Thu thập dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm bằng mạng không dây

Bài viết Thu thập dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm bằng mạng không dây nghiên cứu giải pháp thu thập dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm sử dụng mạng không dây. Cảm biến được đặt tại các điểm cần đo. Dữ liệu sẽ được đưa về điểm trung tâm, sau đó đưa lên server. Người dùng có thể quan sát giá trị nhiệt độ, độ ẩm thông qua web được thiết kế trên server hoặc ứng dụng điện thoại.

THU THẬP DỮ LIỆU NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM BẰNG MẠNG KHÔNG DÂY Nguyễn Quốc Vàng* *Viện Kỹ thuật HUTECH, Trường Đại học Cơng nghệ TP Hồ Chí Minh GVHD: ThS Lê Tấn Sang TĨM TẮT Mơi trường sống đóng vai trò quan trọng đến phát triển cùa cá thể, từ động vật đến người Con người cần mơi trường làm việc, sinh hoạt, học tập, có nhiệt độ, độ ẩm dễ chịu, thoải mái Rau, cải, tôm, cá đặc biệt cần môi trường với nhiệt độ độ ẩm phù hợp cho giai đoạn để tồn phát triển tốt Do đó, việc theo dõi thông số nhiệt độ, độ ẩm cần thiết để kịp thời phát đưa giải pháp xử lý Khi mà điểm cần đo nhiệt độ đạt số lượng lớn, giải pháp sử dụng dây dẫn truyền tín hiệu trở nên khó thực Từ đó, nhóm chọn nghiên cứu giải pháp thu thập liệu nhiệt độ, độ ẩm sử dụng mạng không dây Cảm biến đặt điểm cần đo Dữ liệu đưa điểm trung tâm, sau đưa lên server Người dùng quan sát giá trị nhiệt độ, độ ẩm thông qua web thiết kế server ứng dụng điện thoại Từ khóa: mạng khơng dây, nhiệt độ, độ ẩm, môi trường GIỚI THIỆU Trong nhiều nhà máy, đặc biệt nhà máy lớn, người quản lý cần hệ thống để theo dõi thông số môi trường nhiệt độ, độ ẩm tất phòng ban hay phân xưởng Hiện nay, công việc thường ghi chép thủ công dẫn đến khó quản lý khơng kịp phản ứng xảy cố Nhu cầu theo dõi thông số nhiệt độ, độ ẩm cấp thiết cho kho nông sản, thủy sản Khi mà việc thay đổi không mong muốn thông số môi trường dẫn tới tổn thất lớn cho sản phẩm Các thiết bị đo giá trị nhiệt độ, độ ẩm có nhiều thị trường, sản phẩm tích hợp thành hệ thống phát triển không ngừng công nghiệp 4.0 lĩnh vực ioT Do đó, nhóm chọn nghiên cứu giải pháp thu thập liệu từ nhiều điểm thông qua mạng không dây Nhiều báo đưa lý thuyết mơ hình mạng thu thập thông số môi trường “Overview of Sensor Networks” thực mơ hình thu thập liệu mơi trường nhằm mục đích tăng suất sản xuất, nông nghiệp xây dựng [1] “An Integrated Sensor Network System for Energy-Efficient Surveillance” đưa mạng cảm biến mang tên VigilNet để phát vị trí vật thể truyền liệu điểm điều khiển [2] Tác giả báo “Context-Aware Wireless Sensor Networks for Assisted Living and Residential Monitoring” đưa mạng gọi AlarmNet để ghi nhận lại thông số môi trường, hoạt động sinh lý, thể chất 255 cá nhân [3] Hay công bố mang tên “Wireless Sensor Networks”, tác giả tổng hợp giải pháp dùng mạng cảm biến không dây, ứng dụng cho