Đang tải... (xem toàn văn)
Đề tài luận văn "HỆ THỐNG GIÁM SÁT QUA MẠNG LORA" được thực hiện bởi sinh viên Khoa Điện Điện Tử của Đại Học Bách Khoa TPHCM Đề tài này thực hiện thiết kế thiết bị giám sát các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, khí CO qua mạng LoRa. Thiết bị nhằm truyền tải thông tin về các thông số môi trường, qua đó cảnh báo khi có sự vượt mức cảnh báo ngưỡng được cài đặt trước.Trong phần luận văn này tập trung xây dựng hệ thống gồm một server tiếp nhận thông tin (phần trung tâm) và thiết bị giám sát (node ngoại vi).
ĐẠI ĐẠI HỌ HỌC QUỐ QUỐC GIA TP.HỒ TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆ N – ĐIỆ – ĐIỆ N TỬ BỘ MÔN ĐIỆN ĐIỆN TỬ TỬ -o0o - LUẬN LUẬN VĂN TỐT TỐT NGHIỆP NGHIỆP ĐẠI ĐẠI HỌ HỌC HỆ THỐNG GIÁM SÁT QUA MẠNG LORA GVHD: SVTH: MSSV: TP HỒ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2016 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH CỘ NG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠ I HỌC BÁCH KHOA Độc lậ p – T Tự do – H Hạnh phúc -✩ /BKĐT Số: /BKĐT Điện – Điệ – Điện n tử tử Khoa: Điện Điện Tử Tử Bộ Môn: Điện -✩ - HIỆM VỤ VỤ LUẬN LUẬN VĂN TỐT TỐT NGHIỆ NGHIỆP NHIỆ HỌ VÀ TÊN: MSSV: ĐIỆN ĐIỆN TỬ TỬ - VIỄ VIỄN THÔNG NGÀNH: LỚP : Đề tài: HỆ THỐ NG GIÁM SÁT QUA MẠ NG LORA Nhiệm vụ (Yêu cầu về nội dung s ố liệu ban đầu): Ngày giao nhi nhiệm vụ luận văn: Ngày hoàn thành nhiệm vụ: Họ tên người hướ ng ng dẫn: Phần hướ ng ng dẫn Nội dung yêu c ầu LVTN đượ c thông qua B ộ Môn Tp.HCM, ngày… tháng… năm 20 CHỦ CH Ủ NHIỆ NHIỆM BỘ BỘ MÔN PHẦ PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ BỘ MÔN: Ngườ i duyệt (chấm sơ bộ): Đơn vị: Ngày bảo vệ : Điểm tổng k ết: NGƯỜI HƯỚ NG NG DẪ DẪN CHÍNH Nơi lưu trữ luận văn: Lờ i cảm ơn GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo L Ờ I C ẢM ƠN Xin chân thành gửi lờ i cảm ơn tớ i Thạc sĩ Bùi Quốc Bảo tận tình giúp đỡ em suốt học k ỳ vừa qua Những lờ i nhận xét, góp ý, hướ ng dẫn thầy giúp em thấy đượ c khuyết điểm để ngày kh ắc phục tốt Xin chân thành gửi lờ i cảm ơn tớ i tồn thể q thầy trường Đại học Bách Khoa Thành ph ố Hồ Chí Minh giảng dạy, hướ ng dẫn t ạo điều kiện, môi trườ ng học tậ p tốt cho em nh ững ngày tháng h ọc tậ p trườ ng Bên cạnh đó, em muố n nói lờ i cảm ơn đến cơng ty TNHH BigDolphin đ ã tạo điều kiện để em có th ể hồn thành lu ận văn Xin kính chúc s ức khỏe chân thành c ảm ơn Tp H ồ Chí Minh, ngày 26 tháng 12 năm 2016 Sinh viên i Luận văn tốt nghiệ p GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài thực thiết k ế thiết bị giám sát thông s ố môi trường nhiệt độ, độ ẩm, khí CO qua m ạng LoRa Thi ết bị nhằm truyền tải thông tin về các thông số môi trường, qua nh báo có s ự vượ t mức cảnh báo ngưỡng đượ c cài đặt trướ c Trong phần luận văn tậ p trung xây dựng hệ thống gồm server tiế p nhận thông tin (phần trung tâm) thiết bị giám sát (node ngo ại vi) ii Luận văn tốt nghiệ p GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo M Ụ C LỤ C Chương 1: T ỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tình hình nghiên cứ u ngồi nướ c _ 1.3 Mục tiêu nhiệm vụ của đề tài 1.3.1 Mục