Với các hệ thống tự động, điều này thường được thực hiện bằng cách sử dụng nhận dạng hình ảnh, chỉ giới hạn ở tình huống nước trong mà có thể quan sát được thức ăn và cá.. - Ngõ ra chỉ k
GIỚI THIỆU
Tổng quan
Sự gia tăng dân số toàn cầu liên tục và sự mở rộng của tầng lớp trung lưu đặt ra nhiều thách thức đối với an ninh lương thực Các nguồn protein chất lượng cao sẵn có như hải sản phải được tăng lên thông qua cải tiến và tăng cường thực hành nông nghiệp Mặc dù ban đầu nuôi trồng thủy sản dựa trên các ao hoặc đầm nhỏ với ít hoặc không có áp dụng kỹ thuật, nhu cầu tăng năng suất đã đẩy nuôi trồng thủy sản vào các hệ thống thâm canh phức tạp hơn [1]
Các quốc gia trên thế giới đánh giá cao giá trị của các loại hải sản như tôm, dẫn đến việc nuôi trồng chúng trở nên có giá trị đáng kể cho xuất khẩu.
(Mathiesen, 2009) Nhiều quốc gia trên thế giới cạnh tranh để đảm bảo thị trường của họ, thương mại hóa sản phẩm trên toàn cầu và được đảm bảo chất lượng ở từng giai đoạn của chuỗi cung ứng Sản lượng tôm có thể được tăng lên bằng cách áp dụng các kỹ thuật nuôi hiện đại gần đây, nó bao gồm việc tăng cường hoạt động nuôi thông qua việc điều chỉnh kích thước, mật độ thả, sục khí và công thức thức ăn Ở Ấn Độ, đặc biệt là ở Andhra Pradesh, nghề nuôi tôm được tìm thấy rộng rãi và cho đến khi nông dân tuân theo các phương pháp truyền thống bao gồm thao tác cho ăn và các hoạt động nuôi trồng, v.v Nếu tôm không được tiêu thụ thức ăn đúng cách, nó sẽ dẫn đến suy yếu chất lượng nước và đất (Newport và Jawahar
1995, Phillips và Lin, 1993) Vì vậy, sử dụng máy cho ăn tự động cho phép người nuôi tôm cho ăn với số lượng ít hơn, lặp lại nhiều hơn và duy trì vệ sinh ao nuôi
Tôm thường thu thập thức ăn trong móng vuốt của chúng để tự giữ thức ăn và bơi đi Điều này sẽ cho phép những con tôm khác có cơ hội bắt được thức ăn Tuy nhiên, tôm thu thập thức ăn khi thức ăn ở trong nước Khi thức ăn chạm đáy, nó sẽ không được sử dụng và dẫn đến phân cấp chất lượng nước Vì vậy, kỹ thuật cho ăn ảnh hưởng đến chất lượng nước và sức khỏe của tôm (Jorry 1995; Cuzon et
2 al., 1982) Theo phương pháp canh tác truyền thống, người nuôi phải rải thức ăn thủ công và không thể rải thức ăn cho diện tích lớn Do đó, tôm sẽ tranh giành thức ăn gây ra hành vi bạo lực dẫn đến stress và bị tiêu diệt Ngoài ra, tôm sẽ không ăn hết được thức ăn do tỷ lệ thức ăn được phân bổ mỗi lần trên một diện tích nhất định để lại một số cặn bã dẫn đến thức ăn lắng xuống đáy ao dẫn đến chất lượng nước bị suy giảm [2]
Những người nuôi tôm thường cho tôm ăn loại thức ăn có thời gian lưu trong nước lâu để giảm tần suất cho ăn Tuy nhiên, nghiên cứu đã chỉ ra rằng thức ăn lưu trong nước càng lâu thì giá trị dinh dưỡng càng giảm Ví dụ, so sánh tốc độ tăng trưởng của tôm được cho ăn thức ăn lưu trong nước khác nhau (0, 0,5, 1, 2, 4 giờ) cho thấy tốc độ tăng trưởng giảm đáng kể ở những con được cho ăn thức ăn lưu trong nước quá một giờ Kết quả này chứng minh giá trị kinh tế của việc cho ăn trong thời gian ngắn nhất, tức là nên cho ăn nhiều lần với lượng ít hơn là cho ăn ít lần với lượng nhiều.
