Đồ án Thiết kế và thi công hệ thống giám sát chỉ số môi trường và hiển thị thông tin trên web

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHỈ SỐ MÔI TRƯỜNG VÀ HIỂN THỊ THÔNG TIN TRÊN WEB GVHD: PGS. TS Nguyễn Thanh Hải SVTH: Trần Xuân Thức 15141302 Trần Văn Trí 15141315 Tp. Hồ Chí Minh – 6/2019 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHỈ SỐ MÔI TRƯỜNG VÀ HIỂN THỊ THÔNG TIN TRÊN WEB GVHD: PGS. TS Nguyễn Thanh Hải SVTH: Trần Xuân Thức 15141302 Trần Văn Trí 15141315 Tp. Hồ Chí Minh – 6/2019 i TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC ----o0o---- Tp. HCM, ngày 05 tháng 07 năm 2019 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Trần Xuân Thức MSSV: 15141302 Trần Văn Trí MSSV: 15141315 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện Tử, Truyền Thông Mã ngành: 141 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2015 Lớp: 15141DT I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHỈ SỐ MÔI TRƯỜNG VÀ HIỂN THỊ THÔNG TIN TRÊN WEB II. NHIỆM VỤ Nội dung thực hiện: - Đọc các tài liệu, đồ án tốt nghiệp, đề tài. - Tìm hiểu cách thức hoạt động của các cảm biến sử dụng. - Tìm hiểu các chuẩn truyền thông như UART, I2C. - Thiết kế giao diện để giám sát: Web giám sát dữ liệu đo được từ cảm biến. - Thiết kế và thi công mô hình trạm giám sát. - Tính toán các thông số quy đổi cho các cảm biến. - Viết chương trình điều khiển cho Arduino, nạp code và chạy thử nghiệm sản phẩm, chỉnh sửa và hoàn thiện hệ thống. - Thực hiện viết sách luận văn báo cáo. - Tiến hành báo cáo đề tài tốt nghiệp. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/02/2019 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05/07/2019 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. TS NGUYỄN THANH HẢI CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ii TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC ----o0o---- Tp. HCM, ngày 05 tháng 07 năm 2019 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Trần Xuân Thức Lớp: 15141DT2A MSSV: 15141302 Họ tên sinh viên 2: Trần Văn Trí Lớp: 15141DT1A MSSV: 15141315 Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHỈ SỐ MÔI TRƯỜNG VÀ HIỂN THỊ THÔNG TIN TRÊN WEB Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD Tuần 1 (18/02 - 24/02) Gặp gỡ GVHD và trao đổi về đề tài tốt nghiệp. Tuần 2 (25/02 - 03/03) Tìm hiểu các đề tài nghiên cứu có liên quan. Tuần 3 (04/03 - 10/03) Tìm hiểu các chuẩn giao tiếp sử dụng trong đề tài. Tuần 4 (11/03 - 17/03) Tìm hiểu tất cả các linh kiện sử dụng trong đề tài. Tuần 5 (18/03 - 24/03) Viết code arduino và chạy thử nghiệm một số cảm biến liên quan đến đề tài. Báo cáo tiến độ với GVHD. Tuần 6 (25/03 - 31/03) Hoàn thành vẽ mạch sử dụng tất cả các cảm biến và làm mạch thử nghiệm 1. Tuần 7 (01/04 - 07/04) Viết báo cáo chương 1, 2 và báo cáo tiến độ với GVHD. Tuần 8 (08/04 - 14/04) Giao tiếp với module wifi và tiến hành gửi dữ liệu lên web. Tuần 9 (15/04 - 21/04) Tổng hợp code toàn mạch. Thiết kế mạch toàn bộ các cảm biến và làm mạch thử nghiệm 2. Tuần 10 (22/04 -28/04) Tạo giao diện web hiển thị và tiến hành chỉnh sửa cho phù hợp. Tuần 11 (29/04 - 05/05) Kiểm tra và chỉnh sửa toàn mạch. Viết báo cáo chương 3, 4, 5. iii Tuần 12, 13 (06/05 - 19/05) Hoàn thành bài báo cáo. Gặp GVHD để báo cáo tiến độ. Tuần 14,15,16 (20/05 - 09/06) Chỉnh sửa và hoàn thành toàn bộ bài báo cáo. GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) iv LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do chúng em tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. Nhóm thực hiện đề tài Trần Xuân Thức Trần Văn Trí v LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong Bộ môn Điện Tử Y Sinh nói riêng và các thầy cô giáo trong Khoa Điện – Điện Tử nói chung đã nhiệt tình giúp đỡ chúng em về các kiến thức liên quan tới lĩnh vực nghiên cứu của đề tài trong thời gian thực hiện đề tài, cũng như các kiến thức mà các thầy cô đã truyền đạt cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường. Xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến giáo viên hướng dẫn PGS. TS Nguyễn Thanh Hải đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, cung cấp các kiến thức quan trọng tạo điều kiện thuận lợi trong thời gian thực hiện đề tài. Chúng em gửi lời cảm ơn ba mẹ và người thân đã đồng hành và động viên trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Chúng em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 15141DT đã chia sẻ trao đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong quá trình thực hiện đề tài. Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài Trần Xuân Thức Trần Văn Trí vi MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................. iv LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................... v MỤC LỤC .......................................................................................................................... vi LIỆT KÊ HÌNH VẼ ......................................................................................................... viii LIỆT KÊ BẢNG ................................................................................................................. x TÓM TẮT .......................................................................................................................... xi Chương 1. TỔNG QUAN ................................................................................................... 1 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................................... 1 1.2 MỤC TIÊU .................................................................................................................... 2 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ......................................................................................... 2 1.4 GIỚI HẠN ..................................................................................................................... 2 1.5 BỐ CỤC ........................................................................................................................ 3 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................................ 4 2.1 QUY TRÌNH GIÁM SÁT CỦA HỆ THỐNG .............................................................. 4 2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ......................................................................................... 4 2.2.1 Khối cảm biến ......................................................................................................... 4 2.2.2 Khối vi điều khiển ................................................................................................ 10 2.2.3 Khối nhận tín hiệu ................................................................................................ 13 2.2.4 Khối hiển thị ......................................................................................................... 14 2.2.5 Các chuẩn giao tiếp ............................................................................................... 17 Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ......................................................................... 23 3.1 GIỚI THIỆU ............................................................................................................... 23 3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ................................................................ 23 3.2.1 Tính toán và thiết kế mạch .................................................................................... 24 3.2.2 Điện áp và dòng điện của các linh kiện ................................................................ 29 3.3 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ........................................................................................... 31 3.3.1 Lưu đồ giải thuật ................................................................................................... 31 3.3.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển .................................................................. 33 3.3.3 Phần mềm lập trình cho Web sử dụng phần mềm ThingSpeak ............................ 35 Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ................................................................................ 44 vii 4.1 GIỚI THIỆU ............................................................................................................... 44 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG ............................................................................................ 44 4.2.1 Thi công bo mạch ................................................................................................. 44 4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra ............................................................................................... 46 4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH .................................................................... 47 4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển ......................................................................................... 47 4.3.2 Thi công mô hình .................................................................................................. 47 4.4 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG .............................................................. 48 Chương 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ........................................................... 49 5.1 KẾT QUẢ THỰC TẾ ................................................................................................. 49 5.2 ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG .......................................................... 