Nghiên cứu xây dựng mô hình hệ thống tự động chăm sóc cây trồng trong nhà có ứng dụng công nghệ kết nối không dây để điều khiển và giám sát từ xa

DANH MỤC HÌNH 4 DANH MỤC BẢNG 6 DANH MỤC VIẾT TẮT 7 PHẦN MỞ ĐẦU 8 1. Lý do lựa chọn đề tài 8 2. Mục tiêu của đề tài 9 3. Phương pháp nghiên cứu 9 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 10 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 1.1 Những yếu tố cơ bản ảnh hưởng tới cây trồng 11 1.1.1 Ảnh hưởng của ánh sáng 11 1.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ 14 1.1.3 Ảnh hưởng của độ ẩm 15 1.2 Hệ thống điều khiển. 16 1.2.1 Định nghĩa hệ thống điều khiển 16 1.3 Năng lượng mặt trời 18 1.3.1 Năng lượng mặt trời là gì ? 18 1.3.2 Điện mặt trời 18 1.3.3 Nhiệt điện mặt trời 19 1.3.4 Quang điện mặt trời 19 1.3.5 Phân loại pin mặt trời 21 1.3.6 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 21 1.3.7 Tình hình năng lượng mặt trời tại Việt Nam. 23 1.4 Các kết nối không dây 23 1.4.1 Bắt đầu từ kết nối có dây 23 1.4.1.1 Hệ thống kết nối bằng đường dây tải điện 24 1.4.1.2 Công nghệ sợi quang 25 1.4.2 Kết nối không dây 27 1.4.2.1 Kết nối bluetooth 27 1.4.2.2 Wifi 28 1.4.2.3 Hồng ngoại (Infrared) 30 1.4.2.4. Tin nhắn sms 31 1.4.2.5. Giao tiếp qua giọng nói. 32 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 33 2.1 Lựa chọn giống cây trồng cho mô hình 33 2.2 Lựa chọn phương án chiếu sáng 34 2.3. Phương án kiểm soát độ ẩm 36 2.4. Phương án điều khiển nhiệt độ 39 2.5. Phương pháp điều khiển ánh sáng 39 2.6 Phương pháp điều khiển, giám sát hệ thống 40 2.7 .Hệ thống cấp nguồn. 40 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HOÀN THIỆN MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 42 3.1. Sơ đồ khối hệ thống. 42 3.1.1 Sơ đồ mạch nguyên lý của hệ thống 43 3.1.2 Xây dựng hệ thống nguồn cấp và hiệu chỉnh 44 3.1.3 Khối Module Bluetooth HC05 48 3.1.4 Khối xử lý trung tâm Arduio Mega 2560 51 3.1.5 Khối đèn led thắp sáng 56 3.1.6 Khối module wifi 56 3.1.6.1. Thông số kỹ thuật 57 3.1.6.2 Chân kết nối của mudunle ESP8266 57 3.1.6.3. Chức năng của mudule ESP8266 59 3.1.6.4. Giao tiếp với module ESP 8266 với tập lệnh AT 59 3.1.7 Module cảm biến ánh sáng 60 3.1.8 Cảm biến đo nhiệt độ - độ ẩm 62 3.1.9 Khối module sms 64 3.2. Thiết kế giao diện kết nối không dây 65 3.2.1. Thiết kế giao diện web 65 3.2.2. Thiết kế giao diện giọng nói. 68 3.3 Xây dựng mô hình thực nghiệm 73 3.4 Kết quả đạt được 75 3.5 Ứng dụng của đề tài 75 3.6 Hạn chế 75 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78   DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Ánh sáng ảnh hưởng đến cây trồng. 11 Hình 1.2. Quá trình quang hợp của cây 11 Hình 1.3. Ảnh hưởng ánh sáng đến các giai đoạn phát triển của cây 13 Hình 1.4. Sự sinh trưởng và phát triển của cây ớt 14 Hình 1.5. Giới hạn sinh thái của cây xương rồng 15 Hình 1.6. Hệ điều khiển 17 Hình 1.7. Nguyên lý hoạt động của nhà máy Sham 1 19 Hình 1.8. Cấu tạo đơn giản của một tấm pin mặt trời 20 Hình 1.9. Vật liệu chủ yếu làm pin mặt trời 21 Hình 1.10. Cấu tạo pin mặt trời 22 Hình 1.11. Hoạt động của pin mặt trời 22 Hình 1.12. Hệ thống kết nối bằng đường dây tải điện 24 Hình 1.13. Hình ảnh sợi quang 25 Hình 1.14. Hệ thống sử dụng wifi 29 Hình 1.15. Kết nối hồng ngoại 30 Hình 1.16. Sơ đồ điều khiển bằng sms 31 Hình 1.17. Sơ đồ khối hệ thống 32 Hình 2.1. Mô hình trồng dâu tây ở Đà Lạt 33 Hình 2.2. Đèn Led nôngnghiệp 34 Hình 3.1 : Sơ đồ khối hệ thống 42 Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống . 43 Hình 3.3. Mặt sau mạch in của hệ thống 44 Hình 3.4. Mặt trước mạch in của hệ thống 44 Hình 3.5. Hình ảnh acquy 44 Hình 3.6. Sơ đồ hệ thống pin mặt trời 45 Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý mạch buck – boost 46 Hình 3.8. Hiệu chỉnh phần buck 47 Hình 3.9. Hiệu chỉnh phần boost 48 Hình 3.10. Hình ảnh thực tế Module Bluetooth HC-05 49 Hình 3.11. Sơ đồ nguyên lý Module HC-05 49 Hình 3.12. Một mạch Arduino Uno chính thức với các mô tả về các cổng I/O 52 Hình 3.13. Mạch thực tế Arduino Uno 52 Hình 3.14. Giao diện của phần mềm Arduino IDE 55 Hình 3.15. LED thắp sáng 56 Hình 3.16. Module wifi ESP8266. 57 Hình 3.17. Chân kết nối ESP 8266 58 Hình 3.18. Cảm Biến Cường Độ Ánh Sáng 60 Hình 3.19. Cảm biến độ ẩm DHT22 62 Hình 3.20. Khối module sms 64 Hình 3.21. Giao diện điều khiển thiết bị 65 Hình 3.22. Giao diện trang chủ giám sát nhiệt độ 66 Hình 3.23. Toàn bộ giao diện trang chủ 66 Hình 3.24. Giao diện điều khiển khi truy nhập bằng điện thoại 66 Hình 3.25. Giao diện giám sát nhiệt độ độ ẩm ánh sáng ,... khi truy nhập bằng điện thoại 67 Hình 3.26. Tạo mới và đặt tên ứng dụng 68 Hình 3.27. Thiết kế giao diện ứng dụng 69 Hình 3.28. Lập trình tính năng cho các đối tượng 70 Hình 3.29. Lưu ứng dụng dưới dạng .apk để cài đặt vào điện thoại Android 70 Hình 3.30. Lưu và cài đặt ứng dụng bằng cách quét mã Barcode 70 Hình 3.31. Ứng dụng trên điện thoại Android 71 Hình 3.32. Giao diện ứng dụng sau khi khởi động 71 Hình 3.33. Danh sách các thiết bị có thể kết nối bluetooth 72 Hình 3.34. Ứng dụng sau khi kết nối thành công 72 Hình 3.35. Ứng dụng sẵn sàng nhận lệnh từ người dùng 72 Hình 3.36. Mô hình vẽ trên Autocad 74 Hình 3.37. Hoàn thành mô hình thực tế 74   DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Bảng thông số của Arduino Uno R3 53 Bảng 2. Chân kết nối arduino của cảm biến DHT22 63   DANH MỤC VIẾT TẮT STT Tên viết tắt Nghĩa viết tắt 1 BLE Bluetooth Low Energy 2 BPL Broadband over Powerline 3 DC Direct Current 4 DCL Distribution Line Carrier 5 ĐTDĐ điện thoại di động 6 GPIO General Purpose Input Output 7 IP Internet Protocol 8 LAN Local Area Network 9 LED Light Emitting Diode 10 LSPL Low Speed Powerline 11 OSP Open Systems Interconnection Reference Model 12 PCB Printed Circuit Board 13 PLC Power Line Carrier 14 TCP Transmission Control Protocol 15 WAN Wide area network PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Hiện nay cùng với sự phát triển của xã hội, cuộc sống ngày càng được nâng cao thì việc áp dụng công nghệ khoa học kỹ thuật vào đời sống công việc ngày càng cần thiết. Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ kỹ thuật điện tử mà trong đó đặc biệt là kỹ thuật điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lý, công nghiêp, nông nghiệp, đời sống, quản lý thông tin ... Trong thời kỳ hiện nay, việc ứng dụng công nghệ kết nối không dây tích hợp điện tử viễn thông , tự động hoá vào sản xuất nông nghiệp công nghệ cao, đặc biệt trong hệ thống chăm sóc, giám sát cây tự động đang là xu thế tất yếu. Trong đó việc ứng dụng công nghệ kết nối không dây để giám sát và điều khiển các thông số nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng của hệ thống chăm sóc cây tự động cung cấp các dịch vụ giám sát các thông số đo môi trường và cho phép thay đổi điều chỉnh phù hợp các thông số. Tính linh hoạt của mô hình tự động giám sát chăm sóc cây giúp cho người trồng trọt có thể trồng trọt trên bất cứ môi trường nào, diện tích trồng trọt có thể từ vài trăm mét đến hàng chục héc-ta. Ứng dụng của mô hình có thể loại bỏ yếu tố môi trường bất lợi cung cấp một môi trường phát triển tối ưu, tạo ra mùa sinh trưởng dài hơn, có thể trồng các loại cây trái mùa và các giống cây khác nhau, bảo vệ cây trồng khỏi thời tiết lạnh, mưa đá, gió, mưa... gây thiệt hại, loại bỏ dịch bệnh, sâu bệnh hại, đưa ra cảnh báo khi có điều gì bất thường hay côn trùng xâm nhập tăng tốc độ sinh trưởng nhanh hơn và năng xuất cao hơn, chất lượng tốt hơn. Các cơ cấu chấp hành điều khiển môi trường trong hệ hống chăm sóc cây tự động như ánh sáng, gió, nhiệt độ, độ ẩm... Tất cả được điều chỉnh và điều khiển hoàn toàn tự động và áp dụng công nghệ khoa học kỹ thuật vào quy trình giám sát và sản xuất. Việc sử dụng mô hình chăm sóc tự động, giám sát cây trồng ứng dụng công nghệ IoT( Internet of Things) giúp chúng ta có thể tiết kiệm nhân lực, bảo vệ môi trường , tiết kiệm chi phí, tăng độ chính xác trong giám sát và điều khiển môi trường giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, bảo tồn được tài nguyên. Trên cở sở và yêu cầu từ thực tế, những đòi hỏi ngày càng cao của phát triển nông nghiệp công nghệ cao, cộng với sự phát triển mạnh của khoa học công nghệ, đặc biệt là công nghệ thông tin, kỹ thuật điện-điện tử, internet, tựu động hoá. Phát triển kỹ thuật điều khiển tự động từ khoảng cách xa trong nông nghiệp đang là xu thế phát triển nông nghiệp cao nói chung và hệ thống tự động giám sát chăm sóc cây . Chúng em đề xuất đề tài “Nghiên cứu xây dựng mô hình hệ thống tự động chăm sóc cây trồng trong nhà có ứng dụng công nghệ kết nối không dây để điều khiển và giám sát từ xa, sử dụng nguồn năng lượng điện mặt trời’’nhằm mục đích là nghiên cứu, ứng dụng, chế tạo mô hình chăm sóc cây tự động. Hệ thống hướng tới trồng những cây có giá trị kinh tế cao nhưng khó chăm sóc, không phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam. Các loại cây khác nhau sẽ có đặc điểm thực vật học và Đề tài Trường đại học công nghiệp Hà Nội yêu cầu ngoại cảnh khác nhau. Đề tài tập trung vào những yếu tố ảnh hưởng đến cây nhất đó là ánh sáng, nhiệt độ và độ ẩm. Để giải quyết vấn đề nêu trên, đồ án đã nghiên cứu những yếu tố bên nông nghiệp, nghiên cứu các mạch đo độ ẩm, mạch đo nhiệt độ và điều chỉnh ánh sáng. Trong một thời gian không dài, đồ án cũng đã hoàn thành được các nội dung chính bao gồm: • Chương 1: Cơ sở lý thuyết • Chương 2: Lựa chọn phương pháp thiết kế • Chương 3: Xây dựng hoàn thiện mô hình thực nghiệm và kết và đạt được • Kết luận và định hướng • Tài liệu tham khảo 2. Mục tiêu của đề tài  Đề tài triển khai nghiên cứu hướng tới mục tiêu sau: • Ứng dụng công nghệ kết nối không dây vào điều khiển và giám sát các thông số như độ ẩm, nhiệt độ và thông khí . • Lựa chọn phương án thiết kế và điều khiển. • Thiết kế, chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh mô hình tự động giám sát, chăm sóc cây ứng dụng công nghệ kết nối không dây. • Sử dụng hiệu quả năng lượng mặt trời vào mô hình. 3. Phương pháp nghiên cứu  Trong đề tài này chúng tôi đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu: • Phương pháp tham khảo tài liệu: bằng cách thu thập thông tin từ sách, tạp chí về điện tử và truy cập từ mạng Internet. • Phương pháp quan sát: khảo sát một số mạch điện thực tế đang có trên thị trường và tham khảo thêm một số dạng mạch từ mạng Internet. • Phương pháp thực nghiệm: từ những ý tưởng và kiến thức vốn có của mình kết hợp với sự hướng dẫn của giáo viên, chúng tôi đã lắp ráp thử nghiệm một vài mô hình từ đó chọn lọc những mô hình tối ưu. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu • Đặc tính quang hợp cây xanh. • Tiểu khí hậu trong nhà màng. • Cách thức điều khiển tiểu khí hậu nhà màng. • Cách thức giám sát và điều khiển qua thiết bị không dây. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Những yếu tố cơ bản ảnh hưởng tới cây trồng 1.1.1 Ảnh hưởng của ánh sáng Hình 1.1. Ánh sáng ảnh hưởng đến cây trồng. Ánh sáng là yếu tố quan trọng quyết định sự sinh trưởng, phát triển và chất lượng của cây trồng. Người trồng cần xem xét nhu cầu ánh sáng của từng loại cây trồng để cây phát triển và đạt năng suất cao.  Ảnh hưởng của ánh sáng đến cây trồng Hình 1.2. Quá trình quang hợp của cây  Cường độ bức xạ (cường độ ánh sáng) Là năng lượng bức xạ chiếu xuống trên một đơn vị diện tích đất vuông góc với tia tới trong một đơn vị thời gian. Đơn vị thông dụng đo cường độ bức xạ mặt trời là: Cal/cm2.phút. Cal/cm2.giờ. Kcal/cm2.năm. Mỗi loại cây trồng thích nghi với từng loại ánh sáng khác nhau, dựa vào đặc tính và ảnh hưởng cường độ sáng đến cây trồng mà phân chia thành 3 nhóm:  Độ dài ngày hay quang kỳ Quang kỳ là thời gian có ánh sáng chiếu trên cây trồng tính từ thời điểm mặt trời mọc đến khi mặt trời lặn. Đơn vị được tính bằng số giờ trong ngày. Quang kỳ có ảnh hưởng quan trọng đến giai đoạn cây chuyển trạng thái từ tăng trưởng sang sinh sản hay còn gọi là giai đoạn ra hoa. Tuỳ theo quang kỳ dài ngắn cây trồng được chia ra thành 3 nhóm sau: Cây quang kỳ dài chỉ ra hoa lúc ngày dài hơn 12 giờ. Ví dụ: dâu tây, củ cải, xà lách, cúc, cải bắp, cà rốt, táo... Cây trung gian là nhóm cây có thể ra hoa bất cứ lúc nào. Ví dụ: ớt, cà chua, dưa, bầu, bí, dưa hấu, đậu phộng, cam quít, lúa IR… Cây quang kỳ ngắn: cây ra hoa lúc ngày ngắn hơn 12 giờ/ngày. Ví dụ: cây hoa cúc, đu đủ, cà tím, bắp, …  Tác động của các loại ánh sáng lên sự phát triển của cây Sau nhiều nghiên cứu về tác động của ánh sáng lên tốc độ tăng trưởng của thực vật, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng các sắc tố quang hợp khác nhau sử dụng các bước sóng khác nhau và trong mỗi giai đoạn sinh trưởng khác nhau thì cây cần các bước sóng khác nhau.  Ánh sáng tia cực tím (bước sóng 10nm -400nm) Mặc dù tiếp xúc quá nhiều với tia cực tím (tia UV) sẽ gây nguy hiểm cho hệ thực vật, tuy nhiên với một lượng nhỏ vừa đủ ánh sáng cận cực tím sẽ có lợi. Trong nhiều trường hợp tia UV có vai trò quan trọng trong việc hình thành màu sắc thực vật, mùi vị và hương liệu. Nghiên cứu cho thấy ánh sáng UV ở bước sóng 385 nm thúc đẩy sự tích tụ hợp chất phenolic, tăng cường hoạt động chống oxy hóa của chất chiết xuất từ thực vật.  Ánh sáng xanh dương (bước sóng 430 -450nm) Phổ ánh sáng 450 (nm) cho phép cryptochromes và phototropins phản ứng trong cây trồng. Cryptochromes sẽ làm thay đổi nhịp sinh học chuyển từ chu trình hô hấp sang chu trình quang hợp. Protein phototropins kích thích cây mở khí khổng, uốn cong về phía ánh sáng giúp phát triển thân cây và hình thành chất diệp lục. Bước sóng này kích thích tăng trưởng thực vật thông qua hình thành rễ mạnh mẽ và quang hợp với cường độ cao.Được dùng trong giai đoạn cây giống, cây non trong giai đoạn sinh trưởng. Nếu muốn cây ngừng phát triển thì bước sóng này phải được giảm bớt hoặc loại bỏ.  Ánh sáng xanh lá cây (bước sóng 500nm –550nm) Ánh sáng xanh lá cây hầu như không có tác dụng quang hợp cho cây, thường được trộn một tỉ lệ nhỏ với ánh sáng xanh dương và đỏ để tạo ánh sáng tổng hợp cho mắt người dễ quan sát.  Ánh sáng đỏ (bước sóng 640nm –680nm) Protein phytochrome có trong hầu hết các loại thực vật rất nhạy cảm với ánh sáng đỏ và đỏ xa, ánh sáng đỏ sẽ kích thích phytochrome chuyển đổi thành phytochrome FR(Pfr). Thực vật có hoa dựa vào protein này để điều chỉnh thời điểm ra hoa(dựa vào nồng độ Pfr) và thiết lập nhịp sinh học, ngoài ra nó cũng điều tiết các phản ứng khác như sự nảy mầm của hạt giống, kéo dài thân cây,kích thước hình dạng và số lượng lá. Ánh sáng đỏ là bước sóng quan trọng nhất đối với quá trình quang hợp, ra hoa, đậu quả. Được dùng để mở rộng chu kỳ ánh sáng, kích thích cây ra hoa cho cây dài ngày hoặc ngăn chặn ra hoa ở cây ngắn ngày.  Đỏ xa (bước sóng 730nm) Mặc dù bước sóng 730 (nm) nằm phạm vi quang hợp của cây nhưng nó tác động mạnh mẽ trong việc chuyển đổi phytochrome FR(Pfr) thành phytochrome R (Pr). Các loại cây ngắn ngày sẽ ra hoa dựa trên nồng độ protein phytochrome R (Pr), vậy nên bước sóng này thường được dùng ở cuối chu kỳ ánh sáng(mỗi ngày là 1 chu kỳ ánh sáng) để kích thích ra hoa ở cây ngắn ngày. Hình 1.3. Ảnh hưởng ánh sáng đến các giai đoạn phát triển của cây Như vậy việc cho ra đời loại đèn chiếu đúng cường độ sáng cho từng loại cây trồng, và đúng các bước sóng phổ mà cây dùng để quang hợp và việc còn lại của chúng ta là tự điều tiết thời gian chiếu sao cho phù hợp với đặc tính quang chu kỳ của cây, chúng ta sẽ có được một năng suất cây trồng cao, không còn bị lệ thuộc quá nhiều vào ánh sáng tự nhiên mang tính mùa vụ nữa. Chúng ta có thể hoàn toàn điều tiết cho cây theo thời vụ mà mình đã định ra để làm sao tối ưu hóa bài toán kinh tế cho nông nghiệp. Hình 1.4. Sự sinh trưởng và phát triển của cây ớt 1.