. Tuy nhiên, các nguồn nước đang đối mặt với nguy cơ ô nhiễm nghiêm trọng từ hoạt động công nghiệp và sinh hoạt. Việc giám sát truyền thống thường không đáp ứng được yêu cầu về tốc độ và quy mô. Do đó, một hệ thống quan trắc chất lượng nước online trở nên cấp thiết. Hệ thống này giúp theo dõi liên tục các chỉ số quan trọng, đảm bảo nguồn nước an toàn cho tiêu dùng và sản xuất, đặc biệt là trong lĩnh vực giám sát nước thải công nghiệp và nông nghiệp công nghệ cao.

1.2. Giới thiệu công nghệ Internet vạn vật IoT trong quản lý nước

Công nghệ Internet vạn vật (IoT) là một mạng lưới các thiết bị vật lý được trang bị cảm biến, phần mềm và khả năng kết nối mạng để thu thập và trao đổi dữ liệu. Trong lĩnh vực quản lý nước, IoT cho phép tạo ra các hệ thống quản lý nước thông minh (smart water management). Các cảm biến chất lượng nước được triển khai tại hiện trường, gửi dữ liệu về một nền tảng IoT (IoT Platform). Tại đây, dữ liệu được phân tích, trực quan hóa và sử dụng để tự động hóa các quy trình, từ cảnh báo sớm đến điều khiển các hệ thống xử lý nước, giúp tối ưu hóa hiệu quả quản lý và tiết kiệm chi phí vận hành.

II. Thách thức và yêu cầu đối với một hệ thống giám sát nước

Việc xây dựng một hệ thống giám sát chất lượng nước ứng dụng IoT hiệu quả đòi hỏi phải giải quyết nhiều thách thức kỹ thuật và vận hành. Thách thức lớn nhất là đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của dữ liệu thu thập từ các cảm biến chất lượng nước. Các cảm biến này phải hoạt động ổn định trong môi trường khắc nghiệt, chịu được sự ăn mòn và có tuổi thọ cao. Bên cạnh đó, việc truyền tải dữ liệu từ các vị trí xa xôi, không có sẵn hạ tầng mạng, là một bài toán khó. Các công nghệ truyền thông không dây như module LoRaWAN hoặc WiFi cần được lựa chọn và cấu hình tối ưu để đảm bảo kết nối ổn định và tiết kiệm năng lượng. Một yêu cầu quan trọng khác là khả năng xử lý và hiển thị dữ liệu một cách trực quan. Người dùng cần một dashboard giám sát môi trường thân thiện, cho phép theo dõi các thông số theo thời gian thực, xem lại lịch sử dữ liệu và nhận cảnh báo khi có sự cố. Hệ thống phải có khả năng lưu trữ lượng lớn dữ liệu một cách an toàn và cho phép người dùng tải về để phục vụ cho các mục đích phân tích sâu hơn. Theo nghiên cứu của Lê Hùng Việt (2023), một hệ thống lý tưởng cần có các chức năng cốt lõi: giám sát theo thời gian thực, điều khiển từ xa, phần cứng gọn nhẹ, dễ triển khai và hoạt động ổn định, ít lỗi vặt. Đây là những tiêu chí nền tảng để đánh giá sự thành công của một dự án nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát chất lượng nước ứng dụng IoT.

2.1. Yêu cầu về độ chính xác của các thiết bị đo lường

Để hệ thống cung cấp thông tin đáng tin cậy, các thiết bị đo chất lượng nước tự động phải đạt độ chính xác cao. Các loại cảm biến như cảm biến pH, cảm biến DO (oxy hòa tan), cảm biến độ đục (Turbidity), và cảm biến nhiệt độ nước cần được hiệu chuẩn định kỳ. Việc lựa chọn cảm biến từ các nhà sản xuất uy tín và thiết kế mạch điện tử có khả năng chống nhiễu tốt là yếu tố quyết định đến chất lượng của toàn bộ hệ thống giám sát.

2.2. Vấn đề kết nối mạng và truyền tải dữ liệu từ xa

Tại nhiều khu vực như ao nuôi thủy sản hay sông suối, kết nối Internet ổn định là một thách thức. Hệ thống cần sử dụng các giao thức truyền thông nhẹ và hiệu quả như MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) để giảm băng thông và đảm bảo việc truyền dữ liệu thời gian thực không bị gián đoạn. Việc thiết lập kết nối từ xa thông qua các kỹ thuật như DDNS và Port Forwarding, như đã được áp dụng trong đề tài, là cần thiết để truy cập và quản lý hệ thống từ bất cứ đâu.

