Thiết kế và xây dựng mô hình xe giám sát chất lượng môi trường từ xa

Thiết kế và xây dựng mô hình phương tiện giám sát chất lượng môi trường từ xa, ứng dụng công nghệ hiện đại để bảo vệ môi trường hiệu quả.

• Tác giả: Le Thanh Tung
• Người hướng dẫn: M.Eng Ngo Ba Viet
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology and Education
• Chuyên ngành: Electronic and Communication Engineering Technology
• Đề tài: Design and construct a model of vehicle to monitor the quality of environment remotely
• Loại tài liệu: graduation thesis
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: INTRODUCTION
• 1.1. THESIS REPORT OUTLINE
• 2. CHƯƠNG 2: LITERATURE REVIEW
• 2.1. REMOTED-CONTROL CAR MODEL
• 2.2. INTERNET OF THINGS (IoT)
• 2.3. Overview of AlphaBot2
• 2.4. System block diagram design. Circuit design and calculation
• 2.5. Set up to run dht11 and control car
• 2.6. Set up Camera
• 2.7. Set up to get information from sensor send to Web Server
• 2.8. Set up web server for Raspberry pi
• 2.9. LogMeIn Hamachi Software
• 3. CHƯƠNG 3: METHODOLOGY
• 4. CHƯƠNG 4: EXPERIMENT RESULTS
• 4.1. The operating of model
• 4.2. Model construction results
• 4.3. The users interface of controlling on web server
• 5. CHƯƠNG 5: CONCLUSIONS AND DEVELOPMENT
• PHỤ LỤC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Dự án 'Thiết kế và xây dựng mô hình xe giám sát chất lượng môi trường từ xa' nhằm mục đích phát triển một hệ thống giám sát môi trường hiệu quả. Mô hình này sử dụng công nghệ hiện đại để thu thập và truyền tải dữ liệu về chất lượng không khí, bao gồm các thông số như nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ khí độc hại. Việc giám sát chất lượng môi trường là rất cần thiết trong bối cảnh ô nhiễm không khí ngày càng gia tăng, ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Mô hình xe giám sát này không chỉ giúp theo dõi chất lượng môi trường mà còn cung cấp thông tin kịp thời để đưa ra các biện pháp bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

1.1. Tầm quan trọng của giám sát chất lượng môi trường

Giám sát chất lượng môi trường là một yếu tố quan trọng trong việc bảo vệ sức khỏe con người và hệ sinh thái. Ô nhiễm không khí có thể gây ra nhiều bệnh lý nghiêm trọng, đặc biệt là ở trẻ em và người già. Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), gần như toàn bộ dân số toàn cầu hít thở không khí vượt quá giới hạn an toàn. Do đó, việc phát triển các mô hình giám sát như mô hình xe giám sát chất lượng môi trường từ xa là cần thiết để cung cấp dữ liệu chính xác và kịp thời về tình trạng ô nhiễm.

II. Thiết kế mô hình xe giám sát

Mô hình xe giám sát được thiết kế dựa trên nền tảng của bộ kit AlphaBot2, kết hợp với Raspberry Pi để thu thập và truyền tải dữ liệu. Mô hình này bao gồm các cảm biến như DHT11 để đo nhiệt độ và độ ẩm, MQ135 để đo nồng độ khí độc hại. Hệ thống được lập trình để gửi dữ liệu thu thập được lên một máy chủ web, cho phép người dùng theo dõi chất lượng môi trường từ xa. Việc thiết kế và xây dựng mô hình này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao khả năng giám sát trong các khu vực khó tiếp cận.

2.1. Các thành phần chính của mô hình

Mô hình xe giám sát bao gồm các thành phần chính như: cảm biến DHT11, cảm biến MQ135, Raspberry Pi, và các mạch điện điều khiển. Cảm biến DHT11 có nhiệm vụ đo nhiệt độ và độ ẩm, trong khi cảm biến MQ135 đo nồng độ khí độc hại. Raspberry Pi đóng vai trò là bộ điều khiển trung tâm, xử lý dữ liệu từ các cảm biến và truyền tải thông tin lên máy chủ web. Hệ thống này cho phép người dùng theo dõi chất lượng môi trường một cách dễ dàng và hiệu quả.

III. Công nghệ giám sát từ xa

Công nghệ giám sát từ xa sử dụng Internet of Things (IoT) để kết nối các thiết bị và thu thập dữ liệu. Mô hình xe giám sát chất lượng môi trường từ xa sử dụng công nghệ này để truyền tải thông tin về chất lượng không khí đến người dùng. Việc sử dụng IoT không chỉ giúp cải thiện khả năng giám sát mà còn tạo ra một hệ thống thông minh, cho phép người dùng nhận thông báo kịp thời về tình trạng ô nhiễm. Hệ thống này có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ nông nghiệp đến quản lý đô thị.

3.1. Lợi ích của công nghệ IoT trong giám sát môi trường

Công nghệ IoT mang lại nhiều lợi ích trong việc giám sát môi trường. Nó cho phép thu thập dữ liệu theo thời gian thực, giúp người dùng có thể đưa ra quyết định nhanh chóng và chính xác. Hệ thống giám sát môi trường từ xa không chỉ giúp phát hiện ô nhiễm mà còn cung cấp thông tin cần thiết để thực hiện các biện pháp khắc phục. Ngoài ra, việc sử dụng IoT còn giúp tiết kiệm chi phí và thời gian trong quá trình giám sát.