tiêu đề tài _ 1.3.2 Nhiệm vụ của đề tài _ Chương 2: 2.1 LÝ THUY Ế T Cơ về mạng LoRa 2.1.1 Tổng quan về LoRa _ 2.1.2 Giao thức LoRaWAN 11 2.2 Nguyên lý truyền nhận dữ liệu mạng LoRa 12 2.2.1 Truyền dữ liệu 12 2.2.2 Nhận dữ liệu mạng LoRa _ 13 2.2.3 Cách k ết nối node Server _ 13 2.3 Giớ i thiệu module, IC sử dụng luận văn _ 14 2.3.1 Module LoRa _ 14 2.3.2 Giớ i thiệu về Raspberry Pi 17 2.3.3 Webserver _ 18 2.3.4 Cảm biến nhiệt độ độ ẩm (DHT22/AM2302) 23 2.3.5 Cảm biến khí CO (MQ-7) _ 27 2.3.6 IC thờ i gian thực (PCF8583) _ 29 Chương 3: 3.1 TH I Ế T K Ế VÀ THI CÔNG MƠ HÌ NH PH Ầ N C ỨN G 31 Mơ hình luận văn. 31 3.1.2 Tr ạm thu dữ liệu (Server) _ 32 3.1.3 Tr ạm (Node) 37 Chương 4: 4.1 GI Ả I THU ẬT CHƯƠNG TRÌNH _ 44 Giải thuật khối trung tâm (Server) _ 44 4.1.1 Thu thậ p thông tin từ các node _ 44 4.1.2 Xử lý dữ liệu _ 45 4.2 Giải thuật khối node _ 48 Chương 5: K Ế T QU Ả TH Ự C HI Ệ N 53 iii Luận văn tốt nghiệ p 5.1 GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo K ết quả thi công phần cứ ng 53 5.1.1 K ết quả thực _ 53 5.1.2 Đánh giá kết 54 5.2 K ết quả thi công phần mềm 55 5.2.1 Hiển thị và cảnh báo _ 55 5.2.2 Đánh giá hoạt độ ng 57 5.3 Đánh giá kết quả hoạt động chung _ 57 Chương 6: K Ế T LU ẬN VÀ HƯỚ N G PHÁT TRI Ể N _ 59 6.1 K ết luận _ 59 6.2 Hướ ng phát triển _ 59 TÀI LI Ệ U THAM K H Ả O 60 iv Luận văn tốt nghiệ p GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo DANH SÁCH HÌNH MINH H Ọ A Hình 1: Biểu đồ so sánh giữ a LoRa chu ẩ n giao tiế p thông d ụng _ 6 Hình 2: Mơ hình mạng LoRa _ 6 Hình 3: S ự thay đổ i t ần số theo thờ i gian mỗ i tín hiệu mẫu đượ c phát bở i tr ạm phát LoRa Hình 4: C ấu trúc frame LoRa 10 Hình 5: Tiêu biể u cho mạng hình _ 11 Hình 6: Mơ t ả ngun lý truyề n d ữ liệu LoRa 12 Hình 7: Mô t ả nguyên lý nhận d ữ liệu LoRa _ 13 Hình 8: Module LoRa RFM98 c HopeRF (a) SX1278 c XIAMEN (b) 15 Hình 9: Mô t ả chân module Lora SX1278 16 Hình 10: Raspberry Model B _ 17 Hình 11: Mơ t ả về Web Server 19 Hình 12: Mơ t ả về LAMP 19 Hình 13: Mô t ả hoạt động PHP _ 21 Hình 14: Sơ đồ k ết nố i vớ i cảm biế n _ 27 Hình 15: Sơ đồ khố i IC PCF8583 30 Hình 1: T ổn g quan mơ hình lu ận văn _ 31 Hình 2: C ấu trúc phần cứ ng tr ạm thu d ữ liệu _ 32 Hình 3: Mơ hình phần cứ ng node 37 Hình 1: Lưu đồ giải thuật khố i trung tâm về nhận d ữ liệu t ừ node _ 44 Hình 2: Lưu đồ giải thuật xử lý d ữ liệu sau nhận đượ c t ừ node 46 Hình 3: Lưu đồ giải thuật phía node 48 Hình 4: a) Đọc cảm biế n nhiệt độ-độ ẩm (DHT22) b) Đọ c cảm biế n khí CO (MQ-7) 51 Hình 1: Khoảng cách truyề n nhận t ối đa giữ a node Server thự c t ế 58 v Luận văn tốt nghiệ p GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo PH Ụ LỤ C B Ả NG Bảng 1: Đặc điể m k ỹ thuật chuẩ n giao tiế p LoRa Bảng 2: Độ nhạ y máy thu LoRa (theo dBm) băng thông hệ số tr ải phổ khác _ Bảng 3: Chức từ ng chân module SX1278 17 Bảng 4: Thông số cảm biế n AM2302 25 vi Luận văn tốt nghiệ p GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Trong thậ p niên gần đây, tình trạng nhi ễm mơi trường ở mức đáng báo động, đặ c biệt nghiêm tr ọng Sự xả thải chất ô nhiễm