Xây dựng hệ thống tự động thu thập dữ liệu môi trường trong nhà kính

Hơn nữa, để tăng sản lượng, mức tiếp thị, mua bán, và hiệu quả phân tán của sản phẩm mà có thể có các thiết bị mạng cảm biến không dây được nhúng trong chúng, và để tránh quá trình hình

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy giáo Th.S Vũ Thành Vinh,

Bộ môn Công nghệ ô tô và hệ thống cảm biến, Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông đã dành nhiều thời gian quan tâm đôn đốc, định hướng và giúp

đỡ em trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành đồ án

Bên cạnh đó, em cũng xin được bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô giáo trong Bộ môn Công nghệ ô tô và hệ thống cảm biến – Trường Đại học Công Nghệ Thông Tin và Truyền Thông cùng các thầy cô giáo giảng dạy tại trường đã giúp đỡ em tích lũy được nhiều kinh nghiệm cũng những kiến thức chuyên môn trong cả quá trình dài học tập, nghiên cứu đồng thời tạo mọi điều kiện thuận lợi về

cơ sở vật chất cũng như động viên tinh thần, giúp đỡ cho em phát triển bản thân và trang bị đủ vốn kiến thức để em có thể hoàn thành đồ án

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, sẻ chia và động viên từ gia đình, bạn bè đã luôn ở bên ủng hộ, giúp đỡ em để em có thêm động lực phấn đấu hoàn thành tốt đồ án

Em xin chân thành cảm ơn !

Thái Nguyên, tháng 6 năm 2016 Sinh viên thực hiện đồ án

Đinh Thế Hùng

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan nội dung của bài đồ án “ Xây dựng hệ thống tự động thu thập dữ liệu môi trường trong nhà kính“ này là do em tự tìm hiểu nghiên

cứu dưới sự định hướng của thầy giáo hướng dẫn cùng với sự giúp đỡ tận tình của thầy Th.S Vũ Thành Vinh và thầy Th.S Đặng Văn Ngọc Nội dung báo cáo này đã

có sự cho phép sử dụng một số công trình nghiên cứu của các thầy giáo trong Bộ môn Công nghệ ô tô và hệ thống cảm biến, ngoài ra không vi phạm các công trình nghiên cứu nào khác

Nếu những lời cam đoan trên không đúng, em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước pháp luật

Thái Nguyên, tháng 6 năm 2016 Sinh viên thực hiện đồ án

Đinh Thế Hùng

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

DANH MỤC BẢNG

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2

1.1 Tổng quan về hệ thống mạng cảm biến không dây 2

1.1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây 2

1.1.2 Mô tả về hệ thống mạng cảm biến không dây 3

1.1.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến mạng cảm biến không dây 5

1.1.4 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây 8

1.1.5 Kiến trúc và giao thức mạng cảm biến không dây 10

1.2 Các ứng dụng trong mạng cảm biến không dây 14

1.2.1 Giám sát và điều khiển công nghiệp 14

1.2.2 Tự động hoá gia đình và điện dân dụng 15

1.2.3 Cảm biến trong quân sự 15

1.2.4 Cảm biến môi trường và nông nghiệp thông minh 16

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG THU THẬP DỮ LIỆU MÔI TRƯỜNG TRONG NHÀ KÍNH 19

