Nói chung, thiết bị và thiết bị thực thi kết hợp tạo thành một mạng cục bộ giao tiếp với nhau sử dụng công nghệ truyền thông không dây hoặc có dây và các gateway.. 2.4 Các ứng dụng của
TỔNG QUAN VỀ IOT
Khái niệm về IoT
Thiết bị trong Internet of Things (IoT) là thành phần quan trọng của hệ thống, với chức năng chính là truyền thông Ngoài ra, thiết bị còn có thể thực hiện các chức năng bổ sung như cảm biến, thực thi, thu thập dữ liệu, lưu trữ và xử lý dữ liệu.
Internet of Things (IoT) là hạ tầng toàn cầu cho xã hội thông tin, cung cấp dịch vụ tiên tiến thông qua việc kết nối các "vật thể" (cả vật lý và ảo) IoT dựa trên sự tồn tại và khả năng tương tác của thông tin, cùng với các công nghệ truyền thông hiện đại.
Trong bối cảnh Internet of Things (IoT), "Thing" đề cập đến các đối tượng thuộc thế giới vật chất hoặc thế giới thông tin ảo Những "Things" này có khả năng nhận diện và có thể được tích hợp vào mạng lưới thông tin liên lạc.
IoT được xem như một tầm nhìn rộng lớn về công nghệ và cuộc sống, đóng vai trò là cơ sở hạ tầng toàn cầu cho xã hội thông tin Nó tạo điều kiện cho các dịch vụ tiên tiến thông qua việc kết nối các "Things" Dự kiến, IoT sẽ tích hợp nhiều công nghệ mới như machine-to-machine, mạng tự trị, khai thác dữ liệu, bảo mật, và điện toán đám mây Hệ thống thông tin trước đây đã cung cấp khả năng giao tiếp "Bất kỳ THỜI GIAN" và "Bất kỳ ĐỊA ĐIỂM", trong khi IoT đã thêm một chiều mới là "Bất kỳ VẬT" trong kết nối thông tin.
Hình 1.1: Kết nối vạn vật
Trong hệ thống IoT, "Things" đại diện cho các đối tượng vật chất hoặc thông tin ảo, có khả năng nhận diện và tích hợp vào mạng thông tin Những "Things" này liên quan đến thông tin, có thể ở trạng thái tĩnh hoặc động Các "Physical Things" tồn tại trong thế giới vật lý, cho phép chúng được cảm nhận, kích thích và kết nối dễ dàng.
Ví dụ về "Vật lý" bao gồm các môi trường xung quanh, robot công nghiệp, hàng hóa và thiết bị điện Ngược lại, "Vật ảo" tồn tại trong thế giới thông tin, có khả năng lưu trữ, xử lý và truy cập Các ví dụ về "Vật ảo" bao gồm nội dung đa phương tiện và phần mềm ứng dụng.
IoT từ góc nhìn kỹ thuật
Trong IoT, "Things" có thể là đối tượng vật lý hoặc đối tượng thông tin (đối tượng ảo) Hai loại đối tượng này có thể ánh xạ qua lại với nhau; một đối tượng vật lý có thể được đại diện bởi một đối tượng thông tin Tuy nhiên, một đối tượng thông tin có thể tồn tại độc lập mà không cần ánh xạ từ một đối tượng vật lý nào.
Hình 1.2: Hệ thống IoT từ góc nhìn kỹ thuật
Trong hệ thống IoT, một "device" có vai trò quan trọng với chức năng bắt buộc là giao tiếp Ngoài ra, các chức năng không bắt buộc của thiết bị bao gồm cảm biến, thực thi, thu thập, lưu trữ và xử lý dữ liệu Thiết bị thu thập thông tin đa dạng và truyền tải chúng đến các mạng khác để tiếp tục xử lý Một số thiết bị còn thực hiện các hoạt động dựa trên thông tin nhận được từ mạng.
Trong lĩnh vực truyền thông thiết bị, có ba phương thức giao tiếp giữa các thiết bị: (a) qua các mạng lưới thông tin thông qua gateway, (b) trực tiếp qua mạng lưới mà không cần gateway, và (c) giao tiếp trực tiếp giữa các thiết bị trong mạng nội bộ Hình 1 minh họa rằng, mặc dù chỉ có sự tương tác giữa các thiết bị vật lý, nhưng trên thực tế còn tồn tại hai loại tương tác khác: tương tác giữa các thực thể ảo và tương tác giữa thực thể vật lý và thực thể ảo.
Các ứng dụng IoT rất đa dạng, bao gồm hệ thống giao thông thông minh, lưới điện thông minh, sức khỏe điện tử và nhà thông minh Những ứng dụng này có thể được phát triển trên nền tảng riêng biệt hoặc dựa trên các dịch vụ chung như chứng thực, quản lý thiết bị, tính phí và thanh toán.
Các mạng giao tiếp (communication networks) có nhiệm vụ chuyển dữ liệu từ các thiết bị đến các ứng dụng và thiết bị khác, đồng thời truyền các lệnh thực thi từ ứng dụng đến thiết bị Vai trò chính của các mạng này là đảm bảo việc truyền tải dữ liệu diễn ra một cách hiệu quả và đáng tin cậy.
Hình 1.3: Các loại thiết bị khác nhau và mối quan hệ
Yêu cầu tối thiểu cho các thiết bị trong IoT là khả năng giao tiếp Các thiết bị này được phân loại thành nhiều loại, bao gồm thiết bị mang thông tin, thiết bị thu thập dữ liệu, thiết bị cảm ứng (sensor) và thiết bị thực thi.
Thiết bị mang dữ liệu là một công cụ chứa thông tin, được gắn vào các đối tượng vật lý nhằm kết nối gián tiếp những đối tượng này với các mạng lưới thông tin liên lạc.
– Thiết bị thu thập dữ liệu (Data capturing device): Một device thu thập dữ liệu có thể được đọc và ghi, đ ng thời có khả năng tương tác với
Sự tương tác với các Physical Things có thể diễn ra theo hai cách: gián tiếp thông qua các thiết bị mang dữ liệu và trực tiếp với thông tin gắn liền với các đối tượng vật lý Trong trường hợp gián tiếp, các thiết bị thu thập dữ liệu sẽ đọc thông tin từ các thiết bị mang tin và ghi lại thông tin từ các mạng lưới cũng như các thiết bị mang dữ liệu.
Thiết bị cảm ứng và thiết bị thực thi là những thành phần quan trọng trong việc phát hiện và đo lường thông tin từ môi trường xung quanh, chuyển đổi chúng thành tín hiệu số Chúng cũng có khả năng thực hiện các hành động như tắt mở đèn hoặc kích hoạt còi báo động dựa trên tín hiệu kỹ thuật số từ các mạng Sự kết hợp giữa thiết bị cảm ứng và thiết bị thực thi tạo thành một mạng cục bộ, cho phép giao tiếp qua công nghệ truyền thông không dây hoặc có dây, cùng với các gateway.
General device là thiết bị tích hợp các mạng thông qua kết nối dây hoặc không dây, bao gồm nhiều thiết bị và đồ dùng phục vụ cho các lĩnh vực khác nhau của Internet vạn vật (IoT) Các thiết bị này có thể là máy móc, thiết bị điện trong nhà, và smartphone, tạo nên một hệ sinh thái thông minh và kết nối.
