Đang tải... (xem toàn văn)
Nội dung thực hành Nội dung 1: Thực hành thu thập dữ liệu của cảm biến trong node cảm biến, giao tiếp hiển thị kết quả đo đạc cảm biến Nội dung 2: Thực hành kết nối, khởi tạo mạng và gia
Trang 1HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA VIỄN THÔNG 1
Trang 2MỤC LỤC
1 Mục đích thực hành ……….………… 2
2 Nội dung thực hành……….………… 2
3 Tóm tắt cơ sở lý thuyết.……… 3
3.1 Kỹ thuật thu thập dữ liệu trong hệ thống cảm biến.……… 3
3.2 Giới thiệu giao thức truyền thông không dây Zigbee cho IoT 3
4 Danh mục & sơ đồ đấu nối thiết bị thực hành ……… 12
4.1 Danh mục thiết bị thực hành………… ……… 13
4.2 Sơ đồ đấu nối thiết bị 14
5 Quy định về thời gian, cách thức thực hành & quản lý thiết bị……… 15
6 Báo cáo thực hành và đánh giá kết quả 16
7 Hướng dẫn chi tiết các bước thực hành……… 17
8 Tài liệu tham khảo……… 29
9 Phụ lục……… 30 Phiếu bàn giao thiết bị thực hành (Sinh viên)
Phiếu báo cáo kết quả thực hành (Sinh viên) Phiếu đánh giá kết quả thực hành (Giảng viên) Videos hướng dẫn thực hành
Code tham khảo
Trang 31 Mục đích thực hành
+ Sinh viên nắm rõ cách thức thu thập dữ liệu của cảm biến
+ Sinh viên nắm rõ cách thức hiển thị LCD kết quả đo đạc cảm biến
+ Sinh viên nắm rõ cách thức kết nối, khởi tạo mạng và giao tiếp giữa các cảm biến
+ Sinh viên tìm hiểu cách thức đều khiển hệ thống cảm biến
2 Nội dung thực hành
Nội dung 1: Thực hành thu thập dữ liệu của cảm biến trong node cảm biến, giao tiếp hiển thị kết quả đo đạc cảm biến
Nội dung 2: Thực hành kết nối, khởi tạo mạng và giao tiếp giữa các nodes cảm biến
Nội dung 3: Thực hành đều khiển hệ thống cảm biến (nâng cao sinh viên tự mở rông)
Lưu ý: Yêu cầu sinh viên đã nắm rõ kiến thức nội dung thực hành cơ bản cho cho hệ thống cảm biến như làm quen với hệ thống cảm biến trên Kit IoT Zigbee, tạo project và cách thức nạp code vào Kit IoT Zigbee Sinh viên có thể tham khảo chi tiết tại Buổi 1: Thực hành cơ bản cho cho hệ thống cảm biến
3 Khái quát cơ sở lý thuyết
3.1 Kỹ thuật thu thập dữ liệu trong hệ thống cảm biến
+ Cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái, quá trình vật lý hay hóa học ở môi trường cần khảo sát và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó Thông tin được xử lý để rút ra tham số định tính hoặc định lượng của môi trường, phục vụ các nhu cầu nghiên cứu khoa học kỹ thuật hay dân sinh và gọi ngắn gọn là đo đạc, phục vụ trong truyền và xử lý thông tin hay trong điều khiển các quá trình khác
+ Các đại lượng cần đo thường không có tính chất điện như nhiệt độ, áp suất,… tác động lên cảm biến cho ta một đại lượng đặc trưng mang tính chất điện như điện tích, điện áp, dòng điện,… chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đo
a) Nguyên lý đo nhiệt độ bằng cảm biến
Trang 4+ Khái niệm cảm biến nhiệt độ: Cảm biến nhiệt độ là một thiết bị RTD (đầu dò
điện trở) hoặc là cặp nhiệt điện giúp đo sự biến đổi về nhiệt độ của vật cần đo Khi nhiệt độ có sự thay đổi lớn thì các cảm biến sẽ đưa ra một tín hiệu, từ đó các bộ đọc sẽ đọc và quy ra thành một con số cụ thể
+ Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ
Thiết bị đo cảm biến nhiệt độ thường được cấu chính từ 2 dây kim loại được gắn vào đầu nóng và đầu nạnh Ngoài ra chúng còn được cấu tạo bởi các bộ phận như sau:
+ Cảm biến: Bộ phận quan trọng nhất cho biết độ chính xác của toàn bộ thiết bị cảm biến Bộ sản phẩm này được đặt bên trong vỏ bảo vệ sau khi đã kết nối với đầu nối.