Về mặt logic, ngành cần hướng tới các máy cho ăn tự động cho phép cho ăn thường xuyên với số lượng nhỏ Mặc dù điều này giảm thiểu tác động của quá trình rửa trôi và giải quyết nhu cầu tiếp cận thức ăn của tôm trong một thời gian dài, nhưng nó không giải quyết được các vấn đề về lượng ăn vào Ở cá, các công nghệ thích ứng, còn được gọi là cho ăn theo nhu cầu, đã được sử dụng trong nhiều năm với thành công tốt đẹp Ở dạng đơn giản nhất, đây sẽ là quan sát cá ăn thức ăn nổi mà người cho ăn cung cấp thức ăn dựa trên mức độ phản ứng cũng như thức ăn còn lại trên bề mặt Với các hệ thống tự động, điều này thường được thực hiện bằng cách sử dụng nhận dạng hình ảnh, chỉ giới hạn ở tình huống nước trong mà có thể quan sát được thức ăn và cá Những công nghệ tự động này dựa trên các hệ thống trực quan, không áp dụng cho tôm hoặc hệ thống sản xuất của chúng Một phần đo tôm là động vật nhỏ có trọng lượng dưới 50 gram Chúng được nuôi với số lượng lớn lên đến vài triệu con trong các ao có diện tích lên đến 20
3 héc-ta (ha) và có nước đục nên hạn chế kiểm tra bằng camera Đếm và do đó ước tính sinh khối có thể rất khó khăn
Gần đây các công nghệ âm thanh đã được áp dụng cho tôm Hệ thống cho ăn có âm thanh có các thuật toán lọc phức tạp để phân tích âm thanh cho tôm ăn và Thuật toán cho ăn thích ứng (Adaptive Feeding Algorithms) để kiểm soát đầu ra của thức ăn để phù hợp với cường độ cho ăn Hệ thống này có thể được trang bị các cảm biến âm thanh, nhiệt độ và oxy hòa tan (DO - dissolved oxygen) tự động ghi thông tin theo thời gian thực vào một máy tính kết nối mạng Điều này cho phép quan sát theo thời gian thực về nhu cầu thức ăn tương quan với thời gian trong ngày và sự thay đổi của các thông số chất lượng nước (nhiệt độ và oxy hòa tan) [3]
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Ở Việt Nam, Công Ty TNHH Tép Bạc, Sau nhiều năm làm việc và thấu hiểu ngành thuỷ sản, Tép Bạc đã phát triển Farmext - Giải pháp quản lý trang trại thuỷ sản công nghệ cao Farmext bao gồm: Thiết bị IoT quan trắc môi trường nước tự động tích hợp ứng dụng quản lý trang trại trên điện thoại và hệ thống điều khiển tự động cùng cách thiết bị trong trang trại Mang đến cho ngành thuỷ sản có một công cụ làm việc hiệu quả, rủi ro Góp phần cho ngành nông nghiệp minh bạch
Tép Bạc nhận ra vấn đề lớn nhất trong nuôi tôm cá là chưa truy xuất được nguồn gốc, khả năng kiểm soát dịch bệnh và theo dõi sức khỏe tôm nuôi còn kém Ngoài ra, chỉ số môi trường nước ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe vật nuôi, quyết định tốc độ sinh trưởng và tỷ lệ sống của tôm cá
Trước đây, người dân chỉ có thể kiểm tra chỉ số môi trường theo buổi hoặc vài ngày một lần bằng các phương pháp thủ công, gây khó khăn cho việc theo dõi liên tục Hơn nữa, các phương pháp này còn tốn kém chi phí mua bộ test Do đó, việc xử lý khi có sự cố phát sinh trở nên chậm trễ, dẫn đến tình trạng vật nuôi yếu đi, sinh trưởng kém hoặc thậm chí chết hàng loạt, gây thiệt hại kinh tế đáng kể.
Từ đó, sản phẩm máy đo quan trắc môi trường nước Envisor ra đời dựa trên công nghệ cảm biến và Internet vạn vật (IoT) Dòng máy có tính ứng dụng thực tế cao, góp phần cùng người nông dân nâng cao chất lượng thủy sản Việt Nam Thiết bị có kết nối Wi-Fi 2.4 Ghz, gửi dữ liệu liên tục lên Cloud Người quản lý có thể xem các chỉ số này thông qua ứng dụng quản lý trại nuôi Farmext ở bất cứ đâu [4]
Hình 1.1:Thiết bị giúp theo dõi ao nuôi liên tục theo thời gian thực.
Hệ thống AQ1 (Tasmania, Úc) gần đây đã phát triển hệ thống kiểm soát thức ăn dựa trên cảm biến đầu tiên trên thế giới áp dụng cho tôm Hệ thống cho ăn được điều khiển bằng phản hồi này sử dụng công nghệ âm thanh để đo cường độ cho ăn
Trái tim của hệ thống là một hydrophone, một loại micro dưới nước quét qua ao để nghe nhiều loại âm thanh phát ra Phần mềm lọc đi những âm thanh này, có khả năng nhận dạng và phân biệt các tiếng ồn cụ thể do tôm tạo ra khi chúng ăn.
Các thuật toán điều khiển cho ăn tự động xác định thời điểm và lượng thức ăn cần cung cấp dựa trên nhu cầu của tôm Hệ thống sử dụng các thuật toán tiên tiến có khả năng tự học, cho phép chúng thích nghi với các điều kiện nuôi khác nhau và áp dụng cho nhiều loại trang trại và loài Nhờ đó, hệ thống đảm bảo lượng thức ăn được tiêu thụ hoàn toàn, giúp tối ưu hóa dinh dưỡng và giảm lãng phí.