Đặc tính cơ bản và yêu cầu với một hệ thống IoT
1.3.1 Đặc tính cơ bản của IoT Đặc tính cơ bản của IoT bao gồm [1], [2]:
Tính kết nối liên thông (interconnectivity) là một yếu tố quan trọng trong IoT, cho phép mọi thiết bị có thể kết nối với nhau thông qua mạng lưới thông tin và cơ sở hạ tầng liên lạc tổng thể.
Hệ thống IoT cung cấp nhiều dịch vụ liên quan đến "Things", bao gồm bảo vệ sự riêng tư và đảm bảo tính nhất quán trong việc quản lý dữ liệu.
Physical Thing và Virtual Thing Để cung cấp được dịch vụ này, cả công nghệ phần cứng và công nghệ thông tin(phần mềm) sẽ phải thay đổi
Trong IoT, tính không đồng nhất của các thiết bị thể hiện qua sự khác biệt về phần cứng và mạng Mặc dù các thiết bị thuộc các mạng khác nhau, chúng vẫn có thể tương tác nhờ vào sự kết nối giữa các mạng này.
Các thiết bị tự động có khả năng thay đổi linh hoạt về trạng thái, chẳng hạn như chuyển từ chế độ ngủ sang thức, kết nối hoặc ngắt kết nối, thay đổi vị trí và tốc độ hoạt động Ngoài ra, số lượng thiết bị có thể tự động thay đổi cũng rất đa dạng.
Quy mô lớn của IoT sẽ dẫn đến việc quản lý và giao tiếp giữa một số lượng thiết bị khổng lồ, vượt xa số lượng máy tính hiện đang kết nối Internet Sự gia tăng này không chỉ về số lượng thiết bị mà còn về khối lượng thông tin được truyền tải, với lượng dữ liệu từ các thiết bị sẽ lớn hơn rất nhiều so với thông tin do con người truyền đạt.
1.3.2 Yêu cầu ở mức cao đối với một hệ thống IoT
Một hệ thống IoT phải thoả mãn các yêu cầu sau:
Kết nối trong hệ thống IoT dựa trên sự nhận diện, nghĩa là mỗi "Thing" cần có một ID riêng biệt Hệ thống này phải hỗ trợ việc kết nối giữa các "Things", với kết nối được thiết lập dựa trên định danh (ID) của từng "Thing".
– Khả năng cộng tác: hệ thống IoT khả năng tương tác qua lại giữa các mạng và Things
Mạng cần có khả năng tự quản lý, tự cấu hình, tự phục hồi, tự tối ưu hóa và tự bảo vệ để thích ứng với các ứng dụng, môi trường truyền thông và thiết bị đa dạng.
Dịch vụ thoả thuận cho phép thu thập, giao tiếp và xử lý tự động dữ liệu giữa các "Things" dựa trên các quy tắc được thiết lập bởi người vận hành hoặc tùy chỉnh bởi người dùng.
Các khả năng dựa vào vị trí trong hệ thống IoT cho phép thông tin liên lạc và dịch vụ liên quan đến người sử dụng và các thiết bị được xác định dựa trên vị trí của họ Hệ thống này có khả năng tự động nhận biết và theo dõi vị trí, tuy nhiên, các dịch vụ này có thể bị giới hạn bởi các quy định pháp luật và yêu cầu an ninh cần thiết.
Bảo mật trong IoT là một thách thức lớn do sự kết nối của nhiều “Things”, dẫn đến nguy cơ cao về rò rỉ thông tin, xác thực sai lệch và sự thay đổi hoặc làm giả dữ liệu.
Bảo vệ tính riêng tư là yếu tố quan trọng trong hệ thống IoT, nơi mọi "Things" đều có chủ sở hữu và người sử dụng Dữ liệu thu thập từ các thiết bị này có thể chứa thông tin cá nhân nhạy cảm, vì vậy cần đảm bảo an toàn trong quá trình truyền tải, lưu trữ và xử lý dữ liệu Việc bảo vệ sự riêng tư không nên cản trở khả năng xác thực độ tin cậy của dữ liệu.
– Plug and play: các Things phải được plug-and-play một cách dễ dàng và tiện dụng
Hệ thống IoT cần có khả năng quản lý các "Things" để duy trì hoạt động ổn định của mạng Mặc dù ứng dụng IoT thường hoạt động tự động mà không cần sự can thiệp của con người, nhưng toàn bộ quá trình này vẫn cần được các bên liên quan giám sát và quản lý chặt chẽ.
Mô hình của một hệ thống IoT
Bất kỳ một hệ thống IOT nào cũng được xây dựng lên từ sự kết hợp của 4 layer sau [3]:
– Lớp ứng dụng (Application Layer)
– Lớp Hỗ trợ dịch vụ và hỗ trợ ứng dụng (Service support and application support layer)
– Lớp thiết bị (Device Layer)
Hình 1.4: Mô hình IoT 1.5.1 Application Layer
Lớp ứng dụng trong mô hình OSI 7 lớp tương tác trực tiếp với người dùng, cung cấp các chức năng và dịch vụ cụ thể cho hệ thống IoT.
1.5.2 Service support and application support layer
Nhóm dịch vụ chung bao gồm các dịch vụ hỗ trợ thiết yếu mà hầu hết các ứng dụng IoT đều cần, chẳng hạn như xử lý và lưu trữ dữ liệu.
Nhóm dịch vụ cụ thể trong ứng dụng IoT bao gồm các dịch vụ hỗ trợ đặc thù, như việc tính toán độ tăng trưởng của cây để đưa ra quyết định tưới nước hoặc bón phân.
Lớp Network có 2 chức năng [3]:
Chức năng Networking đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý các kết nối mạng, cho phép người dùng truy cập tài nguyên thông tin và chuyển giao chúng đến địa điểm cần thiết Ngoài ra, chức năng này còn hỗ trợ việc xác thực và ủy quyền, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong việc sử dụng tài nguyên mạng.
– Chức năng Transporting: tập trung vào việc cung cấp kết nối cho việc truyền thông tin của dịch vụ/ứng dụng IOT
Lớp Device chính là các phần cứng vật lý trong hệ thống IOT Device có thể phân thành hai loại như sau [3]:
Thiết bị thông thường là những thiết bị có khả năng tương tác trực tiếp và gián tiếp với mạng Chúng có thể thu thập và tải lên thông tin mà không cần sử dụng gateway, đồng thời nhận lệnh trực tiếp từ mạng Ngoài ra, các thiết bị này cũng có thể tương tác gián tiếp thông qua gateway, cho phép thu thập thông tin và nhận lệnh một cách linh hoạt Thực tế, các thiết bị thông thường bao gồm cảm biến, phần cứng điều khiển motor, đèn và nhiều thiết bị khác.
– Thiết bị Gateway: Gateway là cổng liên lạc giữa device và network Một Gateway hỗ trợ 2 chức năng sau:
Gateway cần hỗ trợ nhiều chuẩn giao tiếp khác nhau do các thiết bị có kiểu kết nối đa dạng, bao gồm cả có dây và không dây như CAN bus, ZigBee, Bluetooth và Wi-Fi Tại lớp mạng, gateway có khả năng giao tiếp qua nhiều công nghệ như PSTN, mạng 2G, 3G, LTE, Ethernet và DSL.
Chức năng chuyển đổi giao thức là cần thiết trong hai trường hợp: đầu tiên, khi có nhiều thiết bị khác nhau sử dụng các giao thức khác nhau, chẳng hạn như ZigBee và Bluetooth; thứ hai, khi có sự khác biệt giữa giao thức của thiết bị và mạng, ví dụ, thiết bị sử dụng ZigBee trong khi mạng lại sử dụng công nghệ 3G.