+ Dây kết nối: Bộ phận này được kết nối bằng 2, 3 hoặc 4 dây, phụ thuộc hoàn toàn vào điều kiện sử dụng đầu đo.
+ Chất cách điện: Đây là bộ phận đóng vai trò làm chất cách điện ngừa đoản mạch và thực hiện cách điện giữa các dây nối với phần vỏ bảo vệ.
+ Chất làm đầy: Là bột alumina được làm mịn, sấy khô và rung với chức năng là lắp đầy các khoảng trống để bảo vệ khỏi các tác động từ bên ngoài.
+ Lớp vỏ: Bộ phận này được dùng làm bảo vệ bộ phận cảm biến, dây kết nối.
+ Đầu kết nối: Thường được làm từ vật liệu cách điện, chứa cá bảng mạch cho phép kết nối với các điện trở
Hình ảnh cấu tạo của cảm biến nhiệt
+ Nguyên lý đo nhiệt độ bằng cảm biến
Cảm biến nhiệt độ được hoạt động dựa vào sự thay đổi điện trở của kim loại so với sự thay đổi nhiệt độ vượt trội Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng
Trang 5và đầu lạnh sẽ có một sức điện rộng V được phát sinh ở phần đầu lạnh Lúc này, nhiệt độ ở đầu lạnh sẽ luôn được ổn định và đo được, phụ thuộc và chất liệu
Nguyên lý hoạt động này chủ yếu dựa trên mối quan hệ giữa kim loại và nhiệt độ, khi nhiệt độ bằng 0 thì điện trở sẽ ở mức 100 Ω, điện trở của kim loại tăng lên khi nhiệt độ tăng lên và ngược lại
Nguyên lý của cảm biến nhiệt độ thermocouple
Nguyên lý của cảm biến nhiệt bán dẫn
b)Nguyên lý đo độ ẩm bằng cảm biến Khái niệm cảm biến độ ẩm:
+ Cảm biến độ ẩm , còn được gọi là ẩm kế , là thiết bị phát hiện và đo lượng hơi nước hoặc độ ẩm có trong không khí Trên thị trường hiện nay đang có 3 loại cảm biến độ ẩm chính, được sử dụng rộng rãi đó là: cảm biếm độ ẩm điện dung, cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt và cảm biến độ ẩm điện trở
Trang 6+ Thiết bị cảm biến độ ẩm điện dung: đây là thiết bị sử dụng một tụ điện có 2 lớp điện cực và ở giữa là một lớp vật liệu điện môi mang tác dụng hút ẩm từ môi trường không khí xung quanh Thường các vật liệu sử dụng làm chất điện môi sẽ là một lớp màng polyme có hằng số điện môi trong khoảng tầm từ 2 – 15 hoặc một dải oxit kim loại mỏng Thiết bị này sẽ sử dụng để đo đạc độ ẩm tương đối, dùng để đo phạm vi nhiệt độ độ ẩm rộng mà không cần bù nhiệt độ hoạt động
+ Thiết bị cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt: đây là thiết bị cảm biến có thể sử dụng để đo giá trị tuyệt đối của độ ẩm thông qua các tính toán mức độ dẫn nhiệt của môi trường không khí ẩm và không khí khô Loại cảm biến nhiệt độ độ ẩm này có 2 nhiệt điện trở đặt 1 cái ở bên trong buồng cảm biến kín bao bọc bằng ni tơ khô và 1 nhiệt điện trở đặt bên ngoài để tiếp xúc với độ ẩm trong không khí để có thể so sánh được sự chênh lệch từ đó cho ra kết quả đo đạc tỷ lệ thuận với độ ẩm tuyệt đối
+ Thiết bị cảm biến độ ẩm điện trở: chúng là cảm biến hoạt động dựa vào sự thay đổi điện trở suất ở 2 điện cực để đo đạc các giá trị độ ẩm tương đối Chúng sử dụng đến các ion muốn để đo trở kháng điện trong các nguyên tử Lúc độ ẩm hay nhiệt độ môi trường thay đổi, điện trở của các điện cực sẽ thay đổi theo