III. Hướng dẫn thiết kế phần cứng hệ thống giám sát nước IoT

Phần cứng là nền tảng vật lý của bất kỳ hệ thống giám sát chất lượng nước ứng dụng IoT nào. Việc thiết kế phần cứng đòi hỏi sự kết hợp khoa học giữa các linh kiện điện tử để tạo thành một khối thống nhất, hoạt động hiệu quả và bền bỉ. Trái tim của hệ thống là khối xử lý trung tâm, thường sử dụng các vi điều khiển mạnh mẽ như ESP32, có tích hợp sẵn WiFi, giúp đơn giản hóa việc kết nối mạng. Theo mô hình nghiên cứu, vi điều khiển ESP32 chịu trách nhiệm đọc dữ liệu từ một loạt các cảm biến chất lượng nước. Các cảm biến này bao gồm cảm biến nhiệt độ chất lỏng DS18B20, cảm biến độ đục chất lỏng TS 300B, và cảm biến độ pH. Do tín hiệu từ một số cảm biến là tín hiệu analog, cần có một module chuyển đổi ADC (Analog-to-Digital Converter) như ADS1115 để đảm bảo độ chính xác khi đọc giá trị. Toàn bộ các linh kiện này được lắp ráp trên một bảng mạch và đặt trong một vỏ bảo vệ được thiết kế bằng phần mềm SolidWork và in 3D. Thiết kế này không chỉ đảm bảo tính thẩm mỹ mà còn bảo vệ mạch khỏi các tác động của môi trường, đồng thời giúp việc lắp đặt và bảo trì trạm quan trắc nước mặt tự động trở nên dễ dàng hơn. Sản phẩm phần cứng hoàn chỉnh là một thiết bị nhỏ gọn, dễ dàng triển khai tại hiện trường và sẵn sàng kết nối với máy chủ để bắt đầu quá trình giám sát.

3.1. Lựa chọn vi điều khiển và các cảm biến chuyên dụng

Việc lựa chọn linh kiện là bước khởi đầu quan trọng. Vi điều khiển ESP32 được ưu tiên nhờ khả năng xử lý mạnh, tiêu thụ điện năng thấp và tích hợp sẵn kết nối không dây. Các cảm biến được chọn dựa trên các chỉ số chất lượng nước cần giám sát. Ví dụ, cảm biến pH dùng để đo độ axit/bazơ, cảm biến DO đo nồng độ oxy hòa tan (quan trọng cho thủy sản), và cảm biến độ đục để đánh giá mức độ ô nhiễm do chất rắn lơ lửng. Mỗi cảm biến được kết nối với ESP32 thông qua các giao thức như I2C hoặc OneWire.

3.2. Thiết kế mạch điện tử và gia công vỏ bảo vệ thiết bị

Sau khi lựa chọn linh kiện, bước tiếp theo là thiết kế sơ đồ mạch điện. Mạch điện cần được tối ưu để giảm nhiễu và đảm bảo hoạt động ổn định. Vỏ bảo vệ, được thiết kế 3D và gia công bằng nhựa ABS, đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ các linh kiện điện tử nhạy cảm khỏi độ ẩm và va đập. Thiết kế vỏ hộp thông minh với các rãnh trượt và vị trí lắp đặt chính xác giúp việc tháo lắp, sửa chữa trở nên thuận tiện, nâng cao tuổi thọ của thiết bị đo chất lượng nước tự động.

