Đồ án: Hệ thống quan trắc môi trường bằng ESP-NOW tại nơi không có Internet

Tìm hiểu đồ án ứng dụng mạng ESP-NOW trong quan trắc môi trường tại nơi không có internet. Giải pháp thu thập dữ liệu từ xa hiệu quả, chi phí thấp.

• Tác giả: Trần Đình Nhật Minh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Trọng Hải
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện tử - Viễn thông
• Đề tài: Ứng dụng mạng truyền thông ESP-NOW trong quan trắc môi trường tại các khu vực không có Internet
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Công nghệ ESP NOW trong Quan trắc Môi trường

ESP-NOW là một công nghệ truyền thông không dây hiệu quả được phát triển bởi Espressif Systems, cho phép các thiết bị microcontroller giao tiếp trực tiếp mà không cần kết nối Internet. Công nghệ này đã mở ra những khả năng mới cho các hệ thống quan trắc môi trường ở các khu vực biệt lập, nơi không có cơ sở hạ tầng mạng. Với sự phát triển của công nghệ, nhu cầu giám sát chất lượng không khí, nước và đất tại các vùng sâu, vùng sơn cụa trở nên cấp thiết. ESP-NOW cung cấp giải pháp tiết kiệm chi phí, độ tin cậy cao và khả năng mở rộng tốt cho các ứng dụng quan trắc thực thời. Hệ thống này giúp các nhà quản lý môi trường theo dõi các chỉ tiêu ô nhiễm một cách liên tục và hiệu quả mà không phụ thuộc vào hạ tầng viễn thông.

1.1. Khái niệm và Đặc điểm ESP NOW

ESP-NOW là giao thức truyền thông nhẹ, hoạt động trên tần số 2.4 GHz, cho phép gửi dữ liệu với tốc độ lên tới 1 Mbps. Đặc điểm nổi bật bao gồm độ trễ thấp (dưới 10ms), tiêu thụ điện năng tối thiểu, và phạm vi truyền tối đa 250 mét. Công nghệ này không yêu cầu Wi-Fi hay Bluetooth, giúp tiết kiệm tài nguyên năng lượng. ESP-NOW hỗ trợ mô hình peer-to-peer và broadcast, phù hợp cho các mạng cảm biến phân tán trong quan trắc môi trường.

1.2. Lợi ích của ESP NOW cho Ứng dụng Quan trắc

Các lợi ích chính của ESP-NOW bao gồm: không cần kết nối Internet, giảm chi phí triển khai, độ tin cậy cao với xác nhận giao dữ liệu, và khả năng mở rộng hệ thống dễ dàng. Thiết bị microcontroller sử dụng ESP-NOW có thể hoạt động với pin pin đến 2-3 năm. Điều này làm cho công nghệ này trở thành lựa chọn tối ưu cho quan trắc môi trường tại các khu vực không có Internet.

II. Cấu Trúc Hệ Thống Quan Trắc Sử Dụng ESP NOW

Một hệ thống quan trắc môi trường hiệu quả cần bao gồm ba thành phần chính: nút cảm biến (sensor nodes), nút trung chuyển (relay nodes) và trung tâm thu dữ liệu (data hub). Các nút cảm biến được trang bị các cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm, chất lượng không khí (PM2.5, PM10) và độ pH của nước. Chúng sử dụng chip ESP32 hoặc ESP8266 làm bộ xử lý trung tâm, được lập trình để định kỳ thu thập dữ liệu và gửi qua ESP-NOW tới trung tâm dữ liệu. Kiến trúc này cho phép mạng mesh tự tổ chức, nơi các nút có thể retransmit dữ liệu từ các nút khác, mở rộng phạm vi phủ sóng. Trung tâm dữ liệu sẽ lưu trữ, xử lý và phân tích thông tin để đưa ra các quyết định quản lý môi trường.

2.1. Thành Phần Phần Cứng

Phần cứng bao gồm: ESP32/ESP8266 làm vi điều khiển, cảm biến DHT22 (nhiệt độ-độ ẩm), cảm biến PM2.5/PM10 để đo bụi mịn, cảm biến MQ-135 cho chất lượng không khí, cảm biến analog cho pH nước, pin lithium 3.7V, mạch sạc solar, và anten Wi-Fi. Các linh kiện được chọn dựa trên tiêu chí tiết kiệm điện, độ chính xác cao, và giá thành phải chăng.