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ Từng loại cây, giống cây, các bộ phận của cây, các quá trình sinh lý của cây sẽ phát triển thích hợp và chỉ an toàn ở một nhiệt độ nhất định. Cây ưa nóng là những cây sinh trưởng và ra hoa kết quả tốt ở nhiệt độ trên 20oC, cây ưa lạnh là những cây sinh trưởng và ra hoa kết quả tốt ở nhiệt độ dưới 20oC, cây trung gian là những cây yêu cầu nhiệt độ xung quanh 200C để sinh trưởng, phát triển bình thường. Đối với thực vật, nhiệt độ có ảnh hưởng đến hình thái, chức năng sinh lý và khả năng sinh sản. Nhiệt độ thấp có ảnh hưởng đến hình thái của cây. Thí nghiệm với cây thấy rằng trong điều kiện ánh sáng và độ ẩm giống nhau, nếu để cây ở nhiệt độ 60C thì lá xẻ thuỳ sâu ở nhiệt độ 15 -180C lá không xẻ thuỳ sâu nhưng mép lá có răng cưa nhỏ. Những thí nghiệm đối với một số cây ăn quả vùng ôn đới như táo, lê cho thấy khi nhiệt độ xuống thấp thì rễ cây có màu trắng, ít hóa gỗ, mô sơ cấp phân hóa chậm, ở nhiệt độ cực thích rễ có màu, tầng phát sinh hoạt động mạnh tạo nhiều gỗ, bó mạch dài, ở nhiệt độ cực hạn cao thì rễ có màu, gỗ dày cứng và cây chết dần. Hình 1.5. Giới hạn sinh thái của cây xương rồng Tùy theo nơi sống có nhiệt độ cao hay thấp mà cây hình thành nên những bộ phận bảo vệ. Cây mọc ở nơi trống cường độ ánh sáng mạnh, nhiệt độ cao thì cây có vỏ dày, màu nhạt, tầng bần phát triển nhiều lớp có tác dụng cách nhiệt, lá nhỏ, có tầng cutin dày hạn chế sự bốc hơi nước. Những cây có thân ngầm dưới đất, khi các phần trên mặt đất bị tổn thương, bị chết, từ thân ngầm mọc lên những chồi mới và cây phục hồi. Hoặc ở những vùng ôn đới về mùa đông cây có hiện tượng rụng lá nhờ đó hạn chế diện tích tiếp xúc với không khí lạnh, cây hình thành lên các vảy bảo vệ chồi, các lớp bần phát triển để cách nhiệt.Thực vật là cơ thể biến nhiệt, vì thế các hoạt động sinh lý của nó đều chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường. Cây quang hợp tốt ở nhiệt độ 20 -300C, nhiệt độ quá thấp hay quá cao đều ảnh hưởng đến quá trình này. Ở nhiệt độ 00C cây nhiệt đới ngừng quang hợp vì diệp lục bị biến dạng, ở nhiệt độ từ 400C trở lên sự hô hấp bị ngừng trệ. Các cây ôn đới có khả năng hoạt động trong điều kiện nhiệt độ thấp hơn 00C. Quá trình thoát hơi nước của thực vật cũng chịu ảnh hưởng của nhiệt độ. Khi nhiệt độ không khí càng cao, độ ẩm không khí càng xa độ bão hòa, cây thoát hơi nước mạnh. Khi nhiệt độ thấp, độnh ớt của nguyên sinh chất tăng lên,áp suất thấm lọc giảm nên rễ hút nước khó khăn, không đủ cung cấp cho cây, để thích nghi trong điều kiện này cây tiến hành rụng lá. 1.1.3 Ảnh hưởng của độ ẩm Sau nhân tố nhiệt độ, nước (độ ẩm) là một nhân tố sinh thái vô cùng quan trọng. Trong lịch sử phát triển của sinh giới trên bề mặt trái đất luôn luôn gắn liền với môi trường nước. Các sinh vật đầu tiên xuất hiện trong môi trường nước. Nước chứa trong cơ thể sinh vật một hàm lượng rất cao, từ 50-90% khối lượng cơ thể sinh vật là nước, có trường hợp nước chiếm tỷ lệ cao hơn, tới 98% như ở một số cây mọng nước, ở ruột khoang. Nước cần thiết cho quá trình sinh sản. Sự kết hợp của các giao tử hầu hết được thực hiện trong môi trường nước, nước cần thiết cho quá trình trao đổi chất.Cây trồng đòi hỏi một lượng nước lớn gấp nhiều lần trọng lượng chất khô của chúng. Lượng nước mà cây tiêu thụ để hình thành một đơn vị chất khô của một số cây trồng (gọi là hệ số tiêu thụ nước) như ngô: 250-400, lúa: 500-800, bông: 300-600, rau: 300–500, câygỗ: 400-600. Hầu hết lượng nước sử dụng cho nông nghiệp là nước mặt và một phần nước ngầm, các nguồn này được cung cấp chủ yếu từ lượng mưa hàng năm. Nước mưa ảnh hưởng đến quá trình canh tác như làm đất, thu hoạch. Mưa ít hoặc mưa nhiều quá so với yêu cầu đều làm ảnh hưởng tới thời vụ gieo trồng và thu hoạch. Tùy theo lượng mưa hàng năm, khả năng cung cấp và khai thác nước đối với một vùng cụ thể, để xem xét lựa chọn cơ cấu cây trồng thích hợp. Đặc biệt, ở vùng đất đồi núi miền Bắc nước ta thì những trận mưa rào ảnh hưởng đến xói mòn, rửa trôi lớp đất bề mặt do độ che phủ của cây trồng chưa khép kín. Tiến trình xói mòn và thoái hoá đất xảy ra khi có những trận mưa rào và lượng nước không thể thâm nhập sâu được vào trong đất và khi đó bắt đầu xuất hiện dòng chảy bề mặt. Vì vậy trong đất cần có một độ ẩm thích hợp để cây trồng hút được dễ dàng. Đất ngập úng hay thiếu nước đều ảnh hưởng không tốt cho sự sinh trưởng của cây trồng. Cây trồng bị ngập nước dẫn đến các tế bào rễ không hô hấp được nên không cung cấp đủ oxy cho hoạt động của các tế bào rễ cùng với việc tích lũy các chất độc hại, do đó sẽ làm chết đi các lông hút ở rễ, không thể hình thành được lông hút mới, vì vậy cây không thể hút nước nên lâu ngày sẽ dẫn đến héo và chết cây. Cây trồng cung cấp đầy đủ nước sẽ có bộ rễ dài và sâu, vươn ra theo các chiều trong đất, ngược lại cây nếu thiếu nước, bộ rễ cây sẽ ngắn và thưa. 1.2 Hệ thống điều khiển. 1.2.1 Định nghĩa hệ thống điều khiển Trong một số các tài liệu, danh từ hệ thống (system) được định nghĩa là tập hợp hay sắp xếp kết nối có trật tự các phần tử vật lý theo một thể. Danh từ điều khiển (control) thường mang ý nghĩa là điều chỉnh (regulate), hướng đến nhắm đến (direct) và thực thi tác vụ hay một lệnh (command). Như vậy hệ thống điều khiển được hiểu là một tập hợp sắp xếp trật tự các phần tử vật lý theo một thể, để nó có thể tự điều chỉnh, định hướng và thực thi tác vụ cho riêng bản thân nó hoặc cho các hệ thống khác.  Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển  Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển bao gồm : - Mục tiêu điều khiển (input). - Các phần tử của hệ thống bao gồm bộ điều khiển và đối tượng điều khiển. - Kết quả hay tín hiệu ra (output). Hình 1.6. Hệ điều khiển Danh từ mục tiêu điều khiển còn được gọi là tín hiệu vào (input), hay các tín hiệu kích thích và kết quả nhận được từ hệ thống điều khiển còn được gọi là tín hiệu ra (outputs) hay các biến điều khiển. Một cách tổng quát, đối tượng của hệ thống điều khiển được điều khiển để có các tín hiệu ra tuân theo qui định của tín hiệu vào thông qua các phần tử trong hệ thống điều khiển. Tín hiệu vào là các tác nhân (hay kích thích) từ nguồn năng lượng ngoài cấp đến hệ thống điều khiển để tạo ra các đáp ứng mong muốn. Tín hiệu ra là các đáp ứng thực sự từ hệ thống điều khiển, có thể giống hay không giống đáp ứng mong muốn được xác định bởi các tín hiệu vào.  