IV. Xây dựng nền tảng IoT giám sát chất lượng nước toàn diện

Nếu phần cứng là cơ thể, thì phần mềm và nền tảng IoT chính là bộ não của hệ thống giám sát chất lượng nước ứng dụng IoT. Nền tảng này chịu trách nhiệm nhận, xử lý, lưu trữ và trực quan hóa dữ liệu từ các trạm quan trắc gửi về. Trong mô hình nghiên cứu này, một máy tính nhúng Raspberry Pi được sử dụng làm máy chủ cục bộ. Trên Raspberry Pi, các thành phần quan trọng được cài đặt bao gồm MQTT Broker (Mosquitto) và Node-RED. MQTT Broker đóng vai trò là trung tâm giao tiếp, nhận dữ liệu từ vi điều khiển ESP32 publish lên và chuyển tiếp đến các client đã subscribe. Giao thức MQTT được lựa chọn vì tính gọn nhẹ, hiệu quả, rất phù hợp cho các ứng dụng IoT. Node-RED là một công cụ lập trình trực quan dựa trên luồng (flow-based), được sử dụng để xây dựng dashboard giám sát môi trường. Với Node-RED, việc xử lý dữ liệu trở nên đơn giản. Dữ liệu dạng chuỗi JSON từ ESP32 được tách thành các giá trị riêng lẻ (nhiệt độ, pH, độ đục), sau đó được hiển thị trên các biểu đồ theo thời gian thực. Nền tảng này không chỉ hiển thị dữ liệu mà còn cho phép người dùng tương tác, ví dụ như thay đổi chu kỳ cập nhật dữ liệu hoặc bật/tắt cảm biến từ xa. Đặc biệt, hệ thống còn được phát triển tính năng ghi dữ liệu vào file CSV và cho phép người dùng tải về theo ngày, phục vụ cho việc phân tích dữ liệu nước chi tiết.

4.1. Cài đặt MQTT Broker và Node RED trên máy chủ Raspberry Pi

Để xây dựng nền tảng IoT (IoT Platform), bước đầu tiên là cài đặt môi trường trên Raspberry Pi. Mosquitto được cài đặt để làm MQTT Broker, xử lý các thông điệp truyền tải. Node-RED được cài đặt để tạo ra logic xử lý dữ liệu và giao diện người dùng. Việc cấu hình cho phép các dịch vụ này tự động khởi chạy khi Raspberry Pi khởi động đảm bảo hệ thống luôn sẵn sàng hoạt động. Cấu hình Port Forwarding và DDNS trên modem mạng là bước kỹ thuật quan trọng để có thể truy cập server từ Internet một cách an toàn và tiện lợi.

4.2. Lập trình thu thập và gửi dữ liệu bằng vi điều khiển ESP32

Chương trình trên vi điều khiển ESP32 được viết bằng ngôn ngữ C++ trên nền tảng PlatformIO. Luồng hoạt động chính bao gồm: kết nối WiFi, kết nối đến MQTT Broker, sau đó đi vào một vòng lặp vô hạn. Trong vòng lặp, vi điều khiển sẽ đọc giá trị từ các cảm biến chất lượng nước, đóng gói chúng thành một chuỗi JSON, và publish lên một topic MQTT định sẵn. Chương trình cũng được thiết kế để lắng nghe (subscribe) các lệnh điều khiển từ server, cho phép điều chỉnh hoạt động của thiết bị từ xa.

4.3. Thiết kế Dashboard và chức năng cảnh báo ô nhiễm nguồn nước

Giao diện người dùng (Dashboard) được xây dựng hoàn toàn bằng các công cụ có sẵn trong Node-RED. Dữ liệu được hiển thị dưới dạng biểu đồ đường, giúp người dùng dễ dàng theo dõi xu hướng thay đổi của các chỉ số. Ngoài ra, dashboard còn tích hợp các nút điều khiển và form nhập liệu để tương tác với thiết bị. Chức năng cảnh báo ô nhiễm nguồn nước có thể được tích hợp bằng cách thêm các logic trong Node-RED: khi một giá trị cảm biến vượt ngưỡng cho phép, hệ thống sẽ tự động gửi thông báo qua email hoặc các nền tảng khác.

V. Đánh giá hệ thống giám sát chất lượng nước IoT thực tế

Sau quá trình nghiên cứu và phát triển, hệ thống giám sát chất lượng nước ứng dụng IoT đã được triển khai và thử nghiệm trong thực tế, mang lại những kết quả đáng khích lệ. Hệ thống đã đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đề ra ban đầu. Phần cứng hoạt động ổn định, nhỏ gọn và dễ lắp đặt. Chương trình trên vi điều khiển ESP32 cho thấy hiệu suất cao với độ trễ truyền và nhận dữ liệu đến server dưới 1 giây, đảm bảo khả năng thu thập dữ liệu thời gian thực. Server trên Raspberry Pi cũng hoạt động ổn định, xử lý và lưu trữ dữ liệu một cách toàn vẹn. Giao diện dashboard giám sát môi trường được đánh giá là thân thiện, trực quan, cho phép người dùng dễ dàng theo dõi các thông số và điều khiển hệ thống. Chức năng tải dữ liệu về máy hoạt động chính xác, cung cấp dữ liệu thô dạng file CSV để phục vụ các nghiên cứu chuyên sâu. Đặc biệt, hệ thống đã chứng minh được tính ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực, từ giám sát nước thải công nghiệp, quản lý nước sạch đô thị cho đến giám sát chất lượng nước nuôi trồng thủy sản. Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm, hệ thống vẫn còn một số điểm cần cải tiến như tính thẩm mỹ của mạch điện tử và việc cấu hình thông số mạng vẫn cần can thiệp vào mã nguồn. Những kết quả này là tiền đề vững chắc cho các hướng phát triển và hoàn thiện sản phẩm trong tương lai.