Trong ao, hydrophone được lắp đặt bên dưới mặt nước trong các khu vực phân phối được bao phủ bởi máy cho ăn tự động và hệ thống kiểm soát việc cho ăn Các hệ thống này cũng giám sát các thông số môi trường quan trọng và đưa ra các báo động
Cấu hình hệ thống dựa trên số lượng và kích cỡ của tôm và loài được nuôi Một hydrophone có thể giám sát nhiều thiết bị cho ăn tự động và một bộ điều khiển có thể giám sát hydrophone cho hai ao Tất cả dữ liệu được truyền không dây đến một máy tính cá nhân Hoạt động cho tôm ăn và tỷ lệ tiêu thụ được ghi lại, và phần mềm kiểm soát sẽ gửi e-mail bản tóm tắt việc cho ăn hàng ngày tới người phụ trách ao Thông tin bổ sung có thể được truy cập từ xa qua Internet [5]
Hình 1.2:Ý tưởng của hệ thống AQ1
Nhìn chung, các hệ thống trên còn thiếu việc thu thập dữ liệu của các trang trại nuôi tôm để tạo thành một bộ cơ sở dữ liệu làm tiền đề cho một tập dữ liệu lớn (big data), phục vụ cho việc phân tích, dự đoán
Nhiệm vụ luận văn
Từ mục tiêu đề tài đặt ra, cần phải thực hiện những nội dung:
Nội dung 1: Tìm hiểu nguyên lý, lý thuyết, phần cứng, giải thuật phần mềm cho bộ thu âm thanh và bộ lọc nhiễu
Nội dung 2: Phân tích và lựa chọn các linh kiện, cảm biến phù hợp cho bộ thu âm thanh Tiến hành vẽ sơ đồ nguyên lý và hiện thực hoá board mạch
Nội dung 3: Ứng dụng các giải thuật lọc nhiễu để thu được âm thanh mong muốn
LÝ THUYẾT
Cơ bản về mạch khuếch đại thuật toán
Mạch khuếch đại thuật toán (tiếng anh: operational amplifier), thường được gọi tắt là op-amp là một mạch khuếch đại điện áp vi sai
Hình 2.1:Op-amp symbol Đây là một vi mạch tương tự rất thông dụng do trong op-amp được tích hợp một số ưu điểm sau:
- Hai ngõ vào đảo và không đảo cho phép op-amp khuếch đại được nguồn tín hiệu có tính đối xứng (các nguồn phát tín hiệu biến thiên chậm như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, mực chất lỏng, phản ứng hoá-điện, dòng điện sinh học, … thường là nguồn có tính đối xứng)
- Ngõ ra chỉ khuếch đại sự sai lệch giữa hai tín hiệu ngõ vào nên op-amp có độ miễn nhiễu rất cao vì khi tín hiệu nhiễu đến hai ngõ vào cùng lúc sẽ không thể xuất hiện ở ngõ ra Cũng vì lý do này op-amp có khả năng khuếch đại tín hiệu có tần số rất thấp, xem như tín hiệu một chiều
- Hệ số khuếch đại của op-amp rất lớn do đó cho phép op-amp khuếch đại cả những tín hiệu với biên độ chỉ vài chục micro Volt
- Do các mạch khuếch đại vi sai trong op-amp được chế tạo trên cùng một phiến do đó độ ổn định nhiệt rất cao
Điện áp phân cực ngõ vào và ngõ ra của mạch không khi không có tín hiệu là 0 (zero) Đặc điểm này giúp dễ dàng chuẩn hóa khi ghép nối giữa các khối, cũng là nền tảng cho tính module hóa của mạch.
- Tổng trở ngõ vào của op-amp rất lớn, cho phép mạch khuếch đại những nguồn tín hiệu có công suất bé
- Tổng trở ngõ ra thấp, cho phép op-amp cung cấp dòng tốt cho phụ tải
- Băng thông rất rộng, cho phép op-amp làm việc tốt với nhiều dạng nguồn tín hiệu khác nhau
2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của op-amp a Cấu tạo của op-amp
Hình 2.2:Cấu tạo op-amp – Khối 1: Đây là tầng khuếch đại vi sai (Differential Amplifier), nhiệm vụ khuếch đại độ sai lệch tín hiệu giữa hai ngõ vào v+ và v– Nó hội đủ các ưu điểm của mạch khuếch đại vi sai như: độ miễn nhiễu cao; khuếch đại được tín hiệu biến thiên chậm; tổng trở ngõ vào lớn …
– Khối 2: Tầng khuếch đại trung gian, bao gồm nhiều tầng khuếch đại vi sai mắc nối tiếp nhau tạo nên một mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại rất lớn, nhằm tăng độ nhạy cho o-p-amp Trong tẩng này còn có tầng dịch mức DC để đặt mức phân cực DC ở ngõ ra
– Khối 3: Đây là tầng khuếch đại đệm, tầng này nhằm tăng dòng cung cấp ra tải, giảm tổng trở ngõ ra giúp op-amp phối hợp dễ dàng với nhiều dạng tải khác nhau
Tuy nhiên trên thực tế, op-amp có một số khác biệt so với op-amp lý tưởng Để thuận tiện cho việc tính toán, người ta vẫn sử dụng lý thuyết op-amp lý tưởng, sau đó áp dụng các biện pháp bổ sung để bù đắp cho những khác biệt này, giúp op-amp thực tế hoạt động gần giống với op-amp lý tưởng.