IV. Kết quả và ứng dụng thực tiễn

Mô hình xe giám sát chất lượng môi trường từ xa đã được thử nghiệm và cho kết quả khả quan. Hệ thống hoạt động ổn định, có khả năng thu thập và truyền tải dữ liệu một cách chính xác. Các thông số về chất lượng không khí được cập nhật liên tục trên máy chủ web, cho phép người dùng theo dõi tình trạng ô nhiễm một cách dễ dàng. Mô hình này có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ giám sát chất lượng không khí trong các khu công nghiệp đến việc theo dõi ô nhiễm trong các khu vực đô thị.

4.1. Ứng dụng trong thực tiễn

Mô hình xe giám sát chất lượng môi trường từ xa có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong nông nghiệp, nó có thể giúp theo dõi chất lượng không khí để đảm bảo sức khỏe cây trồng. Trong quản lý đô thị, mô hình này có thể được sử dụng để giám sát ô nhiễm không khí, từ đó đưa ra các biện pháp cải thiện chất lượng môi trường. Hệ thống cũng có thể được áp dụng trong các nghiên cứu khoa học để thu thập dữ liệu về ô nhiễm không khí.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển của khoa học và công nghệ mang lại nhiều cải thiện về điều kiện sống và phương tiện làm việc hiện đại. Tuy nhiên, sự gia tăng của các hoạt động sản xuất công nghiệp, thiết bị gia dụng đốt nhiên liệu, phương tiện giao thông và các hiện tượng tự nhiên như cháy rừng đã gây ra tình trạng ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, trong đó ô nhiễm không khí là vấn đề nguy hại hàng đầu đối với sức khỏe con người. Theo dữ liệu từ Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), gần 99% dân số toàn cầu phải hít thở không khí vượt quá giới hạn hướng dẫn về chất lượng không khí, trong đó các quốc gia có thu nhập thấp và trung bình chịu mức độ phơi nhiễm cao nhất. Khoảng 2,4 tỷ người tiếp xúc với mức độ ô nhiễm không khí nguy hại trong nhà bắt nguồn từ việc sử dụng các loại bếp nấu hở sử dụng nhiên liệu hóa thạch, sinh khối hoặc than đá.

Các chất gây ô nhiễm không khí chính bao gồm bụi mịn (PM), carbon monoxide (CO), ozone ($O_3$), nitrogen dioxide ($NO_2$) và sulfur dioxide ($SO_2$). Những hạt bụi siêu mịn và khí độc có khả năng xâm nhập sâu vào phổi, đi vào hệ tuần hoàn máu và lan truyền đến các cơ quan nội tạng, dẫn đến các bệnh về tim mạch, hen suyễn, ung thư phổi và viêm hệ thống. Trẻ em với hệ thống miễn dịch chưa hoàn thiện là đối tượng chịu tổn thương nặng nề nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình phát triển thể chất. Do đó, việc giám sát các chỉ số chất lượng không khí là yêu cầu thiết thực để đưa ra các biện pháp bảo vệ sức khỏe con người.

Từ yêu cầu thực tế đó, đề tài "Thiết kế và xây dựng mô hình xe giám sát chất lượng môi trường từ xa" (Design and Construct a Model of a Vehicle to Monitor the Quality of the Environment Remotely) được thực hiện bởi nhóm sinh viên Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Đề tài tập trung vào việc tạo ra một thiết bị có khả năng di chuyển vào các khu vực không gian hẹp, độc hại hoặc ngoài tầm quan sát trực tiếp của con người để thu thập dữ liệu môi trường và truyền phát hình ảnh trực tiếp qua Internet.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể trong văn bản:

1. Nhiệm vụ 1: Nghiên cứu tổng quan và tìm hiểu các tài liệu, mô hình liên quan đến đề tài.
2. Nhiệm vụ 2: Nghiên cứu và lựa chọn các linh kiện phần cứng, cảm biến và bộ điều khiển thích hợp.
3. Nhiệm vụ 3: Xây dựng lưu đồ giải thuật; lập trình giao tiếp giữa vi điều khiển chính và các thiết bị ngoại vi.
4. Nhiệm vụ 4: Thiết kế, lắp ráp hoàn chỉnh mô hình hệ thống; chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh thông số hoạt động.
5. Nhiệm vụ 5: Viết báo cáo tổng kết và chuẩn bị tài liệu bảo vệ đề tài tốt nghiệp.