Gateway có thể được xây dựng từ các board như Raspberry Pi hoặc Arduino, hoặc được sản xuất công nghiệp bởi các tập đoàn lớn như Intel và Texas Instruments.
Kết chương 1
Trong chương 1, sinh viên đã trình bày tổng quan về Internet vạn vật (IoT), bao gồm các khía cạnh kỹ thuật, đặc điểm cơ bản và yêu cầu cần thiết cho một hệ thống IoT Bên cạnh đó, mô hình hệ thống IoT cùng các lớp cấu thành cũng được phân tích chi tiết, giúp hiểu rõ hơn về khả năng ứng dụng của công nghệ này.
MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG DỤNG
Tổng quan mạng cảm biến
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) kết hợp khả năng cảm biến, xử lý thông tin và giao tiếp, cho phép quan sát, phân tích và phản ứng với các sự kiện trong môi trường cụ thể.
Mạng cảm biến có nhiều ứng dụng cơ bản, bao gồm thu thập dữ liệu, giám sát và theo dõi, đặc biệt trong lĩnh vực y học Tuy nhiên, sự đa dạng trong các ứng dụng của mạng cảm biến còn phụ thuộc vào yêu cầu sử dụng, không bị giới hạn ở những lĩnh vực cụ thể.
Có 4 thành phần cơ bản cấu tạo nên một mạng cảm biến [4]:
- Các cảm biến được phân bố theo mô hình tập trung hay phân bố rải
- Mạng lưới liên kết giữa các cảm biến( có dây hay vô tuyến) điểm trung tâm tập hợp dữ liệu (Clustering) Bộ phận xử lý dữ liệu ở trung tâm
- Một node cảm biến được định nghĩa là sự kết hợp cảm biến và bộ phận xử lý
- Mạng cảm biến không dây(WSN) là mạng cảm biến trong đó các kết nối giữa các node cảm biến bằng sóng vô tuyến
Hiệu quả sử dụng công suất của WSN dựa trên 3 yếu tố:
- Chu kỳ hoạt động ngắn
- Xử lý tín hiệu nội bộ tại các node để giảm thời gian truyền
- Mô hình dạng multihop làm giảm chiều dài đường truyền Một vài đặc điểm của mạng cảm biến:
- Các node phân bố dày đặc
- Giao thức mạng thay đổi thường xuyên
- Node bị giới hạn về khả năng tính toán,công suốt, bộ nhớ.
Kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến
Hình 2.1: Kiến trúc của một node cảm biến
Các thành phần cấu tạo nên một node cảm biến [4]:
- Một cảm biến (1 hay một dãy cảm biến)
- Đơn vị liên lạc bằng vô tuyến
- Các phần ứng dụng khác
Các node có khả năng giao tiếp vô tuyến với các node lân cận, thực hiện các chức năng cơ bản như xử lý tín hiệu và quản lý giao thức mạng Chúng cũng có khả năng bắt tay với các node lân cận để truyền dữ liệu hiệu quả tới trung tâm.
Hình 2.2: Phần mềm điều khiển node cảm biến
Hệ điều hành microcode, hay còn gọi là middleware, đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối phần mềm với chức năng của bộ xử lý Nghiên cứu hiện nay đang tập trung vào việc thiết kế mã nguồn mở cho hệ điều hành chuyên dụng trong mạng cảm biến không dây (WSNs) Các driver cảm biến là những module thiết yếu, giúp quản lý và điều khiển các chức năng cơ bản của các phần tử cảm biến.
- Bộ xử lý thông tin: quản lý chức năng thông tin, g m định tuyến, chuyển các gói, duy trì giao thức, mã hóa, sửa lỗi,…
- Bộ phận xử lý dữ liệu: xử lý tín hiệu đã lưu trữ, thường ở các node xử lý trong mạng
2.2.2 Giao thức điều khiển truy cập:
Mạng cảm biến không dây (WSNs) được hình thành từ nhiều cảm biến được phân bố rộng rãi trên một khu vực địa lý Các thiết bị cảm biến này, hay còn gọi là node, thường gặp khó khăn về nguồn cung cấp năng lượng, dẫn đến hạn chế trong khả năng xử lý và truyền tải thông tin.
Việc khai thác hiệu quả các lợi ích tiềm năng của mạng cảm biến không dây (WSNs) yêu cầu các node cảm biến có khả năng tự tổ chức và kết hợp cao Do đó, thiết kế giao thức mạng và giao tiếp hiệu quả là yếu tố quan trọng để đảm bảo hoạt động thành công của mạng Xây dựng phần cứng cho mạng không dây đa đường đòi hỏi sự kết nối giữa các node lân cận Khác với mạng có dây, mạng không dây dựa vào việc truyền sóng điện từ qua không khí, tuân theo các đặc tính truyền sóng Để đạt được sự công bằng trong việc xử lý các node trong mạng, việc sử dụng giao thức điều khiển truy cập môi trường MAC (Medium Access Control) là cần thiết.
Một số giao thức MAC đã được đề xuất cho mạng WNSs, với sự lựa chọn giao thức phụ thuộc vào đặc tính của mạng Đặc điểm của kênh truyền cho phép chỉ một node truyền thông điệp tại một thời điểm xác định, do đó cần xây dựng giao thức MAC để chia sẻ truy cập kênh truyền giữa các node trong mạng Theo mô hình tham khảo OSI, giao thức MAC được phát triển ở lớp thấp của lớp liên kết dữ liệu, trong khi lớp cao của DDL được coi là lớp điều khiển logic (LLC).
Sự tồn tại của lớp LLC cung cấp nhiều lựa chọn cho lớp MAC, tùy thuộc vào cấu trúc và giao thức mạng, đặc tính kênh truyền, cũng như chất lượng dịch vụ cho ứng dụng.
Lớp vật lý (PHY) chịu trách nhiệm về các đặc tính môi trường truyền và cấu hình mạng, định nghĩa giao thức và chức năng của các thiết bị vật lý Nó bao gồm các giao diện điện để thu nhận bit, với các chức năng chính như qui ước điện, mã hóa, khôi phục tín hiệu, và quy tắc cho bộ phát và thu, cũng như qui ước về chuỗi bit.
Lớp MAC nằm ngay trên lớp vật lý Cung cấp các chức năng sau:
- Kết hợp dữ liệu vào frame để gởi đi bằng cách thêm vào trường header gồm thông tin về địa chỉ và trường kiểm soát lỗi
Tách frame để lấy địa chỉ và thông tin kiểm tra lỗi nhằm khôi phục lại thông điệp, đồng thời điều chỉnh truy cập kênh truyền chia sẻ phù hợp với yêu cầu của ứng dụng.
Hình 2.3: Mô hình tham khảo OSI và cấu trúc lớp liên kết dữ liệu
Lớp LLC của DDL cung cấp giao diện trực tiếp cho lớp cao hơn, nhằm ngăn cách lớp cao với các lớp thấp hơn Điều này tạo ra khả năng tương tác giữa các loại mạng khác nhau.
Giao thức điều khiển truy cập
Các giao thức MAC cho mạng WSNs
- Giao thức phân chia cố định (Fixed-Assignment Protocols)
- Giao thức phân chia theo nhu cầu (Demand Assignment Protocols)
- Giao thức phân chia ngẫu nhiên (Random Assignment Protocols)
Giao thức phân chia cố định (Fixed-Assignment Protocols):
Mỗi node trong mạng được phân bổ một lượng tài nguyên kênh truyền cố định, cho phép sử dụng độc lập mà không xảy ra tranh chấp với các node khác Các giao thức phổ biến được sử dụng bao gồm đa truy cập chia theo tần số (FDMA), đa truy cập chia theo thời gian (TDMA), và đa truy cập chia theo mã (CDMA).