Dựa vào ký hiệu của op-amp ta có đáp ứng tín hiệu ngõ ra Vout theo các cách đưa tín hiệu ngõ vào như sau:
– Đưa tín hiệu vào ngõ vào đảo, ngõ vào không đảo nối mass: Vout = Av0.V+
– Đưa tín hiệu vào ngõ vào không đảo, ngõ vào đảo nối mass: Vout = Av0.V-
– Đưa tín hiệu vào đổng thời trên hai ngõ vào (tín hiệu vào vi sai so với mass):
Vout = Av0.(V+ - V- ) = Av0.(ΔVin) Để việc khảo sát mang tính tổng quan, xét trường hợp tín hiệu vào vi sai so với mass (lúc này chỉ cần cho một trong hai ngõ vào nối mass ta sẽ có hai trường hợp kia) Op-Amps có đặc tính truyền đạt như hình sau
Hình 2.3:Đặc tuyến op-amp Trên đặc tính thể hiện rõ 3 vùng:
– Vùng khuếch đại tuyến tính: trong vùng này điện áp ngõ ra Vout tỉ lệ với tín hiệu ngõ vào theo quan hệ tuyến tính Nếu sử dụng mạch khuếch đại điện áp vòng hở (Open Loop) thì vùng này chỉ nằm trong một khoảng rất bé
– Vùng bão hoà dương: bất chấp tín hiệu ngõ vào ngõ ra luôn ở +Vcc
– Vùng bão hoà âm: bất chấp tín hiệu ngõ vào ngõ ra luôn ở -Vcc
Trong thực tế, người ta rất ít khi sử dụng op-amp làm việc ở trạng thái vòng hở vì hệ số khuếch đại áp Av0 rất lớn nhưng tầm điện áp ngõ vào op-amp khuếch đại tuyến tính là quá bé (khoảng vài chục đến vài trăm micro Volt) Chỉ cần một tín hiệu nhiễu nhỏ hay bị trôi theo nhiệt độ cũng đủ làm điện áp ngõ ra ở ±Vcc Do đó mạch khuếch đại vòng hở thường chỉ dùng trong các mạch tạo xung, dao động Muốn làm việc ở chế độ khuếch đại tuyến tính người ta phải thực hiện việc hồi tiếp âm nhằm giảm hệ số khuếch đại vòng hở Av0 xuống một mức thích hợp Lúc này vùng làm việc tuyến tính của op-amp sẽ rộng ra, op-amp làm việc trong chế độ này gọi là trạng thái vòng kín (Close Loop)
Op-amp không phải lúc nào cũng đòi hỏi phải cung cấp một nguồn ổn áp đối xứng ±15VDC, nó có thể làm việc với một nguồn không đối xứng có giá trị thấp hơn (ví dụ như +12VDC và -3VDC) hay thậm chí với một nguồn đơn +12VDC Tuy nhiên việc thay đổi về cấu trúc nguồn cung cấp cũng làm thay đổi một số tính chất ảnh hưởng đến tính đối xứng của nguồn như op-amp sẽ không lấy điện áp tham chiếu (reference) là mass mà chọn như hình sau:
Hình 2.4:Dạng sóng op-amp khi cấp nguồn đôi và nguồn đơn
Mặc dù nguồn đơn có ưu điểm là đơn giản trong việc cung cấp nguồn cho op-amps nhưng trên thực tế rất nhiều mạch op-amp được sử dụng nguồn đôi đối xứng
2.1.4 Phân cực cho op-amp làm việc với tín hiệu AC
Cũng như mạch khuếch đại nối tầng RC, các op-amp dùng trong khuếch đại tín hiệu AC cần có tụ để tránh ảnh hưởng của thành phần DC giữa các tầng khuếch đại Dưới đây là sơ đồ một mạch khuếch đại âm tần có độ lợi 40dB Sử dụng nguồn đơn [6]
Hình 2.5:Ví dụ mạch khuếch đại âm tầng 2.1.5 Một số mạch khuếch đại cơ bản a Mạch khuếch đại đảo (inverting amplifier):
Hình 2.6:Mạch khuếch đại đảo
- Hệ số khuếch đại điện áp:
➢ Nhận xét: Hệ số khuếch đại của mạch không phụ thuộc vào hệ số khuếch đại vòng hở của op-amp
➢ Trở kháng vào: 𝑍 𝑖𝑛 = 𝑅 1 b Mạch khuếch đại không đảo (non-inverting amplifier):
Hình 2.7:Mạch khuếch đại không đảo
- Hệ số khuếch đại điện áp:
➢ Nhận xét: Hệ số khuếch đại của mạch không phụ thuộc vào hệ số khuếch đại vòng hở của op-amp
➢ Trở kháng vào: 𝑍 𝑖𝑛 = ∞ c Mạch lặp (voltage follower):
Hình 2.8:Mạch lặp Mạch lặp thường được sử dụng như mạch đệm phối hợp trở kháng
- Có thể xem như mạch khuếch đại không đảo với các điều kiện:
- Hệ số khuếch đại điện áp:
2.1.6 Một số thông số cơ bản của op-amp thực
- Input bias current: Là dòng trung bình đi tới hai ngõ vào khi mà điện áp ngõ ra bằng 0 Dòng bias của op-amp 741 khoảng 80nA Dòng bias gây suy giảm điện áp tín hiệu đi tới ngõ vào của op-amp
- Input offset current: Là dòng chênh lệch trên hai ngõ vào khi mà điện áp ngõ ra bằng 0 Dòng offset của op-amp 741 khoảng 20nA
- Input offset voltage: Là điện áp bù trên ngõ vào nhằm giữ điện áp trên ngõ ra bằng 0 khi không có tín hiệu vào
- Common-mode rejection ratio (CMRR):
Trong đó, Ad là hệ số khuếch đại tín hiệu vi sai, Ac là hệ số khuếch đại tín hiệu đồng pha
- Slew rate: Là tốc độ thay đổi nhanh nhất của tín hiệu ra khi tín hiệu vào có dạng bước nhảy
Hình 2.9:Minh hoạ slew rate [7]
Tìm hiểu về phần cứng