Cảm biến độ ẩm
Cấu tạo cảm biến độ ẩm
+ Cảm biến độ ẩm điện dung: sử dụng một tụ điện, bao gồm hai lớp điện cực giữa
là vật liệu điện môi Trong trường hợp của cảm biến độ ẩm điện dung, vật liệu điện môi là vật liệu hút ẩm, có nghĩa là nó có khả năng hút ẩm từ không khí xung quanh Chất điện môi thường được sử dụng cho các cảm biến độ ẩm điện dung là một màng polyme, có hằng số điện môi nằm trong khoảng 2-15
Trang 7Cảm biến độ ẩm điện dung
Trong điều kiện không có ẩm, điện dung (khả năng tích trữ điện tích) được xác định bởi dạng hình học của tụ điện và điện trở cho phép (hằng số điện môi) của vật liệu điện môi Hằng số điện môi của hơi nước ở nhiệt độ phòng bình thường là khoảng 80, lớn hơn nhiều so với hằng số điện môi của vật liệu điện môi Khi vật liệu điện môi hấp thụ hơi nước từ không khí xung quanh, hằng số điện môi tăng lên, làm tăng điện dung của cảm biến Có mối quan hệ trực tiếp giữa độ ẩm tương đối trong không khí, lượng ẩm chứa trong vật liệu điện môi và điện dung của cảm biến Sự thay đổi hằng số điện môi tỷ lệ thuận với giá trị của độ ẩm tương đối Bằng cách đo sự thay đổi điện dung (hằng số điện môi), độ ẩm tương đối có thể được đo
+ Cảm biến độ ẩm điện trở:
Cảm biến độ ẩm điện trở, đôi khi được gọi là cảm biến ẩm hoặc cảm biến độ dẫn điện, là một cảm biến sử dụng sự thay đổi điện trở suất đo được giữa hai điện cực để thiết lập giá trị của độ ẩm tương đối
Cảm biến độ ẩm điện trở
Thiết bị chứa một lớp dẫn hút ẩm ở dạng màng cảm biến độ ẩm polyme được gắn trên đế Màng dẫn điện chứa một tập hợp các điện cực giống như chiếc lược, thường được lắng đọng từ kim loại quý như vàng, bạc hoặc bạch kim, được đặt theo kiểu xen kẽ để tăng diện tích tiếp xúc giữa các điện cực và vật liệu dẫn điện Điện trở suất của vật liệu dẫn điện sẽ thay đổi tỷ lệ nghịch với lượng ẩm được
Trang 8hấp thụ Khi hơi nước được hấp thụ nhiều hơn, vật liệu phi kim loại dẫn điện tăng độ dẫn điện và do đó điện trở suất giảm
+ Cảm biến độ ẩm độ dẫn nhiệt:
Cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt được sử dụng để đo độ ẩm tuyệt đối Chúng hoạt động bằng cách tính toán sự khác biệt về độ dẫn nhiệt của không khí khô và không khí ẩm Hai nhiệt điện trở NTC được treo bằng dây mỏng với cảm biến Một trong các nhiệt điện trở nằm trong một buồng tiếp xúc với không khí qua một loạt các lỗ thông gió Nhiệt điện trở thứ hai được đặt trong một buồng khác bên trong cảm biến được làm kín bằng nitơ khô Một mạch cầu dẫn điện truyền dòng điện đến các nhiệt điện trở bắt đầu tự tỏa nhiệt Vì một trong những nhiệt điện trở tiếp xúc với độ ẩm từ không khí nên nó sẽ có độ dẫn điện khác nhau Có thể thực hiện phép đo chênh lệch điện trở của hai nhiệt điện trở, tỷ lệ thuận với độ ẩm tuyệt đối
Cảm biến độ ẩm độ dẫn nhiệt