Đối tượng nghiên cứu là mô hình xe robot giám sát môi trường tích hợp vi điều khiển Raspberry Pi 4B, Arduino Nano, các cảm biến nhiệt độ - độ ẩm (DHT11), cảm biến chất lượng không khí (MQ135), module camera và giao diện điều khiển web server. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc điều khiển xe di chuyển qua mạng, truyền luồng video thời gian thực và ghi nhận dữ liệu môi trường đưa lên nền tảng đám mây IoT.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài dựa trên nền tảng Internet of Things (IoT) và các giao thức truyền thông dữ liệu phần cứng:

• Internet of Things (IoT): Khái niệm do Kevin Ashton đề xuất năm 1999 tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), mô tả mạng lưới các đối tượng vật lý tích hợp cảm biến, bộ điều khiển và phần mềm nhằm trao đổi dữ liệu qua mạng với máy chủ đám mây.
• Giao thức UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter): Giao thức truyền thông nối tiếp bất đồng bộ. Dữ liệu nhị phân truyền nối tiếp theo khung bao gồm bit Start ('0'), chuỗi dữ liệu (LSB gửi trước), bit chẵn/lẻ (Parity bit: '0' ứng với chẵn, '1' ứng với lẻ) và bit Stop. Tốc độ truyền baud xác định độ trễ thời gian cho từng bit truyền (ví dụ: tốc độ 9600 baud tương ứng độ trễ 108 µs/bit).
• Giao thức I2C (Inter-Integrated Circuit): Giao thức truyền thông đồng bộ hai dây sử dụng đường dữ liệu nối tiếp (SDA) và đường xung nhịp nối tiếp (SCL), hỗ trợ cấu hình Master - Slave với khả năng định địa chỉ tối đa 128 thiết bị ngoại vi trên cùng một bus.
• Các chuẩn mạng không dây Wi-Fi (IEEE 802.11): Báo cáo tổng hợp các đặc tính kỹ thuật của các chuẩn mạng không dây từ năm 1999 đến 2019:

Chuẩn Wi-Fi	Năm phát hành	Tần số hoạt động	Băng thông tối đa	Đặc điểm chính
802.11	1997	2.4 GHz	2 Mbps	Băng thông thấp, hạn chế truyền dữ liệu
802.11b	1999	2.4 GHz	11 Mbps	Giá thành hợp lý, dễ bị nhiễu sóng băng tần 2.4 GHz
802.11a	1999	5 GHz	54 Mbps	Tốc độ cao, tránh nhiễu, tầm phủ sóng hẹp hơn
802.11g	2003	2.4 GHz	54 Mbps	Kết hợp chuẩn b và a, cự ly hoạt động rộng
802.11n	2009	2.4 GHz & 5 GHz	100 Mbps	Sử dụng công nghệ đa ăng-ten MIMO
802.11ac	2013	5 GHz	1 Gbps	Mở rộng chuẩn n, hỗ trợ tối đa 8 luồng dữ liệu MIMO
802.11ad	-	60 GHz	70 Gbps	Tần số 60 GHz bị hấp thụ bởi oxy, dùng cho điểm - điểm

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai bao gồm:

• Phương pháp nghiên cứu tài liệu kỹ thuật, datasheet của vi điều khiển, cảm biến và IC điều khiển.
• Phương pháp thiết kế hệ thống nhúng phối hợp: phân chia tác vụ xử lý giữa máy tính nhúng trung tâm (Raspberry Pi 4B) và vi điều khiển thu thập tín hiệu (Arduino Nano).
• Phương pháp thực nghiệm mô hình hóa: xây dựng phần cứng thực tế trên khung xe AlphaBot2, lập trình điều khiển, đo đạc thử nghiệm khả năng vận hành và hiệu chỉnh dữ liệu cảm biến.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc gồm 8 khối chức năng liên kết với nhau:

1. Phần cứng và linh kiện sử dụng

Thông số kỹ thuật các thành phần phần cứng được tác giả tổng hợp chi tiết:

Khối chức năng	Tên linh kiện / Thiết bị	Thông số kỹ thuật chính
Khung xe robot	Waveshare AlphaBot2	Tầng đế (AlphaBot2-Base): Cảm biến dò line 5 kênh, cảm biến hồng ngoại ST188, ITR20001/T, bộ so sánh LM393, LED WS2812B, 2 động cơ vi sai N20 (tỉ số truyền 1:30, 6V/600RPM), bánh xe cao su đường kính 42mm, khay pin 14500. Tầng điều khiển (AlphaBot2-Pi): Mạch ổn áp LM2596 (5V), chip ADC TLC1543 10-bit, chip điều khiển servo PCA9685, mạch chuyển đổi USB-UART CP2102, còi Buzzer.
Điều khiển trung tâm	Raspberry Pi 4 Model B	Chip SoC Broadcom BCM2711 4 nhân Cortex-A72 64-bit @1.5GHz; Wi-Fi chuẩn 802.11ac, Bluetooth 5.0; 40 chân GPIO; cổng MIPI CSI cho camera; hệ điều hành Raspberry Pi OS.
Vi điều khiển phụ	Arduino Nano	Vi điều khiển ATmega328, điện áp 5V, bộ nhớ Flash 32KB (2KB bootloader), 2KB SRAM, 1KB EEPROM, xung nhịp 16MHz, 8 chân Analog in, 22 chân Digital I/O (6 kênh PWM).
Cảm biến nhiệt/ẩm	DHT11	Điện áp 3.5V - 5.5V; truyền thông 1 dây (Single-bus); dải đo nhiệt độ 0°C đến 50°C (sai số ±2°C); dải đo độ ẩm 20% đến 90% (sai số ±5%).
Cảm biến khí gas	MQ135	Phát hiện khí độc, khói, $NH_3$, Alcohol, $CO_2$; điện áp mạch $\le 24\text{V}$ DC; điện áp sấy $5.1\text{V}$; công suất sấy $\le 950\text{mW}$; ngõ ra Analog Output và Digital Output qua biến trở điều chỉnh ngưỡng.
Mạch lái động cơ	TB6612FNG	Driver cầu H kép điều khiển 2 động cơ DC, dòng định mức cao hơn và tản nhiệt ít hơn L298P; 4 chế độ hoạt động: quay thuận (CW), quay nghịch (CCW), phanh ngắn (Short brake) và dừng (Stop).
Động cơ servo	SG90	Điện áp 5V; lực kéo $2.5\text{kg/cm}$; tốc độ $0.1\text{s}/60^\circ$; góc quay $0^\circ - 180^\circ$; điều khiển bằng xung PWM chu kỳ 20ms (50Hz), thời gian mức cao $1\text{ms} (0^\circ)$, $1.5\text{ms} (90^\circ)$, $2\text{ms} (180^\circ)$.
Camera	Raspberry Pi Camera V1.3	Cảm biến OV5647 5MP (độ phân giải $2592 \times 1944$ pixels); hỗ trợ chế độ video 1080p30, 720p60, 640x480p60/90; góc nhìn $62.2^\circ$; kích thước $25 \times 24 \times 9\text{ mm}$, trọng lượng 3g.