FDMA (Frequency-Division Multiple Access) là một giao thức trong hệ thống vô tuyến, cho phép chia sẻ phổ tần số hiệu quả Băng thông được phân chia thành nhiều khoảng nhỏ, giúp các node truy cập mạng bằng cách sử dụng các tần số sóng khác nhau Mỗi node được cấp một băng thông giới hạn nhằm tránh can nhiễu và chồng lấn giữa các node, đảm bảo sự ổn định và hiệu suất của hệ thống.
TDMA (Time-Division Multiple Access) là một kỹ thuật truyền dẫn số cho phép nhiều node thông tin truy cập vào một kênh tần số mà không bị can nhiễu Kỹ thuật này chia tần số thành nhiều khe thời gian và phân bổ cho mỗi node một khe xác định Quá trình thu-phát diễn ra theo vòng tròn khép kín, trong đó chỉ có một node sử dụng kênh truyền tại mỗi thời điểm.
CDMA (Code-Division Multiple Access) là một kỹ thuật điều chế sử dụng phương pháp trải phổ, cho phép nhiều node truyền dữ liệu đồng thời trên cùng một kênh Hệ thống này phát ra tín hiệu kết hợp với một tín hiệu tương tự như nhiễu, tạo ra băng thông rộng hơn so với băng thông tín hiệu gốc Việc sử dụng tín hiệu tương tự như nhiễu giúp tín hiệu trở nên khó phát hiện và khó giải điều chế, nâng cao khả năng bảo mật và hiệu suất truyền tải.
Giao thức phân chia cố định (Fixed-Assignment Protocols) cho phép mỗi node được cấp một lượng tài nguyên kênh truyền cố định, sử dụng riêng biệt mà không bị tranh chấp với các node khác Các giao thức phổ biến trong loại hình này bao gồm đa truy cập chia theo tần số (FDMA), đa truy cập chia theo thời gian (TDMA) và đa truy cập chia theo mã (CDMA).
Giao thức phân chia ngẫu nhiên (Random Assignment Protocols) không kiểm soát việc xác định node nào có quyền truy cập tiếp theo Ban đầu, giao thức này được phát triển cho các hệ thống truyền thông vô tuyến đường dài và thông tin vệ tinh ALOHA, hay còn gọi là pure ALOHA, là giao thức đầu tiên thuộc loại này.
Từ ALOHA phát triển thành nhiều giao thức khác như CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA…
Phân loại mạng cảm biến
Hệ thống lưới kết nối đa đường giữa các node thông qua kênh truyền vô tuyến sử dụng giao thức định tuyến động, giúp các node xác định đường đi tối ưu nhất đến đích.
- Vai trò của các node như các trạm lặp với khoảng cách rất lớn
- Xử lý dữ liệu ở các node chuyển tiếp
Hình 2.4: Mạng C1WSN phức tạp
Mô hình điểm - điểm hay đa điểm - điểm, chủ yếu là các liên kết đơn giữa các node (single hop),
Dùng giao thức định tuyến tĩnh
Một node không cung cấp thông tin cho các node khác
Node chuyển tiếp không có khả năng xử lý dữ liệu cho node khác
Khoảng cách vài trăm mét
Hình 2.5: Mạng C2WSN đơn giản.
Các ứng dụng của công nghệ mạng cảm biến không dây
2.4.1 Giám sát và điều khiển công nghiệp
Trong một nhà máy công nghiệp quy mô lớn, phòng điều khiển nhỏ gọn nhưng quan trọng, xung quanh là các thiết bị máy móc lớn Phòng này được trang bị các đèn chỉ báo và máy hiển thị để theo dõi trạng thái của thiết bị như van, nhiệt độ và áp suất nguyên liệu Các cảm biến trong phòng điều khiển cung cấp thông tin về trạng thái máy móc, trong khi các thiết bị đầu vào điều khiển và bộ truyền động tương đối rẻ so với chi phí của đường dây bọc kim loại dùng để truyền thông Việc sử dụng một phương tiện truyền thông không dây giá rẻ sẽ tiết kiệm chi phí đáng kể, do thông tin trạng thái thường thay đổi chậm, yêu cầu băng thông dữ liệu thấp nhưng độ tin cậy cao Mạng cảm biến không dây với nhiều node và khả năng định tuyến đa hop có thể đáp ứng tốt những yêu cầu này.
Một ví dụ về điều khiển công nghiệp không dây là quản lý ánh sáng quảng cáo, giúp giảm chi phí lắp đặt bóng đèn trong các tòa nhà lớn Hệ thống không dây linh hoạt cho phép sử dụng bộ điều khiển cầm tay được lập trình để điều chỉnh nhiều bóng đèn theo nhiều cách khác nhau Đồng thời, nó vẫn đảm bảo mức độ an ninh cần thiết cho việc lắp đặt quảng cáo.
Mạng cảm biến không dây đóng vai trò quan trọng trong ứng dụng an toàn công nghiệp bằng cách phát hiện sớm các chất độc hại và vật liệu nguy hiểm Chúng giúp nhận diện kịp thời các khe hở và phát hiện tràn hóa chất hoặc sinh học trước khi gây ra thiệt hại nghiêm trọng Với khả năng sử dụng các thuật toán định tuyến phân tán và tự phục hồi, mạng không dây có thể thêm bớt thiết bị cảm biến mà không làm gián đoạn hoạt động của máy công nghiệp, cung cấp thông tin trạng thái máy trong các điều kiện khắc nghiệt.
Quá trình giám sát và điều khiển chuyển động trong các hệ thống quay là lĩnh vực phù hợp với mạng cảm biến không dây, đặc biệt khi cảm biến có dây và bộ truyền động không khả thi Việc giám sát các yếu tố như nhiệt độ, dao động và dòng bôi trơn của các thành phần quay là rất quan trọng để tối ưu hóa thời gian giữa các chu kỳ bảo trì, khi máy cần được giữ offline Hệ thống cảm biến không dây phải hoạt động hiệu quả trong suốt thời gian giữa các chu kỳ bảo trì để đảm bảo tính khả thi của chúng Đối với chuyển động quay, điều này đòi hỏi một mạng cảm biến với yêu cầu năng lượng rất thấp Ngoài ra, mạng cảm biến cũng có thể được áp dụng trong việc dự báo lỗi các thành phần của thiết bị bay, góp phần vào các cải tiến riêng biệt.
2.4.2 Tự động hoá gia đình và điện dân dụng
Gia đình là một môi trường lý tưởng cho việc ứng dụng các mạng cảm biến không dây, mang lại nhiều lợi ích cho hệ thống HVAC Việc trang bị các bộ ổn nhiệt và chống rung không dây giúp tối ưu hóa hiệu quả điều hòa không khí cho các phòng chịu ảnh hưởng của ánh nắng mặt trời, vượt trội hơn so với hệ thống chỉ sử dụng bộ ổn nhiệt có dây Mạng cảm biến không dây còn hỗ trợ kiểm soát nhiệt độ, thông gió và chất lượng không khí trong các tòa nhà Hệ thống HVAC truyền thống thường bị hạn chế bởi số lượng máy ổn nhiệt và ổn ẩm ít ỏi, cùng với chi phí và kết nối dây dẫn Do đó, việc áp dụng công nghệ không dây có thể giải quyết những hạn chế này, nâng cao hiệu suất và khả năng quản lý điều kiện không khí trong không gian sống.