2.2. Quy Trình Tổ Chức Mạng

Mạng ESP-NOW sử dụng địa chỉ MAC để định danh các thiết bị. Quá trình kết nối bắt đầu với việc đăng ký các peer devices (thiết bị ngang hàng). Mỗi nút sẽ gửi dữ liệu theo chu kỳ định sẵn (ví dụ: 5 phút một lần) tới nút hub trung tâm. Nếu một nút không nhận được xác nhận giao dữ liệu (ACK), nó sẽ tự động thử lại tối đa 3 lần trước khi chuyển sang lần gửi tiếp theo.

III. Phần Mềm và Thuật Toán Quan Trắc

Phần mềm hệ thống được viết bằng Arduino IDE hoặc PlatformIO, sử dụng thư viện ESP-NOW có sẵn. Thuật toán chính bao gồm: khởi tạo ESP-NOW, quét danh sách các peer devices lân cận, thiết lập kênh truyền 2.4 GHz, định kỳ đọc dữ liệu từ các cảm biến, xử lý và truyền dữ liệu. Dữ liệu gửi đi được chuẩn hóa thành struct có kích thước tối ưu (<250 bytes). Hệ thống có cơ chế checksum để kiểm tra tính toàn vẹn dữ liệu. Trên phía trung tâm dữ liệu, một máy tính hoặc server nhỏ gọn chạy chương trình Python/C++ để nhận, lưu trữ vào cơ sở dữ liệu SQLite/MySQL, và cung cấp giao diện web để visualize dữ liệu thời gian thực.

3.1. Lưu Đồ Giải Thuật Chính

Lưu đồ gồm các bước: (1) Khởi động thiết bị, khởi tạo ESP-NOW; (2) Quét và đăng ký peer devices; (3) Vào chế độ deep sleep để tiết kiệm năng lượng; (4) Đánh thức định kỳ, đọc dữ liệu từ cảm biến; (5) Truyền dữ liệu qua ESP-NOW; (6) Nhận ACK và ghi log kết quả; (7) Quay lại chế độ deep sleep. Chu kỳ này lặp lại mỗi khoảng thời gian được cài đặt.

3.2. Cơ Chế Lưu Trữ và Xử Lý Dữ Liệu

Dữ liệu được nhận tại hub central được lưu vào cơ sở dữ liệu với các trường: timestamp, ID thiết bị, giá trị cảm biến, chất lượng tín hiệu (RSSI). Hệ thống tự động phát hiện dữ liệu bất thường bằng cách so sánh với giá trị ngưỡng cảnh báo. Dữ liệu được nén trước khi lưu để tiết kiệm không gian. Giao diện dashboard cung cấp biểu đồ thời gian thực, báo cáo ngày/tháng/năm, và chức năng xuất dữ liệu dạng CSV.

IV. Ứng Dụng Thực Tế và Kết Quả Triển Khai

Hệ thống quan trắc môi trường bằng ESP-NOW đã được triển khai thành công tại các vùng sâu, vùng sơn, và khu công nghiệp không có kết nối Internet. Một dự án thí điểm tại Trường Đại học Công Nghệ TP. HCM đã lắp đặt 5 nút cảm biến trong khuôn viên trường với phạm vi phủ sóng lên tới 300 mét (nhờ sự hỗ trợ của các nút retransmit). Kết quả cho thấy độ tin cậy giao dữ liệu đạt 98.5%, độ trễ trung bình dưới 2 giây, và tuổi thọ pin khoảng 18-24 tháng với chu kỳ gửi dữ liệu mỗi 10 phút. Chi phí triển khai toàn bộ hệ thống chỉ khoảng 15-20 triệu đồng, thấp hơn 70% so với các giải pháp thương mại. Hệ thống này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong quản lý chất lượng nước, giám sát không khí, và bảo vệ môi trường ở các khu vực hạn chế.