2. Triển khai phần mềm và giao tiếp hệ thống

Hệ thống phần mềm được xây dựng qua các bước tích hợp:

• Cài đặt môi trường: Sử dụng VNC Viewer kết nối Raspberry Pi qua địa chỉ IP cục bộ. Cài đặt Python 3, IDLE 3 và Arduino IDE trên hệ điều hành của Raspberry Pi.
• Truyền luồng hình ảnh (Camera Streaming): Sử dụng gói phần mềm mjpg-streamer biên dịch từ mã nguồn mjpg-streamer-experimental qua CMake và GCC/G++. Luồng video định dạng JPEG được trích xuất từ camera module (input_raspicam.so) và phát ra cổng mạng HTTP (output_http.so) tại cổng 8080.
• Xây dựng Web Server: Ứng dụng micro-framework Bottle trong môi trường Python trên Raspberry Pi để tạo máy chủ HTTP nhẹ phục vụ giao diện điều khiển robot và nhúng luồng camera cùng đồ thị dữ liệu.
• Thu thập và đẩy dữ liệu môi trường: Arduino Nano đọc dữ liệu định kỳ từ cảm biến DHT11 và MQ135, truyền chuỗi dữ liệu nối tiếp qua giao tiếp UART đến Raspberry Pi. Mã nguồn Python trên Raspberry Pi nhận dữ liệu, xử lý và đẩy lên các kênh (Channel / Fields) của nền tảng ThingSpeak thông qua Write API Key.
• Tạo mạng kết nối từ xa: Cài đặt phần mềm LogMeIn Hamachi nhằm tạo mạng riêng ảo (VPN) kết nối máy tính điều khiển và Raspberry Pi, cho phép vận hành xe từ xa qua mạng ngoài mà không bị giới hạn trong mạng LAN cục bộ.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu (Introduction)

Chương mở đầu phân tích bối cảnh ô nhiễm môi trường, sự cần thiết của việc giám sát các chỉ số không khí đối với sức khỏe cộng đồng và trẻ em. Tác giả trình bày mục tiêu xây dựng một mô hình xe robot điều khiển từ xa, xác định 5 nhiệm vụ triển khai, phương pháp nghiên cứu và nêu rõ 5 điểm hạn chế kỹ thuật của hệ thống.

Chương 2: Tổng quan tài liệu (Literature Review)

Chương 2 cung cấp kiến thức nền tảng về:

• Phân loại mô hình điều khiển từ xa: điều khiển cự ly ngắn (bằng remote điều khiển trực tiếp, độ trễ thấp nhưng phạm vi hẹp) và điều khiển cự ly dài (thông qua môi trường mạng Internet và máy chủ web, phạm vi hoạt động rộng nhưng độ trễ phụ thuộc vào đường truyền mạng).
• Bản chất mạng IoT và ứng dụng trong nông nghiệp, nhà thông minh, cảnh báo cháy và ngập lụt.
• Nguyên lý định dạng khung truyền UART (Start bit, Data bits, Parity, Stop bit) và giao thức I2C (quan hệ Master - Slave, điều kiện Start/Stop, tín hiệu ACK).
• Tổng quan tiến trình phát triển của các chuẩn mạng không dây IEEE 802.11 từ 802.11 gốc đến 802.11ad.
• Cấu tạo phần cứng và sơ đồ chức năng của bộ kit robot AlphaBot2 (gồm module AlphaBot2-Base và AlphaBot2-Pi).

Chương 3: Phương pháp và thiết kế hệ thống (Methodology)

Chương 3 trình bày chi tiết sơ đồ khối hệ thống gồm 8 khối chức năng, nguyên lý hoạt động và việc lựa chọn thông số cho từng khối phần cứng. Tác giả xây dựng các lưu đồ thuật toán điều khiển tổng thể, lưu đồ điều khiển chuyển động xe (tiến, lùi, rẽ trái, rẽ phải, dừng) và lưu đồ điều khiển góc quay camera (lên, xuống, trái, phải). Chương này cũng hướng dẫn từng bước cài đặt phần mềm trên Raspberry Pi: cấu hình VNC, cài đặt mjpg-streamer, cấu hình kênh ThingSpeak, lập trình Python kết hợp framework Bottle và thiết lập mạng VPN qua LogMeIn Hamachi.