2.1 Đặt vấn đề 19

2.2 Phân tích bài toán 19

2.2.1 Giải pháp thiết kế 20

2.2.2 Sơ đồ khối 21

2.3 Các linh kiện sử dụng trong hệ thống 23

2.3.1 Các linh kiện sử dụng trong khối xử lý và điều khiển 23

2.3.2 Linh kiện sử dụng trong khối nguồn 28

2.3.3 Linh kiện sử dụng trong khối truyền nhận không dây 28

2.3.4 Các linh kiện sử dụng trong khối cảm biến 30

2.4 Thiết kế phần cứng 37

2.4.1 Node cảm biến 1 37

2.4.2 Node cảm biến 2 39

2.4.3 Node cảm biến số 3 40

2.4.4 Node cảm biến số 4 42

2.4.5 Node trung tâm 44

2.5 Thiết kế phần mềm 45

2.5.1 Arduino IDE và cổng giao tiếp ảo cho arduino nano 45

2.5.2 Cấu hình kit thu phát RF CC22530 46

2.5.3 Giao diện hiển thị trên máy tính 47

2.5.4 Lưu đồ thuật toán 50

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 53

3.1 Kết quả phần cứng 53

3.2 Kết quả thực nghiệm 55

3.3 Đánh giá hệ thống 58

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Mô hình triển khai các node trong cảm biến không dây 3

Hình 1.2 : Các thành phần của một node cảm biến 4

Hình 1.3: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây 10

Hình 2.1: Sơ đồ khối tổng quát của toàn mạch 21

Hình 2.2: Sơ đồ khối tổng quát của node cảm biến 21

Hình 2.3: Sơ đồ khối tổng quát node trung tâm 22

Hình 2.4 Arduino nano 23

Hình 2.5: Sơ đồ các chân của Arduino nano 24

Hình 2.6 Arduino mega 26

Hình 2.7: Sơ đồ chân của Arduino mega 27

Hình 2.8: Module CC2530 28

Hình 2.9: Cấu tạo bên trong của CC2530 29

Hình 2.10: Cảm biến nhiệt độ LM 35 30

Hình 2.11: Cảm biến HR 202 31

Hình 2.12: Sơ đồ chân của module HR 202 32

Hình 2.13: Trở kháng của HR202 phụ thuộc vào độ ẩm 33

Hình 2.14: Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 33

Hình 2.15: Sơ đồ chân của cảm biến độ ẩm đất HR202 35

Hình 2.16: Sơ đồ chân của cảm biến nhiệt độ đất DS18B20 36

Hình 2.17: Sơ đồ nguyên lý của node cảm biến số 1 38

Hình 2.18: Sơ đồ mạch in của node cảm biến số 1 39

Hình 2.19: Sơ đồ nguyên lý của node cảm biến số 2 39

Hình 2.20: Sơ đồ mạch in của node cảm biến số 2 40

Hình 2.21: Sơ đồ nguyên lý của node cảm biến số 3 41

Hình 2.22: Sơ đồ mạch in của node cảm biến số 3 42

Hình 2.23: Sơ đồ nguyên lý của node cảm biến số 4 43

Hình 2.24: Sơ đồ mạch in của node cảm biến số 4 44

Hình 2.25: Sơ đồ nguyên lý của node trung tâm 44

Hình 2.26: Giao diện của Arduino IDE 45

Hình 2.27: Giao diện cổng giao tiếp ảo cho arduino nano 46

Hình 2.28: Mạch nạp SmartRF04EB cho CC2530 46

Hình 2.29: Giao diện của mạch nạp CC2530 khi kết nối máy tính 47

Hình 2.30: Giao diện hiển thị thông số của cảm biến ngoài môi trường 48

Hình 2.31: Giao diện hiển thị thông số của cảm biến giá thể 48

Hình 2.32: Giao diện cấu hình thiết bị 49

Hình 2.33: Lưu đồ thuật toán của node cảm biến số 1 50

Hình 2.34: Lưu đồ thuật toán của node cảm biến số 2 50

Hình 2.35: Lưu đồ thuật toán node cảm biến số 3 51

Hình 2.36: Lưu đồ thuật toán node cảm biến số 4 51

Hình 2.37: Lưu đồ thuật toán của node trung tâm 52

Hình 3.1: Mạch thật của node cảm biến số 1 53

Hình 3.2: Mạch thật của node cảm biến số 2 53

Hình 3.3: Mạch thật của node cảm biến số 3 54

Hình 3.4: Mạch thật của node cảm biến số 4 54

Hình 3.5: Mạch thật của node trung tâm 55

Hình 3.6: Khi công tắc nguồn của node cảm biến số 1 được bật 56

Hình 3.7: Kết quả hiển thị thông số của node số 1 56

Hình 3.8: Khi công tắc nguồn của node 1 và node 2 được bật 57

Hình 3.9: Kết quả hiển thị thông số của node số 1 và số 2 57

Hình 3.10: Khi công tắc nguồn của node cảm biến số 3 và số 4 được bật 58

Hình 3.11: Kết quả hiển thị thông số của node số 3 và số 4 58

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Các dải tần dành cho các ứng dụng Công nghiệp, khoa học và y tế ISM

