Chương 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Hiện nay vấn đề về biến đổi khí hậu đang là một vấn đề nóng trong thời gian gần đây trên toàn thế giới. Biểu hiện chính của biến đổi khí hậu là sự nóng lên toàn cầu, cũng như sự thay đổi của các vấn đề thời tiết. Cộng với việc đời sống con người ngày càng tăng cao dẫn đên việc mọi người quan tâm nhiều hơn đến sức khoẻ của bản thân và gia đình. Do đó việc giám sát thời tiết bây giờ là một việc quan trọng trong đời sống, giúp con người luôn có sự chuẩn bị trước các tình huống thời tiết xấu như mưa bão, nhiệt độ cao,… Như chúng ta biết, nhiệt độ và độ ẩm là những thành phần vật lý rất quan trọng trong cuộc sống con người.
Việc thay đổi nhiệt độ, độ ẩm ảnh hưởng rất nhiều đến sự sinh trưởng và phát triển của động vật, thực vật và cấu tạo, tính chất vật lý của vật chất. Ví dụ, sự thay đổi nhiệt độ của 1 chất khí sẽ làm thay đổi thể tích, áp suất của chất khí trong bình. Vì vậy, trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp, trong nông nghiệp và trong đời sống sinh hoạt, thu thập các thông số và điều khiển nhiệt độ là điều rất cần thiết. Trong các lò nhiệt, máy điều hoà, máy lạnh hay cả trong lò viba, điều khiển nhiệt độ là tính chất quyết định cho sản phẩm ấy.
Hệ thống trạm giám sát thời tiết sử dụng vi điều khiển trung tâm và vi điều khiển phụ là 2 board ESP32, module cảm biến mưa, module cảm biến gió, module cảm biến UV ML8511, module cảm biến nhiệt độ - độ ẩm SHT30, module LoRa SX1278. Kết quả thực hiện nhóm đã nghiên cứu và thi công được hệ thống trạm giám sát thời tiết đáp ứng được các mục tiêu đưa ra ban đầu của đề tài. Hệ thống hoạt động tương đối ổn định, dễ dàng giám sát qua web. Hệ thống có đầy đủ các chức năng cơ bản của một hệ thống trạm giám sát thời tiết như: giám sát các chỉ số thời tiết tại trạm phụ, truyền không dây trong môi trường qua LoRa với tầm hoạt động tương đối tốt.
Giao diện giám sát qua web trực quan, dễ sử dụng. 1 Chương 2 TỔNG QUAN GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ 2. Vi điều khiển 2. Vi xử lý Với sự xuất hiện và phát triển mạnh mẽ của công nghệ IoT, việc giám sát thời tiết bây giờ càng ngày càng dễ dàng và tiện dụng hơn.
Mọi người có thể sử dụng điện thoại để giám sát thời tiết mọi lúc, mọi nơi thông qua internet, dữ liệu được cập nhật liên tục.1 Hệ thống vi xử lý (nguồn: internet) Hiện nay trên thị trường có rất nhiều các loại vi xử lý khác nhau, từ 4bit đến 32bit. Tuy nhiên để có thể kết nối các khối trên đòi hỏi người thiết kế phải có sự hiểu biết nhất định về tất cả các thành phần của vi xử lý. Ngoài ra còn có một số nhược điểm như chiếm nhiều không gian sử dụng, đòi hỏi mạch in tốt, gây khó khăn khi sử dụng trong công nghiệp khi trong công nghiệp thường các thiết bị điều khiển theo bit, còn vi xử lý xử lý dữ liệu theo byte. Chính những bất tiện đó mà sau này các công ty đã tạo ra vi điều khiển.
