1. Giới thiệu
Hiện nay biến đổi khí hậu đang là vấn đề nóng 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. Biến đổi khí hậu không chỉ ảnh hưởng đến đời sống, sức khỏe của con người mà còn ảnh hưởng đến hoạt động sản xuất kinh doanh, đặc biệt trong nông nghiệp, du lịch. Do đó, việc giám sát thời tiết là quan trọng.
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 ra đời với mục đích đó.
Hiện nhóm nghiên cứu đã thi công 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, 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.
2. Tổng quan và giải pháp công nghệ
2.1 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 mọi lúc, mọi nơi thông qua Internet, dữ liệu được cập nhật liên tục. 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 tốn, gây khó khăn khi sử dụng trong công nghiệp do trong công nghiệp thường các thiết bị điều khiển theo bit, còn vi xử lý xử lý dữ liệu theo byte.
2.2 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. 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 App để giám sát giúp tăng khả năng cập nhật thông tin thời tiết hiệu quả.
2. 3. Khối truyền dữ liệu 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 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. Giải pháp công nghệ
Trong chương này, nhóm sẽ tiến hành tính toán và thiết kế hệ thống giám sát thời tiết từ xa, hiển thị thông tin app Android. Quá trình tính toán và thiết kế gồm có 2 phần: thiết kế sơ đồ khối hệ thống và tính toán thiết kế mạch.
3.1 Tính toán và thiết kế phần cứng
Yêu cầu của hệ thống: Hệ thống giám sát cần có các chức năng:
- Giám sát nhiệt độ, độ ẩm, thời tiết mưa, tia UV và tốc độ gió tại thời gian thực.
- Thời gian mưa/tạnh mưa được cập nhật liên tục trên màn hình app Android.
3.2 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Theo yêu cầu của đề tài đã đưa ra, nhóm đã thiết kế sơ đồ khối của hệ thống bao gồm các khối: khối xử lý trung tâm, khối xử lý tại trạm từ xa, khối cảm biến tia UV, khối cảm biến mưa, khối cảm biến gió, khối cảm biến nhiệt độ – độ ẩm, khối chuyển tiếp dữ liệu, khối nguồn, khối server, khối android app. Sơ đồ khối của hệ thống được mô tả như hình 2.
Chức năng từng khối:
Trạm chính:
- Khối xử lý trung tâm là khối điều khiển trung tâm cho toàn hệ thống, khối có nhiệm vụ xử lý các thông tin nhận từ khối xử lý phụ và trao đổi, cập nhật thông tin lên khối App, ngoài ra khối sử lý trung tâm còn được tích hợp WiFi để truyền dữ liệu lên khối sever của Firebase.
- Khối chuyển tiếp dữ liệu để truyền thông, trao đổi các tín hiệu từ khối xử lý tại trạm con và khối xử lý trung tâm thông qua LoRa.
- Khối server có nhiệm vụ lưu trữ và trao đổi thông tin giữa khối app và khối xử lý trung tâm.
- Khối nguồn có nhiệm vụ cung cấp năng lương cho toàn trạm chính hoạt động.
Trạm từ xa (Remote):
- Khối xử lý tại trạm từ xa thực hiện nhiệm vụ xử lý các thông tin từ các khối cảm biến.
- tia UV, khối cảm biến nhiệt độ – độ ẩm, khối cảm biến gió và khối cảm biến mưa, sau đó sẽ truyền dữ liệu tới trạm chính trong qua khối chuyển tiếp dữ liệu.
- Khối chuyển tiếp dữ liệu để truyền thông, trao đổi các tín hiệu từ khối xử lý tại trạm từ xa với khối xử lý trung tâm.
- Khối cảm biến tia UV để chuyển đổi các thông tin của tin UV trong không khí thành tín hiệu điện.
- Khối cảm biến nhiệt độ – độ ẩm có nhiệm vụ chuyển đổi các thông tin nhiệt độ – độ ẩm trong không khí thành tín hiệu điện.
- Khối cảm biến mưa có nhiệm vụ nhận biết khi nào trời mưa.
- Khối cảm biến gió để nhận biết hướng và đo đạc tốc độ gió trong môi trường.
- Khối nguồn có nhiệm vụ cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống hoạt động.
- Tính toán và thiết kế sơ đồ mạch
- Tính toán và kết nối khối cảm biến nhiệt độ – độ ẩm với vi điều khiển
Trên thị trường hiện nay có rất nhiều dòng cảm biến nhiệt độ riêng, độ ẩm riêng hay cả hai. Các dòng cảm biến nhiệt độ thông dụng là LM35, DS18B20, E52MY,… Các cảm biến độ ẩm như HS1101, HR202,… Các cảm biến có thể cảm biến được cả nhiệt độ, độ ẩm như các dòng DHT11, DHT22,… và các dòng SHT10, SHT30,…
Nhóm quyết định sử dụng module cảm biến nhiệt độ – độ ẩm SHT30 với các ưu điểm như độ chính xác cao, giá thành hợp lí, có vỏ bảo vệ nên sử dụng tốt ở ngoài môi trường. Khối cảm biến nhiệt độ – độ ẩm sử dụng Module SHT30 để cảm biến nhiệt độ – độ ẩm trong không khí thành tín hiệu điện.
- Module SHT30 giao tiếp với vi xử lý ESP32 theo chuẩn I2C, được kết nối với nhau như hình 3.
- Chân 3, 4 của SHT30 lần lượt kết nối với ESP32 qua các chân 36, 33.
- Khối cảm biến mưa có nhiệm vụ nhận biết khi nào trời mưa.
- Khối cảm biến gió để nhận biết hướng và đo đạc tốc độ gió trong môi trường.
4. Kết luận:
Qua việc nghiên cứu, thực hiện và hoàn thành đề tài “Nghiên cứu và thiết kế hệ thống trạm giám sát thời tiết từ xa ”, nhóm nghiên cứu đã tìm ra được những vấn đề sau:
- Tìm hiểu được lý thuyết và cách hoạt động của LoRa.
- Tìm hiểu và sử dụng thành công các cảm biến mưa, cảm biến tốc độ gió, cảm biến tia UV và cảm biến nhiệt độ – độ ẩm.
- Thiết kế thành công board mạch đồng để nhận được dữ liệu từ cảm biến về vi điều khiển một cách ổn định.
- Nghiên cứu thành công chuẩn SPI kết nối giữa LoRa với ESP32.
- Hiểu biết thêm về ngôn ngữ C để lập trình ESP32 với các module cảm biến.
- Hệ thống hoạt động nhanh và ổn định ở điều kiện thời tiết bình thường, có thể đặt ở ngoài trời.