Thân nhiệt trong một tòa nhà do con người phát sinh có sự biến đổi liên tục theo thời gian, bao gồm các thay đổi hàng ngày, hàng tuần và theo mùa Những biến động này kết hợp với sự phân tán của con người trong tòa nhà trong suốt cả năm, dẫn đến sự thay đổi đáng kể về thân nhiệt ở các khu vực khác nhau Ví dụ, khi các tổ chức cải tổ và sửa chữa, không gian văn phòng có thể được chuyển đổi thành khu vực phát sinh nhiệt hoặc lắp đặt thiết bị Ngoài ra, các yếu tố cấu trúc như tường, cửa sổ và mái hiên cũng có thể được điều chỉnh, ảnh hưởng đến thân nhiệt của tòa nhà Do đó, việc cải tiến hệ thống là cần thiết để đảm bảo sự thoải mái cho người sử dụng, mặc dù nhiều thay đổi này có thể không được nhận thấy bởi những người làm việc trong văn phòng.
Chức năng HVAC kém hiệu quả thường do thiếu thông tin chính xác về môi trường trong tòa nhà, dẫn đến sự không thoải mái cho người sử dụng Việc sử dụng mạng cảm biến không dây có thể cải thiện đáng kể thông tin về các giá trị môi trường, giúp hệ thống HVAC phản ứng nhanh hơn Các bộ ổn nhiệt và ổn ẩm không dây có thể được lắp đặt ở nhiều vị trí trong mỗi phòng để cung cấp thông tin chi tiết cho hệ thống điều khiển Hơn nữa, các bộ giảm rung và giảm dung âm lượng không dây có thể tối ưu hóa phản ứng của hệ thống HVAC khi có sự thay đổi về số lượng người trong các không gian khác nhau Khi mọi người di chuyển đến phòng hội nghị, hệ thống có thể tự động điều chỉnh để duy trì sự thoải mái bằng cách đóng các bộ chống rung trong văn phòng và mở ở phòng họp Ngoài ra, khi mọi người rời khỏi tòa nhà, hệ thống HVAC có thể điều chỉnh để phản ứng với sự thay đổi nhiệt độ trong không gian Khi trở về sau cơn mưa, bộ ổn ẩm có thể phát hiện độ ẩm từ áo mưa và hệ thống HVAC sẽ tự động điều chỉnh để đảm bảo không khí trong phòng luôn khô ráo và thoải mái.
Hệ thống HVAC không dây giúp giải quyết vấn đề cân bằng nhiệt và tình trạng không khí trong các tòa nhà Sự phân bố nhiệt không đều, như nhà bếp thường ấm hơn do nhiệt từ bếp nấu ăn, trong khi các phòng ngủ lại lạnh hơn, là một thách thức lớn Vào mùa đông, không khí ấm cần được chuyển đến phòng ngủ để làm ấm không gian, trong khi nguồn nhiệt thấp hơn cần được cung cấp cho nhà bếp, nơi đã có không khí ấm.
Trong mùa hè, không khí lạnh cần được điều chỉnh trong bếp, trong khi không khí ấm hơn lại cần cho phòng ngủ Sự khác biệt trong quá trình phân tán không khí ấm và lạnh gây khó khăn và tốn kém cho các hệ thống điều khiển truyền thống, vì mỗi phòng phải có bộ chống rung riêng Thông thường, các bộ chống rung được đặt cố định, dẫn đến sự phân bổ không đồng đều Tuy nhiên, với cảm biến và bộ truyền động không dây trong hệ thống HVAC, vấn đề này được giải quyết dễ dàng hơn; nhiều bộ chống rung trong mỗi phòng có thể được điều khiển bởi nhiều cảm biến, tạo ra sự cân bằng hệ thống hoàn hảo theo từng mùa.
Hệ thống HVAC mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng giám sát hiệu quả để phát hiện và khắc phục sự cố trước khi chúng trở thành vấn đề lớn Việc sử dụng cảm biến không dây cho phép tự động hóa quy trình điều chỉnh nhiệt độ mà không cần đến sự can thiệp của nhân viên bảo trì Các cảm biến có thể được lắp đặt ở các khu vực như tầng thượng và bể bơi để theo dõi nhiệt độ, từ đó phát hiện các lỗ rò không khí nóng hoặc lạnh Nhờ vào những cải tiến này, chi phí vận hành hệ thống HVAC sẽ giảm, đồng thời nâng cao sự thoải mái cho người sử dụng.
Một ứng dụng điều khiển từ xa cho phép người dùng quản lý không chỉ TV, máy nghe DVD và dàn âm thanh mà còn cả các thiết bị gia đình như đèn, cửa và ổ khóa thông qua mạng cảm biến không dây Với điều khiển từ xa, người dùng có thể dễ dàng điều chỉnh mọi thứ từ ghế ngồi của mình Tính năng hấp dẫn nhất là khả năng tích hợp nhiều dịch vụ, như tự động đóng cửa khi TV bật hoặc tạm dừng hệ thống giải trí khi có cuộc gọi đến Ngoài ra, với sự kết nối giữa cân và máy tính cá nhân qua mạng cảm biến không dây, trọng lượng của một vật có thể được ghi lại tự động mà không cần can thiệp thủ công.
Mạng cảm biến không dây trong gia đình hứa hẹn mang lại nhiều tiện ích, bao gồm các thiết bị ngoại vi như bàn phím và chuột không dây với chi phí thấp và tiêu thụ năng lượng hiệu quả Các ứng dụng thông tin dựa trên cảm biến hoạt động cộng sinh để phục vụ nhu cầu của người dùng, mở rộng từ các thiết bị thông tin do Norman đề xuất Thị trường đồ chơi cũng là một lĩnh vực tiềm năng cho mạng cảm biến không dây, cho phép kết nối các trò chơi máy tính và các phương tiện điều khiển từ xa Điều này có thể cải thiện trải nghiệm chơi game nhờ vào việc sử dụng sức mạnh tính toán của máy tính gần đó cho nhận dạng và tổng hợp giọng nói, giúp giảm chi phí và nâng cao khả năng thực thi của trò chơi Một ứng dụng gia đình đáng chú ý khác là hệ thống khóa không dây, cho phép người dùng kiểm soát an ninh ngôi nhà thông qua một thiết bị tương tự key-fob, khóa cửa, điều khiển đèn và thiết lập chế độ ngủ cho hệ thống HVAC Khi có sự cố, thiết bị sẽ hiển thị thông tin về vấn đề, đồng thời có thể tích hợp với hệ thống an ninh để phát hiện các sự cố khác.
Mạng cảm biến không dây với khả năng nhận biết vị trí có thể hỗ trợ nhiều hoạt động liên quan đến người tiêu dùng, như du lịch và mua sắm Trong các ứng dụng này, quá trình định vị giúp cung cấp thông tin cụ thể theo ngữ cảnh cho người tiêu dùng Chẳng hạn, đối với người hướng dẫn viên du lịch, thông tin chỉ liên quan đến cảnh quan hiện tại sẽ được cung cấp, trong khi nhân viên bán hàng sẽ nhận được thông tin về sản phẩm trước mặt, bao gồm các khuyến mãi và hỗ trợ đặc biệt.