(Industrial, Scientific and Medical) 14

Bảng 2.1 Thông số kĩ thuật của Arduino nano 25

Bảng 2.2: Thông số kĩ thuật của Arduino mega 28

Bảng 2.3: Thông số kĩ thuật của CC2530 29

Bảng 2.4: Thông số kĩ thuật của LM35 30

Bảng 2.5: Trở kháng của LM35 phụ thuộc vào nhiệt độ 31

Bảng 2.6: Thông số của module HR202 32

Bảng 2.7: Thông số của cảm biến ánh sáng BH1750 34

Bảng 2.8: Thông số kĩ thuật của cảm biến độ ẩm đât HR202 36

Bảng 2.9: Thống số của cảm biến nhiệt độ đất DS18B20 37

LỜI MỞ ĐẦU

Điều kiện môi trường thích hợp rất quan trọng cho sự tăng trưởng thực vật

và cải thiện năng suất cây trồng Tự động hoá việc thu thập dữ liệu thông số của đất và các thông số môi trường chi phối sự phát triển của thực vật cho phép thông tin được thu thập ở tần suất cao với yêu cầu lao động ít hơn Hiện nay đã có hệ thống sử dụng hệ thống máy tính hoặc dựa trên tin nhắn cho người sử dụng liên tục thông báo các điều kiện bên trong nhà kính, nhưng khả năng chi trả, cồng kềnh, khó khăn để duy trì và ít được chấp nhận bởi các công nhân không có kỹ năng công nghệ

Dựa trên cơ sở đó, em đã chọn đề tài “Xây dựng hệ thống tự động thu thập dữ liệu môi trường trong nhà kính” Mục tiêu của dự án này là thiết kế

một mô hình dựa trên vi điều khiển để theo dõi và ghi lại các giá trị của nhiệt độ,

độ ẩm, và ánh sáng mặt trời của môi trường tự nhiên cũng như môi trường trong đất để kiểm soát và đưa ra biện pháp tối ưu hóa chúng để cây có thể đạt được độ tăng trưởng cần thiết và năng suất tối đa

Nội dung báo cáo gồm ba chương chính:

 Chương 1 : Tổng quan về mạng cảm biến không dây

 Chương 2 : Phân tích và thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu môi trường trong nhà kính

 Chương 3 : Kết quả và đánh giá

Mặc dù em đã cố gắng hết sức để hoàn thành song do thời gian có hạn và sự thiết sót về kiến thức nên cũng không tránh khỏi những sai sót nhất định trong quá trình nghiên cứu và làm báo cáo, do vậy em rất mong được sự đóng góp của thầy, cô giáo để

đồ án của em được hoàn thiện hơn

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1.1 Tổng quan về hệ thống mạng cảm biến không dây

1.1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) bao gồm một tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) để phối hợp thực hiện các nhiệm vụ cảm biến phân tán về đối tượng mục tiêu Mạng này có thể liên kết trực tiếp với node quản lý của giám sát viên hay gián tiếp thông qua một điểm thu (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh Các node cảm biến không dây có thể được triển khai cho các mục đích chuyên dụng như giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; tạo ra không gian thông minh; khảo sát, chính xác hóa trong nông nghiệp; y tế; Lợi thế chủ yếu của chúng là khả năng triển khai hầu như trong bất kì loại hình địa lý nào kể cả các môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống được