Vi điều khiển Vi điều khiển là một máy tính được tích hợp ngày trên một chip. Vi điều khiển về cơ bản là vi xử lý được kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các module vào/ra, module biến đổi tương tự sang số,… Vi điều khiển có ưu điểm là người dùng không cần nhiều kiến thức như bên vi xử lý, tuỳ vào các ứng dụng cụ thể mà người sử dụng mong muốn thì chỉ cần kết nối với các module ngoại vi với các chức năng tương ứng để sử dụng. Ví dụ với một hệ thống đo nhiệt độ thì chỉ cần vi điều khiển, module đo nhiệt độ, module hiển thị (có thể là màn LCD hoặc TFT), các nút nhấn để điều khiển các chức năng. Các vi điều khiển phổ biến trên thị trường hiện này gồm có dòng PIC, Arduino, các dòng ESP,…Nhóm em quyết định sử dụng ESP32 để thực hiện đề tài vì các lý do: nhiều chân dữ liệu để kết nối các module, có sẵn Wifi để kết nối lên Firebase,… Hình 2.2 ESP32 (nguồn: internet) 3 Mô hình giám sát thời tiết từ xa sử dụng vi điều khiển trung tâm là board ESP32, module cảm biến mưa, module cảm biến gió, module cảm biến UV ML8511, module cảm biến nhiệt độ - độ ẩm SHT30, module LoRa SX1278.
Hệ thống có ưu điểm là có thể sử dụng ở các môi trường xấu, không sử dụng dây để truyền dữ liệu về trạm chính, sử dụng Web để giám sát giúp tăng khả năng cập nhật thông tin thời tiết hiệu quả, nhanh chóng. Khối truyền dữ liệu LoRa 2. Giới thiệu về công nghệ truyền thông LoRa Công nghệ LoRa là công nghệ sử dụng giao thức không dây được phát triển bởi Semtech. LoRa được thiết kế để truyền thông tầm xa mà sử dụng ít năng lượng, qua đó cung cấp các loại khả năng liên lạc tốt, cần thiết cho các thiết bị thông minh cần truyền dữ liệu đi xa.
Ngoài ra Liên minh LoRa đang hoạt động để đảm bảo khả năng liên lạc giữa nhiều mạng trên toàn quốc. Các đồ án cũng như dự án sử dụng LoRa trong thực tế đang ngày càng phổ biến. Trước đây thì công nghệ truyền thông LoRa được sử dụng nhiều vào mục đích quân sự và không gian do khoảng cách truyền tốt nhưng khó đến được người dùng bình thường bởi giá cả cao, khó sử dụng. Ngày nay do công nghệ hiện đại nên LoRa đã được thương mại hoá, mang lại lợi ích cao cho người sử dụng bởi khoảng cách truyền xa, một module LoRa có thể bao trùm một vùng lên đến 5km quanh bán kính sử dụng.3 Ứng dụng của LoRa trong đời sống (nguồn: internet) 4 2.
Giới thiệu Module LoRa RF SX1278 Module Lora SX1278 433MHz sử dụng chip SX1278 giao tiếp chuẩn Lora, với hai yếu tố quan trọng đó là tiết kiệm năng lượng và khoảng cách phát siêu xa (Ultimate long range wireless solution), ngoài ra nó còn có khả năng cấu hình để tạo thành mạng nên hiện tại được phát triển và sử dụng rất nhiều trong các nghiên cứu về IoT. Module Lora SX1278 có khả năng thu phát với khoảng cách 3000m. Được tích hợp chuyển đổi giao tiếp chuẩn SPI của SX1278 sang SPI giúp cho việc giao tiếp dễ dàng hơn. Thông số kĩ thuật: • Chip SX1278, Model RA-02 • Điện áp: 2.7DVC • Anten: IPEX • Chuẩn giao tiếp SPI • Điện áp giao tiếp: TTL • Tốc độ bit để lập trình: Lên đến 300Kbps • Tốc độ truyền nhận dữ liệu: 1200- 115200 bps • Khoảng cách truyền: 3000m (không có vật cản) • Tần số: 410- 441MHz • 512 bytes bộ đệm • Chuẩn không dây: 433 Mhz Hình 2.4 Module LoRa SX1278 (nguồn: internet) 5 Chi tiết cấu hình chân: Chân 1 ANT Chân này để gắn vào ăng-ten.
Chân 2, GND Chân nối đất chung với bộ nguồn và bộ điều khiển. 9, 16 Chân 3 3,3V Chân cấp nguồn Chân 4 RESET Chân 4 là để đặt lại mô-đun thông qua tín hiệu bên ngoài. Chân 5, Thực hiện chức năng I / O thông qua module. Chân DIO0 có thể tùy chỉnh như 6, 7, 8, một chân ngắt.