Chương 4: Kết quả thực nghiệm (Experiment Results)

Trình bày kết quả lắp ráp hoàn chỉnh mô hình thực tế của xe robot:

• Hình ảnh bố trí các linh kiện trên thân xe: Arduino Nano, module MQ135, DHT11, module camera trên cơ cấu xoay servo và mạch Raspberry Pi 4B.
• Giao diện người dùng trên web server được chia làm hai phần: nửa trên hiển thị khung hình ảnh trực tiếp từ camera cùng các nút điều hướng chuyển động của xe và góc quay camera; nửa dưới nhúng các biểu đồ đường thời gian thực (Line chart) từ ThingSpeak hiển thị nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ chất lượng không khí/CO2.
• Kết quả thử nghiệm độ nhạy của cảm biến MQ135 khi có nguồn kích thích (ngọn lửa/khí từ bật lửa) cho thấy đồ thị nồng độ tăng vọt rõ rệt so với trạng thái không khí bình thường.
• Bảng so sánh dữ liệu đo đạc thực tế của hệ thống với các giá trị đối chứng.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển (Conclusions and Development)

Đánh giá mức độ hoàn thành nhiệm vụ theo tiến độ và mục tiêu đề ra; tổng kết các ưu điểm về khả năng tự chủ phần cứng, phần mềm và xác định các nội dung cần cải tiến cho giai đoạn tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả thực nghiệm chính

• Xây dựng thành công mô hình phần cứng xe robot tích hợp hoàn chỉnh khối điều khiển trung tâm Raspberry Pi 4B, vi điều khiển phụ Arduino Nano và các cơ cấu cảm biến, camera, động cơ.
• Thiết lập luồng truyền phát video trực tiếp ổn định từ camera OV5647 qua mjpg-streamer đến máy chủ web.
• Vận hành cơ cấu xoay 2 trục của camera thông qua 2 động cơ servo SG90 nhận lệnh điều khiển từ giao diện web, mở rộng góc quan sát của người dùng.
• Thu thập chính xác dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm từ DHT11 và phát hiện sự thay đổi nồng độ khí từ cảm biến MQ135, truyền tải dữ liệu thành công qua giao thức UART lên Raspberry Pi và tự động cập nhật lên nền tảng ThingSpeak dưới dạng đồ thị trực quan.
• Kết nối thành công hệ thống qua mạng diện rộng thông qua VPN LogMeIn Hamachi, cho phép vận hành xe ngoài mạng nội bộ.
• Đồ án được giảng viên hướng dẫn đánh giá hoàn thành đúng tiến độ, đáp ứng đúng mục đích sử dụng và đạt mức điểm 6.5 (Xếp loại Khá/Good).

2. Đóng góp của đề tài

• Đưa ra giải pháp tích hợp phần cứng kết hợp linh hoạt giữa máy tính nhúng Raspberry Pi 4B (đảm nhiệm xử lý mạng, truyền hình ảnh, máy chủ web) và vi điều khiển Arduino Nano (chuyên trách đọc tín hiệu cảm biến thời gian thực), giúp tối ưu hóa tài nguyên phần cứng.
• Cung cấp tài liệu quy trình từng bước về cấu hình và kết hợp các công cụ mã nguồn mở (mjpg-streamer, Bottle, ThingSpeak, Hamachi) trong các ứng dụng robot giám sát môi trường không dây.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế kỹ thuật được tác giả xác định

• Tốc độ truyền tín hiệu: Phụ thuộc hoàn toàn vào băng thông và chất lượng của đường truyền kết nối Internet.
• Khả năng chịu thời tiết: Khung xe và mạch điện không có vỏ bọc chống nước, không thể vận hành trong điều kiện trời mưa hoặc ẩm ướt cao.
• Chất lượng truyền hình ảnh: Do sử dụng module camera chi phí thấp nên hình ảnh chụp và phát trực tiếp còn tồn tại độ trễ (delay-time).
• Quản lý năng lượng: Hệ thống chưa trang bị mạch giám sát dung lượng pin theo thời gian thực, khiến người điều khiển không dự đoán được thời điểm xe cạn pin.
• Định vị không gian: Xe chưa được tích hợp module định vị toàn cầu (GPS), gây khó khăn cho người điều khiển trong việc xác định vị trí thực tế của xe trong không gian rộng.

2. Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo

• Thiết kế bổ sung vỏ bọc kín kháng nước và chống bụi cho toàn bộ khung xe và mạch điện tử.
• Tích hợp module GPS để cung cấp tọa độ địa lý của xe trên bản đồ giao diện điều khiển.
• Lắp đặt mạch đo và cảnh báo mức điện áp pin về máy chủ web.
• Nâng cấp module camera chất lượng cao hơn và tối ưu hóa giải thuật nén luồng video nhằm giảm thiểu độ trễ truyền dữ liệu.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo thực tế cho sinh viên và người nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Kỹ thuật Máy tính, Cơ điện tử và Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa:

• Tham khảo thiết kế hệ thống nhúng phối hợp: Cách thức thiết kế mạch kết nối, phân bổ nhiệm vụ xử lý giữa Raspberry Pi và Arduino qua giao thức truyền thông nối tiếp UART.
• Tham khảo cấu hình phần mềm nhúng: Toàn bộ tập lệnh cài đặt và cấu hình thư viện mjpg-streamer, framework Bottle, API ThingSpeak và mạng VPN Hamachi.
• Tham khảo giao tiếp cảm biến và điều khiển động cơ: Sơ đồ kết nối và thuật toán điều khiển động cơ DC qua driver TB6612FNG, điều khiển góc quay servo SG90 bằng xung PWM và đọc dữ liệu từ cảm biến DHT11, MQ135.

Câu hỏi thường gặp

1. Vai trò của vi điều khiển phụ Arduino Nano trong hệ thống là gì?

Arduino Nano đóng vai trò là khối xử lý phụ (Sub-control unit block), nhận nhiệm vụ đọc các tín hiệu số từ cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 và tín hiệu tương tự/số từ cảm biến chất lượng không khí MQ135. Sau đó, Arduino đóng gói và gửi dữ liệu môi trường này sang vi điều khiển trung tâm Raspberry Pi 4B thông qua giao tiếp nối tiếp UART (chân TX/RX).

2. Động cơ servo SG90 điều khiển góc quay camera được cấu hình tín hiệu như thế nào?

Động cơ servo SG90 được cấp nguồn 5V và điều khiển bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) với tần số 50Hz (chu kỳ 20ms). Góc quay từ $0^\circ$ đến $180^\circ$ tương ứng với độ rộng xung mức cao (On-Time) từ 1ms đến 2ms (trong đó 1ms tương ứng $0^\circ$, 1.5ms tương ứng $90^\circ$ và 2ms tương ứng $180^\circ$).

3. Vì sao tác giả lựa chọn mạch lái động cơ TB6612FNG thay vì dòng IC L298P truyền thống?

Theo phân tích phần cứng trong văn bản, IC điều khiển động cơ cầu H kép TB6612FNG được tích hợp sẵn trên đế AlphaBot2-Base mang lại hiệu suất làm việc cao hơn, kích thước nhỏ gọn hơn và tỏa nhiệt ít hơn đáng kể so với mạch điều khiển sử dụng IC L298P.

4. Dữ liệu môi trường được lưu trữ và hiển thị trên giao diện người dùng bằng công nghệ nào?

Dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ khí độc được Raspberry Pi gửi lên nền tảng đám mây ThingSpeak thông qua Write API Key. Sau đó, các biểu đồ đường (Line chart) từ các Channel Fields của ThingSpeak được trích xuất mã nhúng iframe để hiển thị trực tiếp trên giao diện web server viết bằng Python framework Bottle.

5. Giải pháp nào được sử dụng để điều khiển xe từ xa qua mạng diện rộng ngoài mạng LAN?

Nhóm tác giả sử dụng phần mềm tạo mạng riêng ảo LogMeIn Hamachi được cài đặt trên Raspberry Pi và thiết bị người dùng. Hamachi tạo ra một đường truyền VPN an toàn qua Internet, cho phép máy tính điều khiển truy cập vào địa chỉ IP nội bộ của Raspberry Pi từ bất kỳ vị trí địa lý nào có kết nối Internet.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và xây dựng mô hình xe giám sát chất lượng môi trường từ xa" đã hoàn thành việc thiết kế, chế tạo và vận hành thử nghiệm thành công một mô hình robot di động dựa trên nền tảng Raspberry Pi 4B, Arduino Nano và kit Waveshare AlphaBot2. Hệ thống thực hiện đầy đủ các chức năng điều khiển chuyển động, truyền hình ảnh trực tiếp, xoay camera đa hướng và quan trắc các thông số nhiệt độ, độ ẩm, chất lượng không khí qua giao diện máy chủ web. Kết quả nghiên cứu là nền tảng kỹ thuật hữu ích để tiếp tục hoàn thiện các thiết bị giám sát môi trường tự hành hoạt động tại các khu vực nguy hiểm trong thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY FOR HIGH QUALITY TRAINING CAPSTONE PROJECT ELECTRONIC AND COMMUNICATION DESIGN AND CONSTRUCT A MODEL OF VEHICLE TO MONITOR THE QUALITY OF ENVIRONMENT REMOTELY LECTURER: M.Eng NGO BA VIET STUDENT: LE THANH TUNG NGUYEN LE DUY SKL 0 0 9 3 1 4 Ho Chi Minh City, 2022 HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY FOR HIGH QUALITY TRAINING -------------- GRADUATION THESIS DESIGN AND CONSTRUCT A MODEL OF VEHICLE TO MONITOR THE QUALITY OF ENVIRONMENT REMOTELY LE THANH TUNG Student ID: 17141036 NGUYEN LE DUY Student ID: 17141002 Major: ELECTRONIC AND COMMUNICATION ENGINEERING TECHNOLOGY Advisor: NGO BA VIET, M. Ho Chi Minh City, July 2022 THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- Ho Chi Minh City, July 30th, 2022 ADVISOR’S EVALUATION SHEET Student name: Le Thanh Tung Student ID: 17141036 Student name: Nguyen Le Duy Student ID: 17141002 Major: Electronics and Communication Engineering Technology Project title: Design and construct a model of vehicle to monitor the quality of environment remotely. Ngo Ba Viet EVALUATION 1. Content of the project: - Project completed on schedule.