Việc kết hợp các bộ cảm biến thành mạng lưới ngày nay đã tạo ra nhiều khả năng mới cho con người Các bộ vi cảm biến với bộ xử lý gắn trong và các thiết bị

vô tuyến hoàn toàn có thể gắn trong một kích thước rất nhỏ Chúng có thể hoạt động trong một môi trường dày đặc với khả năng xử lý tốc độ cao Do đó, với mạng cảm biến không dây ngày nay, người ta đã có thể khám phá nhiều hiện tượng rất khó thấy trước đây

Ngày nay, các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như các cấu trúc chống lại địa chấn, nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở các chất gây ô nhiễm, kiểm tra hệ sinh thái và môi trường sinh vật phức tạp, v.v an về mạng cảm biến không dây

1.1.2 Mô tả về hệ thống mạng cảm biến không dây

Các node cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến (sensor field) được minh họa trên hình 1.1 Mỗi node cảm biến được phát tán trong mạng có khả năng thu thập thông số liệu, định tuyến số liệu về bộ thu nhận (Sink) để chuyển tới người dùng (User) và định tuyến các bản tin mang theo lệnh hay yêu cầu từ node Sink đến các node cảm biến Số liệu được định tuyến về phía bộ thu nhận (Sink) theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng nền tảng (Multihop Infrastructureless Architecture), tức là không có các trạm thu phát gốc hay các trung tâm điều khiển, như trong hình 1.1 Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với trạm điều hành (Task Manager Node) của người dùng hoặc gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh (Satellite)

Hình 1.1: Mô hình triển khai các node trong cảm biến không dây

Một node cảm biến được tạo lên từ bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến,

bộ xử lý, bộ thu phát không dây và nguồn Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, node cảm biến còn có thể có các thành phần bổ xung như hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lượng và thiết bị di động Các thành phần trong một node cảm biến được minh họa trên hình 1.1

Hình 1.2 : Các thành phần của một node cảm biến

Bộ cảm biến thường thường gồm hai đơn vị thành phần là thiết bị cảm biến (Sensor) và bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC) Các tín hiệu tương tự có được từ các cảm biến trên cơ sở cảm biến các hiện tượng được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi ADC, rồi mới được đưa tới bộ xử lý Bộ xử lý, thường kết hợp

với một bộ nhớ nhỏ, phân tích thông tin cảm biến và quản lý các thủ tục cộng tác với các node khác để phối hợp thực hiện nhiệm vụ Bộ thu phát đảm bảo thông tin giữa node cảm biến và mạng bằng kết nối không dây, có thể là vô tuyến, hồng ngoại hoặc bằng tín hiệu quang Một thành phần quan trọng của node cảm biến là

bộ nguồn Bộ nguồn, có thể là pin hoặc acquy, cung cấp năng lượng cho node cảm biến và không thay thế được nên nguồn năng lượng của node thường là giới hạn

Bộ nguồn có thể được hỗ trợ bởi các thiết bị sinh năng lượng, ví dụ như các tấm pin mặt trời nhỏ Hầu hết các công nghệ định tuyến trong mạng cảm biến và các nhiệm vụ cảm biến yêu cầu phải có sự nhận biết về vị trí với độ chính xác cao Do

đó, các node cảm biến thường phải có hệ thống tìm vị trí Các thiết bị di động đôi khi cũng cần thiết để di chuyển các node cảm biến theo yêu cầu để đảm bảo các nhiệm vụ được phân công

1.1.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến mạng cảm biến không dây

1.1.3.2 Chi phí thấp

Vì mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến nên chi phí sản xuất một node rất quan trọng ảnh hưởng đến giá thành toàn mạng Nếu chi phí của mạng cao hơn so với việc phát triển các cảm biến truyền thống thì mạng cảm biến là không chấp nhận được Như vậy, giá thành một node cảm biến cần phải giữ

ở mức thấp Hiện nay, chi phí sản xuất của một node cảm biến phải thấp hơn 1Dollar thì mạng mới có thể thực hiện được Các node cảm biến ngoài các thành phần chính là bộ cảm biến chuyên dụng, hệ thống thu phát vô tuyến, bộ xử lý, nguồn nuôi, còn phải trang bị thêm các thiết bị khác để có khả năng tìm vị trí, di động, tạo năng lượng, v.v tuỳ theo ứng dụng cụ thể Do đó, chi phí sản xuất trở thành một thách thức khi một khối lượng các chức năng được giới hạn trong giá thành thấp