5.1. Kết quả thực nghiệm và hiệu suất hoạt động của hệ thống

Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống có khả năng kết nối và hiển thị dữ liệu lên dashboard một cách nhanh chóng. Các biểu đồ cập nhật chính xác theo chu kỳ được cài đặt. Các chức năng điều khiển từ xa như bật/tắt cảm biến phản hồi gần như tức thì. Dữ liệu được ghi lại và tải về thành công, cho thấy sự ổn định và toàn vẹn của luồng dữ liệu từ cảm biến đến người dùng cuối. Đây là minh chứng rõ ràng cho sự thành công của việc ứng dụng Internet vạn vật trong quản lý nước.

5.2. Phân tích ưu điểm và nhược điểm của giải pháp đã xây dựng

Ưu điểm nổi bật của hệ thống là chi phí thấp, tính linh hoạt cao và khả năng hoạt động ổn định. Việc sử dụng các linh kiện phổ biến như ESP32 và Raspberry Pi giúp giảm giá thành và dễ dàng thay thế. Nhược điểm chính nằm ở việc mạch điện được gia công thủ công và chưa tích hợp giao diện cấu hình mạng cho người dùng cuối. Việc khắc phục các nhược điểm này sẽ giúp sản phẩm có tính thương mại hóa cao hơn.

VI. Hướng phát triển cho hệ thống giám sát chất lượng nước IoT

Một dự án công nghệ không bao giờ kết thúc mà luôn có những tiềm năng để cải tiến và mở rộng. Hệ thống giám sát chất lượng nước ứng dụng IoT được xây dựng trong nghiên cứu này là một nền tảng vững chắc, mở ra nhiều hướng phát triển trong tương lai. Hướng đi đầu tiên và quan trọng nhất là mở rộng quy mô hệ thống, cho phép kết nối nhiều trạm quan trắc (client) hơn đến cùng một máy chủ. Điều này đòi hỏi tối ưu hóa server để có thể xử lý đồng thời lượng lớn dữ liệu. Thứ hai, việc đa dạng hóa các loại cảm biến chất lượng nước là cần thiết để có một bức tranh toàn diện hơn về môi trường nước. Có thể tích hợp thêm các cảm biến đo nồng độ amoniac (NH4), nitrat (NO3), hoặc các ion kim loại nặng, đặc biệt quan trọng trong việc giám sát nước thải công nghiệp và nuôi trồng thủy sản. Một hướng phát triển mang tính đột phá là tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (Machine Learning) vào khâu phân tích dữ liệu nước. Các mô hình AI có thể dự báo xu hướng chất lượng nước, phát hiện các điểm bất thường không tuân theo quy luật và thậm chí đề xuất các giải pháp xử lý. Cuối cùng, hệ thống có thể được phát triển để không chỉ giám sát mà còn chủ động can thiệp, ví dụ như tự động kích hoạt hệ thống sục khí khi cảm biến DO (oxy hòa tan) báo mức oxy thấp, hoặc điều khiển van xả thải thông minh. Những cải tiến này sẽ đưa hệ thống tiến gần hơn đến một giải pháp quản lý nước thông minh (smart water management) toàn diện và tự động.

6.1. Tích hợp thêm các loại cảm biến và trí tuệ nhân tạo AI

Để nâng cao chất lượng giám sát, việc tích hợp các loại cảm biến mới như cảm biến đo độ dẫn điện (EC), nồng độ oxy hòa tan (DO) là rất cần thiết. Hơn nữa, việc áp dụng AI để phân tích dữ liệu lịch sử có thể giúp dự báo các sự kiện ô nhiễm, tối ưu hóa quy trình vận hành trong các hệ thống quản lý nước thông minh và đưa ra các cảnh báo sớm với độ chính xác cao hơn.

