NỀN TẢNG PHẦN CỨNG IoTs

Để có thể hiểu hết về Internet of Thing (IoTs) cũng như cách kết hợp cả phần mềm lẫn phần cứng, Bạn cần phải có tài liệu này. Một sự kết hợp hoàn hảo sẽ tạo ra một ứng dụng tốt. Cập nhật công nghệ là một điều tốt nhưng lựa chọn đúng lại là một điều tốt hơn Phía dưới mình đã có tích hợp tất cả các tài liệu quan trọng cùng với kinh nghiệm xương máu trong quá trình tìm hiểu IoTs và đã được nén trong 1 file rất đầu đủ. Hy vọng sẽ giúp ích cho các bạn

CHƯƠNG 3: NỀN TẢNG PHẦN CỨNG

 Tổng quan

 Cảm biến & thiết bị truyền động

 Kiến trúc Node

 Kiến Trúc truyền thông

1) Cảm biến & thiết bị truyền động

 Đặc điểm Cảm biến

• Cảm biến:

- Chúng là những thành phần đầu vào chủ yếu trong IoT

- Chúng là các thiết bị nhận được một kích thích và đáp ứng với tín hiệu điện

- Về cơ bản có ba loại:

+ Thụ động, đa hướng (ví dụ mic)

+ Thụ động, cảm biến tầm hẹp (ví dụ PIR)

+ Cảm biến hoạt động (ví dụ: sonar, radar, vv)

- Đơn vị đo:

+ SI: hiện đại hóa hệ thống số liệu

 Hàm truyền (hàm chuyển giao)

• Hàm truyền cho một cảm biến: một hàm toán học đại diện cho các mối quan hệ đầu vào-đầu ra

- Đầu vào: một tham số đo vật lý

- Đầu ra: thường là một tín hiệu đầu ra điện

• Nó mô tả hệ thống phản ứng của một cảm biến

• Hình thức đơn giản của hàm truyền là một hàm tuyến tính mà có thể được mô tả như sau

S = a + bx Trong đó x là đầu vào, b là độ dốc (và đôi khi được gọi là độ nhạy), và một là sự bù đắp (hoặc đầu ra khi đầu vào là số không)

• Một ví dụ:

• Hàm truyền(chuyển giao) ngược: nói với các tham số đo vật lý dựa trên đầu ra cảm biến

 Hàm truyền(chuyển giao): tuyến tính / phi tuyến

• Tuyến tính:

- Nó có thể được mô tả bằng một đường thẳng:

S = a + bx

- Hầu như bất kỳ cảm biến sản xuất hàm truyền tuyến tính, luôn luôn có một số phi tuyến trong các hàm

• Phi tuyến:

- Bất kỳ phản ứng đó không phải là tuyến tính

- Các hàm thích hợp nên được sử dụng để mô tả các phản ứng (ví dụ như Hàm đa thức, hàm số mũ, vv)

 Hàm truyền(chuyển giao)

• Nhiều ngõ vào

- Một số cảm biến có thể phụ thuộc vào nhiều ngõ vào

+ Ví dụ Cảm biến độ ẩm (hai ngõ vào: độ ẩm và nhiệt độ tương đối)

• Độ bão hoà

- Các đầu ra trở nên bằng phẳng ở một số mức độ đầu vào

• Độ phân giải

- Nó mô tả tăng nhỏ nhất của kích thích

- Sự thay đổi đầu ra trong các bước nhỏ

• Độ chính xác

- Nó mô tả như thế nào đóng đo lường là giá trị đích thực

• Chính xác hoặc lặp lại

- Nó mô tả sự khác biệt trong kết quả khi các phép đo được thực hiện nhiều lần trong cùng điều kiện

 Công nghệ cảm biến

 Một Tổng quan nhanh

• Điện dung(Capacitive)

- Sự thay đổi trong điện dung với một sự thay đổi trong môi trường

+ Có thể phát hiện các chất lỏng và các đối tượng dựa vào hằng số điện môi của chúng + Có thể lấy điện dung cơ thể con người như là đầu vào

- Để phát hiện di dời, độ ẩm, gia tốc, con người tiếp xúc, vv

• Điện trở(Resistive)