Nguyên lý đo độ ẩm bằng cảm biến: Cảm biến độ ẩm sẽ hoạt động dựa theo
nguyên lý hấp thụ hơi nước để biến đổi tính chất, thành phần cảm nhận trong cảm biến từ đó làm cho thiết bị điện trở thay đổi giá trị, xuất hiện sự biến đổi của dòng điện nhờ vậy sẽ xác định, đo lường được độ ẩm thay đổi Với thiết bị cảm biến độ ẩm điện dung thì khi không khí đi qua 2 tấm kim loại thì khi có sự thay đổi độ ẩm không khí sẽ tạo được sự biến đổi điện dung giữa các bản
Sơ đồ nối dây cảm biến nhiệt độ độ ẩm
Trang 9c)Nguyên lý đo ánh sáng bằng cảm biến
Khái niệm cảm biến ánh sang:
+ Cảm biến ánh sáng là thiết bị quang điện chuyển đổi ánh sáng (bao gồm cả ánh sáng nhìn thấy và ánh sáng dạng tia hồng ngoại) thành tín hiệu điện Nó là một dạng thiết bị cảm biến thông minh có thể nhận biết được các biến đổi của môi trường thông qua mắt cảm biến Từ đó, nó sẽ điều chỉnh ánh sáng cho phù hợp
Nguyên lý đo ánh sáng bằng cảm biến
+ Cảm biến ánh sáng hoạt động dựa trên nguyên lý của hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện là hiện tượng một số chất đặc biệt sau khi hấp thụ ánh sáng sẽ chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện
Hiệu ứng quang điện gồm có:
+ Hiệu ứng quang điện trong: Hiện tượng quang điện trong thường diễn ra với chất bán dẫn Khi chiếu ánh sáng vào vật liệu, năng lượng này sẽ làm thay đổi điện trở suất bên trong vật liệu gây ra suất điện động làm thay đổi tính chất điện của vật liệu
Hiệu ứng quang điện trong
+ Hiệu ứng quang điện ngoài: Khi bề mặt của vật liệu được chiếu bởi ánh sáng, các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng để tạo ra điện Khi các điện tử từ bên trong vật liệu bật ra ngoài bề mặt của vật liệu sẽ tạo ra hiệu ứng quang điện ngoài.
Trang 10Nguyên lý đo ánh sáng bằng cảm biến
3.2 Giới thiệu giao thức truyền thông không dây Zigbee cho IoT a) Giới thiệu chung
+ Gồm 3 phiên bản: Zigbee 2004
Zigbee 2006 Zigbee PRO
Trang 14b) Quá trình khởi tạo, gia nhập mạng và giao tiếp giữa các cảm biến sử dụng Zigbee
+ Khởi tạo mạng (Network Created)
Đầu tiên chúng ta sẽ khởi nguồn từ thiết bị duy nhất đó chính là Zigbee Coordinator Tiếp theo đó Pan Coordinator sẽ cài đặt địa chỉ Extended PanID cho mạng của mình dựa theo tầng ứng dụng Không nên tự đặt giá trị Extended PanID vì nó có thể dẫn đến trùng lặp vì Extended PanID là giá trị duy nhất và không thể thay đổi trong bất cứ trường hợp nào Vì vậy chúng ta nên để cho Coordinator sử dụng thuật toán quét năng lượng để lựa chọn giá trị Extended PanID phù hợp Sau khi lựa chọn xong giá trị Extended PanID, Coordinator sẽ tự động cấu hình cho địa chỉ mạng của mình thành 0x0000 và đây là giá trị cố định của Pan Coordinator trong tất cả các mạng Zigbee Tiếp đến Coordinator thực hiện việc quét năng lượng trên cả 16 kênh tần để tìm ra một kênh tồn tại ít nhiễu năng lượng sạch nhất để làm kênh tạo cho mạng của mình Sau khi kênh tần được chọn, Coordinator