53 Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...................................................... 54 6.1 KẾT LUẬN ................................................................................................................. 54 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................................................................. 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 56 PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 57 viii LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2-1. Sơ đồ chân của cảm biến DHT11 ...................................................................... 5 Hình 2-2. Sơ đồ kết nối giữa Vi điều khiển với DHT11 .................................................... 6 Hình 2-3. Cảm biến bụi Sharp GP2Y10 ............................................................................. 7 Hình 2-4. Sơ đồ chân và tổng quan quá trình kết nối với vi điều khiển của cảm biến bụi Sharp GP2Y10 .................................................................................................................... 8 Hình 2-5. Sơ đồ chân kết nối của cảm biến BH1750 ......................................................... 9 Hình 2-6. Arduino Uno R3 ............................................................................................... 12 Hình 2-7. Module ESP8266 V1....................................................................................... 13 Hình 2-8. Màn hình LCD 20x4 ....................................................................................... 15 Hình 2-9. Module I2C chuyển đổi LCD ........................................................................... 17 Hình 2-10. Kết nối các thiết bị theo chuẩn I2C ................................................................ 18 Hình 3 1. Sơ đồ khối hệ thống giám sát chỉ số môi trường .............................................. 23 Hình 3-2. Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến ........................................................................ 25 Hình 3-3. Các chân giao tiếp của module ESP8266V1 .................................................... 27 Hình 3-4. Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp với Arduino Uno R3 ...................................... 27 Hình 3-5. Sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống giám sát chỉ số môi trường ............................. 28 Hình 3-6. Adapter 12V – 1A ............................................................................................ 31 Hình 3-7. Lưu đồ chương trình chính của hệ thống giám sát chỉ số môi trường qua Web. ........................................................................................................................................... 31 Hình 3-8. Lưu đồ chương trình con về quá trình thu thập dữ liệu và đưa dữ liệu lên Web. ........................................................................................................................................... 33 Hình 3-9. Các vùng làm việc của phần mềm. .................................................................. 34 Hình 3-10. Cảnh báo có thể xuất hiện khi sử dụng phần mềm IDE ................................. 35 Hình 3-11. Trình duyệt truy cập vào ThingSpeak ............................................................ 36 Hình 3-12. Giao diện ban đầu của Thingspeak ................................................................ 36 Hình 3-13. Giao diện khởi tạo tài khoản ThingSpeaks .................................................... 37 Hình 3-14. Giao diện cài đặt một số thông số của Web ................................................... 38 Hình 3-15. Giao diện điểm thể hiện giá trị cảm biến đo được tại các khoảng thời gian khác nhau của ThingSpeaks .............................................................................................. 38 Hình 3-16. Giao diện cột thể hiện giá trị cảm biến đo được tại các khoảng thời gian khác nhau. .................................................................................................................................. 39 Hình 3-17. Thông tin của cảm biến muốn hiển thị lên Server Web ................................. 40 Hình 3-18. Giáo sát bằng giao diện đồng hồ của Thingspeaks ........................................ 40 Hình 3-19. Thông tin của BH1750 với giao diện đồng hồ. .............................................. 41 Hình 3-20. Giao diện giám sát thời gian gửi dữ liệu lên Server Web. ............................. 42 Hình 3-21. Giao diện cảnh báo của Thingspeaks ............................................................. 42 Hình 3-22. Thông tín giao diện cảnh báo của độ ẩm. ...................................................... 43 ix Hình 4-1. Lớp dưới PCB của toàn mạch .......................................................................... 