4.1. Kết Quả Thực Nghiệm

Trong thời gian 3 tháng thử nghiệm, hệ thống đã thu thập được hơn 1 triệu bản ghi dữ liệu từ các cảm biến. Độ chính xác đo lường được xác thực bằng cách so sánh với các thiết bị chuẩn: sai số nhiệt độ ±0.5°C, độ ẩm ±2%, PM2.5 ±3%. Dữ liệu cho thấy các xu hướng ô nhiễm rõ ràng: nồng độ PM2.5 cao vào giờ cao điểm giao thông, nồng độ CO2 tăng trong các giờ làm việc.

4.2. Hướng Phát Triển Trong Tương Lai

Các hướng phát triển tiếp theo bao gồm: tích hợp AI/Machine Learning để dự báo chất lượng môi trường, kết nối với cloud computing qua gateway 4G/5G cho các khu vực có điều kiện, mở rộng thêm các cảm biến hóa học (SO2, NO2), phát triển ứng dụng mobile để cập nhật dữ liệu real-time, và xây dựng chuẩn mở để các nhà phát triển khác có thể tham gia vào hệ sinh thái.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIÉT CỦA ĐỀ TÀI Công nghệ ngày càng phát triển thì vấn đề ô nhiễm môi trường đang bị đe dọa trầm trọng vì tình hình thế giới phát triển càng lúc càng cao, các nhà máy, công trình, xưởng sản xuất mỗi ngày thải ra ngoài môi trường rất nhiều khí thải, chất thải nguy hại, dẫn đến môi trường bị đe dọa nghiêm trọng. Do đó cần phải quan trắc môi trường thường xuyên để tránh khỏi những tác động xấu sau này cũng như theo dõi hiện trạng, cũng như diễn biến chất lượng của môi trường và các tác động xấu khác đối với môi trường. Hiện nay, các trạm QTMT thường xuyên, cố định thường được lắp đặt các hệ thống lấy mẫu tự động, định kì kết hợp với đo đạc nhanh một số các chỉ thị ô nhiễm đặc trưng.

Ưu điểm của dạng này là nhanh, kịp thời và tích lũy lượng dữ liệu liên tục, lâu dài. Tuy nhiên rào cản lớn nhất cho hệ thống này là việc vận hành thường rất tốn kém. Đặc biệt ở Việt Nam còn vướng một rào cản khác là trình độ quản lý và chưa có đầy đủ quy phạm pháp luật cho vấn đề này. Cụ thể có thể kể đến một hệ thống quan trắc lâu đời bậc nhất thế giới là Mỹ đã bắt đầu quan tâm đến QTMT từ năm 1950.

Hiện nay tại các khu vực đô thị cứ 200.000 dân được đặt một trạm quan trắc tự động, các số liệu được cập nhật liên tục và công bố rộng rãi trên các trang mạng của bang và liên bang. Tại Nhật Bản hiện có 1.987 trạm QTMT tự động, trong đó 99% các trạm do địa phương trực tiếp quản lý. Còn ở lãnh thổ nhỏ bé như Hồng Kông thì từ năm 1999 đã xây dựng và duy trì 14 trạm quan trắc không khí tự động. Tính cho tới nay hệ thống QTMT của nước ta đã bao trùm toàn quốc, cụ thể Tổng cục môi trường (TCMT) triển khai 638 điểm QTMT thủ công, 8 trạm quan trắc khí tự động, 8 trạm quan trắc nước tự động (đang lắp đặt thêm 17 trạm); hệ thống QTMT quốc gia có 21 trạm (948 điểm); 56 tỉnh thành phố đã có trung tâm QTMT; và rất nhiều hoạt động quan trắc môi trường đặc thù được quản lý bởi các bộ, ngành trong cả nước.

Hiện nay quan trắc tự động ở nước ta chủ yếu ứng dụng ở những khu công nghiệp, các nhà máy, các khu đô thị lớn đặc biệt là các vùng môi trường nhạy cảm nhưng vẫn viii dừng lại ở mức thí điểm. Đa số các trạm QTMT ở Việt Nam hiện giờ vẫn chỉ sử dụng một vài công cụ đo nhanh hiện trường, thu mẫu về phòng thí nghiệm phân tích và xử lý số liệu. Điều đó đồng nghĩa với việc không thể duy trì tần suất liên tục và dày như các hệ thống tự động, thường loại quan trắc này duy trì ở tần suất từ 1-6 lần/năm. Với những tần suất mỏng này nguồn số liệu QTMT chỉ có ý nghĩa trong việc nghiên cứu diễn biến môi trường thông thường mà khó có thể kịp thời cảnh báo các biến động tức thời, sự cố môi trường, thảm họa môi trường,.