2.4.3 Mạng cảm biến trong quân sự
Mạng cảm biến không dây đóng vai trò quan trọng trong ứng dụng quân sự hiện đại, hỗ trợ các hệ thống chỉ huy, điều khiển và thu thập thông tin tình báo Với khả năng triển khai nhanh chóng, tự tổ chức và chịu đựng lỗi, công nghệ này cho thấy tiềm năng lớn trong lĩnh vực quân sự Khác với các cảm biến truyền thống, mạng cảm biến sử dụng các node giá rẻ và có thể thay thế, giúp giảm thiểu tác động từ việc bị tiêu diệt của một số node đối với hoạt động chung Một số ứng dụng nổi bật của mạng cảm biến bao gồm kiểm tra lực lượng, giám sát chiến trường, trinh sát và phát hiện vũ khí hóa học, sinh học và hạt nhân.
Lãnh đạo và chỉ huy quân đội có thể thường xuyên kiểm tra tình trạng lực lượng, trang bị và đạn dược thông qua mạng cảm biến Mỗi người lính, phương tiện và trang bị đều được gắn cảm biến để thông báo trạng thái, với thông tin được tập hợp tại một node thu dữ liệu (Sink node) và gửi đến người chỉ huy Dữ liệu này có thể được chuyển lên các cấp cao hơn trong hệ thống chỉ huy, cùng với số liệu từ các đơn vị khác.
Kết Chương 2
Trong Chương 2, sinh viên đã cung cấp cái nhìn tổng quan về mạng cảm biến không dây, bao gồm các kỹ thuật xây dựng và phân loại mạng này Bên cạnh đó, bài viết cũng tóm tắt các ứng dụng quan trọng của công nghệ cảm biến không dây.
ỨNG DỤNG XÂY DỰNG ỨNG DỤNG GIÁM SÁT THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG
Đặt vấn đề
IoT, đặc biệt là mạng cảm biến không dây, đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các hệ thống tự động và thông minh cho giám sát môi trường và nông nghiệp thông minh.
Việc giám sát các thông số môi trường trong sản xuất và bảo quản thực phẩm, nông sản là rất quan trọng, vì giá trị dinh dưỡng của thực phẩm tươi sống chịu ảnh hưởng lớn từ nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng Thị trường nông sản hiện nay đã mở rộng ra toàn quốc và quốc tế, dẫn đến nhu cầu vận chuyển nông sản gia tăng Tuy nhiên, quá trình vận chuyển thường kéo dài và gặp phải nhiều điều kiện khí hậu khác nhau, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Để bảo quản thực phẩm trong quá trình vận chuyển, các loại xe thùng hiện đại được trang bị thiết bị ổn nhiệt và ổn ẩm nhằm duy trì môi trường ổn định Tuy nhiên, việc theo dõi thường xuyên các yếu tố môi trường, đặc biệt là nhiệt độ và độ ẩm, là cần thiết để đảm bảo giá trị dinh dưỡng không bị suy giảm Do đó, cần xây dựng hệ thống giám sát có chi phí hợp lý, dễ lắp đặt và linh hoạt để đáp ứng nhu cầu đa dạng của các loại nông sản.
IoT và WSN có thể được áp dụng để phát triển hệ thống giải quyết vấn đề môi trường Chương này sẽ trình bày chi tiết các thiết bị cần thiết cho chương trình thực nghiệm giám sát các thông số môi trường, đồng thời thực hiện cài đặt, thử nghiệm và đánh giá kết quả đạt được.
Tìm hiểu về thiết bị Raspberry Pi
Raspberry Pi là một máy tính mini chạy hệ điều hành Linux, ra mắt vào tháng 2 năm 2012 với giá chỉ 25 USD Được phát triển bởi tiến sĩ Eben Upton tại đại học Cambridge, Raspberry Pi nhằm mục đích cung cấp một chiếc máy tính giá rẻ cho học sinh, giúp họ dễ dàng tiếp cận và khám phá công nghệ thông tin Mặc dù ông chỉ dự định bán 1.000 bo mạch cho các trường học, nhưng nhờ những ưu điểm nổi bật, hơn một triệu board Raspberry Pi đã được tiêu thụ chỉ trong vòng chưa đầy một năm.
Hình 3.1: Bảng mạch máy tính Raspberry Pi
Chỉ cần một bàn phím, một tivi hoặc màn hình có cổng HDMI/DVI, một nguồn USB 5V và một dây micro USB, bạn có thể biến Raspberry Pi thành một máy tính thông thường Raspberry Pi cho phép sử dụng các ứng dụng văn phòng, nghe nhạc và xem phim độ nét cao Đặc biệt, thiết bị này rất tiết kiệm điện và có khả năng hoạt động liên tục 24/24.
Về phần cứng, thông số kỹ thuật của máy tính Raspberry Pi được thể hiện trong Bảng 3.1 [10] như sau:
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của board Raspberry Pi model B
System-on-Chip (SoC) Broadcom BCM2835 (CPU+GPU)
CPU 700 MHz ARM 11 nền tảng ARMv6
GPU Broadcom VideoCore 4, OpenGL ES 2.0, OpenVG 1080p30
USB 2.0 Ports 2 (qua hub USB tích hợp)
Video Outputs Composite RCA hoặc HDMI
Audio Outputs 3.5 mm jack hoặc HDMI
Audio Inputs Không có, nhưng có thể thêm vào
Onboard Storage Secure Digital|SD / MMC / SDIO card slot
Onboard Netword 10/100 wired Ethenet RJ45
Nguồn điện 5V DC qua cổng micro USB hoặc GPIO
Trái tim của Raspberry Pi là chip SoC Broadcom BCM2835 với tốc độ 700mHz, tương đương với nhiều loại chip trong smartphone phổ thông hiện nay và hỗ trợ hệ điều hành Linux Chip này tích hợp GPU Broadcom VideoCore IV, đủ mạnh để chơi một số game phổ thông và phát video chuẩn full HD.
Hệ thống GPIO (General Purpose Input Output) bao gồm 26 chân được chia thành hai hàng, cho phép kết nối và điều khiển đa dạng các thiết bị điện tử và cơ khí.
Hình 3.2: Cấu tạo của Raspberry Pi
Ngõ HDMI: dùng để kết nối Pi với màn hình máy tính hay tivi có hỗ trợ cổng HDMI
Khi thiết kế Raspberry Pi, các nhà phát triển đã xem xét nhu cầu của người dùng ở các nước đang phát triển, nơi mà việc sở hữu một chiếc tivi mới với cổng HDMI không phải lúc nào cũng khả thi Do đó, cổng video analog RCA được tích hợp, cho phép Raspberry Pi kết nối dễ dàng với các tivi cũ.
Ngõ audio 3.5mm cho phép kết nối dễ dàng với loa ngoài hoặc headphone Đối với tivi có cổng HDMI, ngõ âm thanh đã được tích hợp qua đường tín hiệu HDMI, do đó không cần sử dụng ngõ audio 3.5mm.
Cổng CSI trên Raspberry Pi cho phép kết nối với modul camera, trong đó có modul camera 5MP được sản xuất riêng Người dùng cần mua modul này riêng, không được hỗ trợ kèm theo Với modul camera, người dùng có thể thực hiện các tác vụ như chụp hình, quay phim, tương tự như một camera thông thường.
Cổng DSI cho phép kết nối Raspberry Pi với màn hình cảm ứng, giúp hiển thị và sử dụng Raspberry một cách trực quan Người dùng có thể thực hiện các tác vụ tương tự như khi sử dụng chuột và bàn phím.
Cổng USB: một điểm mạnh nữa của Raspberry Pi là tích hợp 2 cổng USB 2.0
Raspberry Pi cho phép kết nối dễ dàng với các thiết bị như bàn phím, chuột, webcam và bộ thu GPS, mở rộng khả năng sử dụng của nó Nhờ vào việc chạy hệ điều hành Linux, hầu hết các thiết bị chỉ cần cắm vào là hoạt động ngay mà không cần cài đặt driver phức tạp.