sẽ lựa chọn địa chỉ 16-bit cho định danh PanID của mình Để làm được điều này thì nó sẽ phải xem các luồng mạng khác đang tồn tại và xác định giá trị PanID của các luồng mạng này và để tránh xung đột xảy ra Coordinator sẽ chọn định danh PanID không trùng lặp với những định danh đang tồn tại Sau khi hoàn tất các bước trên mạng đã được tạo thành công bởi Pan Coordinator và công việc tiếp theo của nó là nhận hay không nhận yêu cầu xin gia
nhập mạng của Router hoặc là End Device
Khởi tạo mạng (Network Created)
+ Quá trình gia nhập mạng
Đầu tiên Trust Center thực hiện quá trình mở mạng, thiết bị Device sẽ bắt đầu quá trình đi tìm mạng Hai thiết bị này sẽ sử dụng bản
Trang 15tin MAC Association để có thể thực hiện quá trình gia nhập mạng Đối với Zigbee Coordinator (Trust Center) và nhận được bản tin MAC Association đến từ thiết bị thì nó sẽ gửi lại cho thiết bị một bản tin có tên là APS Transport Key để gửi Network key đến cho thiết bị để thực hiện quá trình giải mã và mã hoá Sau khi thiết bị nhận được bản tin Network Key từ ZC thì nó sẽ gửi lại ZC bản tin ZDO Device Announce (ZDO Device Annouce là bản tin broadcast là bản tin thông báo cho toàn bộ mạng về thông tin thiết bị của nó) Sau đó thiết bị sẽ gửi lại cho ZC bản tin ZDO Node Descriptor Req để có thể nhận lại thông tin từ ZC và kiểm tra xem ZC có phải là thiết bị Zigbee R21 hay không
Vì Zigbee R21 mới có khả năng cung cấp Trust Center Link Key Nếu ZC là Zigbee R21 thì Device sẽ gửi lại bản tin APS Request Key để có thể yêu cầu ZC cung cấp giá trị Link Key cho mình Bản tin này đã được mã hoá bởi giá trị Network Key Sau khi ZC nhận được bản tin cung cấp Link Key thì nó sẽ gửi trả lại Device một loại Key mới và đó chính là Link Key được sử dụng Khi Device nhận được loại Key mới thì nó sẽ lưu trữ và xử lý bản tin của mình bằng loại Key mới này và trả lại cho Device bản tin APS Confirm Key nhằm mục định xác nhận với ZC là nó đã nhận được Key và sẽ sử dụng loại Key này trong quá trình giao tiếp Khi ZC nhận được bản tin APS Verify Key thì nó sẽ sử dụng Key mới để giải mã bản tin đó và sẽ gửi lại bản tin APS Confirm Key cho thiết bị Device để xác định sẽ sử dụng Link Key mới trong giao tiếp thay vì sử dụng
Network Key A
Quá trình gia nhập mạng
Trang 164 Danh mục thiết bị thực hành & sơ đồ đấu nối thiết bị
4.1 Danh mục thiết bị thực hành
+ Phần cứng: Các thiết bị chính trong buổi thực hành bao gồm 01 bộ Kit IoT Zegbee, 01 mạch nạp Kit, 01 máy tính, 01 bộ cáp nối chuyên dụng Tất cả được
được đồng bộ theo số thứ tự từ 1-20
+ Phần mềm: Simplicity Studio
Danh mục thiết bị thực hành phòng lab
Sinh viên có thể tham khảo chi tiết tại Danh mục thiết bị thực hành phòng lab
Trang 174.2 Sơ đồ đấu nối thiết bị
Sơ đồ đấu nối thiết bị Kit IoT-máy tính
Trang 18Sơ đồ đấu nối chân thiết bị trên Kit IoT Zegbee
Trang 195 Quy định về thời gian, cách thức thực hành & quản lý thiết bị