hàng ngàn thiết bị [4] Từ đó, nhóm đặt mục tiêu nghiên cứu giải pháp thu thập liệu nhiệt độ, độ ẩm mạng không dây Dữ liệu truyền lên server theo dõi thơng qua web Bố cục trình bày gồm phần 1: giới thiệu; phần 2: mạng liệu không dây; phần 3: Hệ thống thu thập liệu không dây; cuối phần kết luận hướng phát triển CÁC MẠNG DỮ LIỆU KHƠNG DÂY 2.1 Wifi Cơng nghệ Wi-Fi đời từ giai đoạn đầu Internet, dựa tiêu chuẩn IEEE 802.11, phát triển thay khơng dây cho chuẩn có dây Ethernet IEEE 802.3 Wi-Fi tích hợp vào máy tính xách tay, máy tính bảng, điện thoại thơng minh smart TV Wi-Fi sử dụng rộng rãi ứng dụng IoT tận dụng sở hạ tầng Wi-Fi có Hầu hết mạng Wi-Fi hoạt động băng tần 2.4GHz Wi-Fi hoạt động băng tần 5GHz, nơi có nhiều kênh tốc độ liệu cao Mạng Wi-Fi có cấu trúc liên kết hình sao, với AP (access point) “internet gateway” Công suất đầu Wi-Fi đủ cao để phủ sóng tồn nhà hầu hết trường hợp Trong tòa nhà lớn, nhiều AP triển khai vị trí khác để tăng phạm vi phủ sóng mạng, nhiên tồn điểm chết Để khắc phục trường hợp này, số sản phẩm Wi-Fi tăng số lượng ăng-ten Hầu hết AP Wi-Fi yêu cầu hỗ trợ tới 250 thiết bị kết nối đồng thời Các AP “enterprise-grade” hỗ trợ nhiều kết nối nữa, AP phổ biến khác xử lý không 50 Wi-Fi công nghệ kết nối Internet không dây phổ biến Tuy nhiên, công suất cao độ phức tạp rào cản lớn nhà phát triển IoT, thiết bị module giảm bớt nhiều rào cản cho phép tích hợp WiFi vào ứng dụng IoT 256 Hình 1: Wifi module ESP32 2.2 Bluetooth Ericsson phát minh công nghệ Bluetooth vào năm 1994 tiêu chuẩn cho giao tiếp không dây điện thoại máy tính Bluetooth hoạt động băng tần ISM 2.4GHz, trước dựa tiêu chuẩn IEEE 802.15.1, sau phát triển tiêu chuẩn quản lý Bluetooth SIG Bluetooth cổ điển công nghệ PAN chủ yếu sử dụng ngày để thay cáp cho giao tiếp tầm ngắn chủ yếu cấu trúc liên kết mạng điểm-điểm mạng hình Nó sử dụng băng tần ISM 2.4GHz hỗ trợ thông lượng liệu lên đến 2Mbps, với tối đa tám thiết bị kết nối Bluetooth lượng thấp, trước gọi Bluetooth Smart, Bluetooth Nokia ban đầu tạo Bluetooth lượng thấp Bluetooth SIG đưa vào tiêu chuẩn Bluetooth 4.0 vào năm 2010 để tham gia vào không gian IoT lượng thấp Bluetooth lượng thấp sử dụng băng tần ISM 2.4GHz, không tương thích với Bluetooth cổ điển Bluetooth lượng thấp sử dụng 40 kênh rộng 2MHz, Bluetooth cổ điển sử dụng 79 kênh rộng 1MHz So với Bluetooth cổ điển, Bluetooth tiết kiệm lượng giúp giảm đáng kể mức tiêu thụ điện thiết bị cho phép hoạt động lâu dài Hình 2: Bluetooth module HC05 2.3 Zigbee Zigbee tiêu chuẩn mở thiết kế, thúc đẩy trì Zigbee Alliance, nhóm gồm 400 cơng ty từ ngành khác Zigbee thiết kế để cung cấp giải pháp kết nối toàn diện cho khả tương tác thiết bị kết nối đám mây Kết nối không dây Zigbee dựa lớp liên kết IEEE 802.15.4 hoạt động băng tần ISM 2.4GHz Lớp mạng thiết kế với “mesh-topology”; cung cấp khả mở rộng mạng mặt địa lý thông qua