9, 10, 11 Chân 12 SCK Chân SCK là chân xung clock giao tiếp SPI. MISO có nghĩa là Master in và Slave out, master sẽ là bộ điều Chân 13 MISO khiển và slave sẽ là SX1278. Thông qua chân MISO, dữ liệu sẽ chuyển từ modulesang vi điều khiển / Arduino MOSI có nghĩa là Master out Slave In. Vì vậy, chân này sẽ nhận Chân 14 MOSI dữ liệutừ Arduino.
Chân 15 NSS Trong giao tiếp SPI, chân này sẽ kích hoạt slave. Các chế độ truyền của LoRa: - Chế độ truyền điểm – điểm (Point to Point): Ở chế độ truyền này thì cả hai LoRa sẽ không phân biệt Host và thường, ngoài ra cả hai sẽ được đặt cùng một địa chỉ và cùng một kênh. - Chế độ truyền cố định (Target): Ở chế độ này, một module có thể giao tiếp với một module khác cả khi khác kênh và khác địa chỉ. - Chế độ truyền Broadcast: một module được cấu hình với địa chỉ là FF FF, module này có thể phát dữ liệu đến tất cả các module có cùng kênh.
Giới thiệu phần cứng 2. Module cảm biến UV ML8511 Hình 2.5 Module UV ML8511 (nguồn: internet) Trên thì trường có rất nhiều các loại cảm biến tia UV khác nhau như: RK200-07, UVM-30A, GUVA-S12SD,… nhưng nhóm quyết định sử dụng Module ML8511 cho đề tài lần này vì tính phổ biến, dễ sử dụng, giá thành rẻ hơn so với các loại cảm biến khác trên thị trường. Cảm biến tia UV ML8511 sử dụng IC MP8511 dùng để phát hiện và nghiên cứu chỉ số tia UV trong môi trường. Cảm biến UV ML8511 phát hiện ánh sáng 280 – 390nm hiệu quả nhất (vùng tia cực tím).
Thông số kỹ thuật: • Điện áp cung cấp: 3. • Cảm biến UV ML8511. • Cảm biến có độ nhạy cao với tia UV-A và UV-B • Tích hợp bộ khuếch đại nội. • Đầu ra trả dữ liệu Analog.
• Dòng tiêu thụ thấp 300 microA, dòng nghỉ 0. 7 • Thiết kế nhỏ gọn, dễ sử dụng và lắp đặt. Nguyên lý hoạt động: Nguyên lý hoạt động của cảm biến tia UV ML8511: ML8511 có thể tạo ra một điện áp tương tự tỷ lệ thuận với lượng tia cực tím trong môi trường. Vì điện áp có thể là đầu ra, có thể kết nối trực tiếp bộ chuyển đổi ADC trong ESP32 mà không cần sử dụng mạch chuyển đổi quang điện.
Module cảm biến nhiệt độ - độ ẩm SHT30 Hình 2.6 Module SHT30 (nguồn: internet) Nhiệt độ - độ ẩm là những chỉ số cực kì quan trọng trong môi trường sống, việc có thể đo đạc các loại chỉ số này góp phần giúp làm cuộc sống tốt hơn. Trên thị trường có rất nhiều các loại cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm thông dụng như dòng DHT, dòng SHT,… và nhóm quyết định sử dụng dòng SHT với module cảm biến SHT30. Nhóm sử dụng module cảm biến nhiệt độ - độ ẩm SHT30 với một ưu điểm vượt trội nhất là có lớp vỏ bảo vệ khỏi các tác động vật lý như mưa, bụi,… mà vẫn có được độ chính xác và độ ổn định cao. Thông số kỹ thuật: • Cảm biến độ ẩm, nhiệt độ không khí SHT30 Temperature Humidity Sensor V3.
• Cảm biến phía trong: SHT30 8 • Điện áp sử dụng: 2.5VDC • Khoảng nhiệt độ đo được: -40 ~ 125 độ C, sai số 0.2 độ C • Khoảng độ ẩm đo được: 0 ~100% RH, sai số 2% RH. • Có sẵn trở treo 10k và tụ lọc nhiễu.