- Sự thay đổi trở kháng(resistance) với một sự thay đổi trong môi trường

+ Thay đổi về thể chất gồm ánh sáng, lực lượng, nhiệt, từ trường, vv

- Để phát hiện ánh sáng, lực lượng, nhiệt, vv

- Ứng dụng bao gồm máy ảnh, đèn đường, dụng cụ âm nhạc, cảm biến trọng lượng, màn hình cảm ứng, vv

• Từ trường(Magnetic)

- Có một số phương pháp tiếp cận đối với cảm biến từ trường, ví dụ như: Cảm biến hiệu ứng Hall, magneto-diode, magneto-transistor, vv

- Nói chung, chúng phát hiện từ trường và sự thay đổi của mình bằng các vật sắt từ

- Để đo chuyển động quay, từ trường của Trái đất, vv

• Dòng Cảm Điện/quy nạp(Inductive)

- Sự thay đổi trong biên độ của một tần số cao phát ra điện từ trường dao động

- Để phát hiện vật bằng kim loại và kim loại khác nhau

- Thường gặp ở phát hiện xe

• Nhiệt(Thermoelectric)

- Một sáng tạo của điện áp khi có một nhiệt độ khác nhau ở mỗi bên của một đối tượng

- Đối với phép đo nhiệt độ

• Nhiệt điện(Pyroelectric)

- Một điện áp tạm thời được tạo ra từ một loại vật liệu nhất định khi nó được làm nóng hoặc làm lạnh

- Đối với phát hiện chuyển động của con người / động vật, phát hiện ngọn lửa, NDIR (không tan trong IR) phân tích khí, vv

- Thông thường trong cảm biến PIR (Hồng ngoại thụ động(Passive InfraRed))

• Mức độ âm thanh(Sound level)

- Một thế hệ của các tín hiệu điện áp điện với rung động của không khí

- Hai cách tiếp cận phổ biến: quy nạp(inductive) (microphone năng động) và điện dung (condenser microphone)

- Thông thường ứng dụng viễn thông: đồng hồ đo âm thanh

• Công nghệ cảm biến khác(Other sensing technologies)

- Cảm biến cơ điện

+ Sự tham gia của các thiết bị cơ khí

+ Một số ví dụ:

++ Đo lưu lượng chất lỏng (ví dụ như đo lưu lượng cơ khí),

Hệ thống microelectromechanical (ví dụ như mems gyroscopes), vv.

- Cảm biến điện hóa

+ Liên quan đến sự tương tác giữa điện và hóa học

+ Một số ví dụ:

++ CO máy dò, pH meter, vv

 Cảm biến trong Smartphones Hiện đại

 Chú Thích bên trái:

(1) Proximity sensor:Cảm biến tiệm cận

(2) Ambient Light sensor:cảm biến ánh sáng xung quanh

(3) Magnetometer:từ kế

(4) Accelerometer:Gia tốc kế

(5) Gyroscope:con quay hồi chuyển

(6) Barometer: Khí áp kế

(7) Fingerprint ID sensor: cảm biến vân tay ID

 Chú Thích bên phải:

(1) Hear-rate sensor: Cảm biến tốc độ nghe

(2) RGB Light/Proximity/Gesture sensor:cảm biến ánh sáng rgb / gần gũi / cử chỉ

(3) Gyroscope: con quay hồi chuyển

(4) Hall sensor: Cảm biến Hall

(5) Accelerometer: Gia tốc kế

(6) Barometer: Khí áp kế

(7) Fingerprint ID sensor: cảm biến vân tay ID

 Thiết bị truyền động

• Chúng là những thành phần đầu ra chủ yếu

• Nói chung có 4 loại:

- Thủy lực: sử dụng năng lượng thuỷ lực, mạnh mẽ nhưng chậm

- Khí nén: sử dụng khí nén, giao hàng nhanh chóng

- Điện: sử dụng điện, đa năng <== cho IoT

- Cơ: sử dụng năng lượng cơ khí khác

• Chúng thay đổi xung quanh Vài ví dụ:

- Thêm ánh sáng, nhiệt, âm thanh, độ ẩm, vv

- Di chuyển đối tượng

- Hiển thị các tin nhắn

- Và những thứ khác…

 Tín hiệu

- Cảm biến sản xuất một loạt các tín hiệu kỹ thuật số

- Tín hiệu có thể chứa nhiễu

- Thực hiện các bộ lọc kỹ thuật số phức tạp có thể không mong muốn, vì chúng là tương đối phức tạp trong tính toán và trong tiêu thụ điện năng cao