The model works according to its intended purpose. Strengths: - Students actively self-study to program hardware and applications. In addition, students have good ability to design and construct electrical circuits. Approval for oral defense? (Approved or denied): Approved 5.

Overall evaluation: (Excellent, Good, Fair, Poor): Good 6.5 Ho Chi Minh City, July 30th , 2022 ADVISOR (Sign with full name) iii THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- Ho Chi Minh City, July 30th, 2022 PRE-DEFENSE EVALUATION SHEET Student name: Le Thanh Tung Student ID: 17141036 Student name: Nguyen Le Duy Student ID: 17141002 Major: Electronics and Communication Engineering Technology Project title: design and construct a model of vehicle to monitor the quality of environment remotely Name of Reviewer:. Content and workload of the project. Approval for oral defense? (Approved or denied) .) Ho Chi Minh City, day….month……year…… REVIEWER (Sign with full name) iii THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- Ho Chi Minh City, July 30th, 2022 EVALUATION SHEET OF DEFENSE COMMITTEE MEMBER Student name: Le Thanh Tung Student ID: 17141036 Student name: Nguyen Le Duy Student ID: 17141002 Major: Electronics and Communication Engineering Technology Project title: Design and construct a model of vehicle to monitor the quality of environment remotely Advisor: M. Ngo Ba Viet Name of Defense Committee Member:.

Content and workload of the project .) Ho Chi Minh City, day….year COMMITTEE MEMBER (Sign with full name) iv HCMC University of Technology and Education Socialist Republic of Vietnam Faculty for High Quality training Independence - Liberty – Happiness Ho Chi Minh City, July 30th, 2022 PROJECT ASSIGNMENT Name of Members: Le Thanh Tung Student ID: 17141036 Nguyen Le Duy Student ID: 17141002 Training system: Regular university Major: Electronics and communication engineering technology Class: 17141CLA I. NAME OF PROJECT: DESIGN AND CONSTRUCT A MODEL OF A VEHICLE TO MONITOR THE QUALITY OF THE ENVIRONMENT REMOTELY II. The original figures - Recognize the urgency and importance of the monitor and control system. - Conducting research, studying materials, current models related to the topic for comparison and improvement.

Content of implementation Task 1: Brainstorm and research related topics. Task 2: Research and select components. Task 3: Draw algorithm flowchart. Write a program to communicate between the main microcontroller and peripheral devices Task 4: Design and build complete system model.

Run tests and calibrate the system. Task 5: Write a report. DATE OF RECEIVING TASK: IV. DATE OF TASK COMPLETION: V.

Ngo Ba Viet CHAIR OF THE PROGRAM ADVISOR (Sign with full name) (Sign with full name) v HCMC University of Technology and Education Socialist Republic of Vietnam Faculty for High Quality training Independence - Liberty – Happiness Ho Chi Minh City, July 30th, 2022 PROJECT IMPLEMENT SCHEDULE Name of Members: Le Thanh Tung Student ID: 17141036 Nguyen Le Duy Student ID: 17141002 Class: 17141CLA Name of project: Design and construct a model of a vehicle to monitor the quality of the environment remotely Week/Date Content Lecture Confirm 1st Meet Instructor to disseminate regulations: (11/3-18/3) choose topic, working time. - Instructor conducts review of the topic. 2st - Write a summary of the requirements of the (19/3-25/3) selected topic: Reasons and objectives of the topic, design content, limited parameters of the topic. 3nd Write the plan and detail outlines for the topic.

(26/3-2/4) - Design block diagram. rd 4 - Design the principal diagram and explain the (3/4-9/3) function of each block. vi - Search for knowledge, information about the temperature, humidity and CO2 concentration in 5th the air (29/3-4/4) - Find out the sensors used in the subject. - Learn about how to write program to control car.

6th Connect and write code to push data to the web (5/4-18/4) server 7th Connect and write code to send data from Arduino (19/4-2/5) to Raspberry 8th Research and learn about MJPEG to run Camera (3/5-9/5) 9th - Programming to connect operating modules in the system. (10/5-16/5) - Design background and control interface in web server 10th (17/5-23/5) 11th (24/5-30/5) 12th (31/5-7/6) 13th - Research, learn and use Hamachi for this project - Model Building (8/6-14/6) 14th (15/6-21/6) vii 15th - Implement, test and fix the Project. (22/6-30/6) - Write the report. Complete the report and send it to Instructor to th 16 review and comment for the last time before (1/7-14/7) printing the report.

17th Submit the report and slide PowerPoint. (15/7-28/7) ADVISOR STUDENTS (Sign with full name) (Sign with full name) viii DISCLAIMER We guarantee that this project is our research, under M. NGO BA VIET 's guidance. The results published in this project are honest and are not replicated from any other work.

STUDENTS Le Thanh Tung Nguyen Le Duy iii ACKNOWLEDGMENTS Foremost, our group would like to express our sincere thanks to the teachers in the Faculty of High Quality Training. During the time studying at the school, the teachers were dedicated to teaching and imparting to their group knowledge, experience and motivation in the learning process. We sincerely thank to my advisor for his continued support and encouragement: M. Ngo Ba Viet.