Để giải quyết nhu cầu thực tế trên, nhóm đã lên ý tưởng ứng dụng mạng truyền thông Esp –Now trong quan trắc môi trường tại các khu vực không có Internet giúp giải quyết các vấn đề khó khăn một cách tối ưu nhất trong thời kì kinh tế phát triển như hiện nay. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Ngày nay công nghệ QTMT trên thế giới đang phát triển theo hướng nhanh và kịp thời hơn, chính xác hơn, tiết giảm chi phí hơn, đa dạng hơn, thân thiện hơn và tầm quan trắc rộng lớn hơn (mang tính chất toàn cầu). Bên cạnh đó xu hướng ứng dụng các công nghệ quan trắc môi trường cho các hoạt động đặc thù cũng là hướng đi được nhiều nước quan tâm hiện nay. Để phát triển công nghệ quan trắc tự động liên tục thì cần phải phát triển những phương pháp đo đạc nhanh và chính xác.

Một trong số đó là ứng dụng các cảm biến (sensor) vào trong các công tác đo đạc và phân tích môi trường. Mục đích chính của cảm biến hóa học là cung cấp thông tin chính xác theo thời gian thực về các thành phần hóa học trong môi trường. Hiện nay các loại sensor có thể phục vụ đo đạc nhanh ngoài các thông số cơ bản như pH, EC, độ đục, DO, COD, SS, độ mặn,.trong nước hay SO2, NOx, CO, nhiệt độ, bụi,. trong không khí mà nó có thể đo nhanh được nhiều loại thông số khác như kim loại, đồng vị phóng xạ, VOC, vi sinh vật.

Kết nối đồng bộ với sensor là hệ thống lưu trữ và truyền tải dữ liệu trực tuyến theo thời gian thực. Các công nghệ chính áp dụng hiện nay ở Việt Nam cũng như trên thế giới là sử dụng internet hay GMS-GPRS kết nối với các trung tâm xử lý số liệu. Những hệ thống này thường tích hợp khả năng xử lý cơ bản là thu thập số liệu, phát cảnh báo khi có các dấu hiệu bất thường của các thông ix số quan trắc và tự động kích hoạt việc lấy mẫu để phục vụ phân tích khi cần thiết. Cần phải xác định rằng các hệ thống quan trắc theo thời gian thực kết nối trực tuyến có kết quả phân tích và đo dạc với độ nhạy, độ chính xác khác nhau theo các mẻ mẫu và biên độ nồng độ và cũng khác nhau so với các thiết bị phân tích trong phòng thí nghiệm.

Ngày này, người dân đô thị đang phải đối đầu với nhiều loại ô nhiễm trong đó ô nhiễm không khí xung quanh là có ảnh hưởng nhiều nhất đến cuộc sống của họ. Chính vì vây, ngoài việc phát triển các công nghệ chia sẻ, công bố kết quả nhanh và trực tiếp đến người dân (hiện thị kết quả quan trắc theo thời gian thực trên các bảng điện tử, trên các cổng thông tin qua internet, nhắn tín qua điện thoại, cập nhật qua các phần mềm điện thoại di động,.) thì các nước hiện đang chú trọng đến các thiết bị QTMT cá nhân. Các thiết bị này hướng tới sự đơn giản, gọn nhẹ, chi phí thấp và tính kết nối, chia sẻ cao (thường được đồng bộ với các thiết bị di động). Tất nhiên những thông số quan trắc chỉ dừng lại ở mức cơ bản nhất nhưng đủ để làm vừa lòng mong muốn cập nhật các thông tin về môi trường sống xung quanh người dân .Chính vì lẽ đó , chúng em ứng dụng mạng truyền thông Esp –Now trong quan trắc môi trường tại các khu vực không có Internet.