Hydrophone (tiếng Hy Lạp cổ: ὕδωρ = nước và φωνή = âm thanh ), là một micrô được thiết kế để sử dụng dưới nước để ghi hoặc nghe âm thanh dưới nước Hầu hết các hydrophone đều dựa trên một bộ chuyển đổi áp điện (piezoelectric transducer) tạo ra điện thế khi chịu sự thay đổi áp suất, chẳng hạn như sóng âm
Hydrophone có thể phát hiện âm thanh trong không khí nhưng sẽ không nhạy vì nó được thiết kế để phù hợp với trở kháng âm thanh của nước, một chất lỏng đặc hơn không khí Âm thanh truyền trong nước nhanh hơn 4.3 lần so với trong không khí và sóng âm trong nước tạo ra áp suất gấp 60 lần áp suất do sóng âm có cùng biên độ trong không khí Tương tự, một chiếc micro tiêu chuẩn có thể được chôn dưới đất hoặc ngâm trong nước nếu đặt trong hộp chống thấm nước, nhưng sẽ cho hiệu suất kém do trở kháng âm kém tương ứng đầu thu sóng trong nước [8]
Hiệu ứng áp điện là hiệu ứng thuận nghịch, xảy ra trong một số chất rắn như thạch anh, gốm kỹ thuật, Khi đặt dưới áp lực thì bề mặt khối chất rắn phát sinh điện tích, và ngược lại nếu tích điện bề mặt thì khối sẽ nén dãn Hiệu ứng có mức cực đại ở các phương cắt xác định cho mảnh cắt từ tinh thể chất rắn đó, và trong nhiều loại vật liệu thì phương cắt này là góc 45° so với trục chính của tinh thể
Các đầu thu chuyển sóng áp suất (sóng dọc) sang điện áp, và dùng cho thu sóng trong môi trường nước nên gọi là Hydrophone, dẫu vậy nó làm việc trong mọi chất lỏng
Trong đề tài này, ta sử dụng Hydrophone H1A của hãng Aquarian
- Độ nhạy: -185dB lại: 1V/àPa (+/- 4dB 20Hz-4KHz)
- Phạm vi hoạt động: Từ 1Hz đến 100KHz (không được đo trên 100KHz, độ nhạy gần đỳng tại 100KHz = -220dB với 1V/àPa)
- Phản ứng cực: Đa hướng (ngang)
Mặc dù dây của hydrophone khá dài, nhưng nó không đủ để kéo dài đến tận ao hoặc từ ao vào trạm Do đó, việc túc trực 24/24 bên ao để cho ăn và thu thập tiếng tôm ăn là không khả thi Tuy nhiên, hệ thống có máy cho ăn tự động, đòi hỏi chúng ta cần một thiết bị có khả năng truyền tín hiệu âm thanh (Stream tiếng tôm) để có thể lắng nghe được tiếng tôm ăn.
Các thiết bị này sử dụng hệ thống mạng để truyền phát, nên phải đặt gần trạm phát, nơi có Router kết nối mạng Tuy nhiên, chiều dài dây cáp kết nối thường không đủ Do đó, chúng ta có thể sử dụng đầu nối XLR để mở rộng phạm vi kết nối.
Hình 2.11:Các loại đầu nối XLR
Các chuẩn XLR khác nhau được sử dụng cho hệ thống và mục đích khác nhau Với âm thanh chúng ta thường sử dụng XLR 3 Pin
Giắc cắm XLR hay jack Canon là một kết nối cho đầu nối XLR đực/cái, thường thấy trên thiết bị âm thanh, ánh sáng và công nghiệp Khi muốn truyền tín hiệu cho hệ thống âm thanh chuyên nghiệp ta phải dùng jack canon để kết nối Vì nó mang tín hiệu cân bằng (balanced) truyền tín hiệu ổn định, đem lại hiệu quả trong việc giảm nhiễu tín hiệu, các điểm tiếp xúc tốt, giữ chặt các điểm nối không bị sút ra hay lỏng lẻo
Không giống như hầu hết các đầu kết nối khác, sự phát triển của jack XLR đã tăng lên vượt bậc Ban đầu loại Jack này được sản xuất với tên gọi dòng Cannon
X Tuy nhiên, đầu nối này dễ bị lỏng, làm gián đoạn luồng tín hiệu Năm 1950, một chốt đã được thêm vào bộ phận lắp ráp để giảm thiểu vấn đề này tạo thành phần XL của đầu nối Năm 1955, phần cách điện cao su tổng hợp được thêm vào để phủ các chân tiếp xúc của đầu nối cái, cuối cùng tạo thành đầu nối XLR Đầu nối ba chân là loại phổ biến nhất và đã trở thành tiêu chuẩn cho tín hiệu âm thanh cân bằng (balanced) Phần lớn các micrô chuyên nghiệp sử dụng đầu nối XLR3, nhưng nó cũng được sử dụng với loa có ứng dụng hệ thống PA Các ứng dụng phổ biến khác của XLR3 là trong các đầu vào bộ trộn và bộ khuếch đại, và các dây dẫn mở rộng âm thanh
Tiêu chuẩn EIA RS-297-A mô tả việc sử dụng XLR ba chân - được gọi là XLR3 - cho các ứng dụng mức tín hiệu âm thanh cân bằng:
Hình 2.12:Định nghĩa chân cho XLR3 2.2.3 Linh kiện thụ động dùng trong âm thanh
Linh kiện thụ động dùng trong các thiết bị âm thanh, đặc biệt là các bộ khuếch đại thường có những yêu cầu nghiêm ngặt về các đặc tính: sai số thấp, vật liệu cấu tạo phải tốt, …
Một số hãng cung cấp linh kiện thụ động chuyên dụng cho ứng dụng âm thanh như tụ của Wima có sai số rất thấp (2,5%), tụ của Nichicon và điện trở của Dale.