Phân lọai hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển thường được phân thành hai dạng: - Hệ thống điều khiển vòng hở (open-loop). - Hệ thống điều khiển vòng kín (closed-loop). Để phân biệt các hệ thống trên chúng ta căn cứ vào tác động điều khiển (control action), đó là quá trình định lượng tác động lên hệ thống điều khiển để hình thành các tín hiệu ngõ ra.  Hệ thống điều khiển vòng hở Hệ thống điều khiển vòng hở là hệ thống có tác động điều khiển độc lập với tín hiệu ngõ ra. Hai điểm nổi bật của hệ thống điều khiển vòng hở là: - Khả năng đạt chính xác được xác định bằng phương thức định cở (calibrate). Định cở có nghĩa là thành lập hay tái lập quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra để đạt được mức chính xác mong muốn cho hệ thống. - Hệ thống thường không gặp sự cố bất ổn định (instability), điều này sẽ được trình bày trong các chương sau.  Hệ thống điều khiển vòng kín Hệ thống điều khiển vòng kín là hệ thống có tác động điều khiển phụ thuộc vào tín hiệu ngõ ra. Hệ thống điều khiển vòng kín còn được gọi là hệ thống điều khiển hồi tiếp (feedback control systems). Muốn phân loại được hệ thống điều khiển vòng kín hay vòng hở, phải phân biệt rõ ràng các thành phần của hệ thống với các thành phần không thuộc hệ thống nhưng có tương tác lên hệ thống. 1.3 Năng lượng mặt trời 1.3.1 Năng lượng mặt trời là gì ? Năng lượng Mặt Trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt hạ nguyên tử khác phóng ra từ ngôi sao này. Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt Trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa. Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng, như trong pin Mặt Trời. Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, hoặc làm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa Mặt Trời. 1.3.2 Điện mặt trời Điện mặt trời là lĩnh vực nghiên cứu để biến đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện. Hiện nay có hai phương thức sản xuất điện từ năng lượng mặt trời. Chuyển đổi trực tiếp ánh sang mặt trời thành điện năng bằng cách sử dụng các tấm pin mặt trời (Photovoltaic (PV)). Phương pháp này được sử dụng nhiều trong việc sản xuất điện quy mô lớn nhỏ khác nhau, cung cấp năng lượng cho tàu vũ trụ hoặc chiếu sáng công cộng …vv. Chuyển đổi gián tiếp bằng cách tạo nhiệt độ cao bằng một hệ thống gương phản chiếu và hội tụ ánh sáng để gia nhiệt cho môi chất truyền động cho máy phát điện. Phương pháp này ứng dụng để sản xuất quy mô lớn. 1.3.3 Nhiệt điện mặt trời Năng lượng mặt trời còn được ứng dụng để đun nước nóng, làm ấm không gian bằng các tấm thu nhiệt, hoặc nấu nước bằng các chảo tập trung ánh sáng mặt trời. Nhà máy nhiệt điện lớn nhất thế giới Nhà máy nhiệt điện mặt trời lớn nhất thế giới Sham 1 chính thức đi vào hoạt động từ 17/03/2013 với công suất 100 MW. Nhà máy Sham 1 sở hữu một hệ thống gồm 192 hàng gương parabol lớn trên một khu vực có diện tích bằng 285 sân bóng đá. Ánh sáng từ 192 hàng gương được sử dụng để đun sôi nước. Hơi nước sẽ làm quay turbin của máy phát điện (hình 1.1). Với công suất 100 MW, nhà máy sham 1 chiếm 10% tổng sản lượng điện năng từ năng lượng mặt trời của thế giớ Hình 1.7. Nguyên lý hoạt động của nhà máy Sham 1 1.3.4 Quang điện mặt trời  Khái niệm về pin quang điện Pin mặt trời là công nghệ sản xuất ra điện năng từ các chất bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời. Khi ánh sáng chiếu tới các tế bào quang điện, nó sẽ sản sinh ra điện năng. Khi không có ánh sáng, các tế bào này ngưng sản xuất điện. Quá trình chuyển đổi này còn được gọi là hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng quang điện điện là một hiện tượng điện – lượng tử, trong đó các điện tử được thoát ra khỏi vật chất sau khi hấp thụ năng lượng từ các bức xạ điện từ. Hiệu ứng quang điện đôi khi được người ta dùng với cái tên hiệu ứng Hertz, do nhà khoa học Heinrich Hertz tìm ra. Hình 1.8. Cấu tạo đơn giản của một tấm pin mặt trời Hiện tượng: khi bề mặt của một tấm kim loại được chiếu bởi bức xạ điện từ có tần số thích hợp (lớn hơn một tần số ngưỡng đặc trưng cho mỗi kim loại), các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon và chuyển lên vùng dẫn tạo thành các điện tử tự do e- đồng thời để lại các lỗ trống mang điện dương, các hạt mang điện này di chuyển tạo ra dòng điện (gọi là dòng quang điện). Khi các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta có hiệu ứng quang điện ngoài (external photoelectric effect). Các điện tử không thể phát ra nếu tần số của bức xạ nhỏ hơn tần số ngưỡng bởi điện tử không được cung cấp đủ năng lượng cần thiết để vượt ra khỏi rào thế (gọi là công thoát). Điện tử phát xạ ra dưới tác dụng của bức xạ điện từ được gọi là quang điện tử. Ở một số chất khác, khi được chiếu sáng với tần số vượt trên tần số ngưỡng, các điện tử không bật ra khỏi bề mặt, thoát ra khỏi liên kết với nguyên tử, trở thành điện tử tự do (điện tử dẫn) chuyển động trong lòng của khối vật dẫn tạo nên hiêu ứng quang điện trong (internal photoelectric effect). Hiệu ứng này dẫn đến sự thay đổi về tính chất dẫn điện của vật dẫn, do đó, người ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn. 1.3.5 Phân loại pin mặt trời  Phân loại pin năng lượng mặt trời: Cho tới nay thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là các silic tinh thể. Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại: Hình 1.9. Vật liệu chủ yếu làm pin mặt trời Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski. Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%. Chúng thường rất đắttiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module. Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc-đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiềuhơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó. Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể, Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon. Các công nghệ trên là sản suất tấm, nói cách khác, các loại trên có độ dày 300 μm tạo thành và xếp lại để tạo nên module. 1.3.6 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời  Cấu tạo Pin mặt trời có cấu tạo tương tự như một diode bán dẫn gồm có 2 lớp bán dẫn n và p tiếp xúc nhau, nhưng có diện tích bề mặt rộng. Mặt trên là lớp bán dẫn loại N (Chất bán dẫn Si pha tạp chất P) cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua, lớp bán dẫn này tiếp xúc với lớp bán dẫn loại P (Chất bán dẫn Si pha tạp chất B), hình 1.4. Ngoài ra, một pin mặt trời còn có một số thành phần khác như các điện cực, lớp phủ chống phản xạ và đế cách điện. Hình bên dưới cho thấy cấu tạo cơ bản của một tấm pin mặt trời: Hình 1.10. Cấu tạo pin mặt trời  Nguyên tắc hoạt động Khi hai lớp bán dẫn p và n tiếp xúc nhau, do sự chênh lệch về mật độ các hạt dẫn (tức là do gradient hóa thế) nên các điện tử sẽ khuếch tán từ bán dẫn n sang p, lỗ trống khuếch tán ngược lại từ bán dẫn p sang n. Sự khuếch tán này làm cho phần bán dẫn n sát lớp tiếp xúc tích điện dương, còn phần bán dẫn p ngay đối diện tích điện âm. Trong miền tiếp xúc lúc này hình thành điện trường Utx hướng từ bán dẫn n sang p (Utx sẽ ngăn cản sự khuếch tán tiếp tục của các hạt dẫn qua lớp tiếp xúc). Hình 1.11. Hoạt động của pin mặt trời Khi chiếu sáng lớp tiếp xúc p-n, cặp điện tử - lỗ trống được tạo thành, bị tách ra dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc Utx và bị gia tốc về các phía đối diện tạo thành một sức điện động quang điện. Sức điện động quang điện phụ thuộc vào bản chất chất bán dẫn, nhiệt độ lớp tiếp xúc, bước sóng và cường độ ánh sáng tới. Lớp bán dẫn p-n có tính chỉnh lưu như một diode, chỉ cho điện tử dẫn và lỗ trống dẫn trong vùng tiếp xúc di chuyển về phía bán dẫn n và bán dẫn p tương ứng. Nối các đầu bán dẫn bằng một dây dẫn thì trong dây xuất hiện dòng quang điện I đi theo chiều từ bán dẫn p qua tải về bán dẫn n. 1.3.7 Tình hình năng lượng mặt trời tại Việt Nam. Việt Nam là nước có tiềm năng về năng lượng mặt trời, trải dài từ vĩ độ 8’’ Bắc đến 23’’ Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với trị số tổng xạ khá lớn từ 100 – 175 kcal/cm2.năm, do đó việc sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn. Giải pháp sử dụng năng lượng mặt trời hiện đang được cho là giải pháp tối ưu nhất. Đây là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường và có trữ lượng vô cùng lớn do tính tái tạo cao. Đồng thời, phát triển ngành công nghiệp sản xuất pin mặt trời sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường. Vì thế, đây được coi là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt. Từ lâu, nhiều nơi trên thế giới đã sử dụng năng lượng mặt trời như một giải pháp thay thế những nguồn tài nguyên truyền thống. 1.4 Các kết nối không dây Trong thời gian gần đây hệ thống kết nối không dây đã và đang được phát triển mạnh mẽ, cho phép kết nối giám sát và điều khiển mọi đối tượng một cách linh hoạt. Khái niệm smart home (ngôi nhà thông minh), city home (thành phố thông minh) trở nên quen thuộc với mọi người. Sau đây trình bày vắn tắt các đặc điểm của các công nghệ kết nối đi từ kết nối có dây đến kết nối không dây. 1.4.1 Bắt đầu từ kết nối có dây Việc sử dụng dây dẫn làm phương tiện kết nối được hình thành ngay từ khởi đầu của các mạng thông tin liên lạc. Hai tiêu chuẩn quan trọng của hệ thống truyền thông là tốc độ tính bằng kilôbit trên giây (Kbpc) và dải thông tính bằng MHz. Ngày nay hệ thống truyền thông có dây thường sử dụng hai công nghệ chính là: Truyền dẫn thông tin trên đường dây tải điện PLC (Power Line Communication) và Hệ thống cáp sợi quang. 1.4.1.1 Hệ thống kết nối bằng đường dây tải điện Hệ thống kết nối sử dụng đường dây tải điện Power Line Carrier (PLC) sử dụng đường dây tải điện làm phương tiện truyền tải tín hiệu. Hình 1.12. Hệ thống kết nối bằng đường dây tải điện Đường dây tải điện mang dòng điện tần số tiêu chuẩn 50Hz được sử dụng như sóng mang. Tín hiệu thông tin tần số (2-30)MHz được điều biến với sóng mang này và được truyền trên đường dây của hệ thống điện lực cao áp, trung và hạ áp có mặt trên mọi miền lãnh thổ. Tại trạm gốc cuối đường dây, bộ giải điều chế phân tách và lọc tín hiệu mang thông tin . PLC - Powerline Carrier trên đường dây tải điện cao áp 110-220 kV thường sử dụng dải tần hẹp (9-500) kHz với tốc độ dưới 100Kbps. Kênh này trước đây thường dùng cho việc giám sát và điều khiển các trạm đóng cắt, đo lường và bảo vệ. Do hạn chế dải thông nên ngày nay kênh này thường được thay thế bằng cáp quang. BPL - Broadband over Powerline có dải thông rộng nên thường cung cấp dịch vụ truy cập Internet băng rộng đến tận nhà bằng việc sử dụng các phương pháp điều