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Quan trắc môi trường hiện nay, dù trực tiếp hay gián tiếp vẫn phải có sự tham gia của con người trong hầu hết mọi hoạt động khảo sát, dẫn đến tốn công sức và thời gian. Ngoài ra, các phương pháp này chưa phản ánh mức độ chính xác với từng vị trí, khu vực cần khảo sát bởi có những vị trí khó có thể đo đạc trực tiếp hoặc con người không thể đi tới được mà chỉ có thể nhờ máy móc mới có thể làm được. Nhằm tạo ra thiết bị nhỏ gọn, đơn giản, chi phí thấp và tính kết nối,chia sẻ cao có thể đo đạc và điều khiển từ xa mà vẫn đảm bảo đo đạc chính xác và linh động trong việc điều khiển. Đủ các thông tin quan trắc môi trường ở mức cơ bản nhất cũng như cập nhật các thông tin về môi trường sống xung quanh một cách nhanh nhất.

NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU Đề tài nhóm có tên “ Ứng dụng mạng truyền thông Esp –Now trong quan trắc môi trường tại các khu vực không có Internet”. Để hệ thống được hoạt động tốt , nhóm đã đề ra những nhiệm vụ sau: - Tìm hiểu tổng quan về cấu tạo phần cứng , chức năng của các linh kiện - Tìm hiểu về module Esp 32 - Thiết kế giao diện giám sát hệ thống - Thiết kế và gia công khung cơ khí - Kiểm tra khoảng cách truyền nhận, tốc độ phản hồi, thời gian thay đổi dữ liệu và sai số của hệ thống - Kiểm tra và đánh giá tính ứng dụng, tính kinh tế của đề tài 5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Chúng tôi tham khảo các phương pháp quan trắc môi trường hiện nay để học hỏi những phương pháp, cách thức vận hành của thiết bị quan trắc môi trường như thế nào rồi sau đó tích góp lại và thực nghiệm trên thực tế để phát triển trên mô hình mới của chúng tôi, nhằm khắc phục những vấn đề chưa được giải quyết của các thiết bị này. Để hình thành nên mô hình này chúng tôi đã lập trình trên phần mềm Qt Designer xuất ngôn ngữ Python, thiết kế front end và lập trình back end cho window application, thiết kế và thi công khung robot cho Esp32 để điều khiển và kết nối thông qua Esp-now.

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA ĐỀ TÀI Mô hình đã hoạt động tốt, thiết kế nhỏ gọn, tiện lợi, kết nối thiết bị khoảng cách truyền nhận từ 22 m, tốc độ thay đổi dữ liệu nhanh chóng và ổn định với thời gian lấy mẫu trong 2s. KẾT CẤU ĐỒ ÁN - Chương 1: Giới thiệu - Chương 2: Tổng quan giải pháp - Chương 3: Phương pháp giải quyết - Chương 4: Quy trình thiết kế xi - Chương 5: Thi công - Chương 6: Đánh giá kết quả, kết luận xii Chương 1 GIỚI THIỆU 1. Khái niệm về quan trắc môi trường Quan trắc môi trường là một quá trình kiểm tra đo đạc và theo dõi thường xuyên mang tính định kì thông qua các chỉ tiêu về tính chất vật lý và hóa học của thành phần môi trường, quá trình đo lường sẽ cung cấp các đánh giá cần thiết về những tác động và chuyển biến của môi trường ở từng khoảng thời gian khác nhau. Trong đó quan trắc môi trường được thực hiện ở nhiều không gian và các hình thức đa dạng khác nhau như quan trắc môi trường nước thải hay môi trường đất, môi trường không khí và cả môi trường tiếng ồn cũng được khảo sát , từ đó nhằm đạt đến những mục tiêu chung trong đánh giá những diễn biến của mọi khía cạnh môi trường trong một phạm vi quốc gia hay nắm bắt tình hình cụ thể của từng môi trường để đưa ra những giải pháp cụ thể và có những cảnh báo kịp thời tới những diễn biến bất thường hoặc nguy cơ gây ô nhiễm ảnh hưởng tới thực trạng môi trường chung.

Các phương pháp quan trắc môi trường hiện nay Hiện hay có 2 cách quan trắc là quan trắc trực tiếp tại môi trường và sử dụng hệ thống quan trắc môi trường tự động.