1.1.3.3 Mức độ khả dụng

Nhiều ứng dụng được đề xuất của mạng cảm biến không dây, giống như các thẻ hành lý không dây và các hệ thống định vị container tàu hàng, yêu cầu mạng có mức độ khả dụng cao Hơn nữa, để tăng sản lượng, mức tiếp thị, mua bán, và hiệu quả phân tán của sản phẩm mà có thể có các thiết bị mạng cảm biến không dây được nhúng trong chúng, và để tránh quá trình hình thành những thay đổi trong vùng khác nhau phải được giám sát riêng lẻ thông qua (có thể là riêng rẽ) dây truyền phân tán, do đó mong muốn cung cấp các thiết bị mà có khả năng vận hành trên khắp thế giới Dù vậy, theo lý thuyết, khả năng này có thể được sử dụng bởi việc tận dụng các bộ thu nhận GPS (Global Positioning System) hoặc GLONASS (Global Navigation Satellite System) trong mỗi node mạng và điều chỉnh node cách thức hoạt động theo vị trí của nó, chi phí để thêm một bộ thu nhận thứ hai, cộng thêm tính mềm dẻo để thực thi bổ xung được yêu cầu để nhận các yêu cầu khắp thế giới khác nhau, về phương diện kinh tế phương pháp này là không tồn tại Bởi vậy, mong muốn tận dụng một băng thông đơn - có ít trong các yêu cầu điều luật cảu chính phủ từ quốc gia đến quốc gia - để tăng cực đại toàn bộ thị trường tiêu thụ cho các mạng cảm biến không dây.

1.1.3.4 Kiểu mạng

Một mạng star thông thường tận dụng một thiết bị master đơn và một hoặc nhiều hơn thiết bị slave có thể thoả mãn nhiều ứng dụng Bởi vì công suất truyền dẫn của các thiết bị mạng bị giới hạn bởi các điều luật chính phủ và các công ty cung cấp nguồn nuôi battery-life, tuy nhiên, thiết kết mạng này sẽ hạn chế phạm vi vật lý một mạng có thể phục vụ đến phạm vi của một thiết bị đơn (master) Khi phạm vi bổ xung được yêu cầu, các kiểu mạng hỗ trợ định tuyến multi-hop (ví dụ các kiểu mesh hoặc cluster) phải được tận dụng; bộ nhớ bổ xung và chi phí tính toán cho các bảng hoặc thuật toán định tuyến, trong quá trình bổ xung overhead bảo trì mạng, phải được hỗ trợ không cần chi phí thừa hoặc mức tiêu thụ nguồn

Để được xác nhận cho nhiều ứng dụng, các mạng cảm biến có bậc tương đối lớn (>

256 node); mật độ thiết bị cũng có thể cao (ví dụ trong các ứng dụng thẻ báo giá

trong siêu thị)

1.1.3.5 Bảo mật

Bảo mật trong mạng cảm biến không dây có hai vấn đề có giá trị quan trọng bảo mật thực tế mạng như thế nào và bảo mật mạng như thế nào được nhận biết do người sử dụng và (đặc biệt) là người sử dụng tiềm năng Việc nhận biết bảo mật là vấn đề quan trọng bởi vì người sử dụng có một mối lo tự nhiên là khi dữ liệu của