6.2. Mở rộng quy mô và khả năng thương mại hóa sản phẩm

Để đưa sản phẩm ra thị trường, cần cải tiến thiết kế công nghiệp, hoàn thiện mạch in (PCB) chuyên nghiệp và xây dựng một giao diện người dùng trên di động. Việc phát triển một phiên bản trạm quan trắc nước mặt tự động sử dụng năng lượng mặt trời sẽ giúp hệ thống có thể được triển khai ở những nơi không có nguồn điện, mở rộng đáng kể phạm vi ứng dụng và tiềm năng thương mại của giải pháp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Chất lượng nước là một trong những yếu tố quan trọng của cuộc sống, đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển và duy trì sự sống, đồng thời, chất lượng nước cũng là một yếu tố then chốt trong việc nuôi trồng thủy hải sản. Tuy nhiên các hồ, sông, suối và các tài nguyên nước khác, nhất là ở các vùng nông thôn và hẻo lánh thường không được giám sát đầy đủ và hiệu quả. Hiện nay, công nghệ Internet of Things (IoT) đang phát triển mạnh mẽ và được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm giám sát môi trường và chất lượng nước. Việc áp dụng cong nghệ IoT để giám sát chất lượng nước là một biện pháp hiệu quả và tiên tiến giúp giải quyết các thách thức về giám sát chất lượng nước.

Tuy nhiên, việc xây dựng hệ thống giám sát chất lượng nước ứng dụng IoT cũng đặt ra nhiều thách thức. Đầu tiên, cần thiết phải thiết kế, triển khai các cảm biến độc lập và đáng tin cậy để thu nhập dữ liệu, hệ thống phải theo dõi liên tục để đảm bảo chất lượng nước luôn được giám sát và đánh giá chính xác. Đồng thời, phải có một hệ thống truyền thông gọn nhẹ và đáng tin cậy để truyền dữ liệu về trung tâm để xử lý và đưa ra các chỉ số đánh giá chất lượng nước. Ngoài ra việc lưu trữ và quản lý dữ liệu cũng là một nhiệm vụ quan trọng trong việc xây dựng hệ thống.

Do đó, đề tài được đặt ra để giải quyết các vấn đề nêu trên, bằng cách sử dụng công nghệ IoT để xây dựng hệ thống giám sát chất lượng nước. Hệ thống này sẽ cho phép giám sát từ xa, cập nhật dữ liệu nhanh chóng, hiển thị dữ liệu theo thời gian thực. Hơn nữa việc ứng dụng IoT sẽ giúp tiết kiệm chi chí và thời gian hơn so với các phương pháp truyền thống. Mục đích nghiên cứu Đề tài được thực hiện với mục đích áp dụng các kiến thức đã học để nghiên cứu, xây dựng một mô hình “Hệ thống giám sát chất lượng nước ứng dụng IoT”.

Sau khi thực hiện, hệ thống cần có những chức năng sau: • Giám sát, theo dõi chất lượng nước theo thời gian thực thông qua Internet bằng trình duyệt, có thể tải dữ liệu về để đánh giá thêm • Có thể điều khiển hệ thống từ xa bằng dashboard • Phần cứng có thể dễ triển khai, gọn gàng, giảm thiểu chi phí phát sinh • Hệ thống chạy ổn định, ít lỗi vặt 1 1. Phương pháp nghiên cứu Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau: • Phương pháp tham khảo tài liệu: bằng cách thu thập thông tin từ sách, tạp chí, kênh truyền thông về điện từ, viễn thông, truy cập từ mạng Internet. • Phương pháp quan sát: khảo sát, đánh giá một số ứng dụng có sử dụng công nghệ IoT, các hệ thống giám sát chất lượng nước đã có. • Phương pháp thực nghiệm: Xem xét một số công nghệ đã được áp dụng trước đó để rút ra kinh nghiệm cũng như những yêu cầu đặt ra cho mô hình “Hệ thống giám sát chất lượng nước ứng dụng IoT”.