Hình 2.13:Linh kiện thụ động dùng cho ứng dụng âm thanh
Tìm hiểu về giải thuật lọc nhiễu âm thanh
Vấn đề ước tính (hoặc trích xuất) tín hiệu này từ tín hiệu khác phát sinh khá thường xuyên Trong nhiều ứng dụng, tín hiệu mong muốn (giọng nói, tín hiệu radar, điện não đồ, hình ảnh, ) không có sẵn hoặc không được quan sát trực tiếp Thay vào đó, tín hiệu mong muốn có thể bị nhiễu hoặc bị phá hủy Trong một số tình huống đơn giản, có thể thiết kế bộ lọc cổ điển (LPF, HPF, BPF) để giải quyết tín hiệu mong muốn từ dữ liệu Tuy nhiên, những bộ lọc này hiếm khi tối ưu theo nghĩa là tạo ra ước tính tốt nhất về tín hiệu Vì vậy, các bộ lọc số tối ưu, trong đó có bộ lọc Wiener và Kalman, được quan tâm
Bộ lọc Wiener là một phương pháp xử lý tín hiệu được sử dụng để giảm nhiễu và tái tạo tín hiệu ban đầu từ tín hiệu đã bị nhiễu Bộ lọc này được đặt theo tên của Norbert Wiener, một nhà toán học và kỹ sư người Mỹ
Bộ lọc Wiener được thiết kế để tối ưu hóa giá trị trung bình bình phương của sai số giữa tín hiệu đã lọc và tín hiệu ban đầu Nó sử dụng thông tin thống kê của tín hiệu và nhiễu để tính toán các hệ số lọc tối ưu để giảm thiểu sai số
Bộ lọc Wiener được áp dụng rộng rãi trong xử lý tín hiệu, hình ảnh và âm thanh, và là một phương pháp hiệu quả để giảm thiểu nhiễu và cải thiện chất lượng tín hiệu
Hình 2.14:Mô hình ước lượng tín hiệu mong muốn sử dụng bộ lọc Wiener
Bộ lọc Wiener rời rạc được thiết kế để khôi phục tín hiệu mong muốn d(n) từ tín hiệu bị nhiễu quan sát được:
Wiener xem việc thiết kế bộ lọc W(z) là để tối ưu hóa giá trị trung bình bình phương của sai số (MMSE) của d[n]
Do đó, vấn đề ở đây là thiết kế bộ lọc sao cho cực tiểu 𝜉 Chúng ta cần thiết kế một bộ lọc FIR Wiener tối ưu giá trị MMSE của tín hiệu mong muốn d[n] bằng cách lọc một bộ các quan sát của một quá trình có liên quan đến thống kê x[n]
Hình 2.15:FIR Wiener Filter Hàm truyền của bộ lọc:
𝑊(𝑧) = ∑ 𝑝−1 𝑛=0 𝑤[𝑛]𝑧 −𝑛 (2.7) Với p là bậc của bộ lọc
Do đó với đầu vào là x[n] thì ngõ ra:
Trung bình bình phương sai số
(Ta có công suất của tín hiệu 𝑃 𝑥 = 𝐸(𝑥 2 ) = ||𝑥|| 2 2 = 1
Giả sử cả hai tín hiệu d[n] và x[n] là tín hiệu dừng (có đặc tính thống kê không thay đổi theo thời gian)
𝜎 𝑑 2 = 𝐸(𝑑 2 [𝑛]): Công suất tín hiệu mong muốn
𝑟 𝑑𝑥 = 𝐸(𝑥[𝑛]𝑑[𝑛]): tương quan giữa tín hiệu mong muốn và tín hiệu ngõ vào của bộ lọc
𝑅 𝑥𝑥 = 𝐸(𝑥[𝑛]𝑥 𝑇 [𝑛]): ma trận tự tương quan của tín hiệu ở ngõ vào bộ lọc
𝐽(𝑤) = 𝑤 𝑇 𝑅 𝑥𝑥 𝑤 − 2𝑤 𝑇 𝑟 𝑥𝑑 + 𝜎 𝑑 2 (2.10) Điều kiện để J(w) đạt cực tiểu:
➢ Chuyển sang tính toán ở miền tần số:
Giả sử v[n] và d[n] không tương quan nên 𝐸{𝑣[𝑛]𝑑 ∗ [𝑛 − 𝑘]} = 0
Chuyển sang miền tần số ta được:
Với S là mật độ phổ công suất (power spectral density)
Ta thêm hệ số overest để góp phần giảm noise, và thêm biên dưới để tránh hệ số bộ lọc âm nếu chọn biên bằng 0 hoặc để giữ một số thành phần tín hiệu nếu chọn lớn hơn 0
+ Hmin: biên dưới (lower bound)
+ Kover: hệ số overestimation, Kover càng lớn thì nhiễu càng trọng số của nhiễu và lớn và ngược lại [9]
Spectral Subtraction là một phương pháp phổ biến được sử dụng trong xử lý tín hiệu âm thanh để giảm nhiễu Mục tiêu của spectral subtraction là nâng cao chất lượng tín hiệu bằng cách giảm tác động của nhiễu nền Ý tưởng cơ bản đằng sau phương pháp này là ước tính nhiễu trong miền tần số của tín hiệu và sau đó trừ nhiễu ước tính này khỏi tín hiệu ban đầu
Giả sử tín hiệu thu được y(n) = x(n) + d(n)
Với x(n) là tín hiệu mong muốn và d(n) là nhiễu
Chuyển sang miền tần số:
Ta có thể biểu diễn 𝑌(𝜔):
+ 𝜙 𝑦 (𝜔) là pha của tín hiệu thu được
Tương tự cho tín hiệu nhiễu ta có :
Với pha nhiễu 𝜙 𝐷 (𝜔) ta có thể xem nó như là pha tín hiệu thu 𝜙 𝑦 (𝜔) vì thực chất pha sẽ không ảnh hưởng đến độ nhận dạng tín hiệu, chỉ ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu ở vài độ
Hình 2.16:Mối quan hệ về pha giữa tín hiệu thu được, nhiễu và tín hiệu mong muốn
𝑋̂(𝜔) = [|𝑌(𝜔)| − |𝐷̂(𝜔)|]𝑒 𝑗𝜙 𝑦 (𝜔) (2.17) Với 𝑋̂(𝜔) là tín hiệu mong muốn ước lượng và 𝐷̂(𝜔) là tín hiệu nhiễu ước lượng
Ta thêm điều kiện để tránh trường hợp phổ biên độ của tín hiệu mong muốn ước lượng bị âm:
0 𝑐ò𝑛 𝑙ạ𝑖 (2.18) Chuyển đổi từ phân tích phổ biên độ sang phân tích phổ công suất:
Ước tính kỳ vọng của |D(ω)|^2, X(ω).D*(ω) và X*(ω)D(ω) lần lượt là E{|D(ω)|^2}, E{X(ω).D*(ω)}, E{X*(ω)D(ω)}, với E[.] là toán tử kỳ vọng E{|D(ω)|^2} được ước lượng trong quá trình phi tiếng nói và ký hiệu là |D̂(ω)| Giả sử d(n) có trung bình bằng 0 và không tương quan với x(n) thì E{X(ω).D*(ω)} và E{X*(ω)D(ω)} = 0.