Cổng Ethernet giúp kết nối Internet một cách dễ dàng; chỉ cần cắm dây mạng vào Raspberry Pi, sau đó kết nối với màn hình máy tính hoặc tivi cùng với bàn phím và chuột, người dùng có thể lướt web một cách thuận tiện.
Khe cắm thẻ SD: Raspberry Pi không tích hợp ổ cứng Thay vào đó nó dùng thẻ
Thẻ SD là phương tiện lưu trữ dữ liệu cho hệ điều hành Linux, yêu cầu kích thước tối thiểu 4 GB và dung lượng tối đa 32 GB Raspberry Pi được trang bị 5 đèn LED để hiển thị trạng thái hoạt động.
- ACT: Truy cập thẻ SD
- PWR: Đèn ngu n (Luôn luôn sáng khi có ngu n cắm vào)
- LNK: Link/Activity (Khi có hoạt động trao đổi file qua LAN nó sẽ nhấp nháy)
Jack nguồn micro USB 5V với dòng tối thiểu 700mA cho phép người dùng tận dụng hầu hết các bộ sạc điện thoại di động hiện có trên thị trường để cung cấp nguồn điện cho Raspberry Pi.
Raspberry Pi sử dụng hệ điều hành Linux, với phần cứng GPU được truy cập thông qua Image Firmware từ thẻ SD Image Firmware, hay còn gọi là đốm màu nhị phân (Binary Blob), liên kết với mã trình điều khiển Linux có nguồn đóng Mặc dù một phần mã điều khiển đã được giải phóng, nhiều chương trình điều khiển vẫn sử dụng mã nguồn đóng GPU Phần mềm ứng dụng thực hiện các cuộc gọi đến thư viện thời gian chạy nguồn đóng như OpenMax, OpenGL ES và OpenVG, và gọi trình điều khiển nguồn mở trong lõi Linux trước khi truy cập mã điều khiển nguồn đóng GPU VideoCore IV Các API của trình điều khiển lõi được thiết kế riêng cho các thư viện đóng, với ứng dụng video sử dụng OpenMax, ứng dụng 3D sử dụng OpenGL ES, và ứng dụng 2D sử dụng OpenVG, tất cả đều sử dụng EGL, trong khi OpenMax và EGL dựa vào trình điều khiển mã nguồn mở.
Hình 3.3: Sơ đồ kết nối PI
Nhà sản xuất Raspberry sẽ cung cấp một bộ thư viện mã nguồn đóng, cho phép người dùng truy cập vào các tính năng tăng tốc GPU Các thư viện này sẽ sớm được phát hành để hỗ trợ phát triển ứng dụng hiệu quả hơn.
- OpenGL ES 2.0 (opengl) là một thư viện 3D, rất thường được sử dụng trên máy tính để bàn và các hệ thống nhúng Nó được định nghĩa bởi Khronos Group
OpenVG là thư viện vẽ vector 2D, thường được áp dụng trên máy tính để bàn và hệ thống nhúng, được định nghĩa bởi Khronos Group.
- EGL là một giao diện lập trình ứng dụng giữa Khronos và API như OpenGL ES hay OpenVG và hệ thống cửa sổ nền tảng ngu n gốc cơ bản
Xây dựng mạng cảm biến giám sát các thông số môi trường qua việc sử dụng thiết bị Raspberry Pi và các Sensor
3.3.1 Điều khiển Raspberry Pi và các thiết bị cảm ứng bằng Python Cài đặt thư viện và thử hiệu ứng nhấp nháy 1 đèn LED
Phần cứng: Raspberry Pi 2 trở lên (có cài sẵn hệ điều hành Raspbian)
Sơ đồ chân của Raspberry Pi 2 được thiết lập như sau:
Hình 3.13: Sơ đồ các chân cắm của Raspberry Pi
Hình 3.14: Nối mạch thiết bị cảm ứng với Raspberry Pi
Chúng ta sẽ sử dụng Python, ngôn ngữ chính thức của Raspberry Pi, để lập trình điều khiển các chân GPIO Hai thư viện hỗ trợ cho việc này là GPIO Zero và RPi.GPIO, cả hai đều là thư viện mã nguồn mở.
To install the RPi.GPIO library, run the command `sudo apt-get install python-dev python-rpi.gpio` Once the installation is complete, you can create a file named `test_led.py` using nano or vi with the following content.
1 import RPi.GPIO as GPIO
2 import time 3.GPIO.setmode(GPIO.BCM)
Khi chọn kiểu đánh số chân GPIO, bạn nên sử dụng kiểu BCM, trong đó GPIOx đại diện cho tên chân mà bạn sử dụng Ví dụ, khi sử dụng chân GPIO18 với kiểu BCM, bạn sẽ thiết lập như hướng dẫn Ngược lại, nếu bạn chọn kiểu board, các chân sẽ được đánh theo thứ tự từ chân 1 trở đi.
Khi sử dụng Raspberry Pi, bạn có thể chọn giữa 28 hoặc 40 chân tùy thuộc vào phiên bản Nếu bạn sử dụng phương pháp BOARD, GPIO18 sẽ được xác định bằng số 12 Tuy nhiên, khuyên bạn nên sử dụng phương pháp BCM, vì nó giữ nguyên số GPIO ngay cả khi nâng cấp lên phiên bản mới, trong khi thứ tự chân có thể thay đổi.
8 GPIO.output(18, GPIO.HIGH) #digitalWrite(18, HIGH)
10 GPIO.output(18, GPIO.LOW) #digitalWrite(18, LOW)
11 time.sleep(1) #delay 1s Sau đó chạy: sudo python test_led.py
3.3.2.1 Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT22
Thông số kỹ thuật của linh kiện điện tử DHT22:
+ Dải đo nhiệt độ -40 – 80oC
+ Sai số nhiệt dộ ±0.5oC
Sơ đồ và chức năng chân của linh kiện điện tử DHT22
Chức năng chân của DHT22
1 Chân 1 - VDD chân nối ngu n (5V)
2 Chân 2 - DATA chân dữ liệu vào ra
4 Chân 4 - GND chân nối mass (0V)
Nguyên ly hoạt động của linh kiện điện tử DHT22
- Sơ đồ kết nối với vi xử lý
- Để có thể giao tiếp với DHT22 theo chuẩn 1 chân vi xử lý thực hiện theo 2 bước:
+ Gửi tín hiệu muốn đo (Start) tới DHT22, sau đó xác nhận lại
+ Khi đã giao tiếp được với DHT22, cảm biến sẽ gửi lại 5 byte dữ liệu và nhiệt độ đo được
Bước 1: Gửi tín hiệu start
MCU thiết lập chân DATA là output và kéo chân DATA xuống 0 trong thời gian tối thiểu 1 ms, cho phép DHT22 nhận biết rằng MCU muốn đo nhiệt độ và độ ẩm Sau đó, MCU đưa chân DATA lên 1 và chuyển đổi chân này thành đầu vào.
+ Sau khoảng 20-40 us DHT sẽ kéo chân DATA xuống thấp Nếu >40us mà chân DATA chưa được kéo xuống thấp nghĩa là chưa giáp tiếp được với DHT22
+ Chân DATA sẽ ở mức thấp 80 us sau đó được DHT22 kéo lên mức cao trong
MCU có khả năng giám sát chân DATA để xác định xem có thể giao tiếp với cảm biến DHT22 hay không Khi tín hiệu đo được tăng cao, quá trình giao tiếp giữa MCU và DHT22 sẽ được hoàn tất.