họ (hoặc bất cứ thứ gì có thể) được truyền dẫn qua không khí cho bất cứ ai để nhận Thường, một ứng dụng tận dụng mạng cảm biến không dây thay thế một phiên bản có dây mà người sử dụng có thể nhìn thấy tự nhiên các dây dẫn hoặc các cấp tải thông tin, và biết, chắc chắn hợp lý, rằng không có ai cũng có thể nhận được thông tin hoặc xen thông tin sai lệch vào chúng đến nơi nhận Ứng dụng không dây phải làm việc để chiếm lại độ tin cậy đã đảm bảo với thị trường rộng lớn được yêu cầu với chi phí thấp hơn Tuy nhiên, bảo mật hơn nữa là quá trình mã hoá đúng bản tin Thực tế, trong nhiều ứng dụng, quá trình mã hoá (quá trình giữ một bí mật hoặc một riêng tư bản tin) không phải là một mục đích bảo mật quan trọng của các mạng cảm biến không dây Thường, các mục đích bảo mật quan trọng là đảm bảo rằng nhiều bản tin được nhận không bị sửa đổi theo nhiều con con đường từ người gửi nó với nội dung đó

1.1.3.6 Thông lượng dữ liệu

Khi đề cập ngay đầu tiên, các mạng cảm biến không dây có giới hạn về các yêu cầu thông lượng dữ liệu khi so sánh với Bluetooth (IEEE 802.15.1) và với các mạng WPAN và WLAN khác.Với các mục đích thiết kế, tốc độ dữ liệu mong muốn cực đại, khi tính toán trung bình qua mộ chu kỳ một giờ, có thể thiết lập là 512b/s (64 byte/s), dù vậy phác họa này có phần tuỳ tiện Tốc độ dữ liệu điển hình được mong đợi có ý nghĩa đáng kể dưới điều này; có thể 1 b/s hoặc thấp hơn trong một vài ứng dụng Chú ý rằng đây là thông lượng dữ liệu, không phải là tốc độ dữ liệu ban đầu khi truyền phát qua kênh, có thể cao hơn đáng kể Lượng thông lượng

dữ liệu được yêu cầu thấp này gợi ý rằng với nhiều số lượng overhead giao thức có

ích (ví dụ các header, trường địa chỉ,v.v…), hiệu quả truyền thông của mạng sẽ rất thấp đặc biệt khi so sánh ngược lại với mạng gửi các gói TCP/IP có thể dài 1500 byte Không có vấn đề gì khi thiết kế được lựa chọn, hiệu quả sẽ rất thấp, và trong tình thế đó, có thể được nhìn thấy một cách rõ ràng: người thiết kế giao thức có khả năng phác hoạ tự ý mối quan tâm hiệu quả truyền thông, thường là một tham

số quyết định trong thiết kế giao thức

1.1.3.8 Tính di động

Các ứng dụng mạng cảm biến không dây, phổ biến, không yêu cầu tính động Bởi vì mạng được giải phóng từ gánh nặng của quá trình nhận dạng các đường định tuyến truyền thông mở, các mạng cảm biến không dây mang overhead lưu lượng điều khiển ít hơn và có thể tận dụng các phương pháp định tuyến đơn giản hơn so với mạng di động Ad hoc

1.1.4 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây

1.1.4.1 Kích thước vật lý nhỏ

Trong bất kỳ hướng phát triển công nghệ nào, kích thước và công suất tiêu thụ luôn chi phối khả năng xử lý, lưu trữ và tương tác của các thiết bị cơ sở Việc thiết kế các phần cứng cho mạng cảm biến phải chú trọng đến giảm kích cỡ và công suất tiêu thụ với yêu cầu nhất định về khả năng hoạt động Việc sử dụng phần mềm phải tạo ra các hiệu quả để bù lại các hạn chế của phần cứng

1.1.4.2 Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao

Phương thức hoạt động chính của các thiết bị trong mạng cảm biến là cảm

biến và vận chuyển các dòng thông tin với khối lượng xử lý thấp, gồm các hoạt động nhận một lệnh, dừng, phân tích và đáp ứng lại Ví dụ, thông tin cảm biến có thể được thu nhận đồng thời bởi các cảm biến, được thao tác và truyền lên mạng Hoặc dữ liệu có thể được node cảm biến nhận từ các node cảm biến khác và được hướng tới định tuyến đa liên kết hay liên kết cầu Vì dung lượng bộ nhớ trong nhỏ nên việc đệm một khối lượng lớn dữ liệu giữa dòng vào và dòng ra là không khả thi Hơn nữa, mỗi dòng lại tạo ra một số lượng lớn các sự kiện mức thấp xen vào hoạt động xử lý mức cao Một số hoạt động xử lý mức cao sẽ kéo dài trên nhiều sự kiện thời gian thực Do đó, các node mạng phải thực hiện nhiều công việc đồng thời và cần phải có sự tập trung xử lý cao độ.