hoạt động “multihop”, khả chống lỗi tăng độ tin cậy đường dẫn dự phịng tạo thơng qua lưới 257 Một lợi ích Zigbee cung cấp giải pháp hồn chỉnh, có khả tương tác thiết bị nhà sản xuất khác Trên thực tế, giao thức Zigbee kết hợp thư viện cụm Zigbee: thư viện tiêu chuẩn loại thiết bị, mơ hình liệu hành vi xây dựng nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM) hoạt động lĩnh vực khác chứng minh triển khai thực tế nhiều năm Hình 3: Zigbee module CC2530 HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU KHÔNG DÂY 3.1 Cấu trúc mạng Mạng gồm hai thiết bị Thứ điểm đo liệu (Sensor node) Thứ hai điểm trung tâm (Base station) Mạng thiết kế gồm nhiều điểm liệu truyền điểm trung tâm thơng qua sóng RF Điểm trung tâm kết nối với router để tải liệu lên server Từ server, người quản lý xem liệu thơng qua web điện thoại máy tính 258 Hình 4: Cấu trúc mạng 3.2 Điểm thu thập liệu Sử dụng module SI4463 để truyền liệu không dây tần số 433Mhz Nhiệt độ, độ ẩm đo từ cảm biến SHT20 Vi điều khiển sử dụng STM32L052 để tiết kiệm lượng Hình Module SI4463 Hình Cảm biến SHT20 Mạch thiết kế phần mềm Altium (Hình 7) Hình Mạch PCB điểm thu thập liệu 3.3 Điểm trung tâm Cũng sử dụng module SI4463 để truyền liệu không dây tần số 433Mhz Vi điều khiển sử dụng STM32F103 với tốc độ xử lý kết nối có dây Ethernet 259 Hình Mạch PCB điểm trung tâm KẾT LUẬN Theo mục tiêu đề ra, nhóm tìm hiểu dạng mạng không dây truyền liệu Sau đó, tiến hành ứng dụng thiết kế mạng thu thập liệu nhiệt độ, độ ẩm Nhóm thiết kế mạch PCB, viết code truyền nhận liệu khơng dây Hiện nhóm dừng lại tiến hành làm mơ hình thực nghiệm Cơng việc tới, nhóm đặt gia cơng mạch pcb, lập trình hoàn chỉnh cho điểm liệu điểm trung tâm, lập trình web để theo dõi cảnh báo liệu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] D Culler, D Estrin and M Srivastava, "Overview of Sensor Networks", Computer, pp 41-49, Aug 2004 [2] T He, "An Integrated Sensor Network System for Energy-Efficient Surveillance", ACM Trans Sensor Networks, pp 1-28, Feb 2006 [3] A Wood, "Context-Aware Wireless Sensor Networks for Assisted Living and Residential Monitoring", IEEE Networks special issue, July/Aug 2008 [4] John A Stankovic, “Wireless Sensor Networks”, Computer, Volume: 41, Issue: 10, Oct 2008 260 ... hợp giải pháp dùng mạng cảm biến không dây, ứng dụng cho hàng ngàn thiết bị [4] Từ đó, nhóm đặt mục tiêu nghiên cứu giải pháp thu thập liệu nhiệt độ, độ ẩm mạng không dây Dữ liệu truyền lên server... bày gồm phần 1: giới thiệu; phần 2: mạng liệu không dây; phần 3: Hệ thống thu thập liệu không dây; cuối phần kết luận hướng phát triển CÁC MẠNG DỮ LIỆU KHÔNG DÂY 2.1 Wifi Công nghệ Wi-Fi đời từ... nhóm tìm hiểu dạng mạng khơng dây truyền liệu Sau đó, tiến hành ứng dụng thiết kế mạng thu thập liệu nhiệt độ, độ ẩm Nhóm thiết kế mạch PCB, viết code truyền nhận liệu khơng dây Hiện nhóm dừng