chế số trên dải tần còn lại của đường dây điện. Thiết bị Powerline Adapter Kit sử dụng dây dẫn điện trong nhà để mở rộng mạng gia đình mà không cần thêm dây. Chỉ cần cắm thiết bị Powerline PLC (Powerline Carrier) vào ổ cắm điện, ngay lập tức thiết lập một cơ sở hạ tầng mạng với tốc độ cao, truyền dữ liệu tốc độ lên tới 500Mbps để sử dụng dịch vụ IPTV. DCL - Distribution Line Carrier là hệ thống PLC dải tần hẹp (9-500) kHz với tốc độ dưới 576 Kbps sử dụng đường dây trung áp 22kV hoặc hạ áp, rất thích hợp cho việc quản lý hệ thống điện thời gian thực. LSPL - Low Speed Powerline như các mạng Lonworks, PowerBUS, X10, INSTEON sử dụng dải tần hẹp từ (9-148,5) kHz truyền tải dữ liệu tốc độ dưới 9,6 Kbps, do giá rẻ hơn nên công nghệ này được ứng dụng nhiều trong tự động hóa tòa nhà. 1.4.1.2 Công nghệ sợi quang Nguyên lý phản xạ toàn phần đã được nhà khoa học Anh John Tyndall phát hiện từ năm 1854 khi cho ánh sáng chiếu qua một tia nước, tia sáng bị bẻ cong và trở lại nền nhà. Tyndall nhận thấy ánh sáng có thể được truyền dọc theo tia nước. Năm 1934, Norman French, kỹ sư người Mỹ đã nhận được bằng sáng chế về hệ thống thông tin quang với phương tiện truyền dẫn là các thanh thủy tinh. Năm 1966, Charles Kao và George Hocchan người Anh đã đề xuất dùng sợi thủy tinh để truyền dẫn ánh sáng nhưng do hạn chế về công nghệ lúc đó sợi quang có suy hao tới 1000 dB/km. Năm 1970, hãng Corning Glass đã chế tạo thành công sợi quang SI có suy hao nhỏ hơn 20 dB/km. Năm 1972, người ta đã chế tạo sợi quang có suy hao 4 dB/km. Sợi quang gồm lõi silica hoặc plastic có đường kính khoảng (10-100) µm. Bên ngoài là lớp cladding bằng vật liệu dẫn quang đường kính 125 µm dùng mục đích phản xạ tia sáng. Tiếp theo là các lớp bảo vệ tạo độ bền cơ học. Cấu tạo của cáp sợi quang được cho trên hình 4 gồm bó sợi quang giữa là chất nhồi. Hình 1.13. Hình ảnh sợi quang Các linh kiện biến đổi quang điện đặt ở hai đầu sợi quang gồm: - Linh kiện biến đổi tín hiệu điện sang tín hiệu quang có nhiệm vụ điều biến tín hiệu theo ánh sáng phát từ nguồn quang chủ yếu là LASER và LED. Ánh sáng điều biến mang tín hiệu được truyền trên sợi quang với khoảng cách xa và suy hao rất nhỏ. Ánh sáng dùng trong thông tin quang nằm trong vùng cận hồng ngoại, thường có bước sóng 850, 1300 và 1550 nm. Linh kiện thu quang biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, được khuếch đại, sau đó được phục hồi thành tín hiệu điện. Sự truyền dẫn tín hiệu ánh sáng qua sợi quang được thể hiện trên hình 6. Có hai loại sợi quang: Sợi quang đơn mode SI có lõi nhỏ 8 µm, chiết suất ít thay đổi, tín hiệu truyền theo phương song song trục. Tín hiệu ra ít méo dạng, thường được sử dụng cho truyền dẫn khoảng cách xa hàng nghìn km, phổ biến trong điện thoại, truyền hình cáp truyền xa hàng trăm km mà không cần khuếch đại. Sợi quang đa mode (multimode) lõi lớn 125 µm, sử dụng cho truyền dẫn tín hiệu trong khoảng cách ngắn, bao gồm 2 loại: Multimode stepped index chiết suất nhảy bậc. Các tia sáng có thể truyền theo đường thẳng hoặc zig-zag, tín hiệu ra thành chùm riêng rẽ dễ bị méo dạng. Sử dụng phổ biến trong các đèn nội soi. Multimode graded index có chiết suất liên tục giảm dần từ trong ra ngoài cladding. Các tia gần trục truyền chậm hơn các tia gần cladding. Các tia theo đường cong thay vì zig-zag. Các chùm tia tại điểm hội tụ, vì vậy tín hiệu ra ít bị méo dạng được sử dụng chủ yếu trong các mạng LAN.  So với truyền thông tin bằng dây dẫn, việc truyền dẫn bằng sợi quang có những ưu điểm nổi bật: • Suy hao thấp cho phép kéo dài cự ly truyền dẫn. • Dải thông rất rộng, có thể thiết lập đường truyền tốc độ cao. • Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ, dễ dàng lắp đặt. • Không bị can nhiễu do trường điện từ. • Hiện tượng xuyên âm giữa các sợi quang không đáng kể. • Vật liệu chế tạo sợi quang rất sẵn trong thiên nhiên. • Nhược điểm cơ bản của sợi quang là khó nối khi cần sửa chữa. 1.4.2 Kết nối không dây Với sự phát triển vượt bậc của công nghệ phần cứng máy tính, cho phép thực hiện kết nối không dây mọi vật. Các smartphone có đầy đủ tính năng như một máy tính cho nên người ta đã khai thác triệt để smartphone để ứng dụng chúng cho việc giám sát và điều khiển mọi đối tượng một cách thông minh. Mạng không dây là hệ thống các thiết bị được nhóm lại với nhau, có khả năng giao tiếp thông qua sóng vô tuyến thay vì đường truyền dẫn bằng dây. Hiện nay khá nhiều phương thức truyền thông không dây được sử dụng để truyền nhận dữ liệu đã được áp dụng để điều khiển các đối tượng thông minh, phải kể đến như Bluetooth, Wifi, Zigbee, SMS, RF, hồng ngoại. Các phương thức kết nối điều khiển không dây phổ biến là: 1.4.2.1 Kết nối bluetooth Bluetooth là công nghệ không dây cho phép các thiết bị điện, điện tử có thể giao tiếp với nhau trong khoảng cách ngắn, bằng sóng vô tuyến qua băng tần chung ISM trong dải tần (2,4- 4,48) MHz. Mục đích của Bluetooth dùng để thay thế cáp nối giữa máy tính và các thiết bị truyền thông cá nhân, kết nối vô tuyến giữa các thiết bị điện tử với nhau một cách thuận tiện, giá thành rẻ. Kiến trúc Bluetooth gồm 3 tầng: bộ điều khiển (Controller) thường là thiết bị vật lý có khả năng truyền và nhận các gói tin dưới dạng tín hiệu vô tuyến; chủ (Host) thường là một phần mềm quản lý việc truyền thông giữa các thiết bị; ứng dụng (Application).  