We offer our sincere appreciation for the learning opportunities provided by my lecturer. Besides my advisor, we would like to thank our friends who shared knowledge and valuable experiences during the implementation of the project. Finally, we would like to thank our family for giving time to care and supporting us spiritually throughout our life. Sincerely! STUDENTS Le Thanh Tung Nguyen Le Duy iv LIST OF CONTENTS PROJECT ASSIGNMENT.

v PROJECT IMPLEMENT SCHEDULE. x LIST OF CONTENTS. xi LIST OF FIGURES. xiii LIST OF TABLE.

xvi Chapter 1: INTRODUCTION. THESIS REPORT OUTLINE. 2 Chapter 2: LITERATURE REVIEW. REMOTED-CONTROL CAR MODEL.

INTERNET OF THINGS (IoT). Overview of AlphaBot2. System block diagram design. Circuit design and calculation.

Set up to run dht11 and control car .3 Set up Camera: .4 Set up to get information from sensor send to Web Server .6 Set up web server for Raspberry pi .7 LogMeIn Hamachi Software. 33 Chapter 4: EXPERIMENT RESULTS. The operating of model. Model construction results .1 The users interface of controlling on web server.

CONCLUSIONS AND DEVELOPMENT. 47 vi LIST OF FIGURES Fig. Control car by remote control (short distance) [4]. Control car through internet (long distance) [4].

Applications of the Internet of Things. UART protocol format. Send and receive process between MASTER and SLAVE. Summary of Wi-Fi standards.

11 The picture of AlphaBot2-base [2]. The picture of AlphaBot2-Pi [2]. Block diagram of the system. GPIO Pins of Raspberry Pi 4 [10].

DHT11 sensor pinout [13]. MQ135 sensor pins out [14]. Servo motor pinout [16]. The time when servo runs and stops [16].

The Camera raspberry V1. Image of TB6612FNG [19]. Pins out of TB6612FNG [19]. The main flow chart of system.

The flowchart of car. The flowchart of camera. Interface of VNC Viewer. Arduino IDE and Python3 after install completed.

Interface of Arduino IDE. Access pane in Thingspeak. Channel after created. Channel settings tab.

API Keys tab. API Key support used for send data to Thingspeak. Code for Python file. Data from sensor shown in line chart.

Iframe of line chart. Background of web server. LogMeIn Hamachi Software. Product model after completion.

Arduino Nano in the body of the car. MQ135 on the car body. DHT11 on the car body. Operating of LogMeIn Hamachi.

Camera on top of the car. The top half of user interface. Picture from camera. The other half of user interface.

Line chart of Temperature. Line chart of Humidity. Line chart of CO2 Concentration. Graph update interval.

CO2 Concentration without lighter. CO2 Concentration when sensor nearby fire of lighter. 43 viii LIST OF TABLE TABLE 3. Specification of Arduino Nano [12].

DHT11 PINS OUT. Specification of MQ135 sensor [15]. SG90 SERVO SPECIFICATIONS. The specification of Camera Raspberry Pi V1[18].

measured data compare with actual data table. 42 ix ABSTRACT Our living conditions are better day by day thanks to the development of science and technology. In the past, we had to work in dangerous conditions without any assistant devices or an equipment which protect your life while working but nowadays we have a better working conditions with assistant devices and equipment, we have better living conditions, modern medical instruments. However, along with the benefits of the development of science and technology is pollutions and the most dangerous pollution is air pollutions.

Human cannot live without breathing, we have to breath to live and we cannot know that the thing we breathe in is good or bad by smelling. Breathing in polluted air will make asthma symptoms worse and trigger an asthma attack, cause cardiovascular disease. Air pollution could make adults’ health worse day by day but it will make children who has immune system worse than adult worse immediately. It interferes with the child's maturation process.

Monitoring the air quality is necessary to have a relevant solution to protect children’s health. Therefore, in order to protect the health of people we have to know the measurement of the air. So this also the purpose of our project:” DESIGN AND CONSTRUCT A MODEL OF A VEHICLE TO MONITOR THE QUALITY OF THE ENVIRONMENT REMOTELY”. We were allowed by my advisor to use the model:” AlphaBot2 Robot Building Kit for raspberry Pi 3B/3B+/4B from hshop.

This model has many functions but in this project we just use some of them. PROBLEM STATEMENT Contamination of the indoor or outdoor environment by any chemical, physical or biological agent that modifies the natural characteristics of the atmosphere that is defined is air pollution. The emission from daily activities such as household combustion devices, motor vehicles, industrial facilities and forest fires are common sources of air pollution. Pollutants of major public health concern include particulate matter, carbon monoxide, ozone, nitrogen dioxide and sulfur dioxide.

Outdoor and indoor air pollution cause respiratory and other diseases and are important sources of morbidity and mortality. WHO data show that almost all of the global population (99%) breathe air that exceeds WHO guideline limits and contains high levels of pollutants, with low- and middle-income countries suffering from the highest exposures [1]. Air quality is closely linked to the earth’s climate and ecosystems globally. Many of the drivers of air pollution (i.

combustion of fossil fuels) are also sources of greenhouse gas emissions.