Nội dung nghiên cứu Đề tài “Nghiên cứu, xây dựng hệ thống giám sát chất lượng nước ứng dụng IoT” có các nôi dung nghiên cứu sau: • Tìm hiểu công nghệ IoT, các chỉ số về chất lượng nước • Các giải pháp thiết kế hệ thống • Tìm hiểu, đánh giá, lựa chọn thiết bị: cảm biến, vi điều khiển, màn hình… • Tìm hiểu các giao thức truyền thông I2C, MQTT, WiFi. • Lắp ráp các linh kiện điện lên bảng mạch, lập trình cho vi điều khiển • Thiết kế, gia công phần vỏ hộp chứa các bảng mạch và linh kiện • Xây dựng giao diện hiển thị và điều khiển, xử lý dữ liệu trên server • Sửa lỗi và tối ưu hệ thống • Đánh giá các kết quả thực hiện • Viết báo cáo. Bố cục Nội dung đề tài gồm các phần sau: Chương 1. Tổng quan về đề tài • Đặt vấn đề.

• Mục đích đề tài. • Phương pháp nghiên cứu. • Nội dung nghiên cứu của. Cơ sở lý thuyết: • Các lý thuyết về IoT.

• Các vấn đề trong giám sát chất lượng nước. Mạch điện hoàn chỉnh 3. Thiết kế và gia công vỏ bảo vệ Sau khi thực hiện lắp ráp bảng mạch, cần phải đo đạc các thông số chiều dài, rộng cao của mạch đặc biệt là vị trí các lỗ bắt bulong để thiết kế chuẩn xác nhất Chúng tôi sử dụng phần mềm SolidWork để thiết kế mô hình 3D với các yêu cầu: • Vị trí đặt bảng mạch cần được thiết kế dạng rãnh trượt để tháo lắp dễ dàng • Các vị trí lắp LCD, công tắc, đèn báo phải được thiết kế chính xác về kích thước và vị trí • Phải để sẵn lỗ của luồn dây các cảm biến • Các bộ phận được lắp ráp với nhau bằng bulong hoặc bằng các rãnh cài vào nhau Hình 3. Bản thiết kế 3D vỏ bảo vệ mạch điện Sau khi thực hiện thiết kế, chúng tôi gia công vỏ bảo vệ bằng phương pháp in 3D, chất liệu nhựa ABS.

Phương pháp gia công này có ưu điểm là độ chính xác cao, chi phí phải chăng 20 Hình 3. Sản phẩm vỏ bảo vệ Sau khi có vỏ bảo vệ và mạch điện, tiến hành lắp ráp chúng vào với nhau, bao gồm lắp công tắc, đèn báo và màn hình LCD lên nắp của vỏ bảo vệ Hình 3. Sản phẩm phần cứng hoàn chỉnh 3. Cài đặt Node-red và MQTT broker Sau khi cài đặt hệ điều hành Raspberry OS cần cài đặt và tinh chỉnh Node-red và MQTT broker, cụ thể như sau: • Cài đặt Node-red: o Cài đặt Node.js bằng terminal o Cài đặt Node-red bằng câu lệnh “npm install -g node-red” o Cài đặt để Node-red tự động khởi chạy mỗi khi Raspberry Pi khởi động • Cài đặt MQTT broker: o Cài đặt Mosquitto (MQTT mã nguồn mở, xử lý các thông điệp MQTT) bằng câu lệnh: “sudo apt install mosquitto” o Cài đặt để Mosquitto tự động khởi chạy mỗi khi Raspberry Pi khởi động o Chỉnh sửa file config của Moquitto cho phép các kết nối MQTT từ Internet.

Giao diện sử dụng của Node-red 3. Thiết lập kết nối DDNS, PortForwarding Port Forwarding là một kỹ thuật được sử dụng trong mạng máy tính để chuyển tiếp lưu lượng mạng từ một cổng đến một thiết bị để có thể được được truy cập từ Internet, Port Forwarding cho phép chuyển tiếp các kết nối từ cổng của địa chỉ IP công cộng đến cổng của địa chỉ IP nội bộ. Cụ thể trong hệ thống này là cho mở cổng mạng để các thiết bị có thể truy cập vào Raspberry Pi để truy xuất và ghi dữ liệu, đồng thời có thể thực hiện giao tiếp MQTT từ Internet thay vì chỉ có thể sử dụng mạng nôi bộ. Để thực hiện mở cổng mạng, chúng tôi truy cập vào trang quản lý moderm, mạng và thực hiện cấu hình như hình 3.