1.1.4.3 Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế

Số lượng các bộ điều khiển độc lập, các khả năng của bộ điều khiển, sự tinh

vi của liên kết xử lý - lưu trữ - chuyển mạch trong mạng cảm biến thấp hơn nhiều trong các hệ thống thông thường Điển hình, bộ cảm hay bộ truyền động (actuator) cung cấp một giao diện đơn giản trực tiếp tới một bộ mạch chip đơn Ngược lại, các hệ thống thông thường, với các hoạt động xử lý phân tán, đồng thời kết hợp với một loạt các thiết bị trên nhiều mức điều khiển được liên hệ bởi một cấu trúc bus phức tạp Các hạn chế về kích thước và công suất, khả năng định hình vật lý trên vi mạch bị giới hạn có chiều hướng cần hỗ trợ quản lý dòng đồng thời, tập trung nhờ bộ xử lý kết hợp

1.1.4.4 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng

Các thiết bị cảm biến được nối mạng có khuynh hướng dành riêng cho ứng dụng cụ thể, tức là mỗi loại phần cứng chỉ hỗ trợ riêng cho ứng dụng của nó Vì có một phạm vi ứng dụng cảm biến rất rộng nên cũng có thể có rất nhiều kiểu thiết bị vật lý khác nhau Với mỗi thiết bị riêng, điều quan trọng là phải dễ dàng tập hợp các thành phần phần mềm để có được ứng dụng từ các thành phần phần cứng Như vậy, các loại thiết bị này cần một sự điều chỉnh phần mềm ở một mức độ nào đó để

có được hiệu quả sử dụng phần cứng cao Môi trường phát triển chung là cần thiết

để cho phép các ứng dụng riêng có thể xây dựng trên một tập các thiết bị mà không cần giao diện phức tạp Ngoài ra, cũng có thể chuyển đổi giữa phạm vi phần cứng với phần mềm trong khả năng công nghệ.

1.1.4.5 Hoạt động tin cậy

Các thiết bị có số lượng lớn, được triển khai trong phạm vi rộng với một ứng dụng cụ thể Việc áp dụng các kỹ thuật mã hóa sửa lỗi truyền thống nhằm tăng

độ tin cậy của các đơn vị riêng lẻ bị giới hạn bởi kích thước và công suất Việc tăng độ tin cậy của các thiết bị lẻ là điều cốt yếu Thêm vào đó, chúng ta có thể tăng độ tin cậy của ứng dụng bằng khả năng chấp nhận và khắc phục được sự hỏng hóc của thiết bị đơn lẻ Như vậy, hệ thống hoạt động trên từng node đơn không những mạnh mẽ mà còn dễ dàng phát triển các ứng dụng phân tán tin cậy

1.1.5 Kiến trúc và giao thức mạng cảm biến không dây

Ngăn xếp giao thức được sử dụng trong bộ thu nhận (node Sink) và tất cả các node cảm biến được minh họa trong hình 1.3 Ngăn xếp giao thức này phối hợp các tính toán về định tuyến và năng lượng, kết hợp số liệu với các giao thức mạng, truyền tin với hiệu quả về năng lượng thông qua môi trường không dây và tăng cường sự hợp tác giữa các node cảm biến Ngăn xếp giao thức bao gồm lớp ứng dụng (Application Layer), lớp giao vận (Transport Layer), lớp mạng (Network Layer), lớp liên kết số liệu (Datalink Layer), lớp vật lý (Physical Layer), mặt bằng quản lý năng lượng (Power Management Plane), mặt bằng quản lý di động (Mobility Management Plane) và mặt bằng quản lý nhiệm vụ (Task Management Plane)