➢ Công thức tổng quát cho giải thuật spectral subtraction:
|𝑿̂(𝝎)| 𝒑 = |𝒀(𝝎)| 𝒑 − |𝑫̂ (𝝎)| 𝒑 (2.20) Với p = 1: cho spectral subtraction biên độ p = 2: cho spectral subtraction công suất [10]
Hình 2.17:Sơ đồ tổng quát giải thuật spectral subtraction Tín hiệu bị nhiễu sẽ được phân đoạn và áp dụng cửa sổ Hamming, sau đó biến đổi FFT và đưa vào khối ước lượng nhiễu và khối tăng cường giọng nói Ước tính nhiễu có tác động lớn đến chất lượng và độ rõ của tín hiệu được tăng cường Nếu ước tính tiếng ồn quá thấp, tiếng ồn dư thừa không mong muốn sẽ có thể nghe được, nếu ước tính tiếng ồn quá cao, giọng nói sẽ bị méo
Sau đó sẽ áp dụng công thức spectral subtraction cho tín hiệu bị nhiễu và ước lượng nhiễu.
THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG
Tổng quan về hệ thống thiết kế
Hình 3.1:Tổng quan về hệ thống thiết kế 1
Hình 3.2:Tổng quan về hệ thống thiết kế 2
31 Đề tài tập trung xây dựng hệ thống thu thập dữ liệu âm thanh của tôm khi cho ăn bằng cách sử dụng hydrophone đặt dưới nước, có ba mô hình:
- Mô hình 1: thực hiện thí nghiệm trên hồ hoặc thùng nuôi nhỏ, dữ liệu thu được sẽ đến bộ pre-amp sau đó sẽ được ghi nhận lại
- Mô hình 2: triển khai ở ao nuôi tôm, dữ liệu thu dược sẽ đi qua bộ XLR converter, sau đo thông qua cáp XLR để đi đến bộ Pre-amp và từ bộ Pre- amp, dữ liệu sẽ được chuyển qua máy tính cá nhân thông qua Wifi để phân tích, đánh giá
- Mô hình 3: tương tự mô hình 2 nhưng sẽ sử dụng các module, sound card để so sánh đánh giá mô hình 2
Yêu cầu thực hiện
- Cần cấp nguồn phù hợp cho op-amp ở bộ pre-amp, lựa chọn linh kiện phù hợp cho ứng dụng âm thanh
- Cần cấp nguồn phù hợp cho op-amp ở bộ pre-amp, bộ XLR converter, lựa chọn linh kiện phù hợp cho ứng dụng âm thanh
- Các ngoại vi cần thiết khác: raspberry pi hoặc điện thoại di động để streaming dữ liệu, cáp XLR
- Cần cấp nguồn phù hợp cho sound card
- Các ngoại vi cần thiết khác: sound card để khuếch đại tín hiệu, điện thoại di động để streaming dữ liệu, cáp XLR
Phân tích yêu cầu thực hiện
- Lựa chọn op-amp NE5532 có đặc tính nhiễu thấp, băng thông unity- gain cao, distortion thấp, slew rate cao và được ứng dụng để khuếch đại âm thanh
- Lựa chọn linh kiện thụ động dành cho ứng dụng âm thanh (sai số thấp, vật liệu cấu tạo tốt): tụ của hãng Wima, Nichicon, trở của hãng Dale,…
- Nguồn cung cấp cho mạch dùng pin sạc lithium 12V 4800mAh cho thời gian hoạt động lâu
Hình 3.3:Pin sạc lithium 12V 4800mAh 3.3.2 Mô hình 2
- Lựa chọn op-amp NE5532 có đặc tính nhiễu thấp, băng thông unity- gain cao, distortion thấp, slew rate cao và được ứng dụng để khuếch đại âm thanh
- Lựa chọn linh kiện thụ động dành cho ứng dụng âm thanh (sai số thấp, vật liệu cấu tạo tốt): tụ của hãng Wima, Nichicon, trở của hãng Dale,…
- Lựa chọn Raspberry pi 3 để streaming dữ liệu, raspberry hỗ trợ đầy đủ các ngoại vi bao gồm cổng USB, module wifi để truyền nhận dữ liệu
- Lựa chọn các ngoại vi cần thiết khác: cáp XLR có shield để chống nhiễu tốt, dây chuyển đổi tín hiệu từ 3.5mm sang USB có tốc độ cao, ở đây sử dụng dây chuyển của hãng Ugreen cho tốc độ lấy mẫu 24bit/96kHz
Hình 3.4:Dây chuyển đổi tín hiệu 3.5mm sang USB
Để cấp nguồn cho toàn hệ thống, bộ nguồn 12V/5A được sử dụng cùng với module XL6019 để tạo nguồn phantom 40V cho tín hiệu XLR Module nguồn đôi tạo ra nguồn ±15V, trong khi IC LM7812 và LM7912 ổn áp về ±12V cho op-amp trong mạch pre-amp Module lọc nhiễu EMI góp phần làm ổn định hơn nguồn điện.