môi trườ ng không qua xử lý gây nên h ậu quả nghiêm tr ọng đến sức khỏe ngườ i Một loại khí thải gây tác động xấu tớ i sức khỏe người Cacbon mơnơxit (CO) Nhữ ng nơi có mật độ khí CO lớ n điểm tắc nghẽn giao thông, b ến xe, nhà để xa nơi làm việc kín hầm lị, nhà máy CO có độ c tính cao c ực k ỳ nguy hiểm vớ i sức khỏe ngườ i, bị hit lượ ng lớ n gây thương tổn với thể, cản tr ở khả vận chuyển oxy máu Chính th ế, việc giám sát khí CO r ất quan tr ọng, từ tìm giải pháp để giảm thiểu lượ ng khí thải đó. Việc thu thậ p chất lượ ng chất lượng mơi trường khơng khí (trong có CO) đượ c thu thậ p thông qua mạng IoT V ậy IoT gì? IoT (Internet of Thing) s ự k ết nối tất cả các thiết bị vớ i nhau, có kh ả trao đổi thông tin, cung c ấ p dữ liệu với ngườ i mà không c ần phải tương tác tr ực tiế p Con ngườ i có thể k ết nối vớ i tất cả các thiết bị tớ i mạng Internet thông qua mạng nội bộ Trong năm gần đây, IoT phát triể n nhanh đến chóng mặt Theo tính tốn thơng kê có đế n 50 triệu thiết bị đượ c k ết nối cho tớ i nắm 2020 Con ngườ i biến tất cả các thiết bị đờ i sống ngày otô, thiết bị sản xuất, dụng cụ nhà, đồ mặc,…đều điều khiển, kiểm sốt, thu thậ p dữ liệu chỉ bằng laptop hay điện thoại Công nghệ IoT giúp cho ngườ i sống tốt hơn, đối phó vớ i vấn đề lớ n gặ p phải thế giới biến đổ i khí hậu, kiểm sốt nhi ễm, cảnh báo vấn đề tự nhiên Tuy nhiên, đòi hỏ i về công suất thấ p cho thiết bị IoT không đơn giản, thiết bị hiện dùng RFID, Bluetooth hay Wifi đề u công ngh ệ vớ i công suất thấp khoả ng cách ng ắn Để đáp ứng đượ c công su ất thấ p khoảng cách xa, LoRa m ột giải pháp t ốt thời điểm LoRa công ngh ệ mạng không dây đượ c phát tri ển để tạo đượ c công su ất thấ p (low-power), mạng lướ i r ộng (LPWANs- Low Power Wide Area Networks) dùng cho ứng dụng Internet of Thing Công ngh ệ này hấ p dẫn vớ i khoảng cách xa, công su ất tiêu thụ thấ p việc truyền dữ liệu an toàn Ưu điể m mạng lưới đượ c xây d ựng vớ i Luận văn tốt nghiệ p GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo Dữ liệu lưu trữ MySQL Hiển thị biểu đồ theo dõi lên Web Không Dữ liệu q ngưỡng set? Có Send email cảnh báo Hình 2: Lưu đồ giải thuật xử lý d ữ liệu sau nhận đượ c t ừ node Việc xử lý d ữ liệu database vi ệc cậ p nhật hiển thị gử i cảnh báo tới email đượ c sử dụng PHP PHP s ẽ xử lý thông tin đưa kế t quả tớ i máy chủ (Apache) Chương trình dùng để lọc dữ liệu tuần lên biểu đồ: /*Chương trình sau tính tốn ngày tuầ n từ thứ đến chủ nhật*/ $now = Carbon::now()->subDay(); $monday = $now->subDays($now->dayOfWeek - 1); $nextMonday = $monday->copy()->addDays(7); $results = new Collection(app('db')->select("select * from {$chart} where date >= '{$monday->toDateString()}' and date < '{$nextMonday>toDateString()}'")); /*Chương trình sau hiển thị dữ liệu lên web*/ var ctx = document.getElementById("chartjs"); var myChart = new Chart(ctx, {type: 'line', data: { labels: labels, datasets: [ { label: "Node 1", fill: false, lineTension: 0.1, backgroundColor: "rgba(255,0, 0,0.4)", 46 Luận văn tốt nghiệ p GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo borderColor: "rgba(255,0, 0,1)", borderCapStyle : 'butt', borderDash: [], borderDashOffset : 0.0, borderJoinStyle: 'miter', pointBorderColor : "rgba(255,0, 0,1)", pointBackgroundColor : "#fff", pointBorderWidth : 1, pointHoverRadius : 5, pointHoverBackgroundColor : "rgba(255,0, 0,1)", pointHoverBorderColor: "rgba(220,220,220,1)" , pointHoverBorderWidth: 2, pointRadius: 1, pointHitRadius : 10, data: node1, spanGaps: false } ] } }); var update = function() { $.get(window.location.href , function(data) { myChart.data.labels = data.keys; myChart.data.datasets [0].data = data.results[1]; document.querySelector ("#node1-message" ).innerHTML = "Node 1: " + data.messages[0]; myChart.update(); }); }; update(); setInterval(update, 5000) 47 Luận văn tốt nghiệ p GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo 4.2 Giải thuật khối node Start Kiểm tra có ngắt Có ngồi không? Sleep Thu thập liệu từ cảm biến, cài đặt thời gian gửi lần tiếp Không theo Bật module LoRa; Counter=1; Delay khoảng thời Có gian random Kiểm tra đường truyền có bận? Khơng Gửi liệu; Counter++; Sai Tắt hết ngoại vi Có Chờ nhận ACK 5s? Khơng Counter=3? Đúng Hình 3: Lưu đồ giải thuật phía node a) Nguyên lý hoạt động Node rơi vào trạng thái ngủ, tắt hết ngo ại vi để chờ tín hiệu ngắt ngồi IC thờ i gian thực PCF8583 đánh thứ c việc bật chân ngắt ngồi lên Khi có tín hiệu báo thức từ IC thờ i gian thực, Node sẽ thực đo nhiệt độ, độ ẩm từ cảm biến DHT22, đo lượ ng khí CO vớ i cảm biến MQ-7, lượ ng pin lại Sau có đầy đủ data, node sẽ bật module LoRa RFM98, sau gử i dữ liệu, giây sau g ửi dữ liệu mà khơng có tín hi ệu ACK từ Server gửi về, Node sẽ tự động gửi lại 48 Luận văn tốt nghiệ p GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo Khi gửi thành công ho ặc l ần gửi, node s ẽ rơi vào trạng thái Power Down, chờ lần bật dậy k ế tiế p PCF8583 b) Lắng nghe trướ c gửi LBT (listen-before-talk) Để tránh trình xung độ t hay va ch ạm vớ i tín hi ệu gửi lúc v ề Server Trướ c gửi đi, node sẽ kiểm tra xem giờ đang có kênh truyền hoạ t động dựa vào ch ức CAD mode (CAD - Channel Activity Detection) K ỹ thuật gọi Listen-Before-Talk (l ắng nghe trướ c gửi) Khi có kênh truyền hoạt độ ng, Node s ẽ delay khoảng thời gian, sau tiế p tục kiểm tra c) Chương trình phía node void wakeUp1() { } void wakeUp2() { } //End wake up void setup() { //Set input for interupt to wake up pinMode(2, INPUT); pinMode(3, INPUT); pinMode(8, OUTPUT); pinMode(5, OUTPUT); } void loop(void) { attachInterrupt(0,wakeUp1,LOW); attachInterrupt (1,wakeUp2,HIGH); // Enter power down state with ADC and BOD module disabled // Wake up when wake up pin is low LowPower.powerDown(SLEEP_FOREVER, ADC_OFF, BOD_OFF); // Disable external pin interrupt on wake up pin detachInterrupt(0); detachInterrupt(1); pinMode(6, OUTPUT); //5V ON digitalWrite (6, HIGH); //set up time to wake up after hours wake_up_time (); //Read temperature and humidity DHT22.DHT22_read(); delay(30000); //Wait 30 seconds to preheat MQ-7 int i; double ppm[10]; 49 Luận văn tốt nghiệ p GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo average_CO = 0; for (i=0;i