Bước 2: Đọc giá trị trên DHT22
DHT22 sẽ trả giá trị nhiệt độ và độ ẩm về dưới dạng 5 byte trong đó:
+ Byte 1 giá trị phần nguyên của độ ẩm
+ Byte 2 giá trị phần thập phân của độ ẩm
+ Byte 3 giá trị phần nguyên của nhiệt độ
+ Byte 4 giá trị phần thập phân của nhiệt độ
Byte 5 kiểm tra tổng của các byte khác Nếu Byte 5 bằng tổng của Byte 1, Byte 2, Byte 3 và Byte 4, thì giá trị nhiệt độ và độ ẩm được xác nhận là chính xác Ngược lại, nếu không khớp, kết quả đo sẽ không chính xác.
Cách tính nhiệt độ và độ ẩm từ cảm biến DHT22 được thực hiện qua công thức: (Bytecao * 256 + Bytethấp) / 10 Sau khi thiết lập giao tiếp với DHT22, cảm biến sẽ gửi liên tiếp 40 bit dữ liệu, tương ứng với 5 byte giá trị nhiệt độ và độ ẩm đến MCU.
Sau khi tín hiệu trở về 0, chúng ta chờ chân DATA của MCU được DHT22 kéo lên 1 Nếu chân DATA ở mức 1 trong khoảng 26-28 micro giây, đó là bit 0, còn nếu ở mức 1 trong khoảng 70 micro giây, đó là bit 1 Trong lập trình, ta cần bắt đầu từ sườn lên của DATA và sau đó delay 50 micro giây Nếu giá trị đo được là 0, ta đọc được bit 0; nếu giá trị đo được là 1, ta đọc được bit 1, và tiếp tục như vậy để đọc các bit tiếp theo.
3.3.2.2 Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750
Cảm biến ánh sáng kỹ thuật số BH1750 là một linh kiện điện tử IC sử dụng giao tiếp I2C, lý tưởng cho việc nhận diện dữ liệu ánh sáng xung quanh Với khả năng phát hiện ánh sáng ở độ phân giải cao từ 1 đến 65535 lx, BH1750 thường được sử dụng để điều chỉnh độ sáng màn hình LCD và bàn phím đèn nền của điện thoại di động.
Linh kiện điện tử BH1750 có các ưu điểm sau:
1 Chuyển từ tín hiệu ánh sáng sang kỹ thuật số
2 Nhận tín hiệu trong phạm vi rộng với độ phân giải cao: từ 1-65535lx
3 Tiêu thụ điện năng rất thấp nhờ tính năng tự ngắt
4 Tính năng giảm nhiễu ánh sáng 50Hz/60Hz
6 Không yêu cầu phụ kiện bổ sung ngoài
7 Có thể lựa chọn 2 kiểu I2C slave-address
8 Có thể phát hiện thấp nhấp là 0.11lx, tối đa 100000lx khi sử dụng tính năng này
Sơ đồ kết nối với arduino (do linh kiện điện tử BH1750 sử dụng ngườn 3.3V do vậy cần sử dụng điện trở 510Ohm)
Hình 3.15: Sơ đồ kết nối với arduino 3.3.3 Chương trình demo
Chúng tôi sẽ phát triển một ứng dụng giám sát các thông số môi trường quan trọng cho việc bảo quản thực phẩm, đặc biệt là thực phẩm tươi sống trong quá trình vận chuyển, bao gồm nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng Ứng dụng này sẽ được xây dựng dựa trên thiết bị Raspberry Pi.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá cách sử dụng Raspberry Pi kết hợp với các cảm biến DHT22 và BH1570 Chúng ta sẽ sử dụng ngôn ngữ lập trình Python cùng với thư viện Adafruit chuyên dụng để lập trình và đọc dữ liệu từ các cảm biến này.
Hình 3.16:Các bước giám sát các thông số môi trường
3.3.3.2 Mô hình hoạt động của chương trình
- Mô hình hoạt động biểu diễn trên use-case, tương tác giữa các thành phần, cấu trúc của chương trình:
- Mô hình hoạt động của chương trình biểu diễn dưới dạng sơ đồ :
Hình 3.17: Mô hình hoạt động của chương trình giám sát thông số môi trường 3.3.3.3 Một số kết quả chạy thử nghiệm:
Giao diện màn hình khi truy cập:
Hình 3.18: Một số giao diện chương trình giám sát thông số môi trường
Danh sách các sensor và giá trị đo được của chúng tại mỗi thời điểm khác nhau
Giao diện tự động thay đổi cho phù hợp với kích thước màn hình khác nhau (dành cho các thiết bị mobile truy cập)
Chương trình sẽ đưa ra các dấu hiệu cảnh báo qua màu sắc khi các thông số môi trường vượt ngưỡng quy định
- Khi nhiệt độ dưới 25 độ C và độ ẩm dưới 80%
Trên giao diện máy tính:
Trên giao diện điện thoại:
- Khi nhiệt độ từ 25 độ đến 30 độ C và độ ẩm dưới 80%
Trên giao diện máy tính:
Trên giao diện điện thoại:
- Khi nhiệt độ từ 25 độ C đến 30 độ C và độ ẩm trên 80%
Trên giao diện máy tính:
Trên giao diện điện thoại:
- Khi nhiệt độ trên 30 độ C và độ ẩm trên 80%:
Trên giao diện máy tính
Trên giao diện điện thoại
- Sự thay đổi của cường độ ảnh sáng theo đơn vị lumens đo được trên giao diện command line
3.2.3.4 Đánh giá kết quả chạy thử nghiệm chương trình demo
- Tìm hiểu chi tiết các tính năng kỹ thuật của thiết bị Raspberry Pi và các sensor cảm ứng ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm
Sử dụng ngôn ngữ lập trình Python, tôi thu thập dữ liệu từ các cảm biến ánh sáng, nhiệt độ và độ ẩm Sau đó, dữ liệu này được hiển thị trực quan và dễ hiểu trên giao diện web.
Sau nhiều lần thử nghiệm, chương trình demo đã hoạt động ổn định và đúng với thiết kế hệ thống Chương trình này còn tích hợp các thiết bị hiện có trên thị trường như nhiệt kế, ẩm kế và lux kế để thực hiện việc đo thủ công đồng thời với các cảm biến của hệ thống thu dữ liệu Kết quả cho thấy, dữ liệu thu được từ thiết bị đo thủ công và cảm biến tự động đều cho ra kết quả giống nhau.
- Khả năng ứng dụng và phát triển chương trình thực nghiệm:
Với chi phí hợp lý, bộ Raspberry Pi và các cảm biến dễ dàng mua sắm, việc lắp đặt thiết bị và cài đặt chương trình demo trên xe thùng chuyên dụng trở nên khả thi Công nghệ mạnh mẽ như ngôn ngữ lập trình Python và các thư viện hỗ trợ giúp tối ưu hóa quy trình Đặc biệt, khả năng điều chỉnh ngưỡng giám sát của các cảm biến mang lại sự linh hoạt, cho phép triển khai trên nhiều loại xe thùng phục vụ cho các loại thực phẩm khác nhau với yêu cầu môi trường đa dạng.
Kết chương 3
Trong chương này, sinh viên đã mô tả quy trình xây dựng một mảng cảm biến không dây kết hợp với Raspberry Pi và các thiết bị cảm biến, nhằm đo lường các thông số như nhiệt độ và cường độ ánh sáng.