Trong đó, cổng 1883 phục vụ giao thức MQTT, cổng 1880 để truy cập vào server Node-red, cổng 2244 để thực hiện điều khiển Raspberry Pi qua giao thức SSH. Địa chỉ IP 192.65 là địa chỉ IP của Raspberry Pi. Giao diện thực hiện Port Forwarding Sau các khi mở cổng mạng, hệ thống đã có thể truy cập từ internet nhưng phải thông qua địa chỉ IP mạng. Tuy nhiên dãy số này thường rất khó nhớ và mạng gia đình thường chỉ có IP động (địa chỉ IP công cộng bị thay đổi sau một thời gian), do đó chúng tôi sử dụng dịch vụ DDNS (Dynamic Domain Name System - Hệ thống giúp tự động cập nhật địa chỉ IP của một thiết bị mạng đến một tên miền phân giải DNS cụ thể) để có thể truy cập vào hệ thống bằng tên miền.

Các bước thực hiện cụ thể: • Đăng ký dịch vụ DDNS với tên miền, hiện nay có nhiều dịch vụ cho phép đăng ký DDNS miễn phí như: NoIP, Duck DDNS, Dynu… Trong hệ thống này chúng tôi sử dụng dịch vụ NoIP • Truy cập vào trang quản lý moderm mạng, chọn mục DDNS Configuration • Thực hiện cài đặt như hình 3. Cài đặt dịch vụ DDNS 3. Lập trình vi điều khiển Trong đề tài này chúng tôi sử dụng vi điều khiển ESP32, việc lập trình được thực hiện trên PlatformIO – một môi trường phát triển tích hợp IDE dùng cho việc phát triển phần mềm và quản lý mã nguồn cho các ứng dụng IoT. Giao diện platformIO 23 Mã nguồn được viết bằng ngôn ngữ C++ trên nền tảng Arduino cho vi điều khiển ESP32 Hình 3.

Sơ đồ khối tổng quan quy trình hoạt động của hệ thống Giải thích lưu đồ: • Kết nối Wifi: kết nối vi điều khiển ESP32 với Internet, để có thể giao tiếp với server • Khai báo MQTT broker và hàm Callback: Cần khai báo MQTT broker cụ thể với các tham số địa chỉ IP (tên miền), cổng mạng của MQTT broker để vi xử lý có thể thực hiện các thao tác Publish và Subscribe dữ liệu. Hàm Callback để xử lý các dữ liệu nhận được từ server thành các lệnh điều khiển. • Lắng nghe dữ liệu từ server: Liên tục lắng nghe các dữ liệu gửi về từ server do người dùng điều khiển. • Thực hiện hàm callback: Xử lý các dữ liệu lắng nghe được để điều chỉnh các tham số của hệ thống: chu kì cập nhật dữ liệu, bật tắt cảm biến… • Đọc dữ liệu cảm biến và gửi lên server: ESP32 lần lượt đọc giá trị các cảm biến, tổng hợp thành 1 đoạn JSON và tiến hành gửi lên server sau mỗi thời gian được cài đặt.

Kết nối Wifi Hình 3. Sơ đồ khối hàm kết nối Wifi 3. Hàm callback Hình 3. Sơ đồ khối hàm Callback 25 3.

Đọc dữ liệu cảm biến và gửi lên server Các dữ liệu từ cảm biến mực nước, độ đục, độ pH được đọc qua ADC ADS1115 bằng giao thức I2C, sau đó đọc cảm biến nhiệt độ bằng giao thức OneWire. Tất cả dữ liệu đọc được sẽ được đóng gói thành 1 chuỗi JSON và được gửi lên server bằng phương thức Publish. Tại mặc định, biến TimetoUpdate sẽ có giá trị là 3000ms, khi người dùng thay đổi giá trị này bằng cách nhập lệnh trên dashboard, hệ thống sẽ tự động cập nhật giá trị mới và đưa vào so sánh. Sơ đồ khối hàm đọc dữ liệu cảm biến và gửi lên server 3.

Thiết kế và xây dựng Dashboard Trong hệ thống giám sát chất lượng nước ứng dụng IoT, dashboard đóng vai trò là bảng điều khiển hệ thống, là nơi dữ liệu được hiển thị dưới dạng biểu đồ theo thời gian thực. Dashboard được xây dựng bằng các công cụ của Node-Red trên nền tảng Node. Lấy dữ liệu về server Để lấy dữ liệu từ MQTT broker, server cần phải subscribe vào topic mà ESP32 vừa publish dữ liệu lên.