+ Thời gian mỗi buổi thực hành là từ 3-4 giờ, chia làm 10-12 nhóm nhỏ, mỗi nhóm 2 sinh viên/1 bộ kit/1 máy tính, 8 bộ kit dự phòng Sinh viên tìm hiểu cơ sở lý thuyết ngắn gọn và các bước thực hiện có thể thao tác dễ dàng
+ Trước mỗi buổi thực hành, mỗi nhóm sinh viên được cung cấp: 1 phiếu bàn giao thiết bị thực hành bao gồm danh mục các thiết bị thực hành, cuối buổi thực hành sinh viên kiểm tra và nộp lại phiếu bàn giao + thiết bị thực hành
6 Báo cáo thực hành và đánh giá kết quả
+ Trước mỗi buổi thực hành mỗi nhóm sinh viên được cung cấp 1 phiếu báo cáo thực hành tóm tắt nội dung và kết quả thực hành
+ Giáo viên đánh giá Bản báo cáo kết quả thực hành của sinh viên dựa trên bảng tiêu chí đánh giá thực hành Trong mỗi buổi thực hành, tùy theo năng lực sinh viên có thể thực hiện hết các nội dung hoặc 2/3 nội dung là đạt yêu cầu
+ Phiếu báo cáo và tiêu chí đánh giá kết quả thực hành xem chi tiết tại Phụ lục
Trang 207 Hướng dẫn chi tiết các bước thực hành
Nội dung 1: Thực hành thu thập dữ liệu của cảm biến trong Kit IoT Zigbee, giao tiếp hiển thị kết quả đo đạc cảm biến
Note: Đã có sẵn chương trình project tại Buổi 2.1 Thu thập dữ liệu cảm biến Sinh viên có thể tham khảo code mẫu tại Tài liệu Thực hành học phần Hệ thống cảm biến\Codes\Buổi 2.1 Thu thập dữ liệu cảm
biến\SW_ZB_V1_0_0\Source\App\Main để hiểu rõ ý nghĩa các bước từ 1-6
1.1: Thêm các thư viện cần thiết vào project như sau
1.2: Xây dựng hàm khởi tạo ngoại vi ADC của chip EFR32MG21 để giao tiếp với cảm biến ánh sáng
void LightSensor_AdcPollingReadHandler(void)
1.3: Xây dựng hàm khởi tạo ngoại vi I2C của chip EFR32MG21 để giao tiếp với cảm biến nhiệt độ - độ ẩm
emberEventControlSetInactive(readValueSensorLightControl);
1.4: Xây dựng hàm đọc giá trị cường độ ánh sáng của cảm biến ánh sáng
uint32_t lux = LightSensor_AdcPollingRead();
2.1: Đợi ADC0 chuyển đổi dữ liệu xong bằng cách kiểm tra trạng thái của cờ SINGLEFIFODV
Trang 212.2: Đọc dữ liệu chuyển đổi của ADC0
Bước 3: Xây dựng hàm đọc giá trị nhiệt độ của cảm biến Si7020
KalmanTemp = Si7020_MeasureTemp();
Bước 4: Xây dựng hàm đọc giá trị độ ẩm của cảm biến Si7020
KalmanHumi = Si7020_MeasureHumi();
Bước 5: Trước hàm emberAfMainInitCallback gọi các hàm + Si7020_Init: Khởi tạo cảm biến Si7020
+ LDRInit: Khởi tạo cảm biến ánh sáng
+ emberEventControlSetDelayMS: tạo timer với chu kỳ 5 s cập nhật
giá trị cường độ ánh sáng Trong hàm callback sử dụng hàm debug
emberAfCorePrintln để hiển thị giá trị cường độ ánh sáng lên màn
hình PC
+ emberEventControlSetDelayMS: tạo timer với chu kỳ 10 s cập nhật
các giá trị nhiệt độ và độ ẩm Trong hàm callback sử dụng hàm
debug emberAfCorePrintln để hiển thị giá trị nhiệt độ và độ ẩm lên
Bước 6: Sau khi khai báo hay chỉnh sửa trong file.isc cần phải Generate để sinh ra các file thư viện, phục vụ cho quá trình nạp firmware vào Kit