45 Hình 4-2. Mạch thực tế ..................................................................................................... 46 Hình 4-3. Mô hình vẽ trên AutoCAD của hệ thống ......................................................... 47 Hình 4-4. Mô hình thực tế sau khi cố định các mặt cắt .................................................... 48 Hình 5-1. Hình chụp hệ thống thực tế .............................................................................. 49 Hình 5-2. Kết quả đo được lúc 16:00 ............................................................................... 50 Hình 5-3. Kết quả đo được lúc 16:30 ............................................................................... 51 Hình 5-4. Thống kê số liệu thông qua phần mềm excel ................................................... 52 x LIỆT KÊ BẢNG Bảng Trang Bảng 2-1. Bảng so sánh các cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm thông dụng. ......................... 4 Bảng 2-2. Chân kết nối của cảm biến bụi GP2Y10 ............................................................ 8 Bảng 2-3. Chân kết nối của cảm biến BH1750 .................................................................. 9 Bảng 2-4. Một vài thông số lựa chọn Arduino trong các board Arduino phổ biến. ......... 10 Bảng 2-5. Thông số Arduino Uno R3 ............................................................................... 11 Bảng 2-6. Thông số kỹ thuật: Các chân của LCD ............................................................ 15 Bảng 2-7. Các lênh AT chung .......................................................................................... 20 Bảng 2-8. Các lệnh AT cấu hình module WiFi ................................................................ 21 Bảng 2-9. Các lệnh AT đối với module WiFi cấu hình là trạm/khách ............................. 21 Bảng 3-1. Dòng điện và điện áp làm việc của các linh kiện. ........................................... 29 Bảng 4-1. Danh sách các linh kiện. .................................................................................. 44 Bảng 5-1. Thống kê số liệu các lần đo ............................................................................. 52 xi TÓM TẮT Ngày nay, sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã làm cho đời sống con người ngày càng được nâng cao. Khi mức sống con người được nâng cao thì đòi hỏi môi trường sống của con người cần được cải thiện nhiều hơn. Sống trong một xã hội mà các chỉ số môi trường an toàn với sức khỏe của con người là mục tiêu hướng tới của cộng đồng. Chính vì lẽ đó con người cần phải biết được các chỉ số môi trường sống hiện tại để từ đó có các biện pháp phòng tránh và cải thiện nó. Hiện nay với sự phát triển mạnh mẽ của IoT (Internet of Things) và giám sát dữ liệu đã được mở rộng thông qua web và các thiết bị được kết nối Internet. Từ đó tạo được sự thuận tiện và hiện đại trong cuộc sống của con người. Nội dung của đề tài là áp dụng những kiến thức điện tử đã học để thiết kế mạch đo các chỉ số môi trường. Mạch gồm các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, bụi, cường độ ánh sáng giao tiếp với bộ điều khiển trung tâm là Aduino Uno R3. Không chỉ hiển thị các dữ liệu thông qua LCD 20x4, mạch còn giám sát dữ liệu qua Web nhờ module ESP8266-V1. Mô hình cũng được thiết kế dạng hình khối chứa đựng tất cả mạch và cảm biến sử dụng. Số liệu hiển thị trên trên LCD và Web trực quan, dễ nhìn. Người dùng có thể dựa vào những dữ liệu đó để có các quyết định và biện pháp phòng tránh hiệu quả. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Chương 1. TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Trong quá trình phát triển của đất nước cùng với việc đẩy mạnh phát triển kinh tế thì yếu tố không kém phần quan trọng là vấn đề về môi trường cần phải được quan tâm đặc biệt. Trong nông nhiệp, muốn đạt được hiệu quả sản xuất được tốt nhất thì những kinh nghiệm trong quá trình lao động sản xuất từ xưa đến nay vẫn chưa đủ, cần phải có những thiết bị chuyên dụng để đo chính xác yếu tố môi trường ngay lúc đó. Xã hội càng phát triển thì sản xuất nó không chỉ dừng lại ở việc làm ra chỉ để phục vụ cho mình, cho xã hội mà chúng ta còn phải quan tâm đến các vấn đề bảo vệ môi trường. Vì các yếu tố môi trường còn tác động trực tiếp đến sức khỏe của con người nên cần phải đưa ra một giải pháp có thể giúp con người biết được các yếu tố đó để có những biện pháp phòng tránh hiệu quả. Hiện nay cũng có rất nhiều bài nghiên cứu của sinh viên cũng làm về vấn đề môi trường và thời tiết, luận văn thạc sĩ của Phạm Đức Huy về “Nghiên cứu và xây dựng một số hệ đo mưa ứng dụng vào hệ thống cảnh báo trượt đất”, trong đó hệ đo lượng mưa sử dụng cảm biến WS-3000, ngoài đo lượng mưa cảm biến còn cho biết thêm thông số về tốc độ gió và hướng gió. Mạch đo Ardruino Uno R3 được sử dụng để đọc và xử lý tín hiệu từ đầu ra cảm b