Đặc điểm: Tiêu thụ năng lượng thấp, ứng dụng được nhiều loại thiết bị, giá thành rẻ, dễ dàng trong việc phát triển ứng dụng, an toàn và bảo mật cao, tính tương thích cao nên được nhiều nhà sản xuất phần cứng và phần mềm hỗ trợ. Tuy nhiên, có nhược điểm là khoảng cách giao tiếp ngắn, dễ bị nhiễu, bắt sóng kém khi có vật cản, thiết lập kết nối tương đối lâu.  Ứng dụng: Bluetooth được ứng dụng rộng rãi trong đời sống như thiết bị truyền dữ liệu, thiết bị truyền thanh, thiết bị di động, các ứng dụng nhúng, ... Ngoài ra Bluetooth còn được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực điều khiển các thiết bị thông minh bằng điện thoại di động. Trong đó: bộ điều khiển sẽ chứa một module Bluetooth có chức năng tạo kết nối và nhận dữ liệu từ smartphone. Kết nối giữa điện thoại và bộ điều khiển là kết nối điểm - điểm, tức là muốn máy điện thoại khác điều khiển được thì máy điện thoại hiện tại đang điều khiển phải ngắt kết nối với bộ điều khiển trung tâm. Kết nối này được bảo mật bằng một mã Pincode. Khoảng cách điều khiển giữa điện thoại và thiết bị khoảng 20m nếu không có vật cản.  Xu hướng phát triển của công nghệ Bluetooth Bluetooth phiên bản 4.1: Phiên bản 4.1 được đánh giá là mang tính cách mạng hứa hẹn nhiều ứng dụng mới. Ưu điểm của phiên bản 4.1 so với các phiên bản trước là: • Tăng khả năng chung sống. • Khả năng kết nối thông minh. • Cải thiện khả năng truyền dữ liệu. Công nghệ Bluetooth Low Energy (BLE) tiết kiệm điện tới 4 lần. Hiện nay, đã có một số hãng (Qualcomm) phát triển công nghệ Bluetooth cấu hình thành mạng mesh giúp cho việc điều khiển nhiều các thiết bị khác nhau cùng một lúc thay vì điều khiển từng thiết bị đơn lẻ. 1.4.2.2 Wifi Wifi là viết tắt của từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11 là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến, giống như điện thoại, truyền hình và radio . Hầu hết các thiết bị điện tử ngày nay như máy tính, điện thoại, tivi, … đều có thể kết nối Wifi.  Ưu điểm của công nghệ kết nối WIFI: • Thuận tiện: Cho phép truy xuất tài nguyên ở bất cứ vị trí nào; • Khả năng di động: Với sự phát triển của các mạng không dây công cộng, người dùng có thể truy cập Internet ở bất cứ đâu; • Hiệu quả: Người dùng có thể duy trì kết nối mạng khi họ đi từ nơi này sang nơi khác; - Khả năng mở rộng: Mạng không dây có thể đáp ứng tức thì khi gia tăng số lượng kết nối.  Nhược điểm của WIFI: • Tính bảo mật kém; • Phạm vi sử dụng khá hẹp, thường trong một căn nhà vừa và nhỏ; • Độ tin cậy không cao: vì sử dụng sóng vô tuyến để truyền thông nên dễ bị nhiễu, tín hiệu bị suy giảm do tác động của các thiết bị khác là không tránh khỏi.  Ứng dụng: Biến điện thoại di động thành bộ điều khiển từ xa. Chia sẻ dữ liệu giữa các máy tính; - Trong căn hộ, doanh nghiệp, chăm sóc sức khỏe, du lịch, ... Cách thức hoạt động: Người dùng sẽ kết nối với mạng không dây qua cổng mạng, và sau đó nó sẽ khởi chạy trình duyệt Internet: Đường truyền tốc độ cao. Cổng mạng. Mạng LAN không dây là một hệ thống kết nối máy tính của bạn với các thiết bị khác bằng sóng vô tuyến thay vì dây dẫn. Người dùng không dây là những người mà có một máy tính với một adapter không dây, là những phương tiện để họ truy cập không dây vào Internet. Adapter không dây có thể được tích hợp sẵn hoặc là một thiết bị rời sẽ được cắm vào máy tính.  Mô hình sử dụng Wifi: Mô hình hệ thống sử dụng Wifi gồm thiết bị phát sóng kết nối với Swich/HUB qua Modem đến Internet. Các Laptop được kết nối qua cáp còn các smarphone được kết nối qua RF. Hình 1.14. Hệ thống sử dụng wifi  Ứng dụng của Wifi trong việc biến điện thoại thành điều khiển từ xa được .  Điều khiển đơn lẻ: Đối với những yêu cầu chỉ cần điều khiển một thiết bị đơn lẻ bằng Wifi thì việc dùng sơ đồ khối trên là hợp lý. Trong đó, Gateway thường là một module Wifi nhận lệnh điều khiển từ điện thoại di động. Module Wifi thường dùng là ESP8266.  Điều khiển tập trung nhiều thiết bị: Mỗi thiết bị cần điều khiển được định tuyến bằng một địa chỉ IP và một port thông qua router. Để điều khiển thiết bị smartphone phải tạo kết nối được với thiết bị đó, phương thức chủ yếu sử dụng là TCP/IP như hình 12 và 13. Xu hướng phát triển của phương thức Wifi: Mạng không dây là một bước đột phá của ngành mạng máy tính. Cùng với sự phát triển của công nghệ Wifi, một số lượng lớn các thiết bị Wifi đã được bán ra thị trường. Tuy nhiên, theo các nhà phân tích, tương lai của mạng không dây lại thuộc về WiMax, công nghệ truyền thông không dây bằng nhiều cách khác nhau. Người ta chỉ ra rằng chỉ 5 năm nữa, WiMax sẽ chiếm lĩnh thị trường giống như những gì đang diễn ra với các thiết bị wifi. Với WiMax, người dùng có thể truy cập ở bất cứ đâu giống như mạng điện thoại trong khi wifi chỉ cho phép truy cập ở những địa điểm cố định có thiết bị hotspot (giống như buồng điện thoại công cộng). 1.4.2.3 Hồng ngoại (Infrared) Đây là chuẩn giao tiếp không dây đã xuất hiện từ lâu, từng là kết nối phổ biến để giao tiếp giữa các thiết bị máy tính, điện thoại trong khoảng cách ngắn. Với hồng ngoại, máy tính có thể chuyển các tập tin và dữ liệu số khác theo cả hai chiều cùng lúc. Hình 1.15. Kết nối hồng ngoại Phải đặt thẳng hàng khi kết nối hai thiết bị hồng ngoại với nhau Việc truyền và nhận dữ liệu sẽ được thực hiện thông qua một cổng trên thiết bị (bạn cần đặt sao cho các cổng hồng ngoại trên các thiết bị thấy nhau mới giao tiếp được). Mạng hồng ngoại vốn được thiết kế để kết nối trực tiếp hai thiết bị nhưng cũng có một số công nghệ hồng ngoại mở rộng cho kết nối hơn 2 máy. Tầm hoạt động của hồng ngoại ngắn (