- Sử dụng mạch XLR converter như ở mô hình 2
- Sử dụng sound card Soundcard Behringer U-Phoria UM2
U-Phoria UM2 là bộ soundcard USB được sản xuất bởi hãng Behringer có độ phõn giải 48kHz với 01 mic preamp XENYX, 01 cổng input ẳ” dành cho nhạc cụ, 01 output cho tai nghe cùng 02 cổng output và cổng kết nối USB ở mặt sau, tích hợp nguồn phantom 48V, kích thước nhỏ gọn – chỉ 4.6 x 12.8 x 11.8 mm
Hình 3.5:Soundcard Behringer U-Phoria UM2
- Sử dụng BeagleBone Black để điều khiển cũng như cấp nguồn cho mạch preamp Chất lượng chống nhiễu của BBB hơn Raspberry hay các máy tính nhúng khác, việc điều khiển sound card cũng yêu cầu sự ổn định khá cao
Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống
Mô hình 1 sử dụng bộ tiền khuếch đại (pre-amp) để thu tín hiệu âm thanh trực tiếp từ thủy âm (hydrophone) và truyền đến thiết bị ghi âm (có thể là máy ghi âm hoặc điện thoại di động).
Hình 3.8:Sơ đồ khối tổng quát của mô hình 2 và 3 Ở mô hình 2 và 3, bộ XLR converter sẽ chuyển tín hiệu thu được từ hydrophone sang dạng XLR để truyền đi xa, bộ pre-amp (sound card ở mô hình 3) nhận tín hiệu từ XLR converter và gửi cho điện thoại để record hoặc raspberry/điện thoại để streaming.
Sơ đồ khối chi tiết
Hình 3.9:Sơ đồ khối chi tiết của mô hình 1
Bộ tiền khuếch đại được cấp nguồn bởi pin sạc lithium 12V 4800mAh giúp khuếch đại tín hiệu thu được từ thủy âm Tín hiệu khuếch đại sau đó được đưa vào bộ ghi âm để lưu trữ thông tin.
Hình 3.10:Sơ đồ khối chi tiết của mô hình 2
Sử dụng Adapter nguồn 12V/5A cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống, nguồn 12V sẽ đi qua 2 nhánh:
+ Module tăng áp XL6019 để tạo nguồn phantom 40V cho tín hiệu XLR
+ Module nguồn đôi để tạo nguồn ±15V và dùng IC LM7812 và LM7912 để ổn áp về ±12V cung cấp cho op-amp ở mạch pre-amp
Ngoài ra còn sử dụng module lọc nhiễu EMI giúp nguồn ổn định hơn
Tín hiệu từ thủy âm được chuyển đổi qua bộ XLR để tạo tín hiệu XLR, sau đó được khuếch đại bởi bộ tiền khuếch đại Đầu ra của bộ tiền khuếch đại này sẽ kết nối với thiết bị ghi âm hoặc phát trực tuyến.
Hình 3.11:Sơ đồ khối chi tiết của mô hình 3
Tín hiệu từ Hydrophone đi qua bộ XLR convert để tạo tín hiệu XLR, sau đó đi vào sound card để khuếch đại, ngõ ra sound card sẽ kết nối với mạch chuyển 3.5mm rồi đến điện thoại, tín hiệu từ điện thoại sẽ được record hoặc streaming lên nền tảng
Discord Ngoài ra, ta dùng Air-Droid platform để điều khiển điện thoại từ xa
Sơ đồ mạch chi tiết
Hình 3.12: Sơ đồ mạch chi tiết bộ pre-amp mô hình 1
- Op-amp NE5532 được cấp nguồn từ pin sạc lithium 12V 4800mAh thông qua J2
- Tụ C7, C12, C8, C9, C12, C13, C14 được dùng để DC Blocking
Chọn tụ C7 và C12 là tụ không phân cực (nonpolar) vì tránh trường hợp tín hiệu ngõ vào có biên độ lớn hơn 6V (DC bias) gây phân cực ngược nếu dùng tụ phân cực (polar), làm hỏng tụ
- Cặp điện trở R2, R3, R8, R9 chia điện áp 12V thành 6V dùng để DC bias cho tín hiệu ở ngõ vào Do 6V này chỉ dùng để DC bias cho ngõ vào op-amp nên chọn điện trở R4, R10 lớn (340 kOhm) Tụ C4, C11, C5, C6 là tụ coupling dùng để lọc nguồn
- Diode D2, D4, D5, D7 dùng để xén tín hiệu ngõ vào nếu biên dương của tín hiệu lớn hơn hoặc bằng 3,6V.- Diode D3 và D6 dùng để xén tín hiệu ngõ vào nếu biên âm nhỏ hơn hoặc bằng -6,5V
- C7, R2, R3, R4, C4 và C12, R8, R9, R10, C11 tạo thành bộ lọc thông cao với tần số cắt (do R2//R3//C4
![Hình 2.9: Minh hoạ slew rate [7] - hệ thống thu thập và phân tích âm thanh phát ra khi tôm ăn](https://media.store123doc.com/figures/003/416/hinh-minh-hoa-slew-rate-3416438.webp)