- Đơn giản dữ liệu smoothing có thể là đủ để loại bỏ một số tiếng ồn

 Hàm số mũ Smoothing

- Đó là một lớp học của tự hồi quy tích hợp trung bình trượt

- Đầu ra được đóng góp bởi các đọc hiện tại và giá trị tính toán trước đây

 Di chuyển trung bình đơn giản(Simple Moving Average)

- Lấy trung bình của một vài mẫu

- Xây dựng:

- Ví dụ, nói M = 7:

- Thực hiện đệ quy

2) Kiến trúc Node

 A Thing(1 Thứ)

• Chúng ta có thể chuyển hầu hết các đối tượng vào a "thing"

• A "thing" vẫn trông giống như một hệ thống nhúng hiện nay

• A "thing" thường bao gồm bốn phần chính:

- Cảm biến & thiết bị truyền động

- Vi điều khiển

- Đơn vị truyền thông

- Cung cấp công suất

• Một "thing" có những đặc tính sau:

- Nó thường được cấp nguồn bằng pin Điều này hàm ý nguồn hạn chế về năng lượng

- Nó thường có kích thước nhỏ và ít chi phí Điều này hạn chế khả năng tính toán của chúng

- Nó không thường thực hiện các nhiệm vụ phức tạp.

• Công suất tiêu thụ là vấn đề thiết kế chính

 Các thành phần phần cứng

(1) Usually battery powered with very limited supply: Thông thường pin với công

suất cung cấp rất hạn chế

(2) To communicate with other nodes or the gateway Its power comsumption is

relatively high: Để giao tiếp với các nút khác hoặc gateway Công suất tiêu thụ của nó

là tương đối cao

(3) For simple processing: Đối với chế biến đơn giản

(4) Network functions are part of OS implementation: các hàm mạng là một phần

của hệ điều hành thực hiện

(5) Your codes are stored in the flash memory: mã của bạn được lưu trữ trong bộ

nhớ flash

(6) Runtime variables are stored in the RAM: Biến thời gian chạy được lưu trữ

trong RAM

 XM1000: Bộ xử lý và bộ nhớ

 XM1000: Cảm biến

 Công suất nguồn cho XM1000

• XM1000 sử dụng 2 pin AA, 3V

• Pin AA sơ cấp

- Zins-carbon (tế bào khô): 400-900mAh

- Kẽm clorua (nặng): 1000-1500 mAh

- Alkaline: 1700-3000mAh

• Pin sạc AA

- Nickel-cadmium (NiCd): 500-1100mAh

- Hydride Nickel-metal (NiMH): 1300-2700mAh

 Bản đồ tiêu thụ công suất

3) Kiến Trúc Truyền thông

 Mạng IoT

(1) IoT applications may use TCP/IP protocol technology for networking: ứng

dụng IoT có thể sử dụng giao thức TCP / IP công nghệ giao thức cho mạng

(2) Network is a distributed system Things work together to ensure the proper functioning of the network: Mạng là một hệ thống phân phối Mọi thứ làm việc

với nhau để đảm bảo sự hoạt động đúng của mạng

(3) Gateway is the device connecting the network and the Internet: Gateway là

thiết bị kết nối mạng và Internet

(4) IoT applications make use of existing Internet technology for interconnection:

Các ứng dụng IoT sử dụng công nghệ Internet hiện tại cho kết nối

 Chuẩn IEEE 802.15.4

• IEE 802.15.4 tiêu chuẩn quy định cụ thể các công nghệ truyền thông cho các mạng tốc độ thấp không dây cá nhân khu vực (LR-WPANs)

- Bao gồm điều khiển truy cập PHY & Trung bình (MAC)

• Ba băng tần có thể (không có giấy phép):

- 868.0-868.6MHz, 902-928 MHz, 2,4-2,485 GHz

• Tốc độ dữ liệu tối đa: 250 kb / s

- Sơ đồ điều chế khác nhau được sử dụng trong các dải tần số khác nhau

• Tài liệu tham khảo:

- IEEE Std 802.15., 2005

- Marco Naeve, Eaton Corp., IEEE 802.15.4 MAC Overview, 2004