Hình 1.3: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây

Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các kiểu phần mềm ứng dụng có thể được xây dựng và sử dụng trên lớp ứng dụng Lớp giao vận giúp duy trì dòng số liệu khi các ứng dụng của mạng cảm biến yêu cầu Lớp mạng tập trung vào việc định tuyến số liệu được cung cấp bởi lớp giao vận Do môi trường có nhiễu và các node cảm biến có thể di động được, giao thức MAC phải được tính toán về năng lượng và tối thiểu hóa va chạm trong việc phát quảng bá với các node lân cận Lớp vật lý sử dụng các kỹ thuật điều chế, truyền và nhận cần thiết đơn giản nhưng mạnh mẽ Thêm vào đó, các mặt bằng quản lý năng lượng, di động và nhiệm vụ điều khiển

sự phân phối năng lượng, phối hợp di chuyển và nhiệm vụ giữa các node cảm biến

Các mặt bằng này giúp cho các node cảm biến có thể phối hợp trong nhiệm vụ cảm biến và giảm được tổng năng lượng tiêu thụ.

1.1.5.1 Lớp ứng dụng

Mặc dù nhiều lĩnh vực ứng dụng cho mạng cảm biến được vạch rõ và được

đề xuất, các giao thức lớp ứng dụng còn tiềm tàng cho mạng cảm biến vẫn còn là một vùng rộng lớn chưa được khám phá Trong phần này, chúng ta sẽ khảo sát ba giao thức lớp ứng dụng quan trọng là giao thức quản lý cảm biến SMP (Sensor Management Protocol), giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo số liệu TADAP (Task Assignment and Data Advertisement Protocol), giao thức truy vấn cảm biến

và phổ biến số liệu SQDDP (Sensor Query and Data Dissemination Protocol), rất cần thiết cho mạng cảm biến trên cơ sở những sơ đồ được đề xuất có liên quan tới những lớp khác và các lĩnh vực ứng dụng mạng cảm biến Tất cả các giao thức lớp ứng dụng này đều là những vấn đề nghiên cứu có tính mở

1.1.5.2 Lớp giao vận

Lớp giao vận cung cấp các dịch vụ tổ chức liên lạc đầu cuối từ các node cảm biến có báo cáo cần chuyển tới node thu nhận (Sink) và node người sử dụng Lớp giao vận đặc biệt cần thiết khi hệ thống có kế hoạch truy nhập thông qua Internet hoặc những mạng bên ngoài khác Giao thức TCP với cơ chế cửa sổ truyền dẫn chưa phù hợp với đặc trưng của môi trường mạng cảm biến hiện nay

Do đó, việc thiết lập một liên kết đầu cuối từ các node cảm biến trực tiếp đến node quản lý của người sử dụng là không hiệu quả Phương pháp phân tách TCP là cần thiết để mạng cảm biến tương tác với các mạng khác ví dụ như Internet Trong phương pháp này, kết nối TCP được sử dụng để liên lạc giữa node quản lý của người sử dụng và node thu nhận (Sink) và một giao thức lớp giao vận phù hợp với môi trường mạng cảm biến được sử dụng cho truyền thông giữa nodethu nhận và các node cảm biến

Kết quả là truyền thông giữa node người sử dụng và node thu nhận có thể

sử dụng giao UDP hoặc TCP thông qua Internet hoặc qua vệ tinh Mặt khác, việc

truyền thông giữa node thu nhận và các node cảm biến chỉ sử dụng hoàn toàn các giao thức kiểu như UDP, bởi vì các node cảm biến có bộ nhớ hạn chế Không giống các giao thức kiểu như TCP, các phương pháp truyền thông đầu cuối (end to end) trong mạng cảm biến không địa chỉ toàn cục Các phương pháp này dựa trên việc đặt tên thuộc tính cơ sở để chỉ ra điểm đích của gói số liệu Các nhân tố như tiêu thụ năng lượng, khả năng mở rộng và các đặc trưng như định tuyến tập trung

số liệu khiến cho mạng cảm biến cần phải có những cơ chế khác trong lớp giao vận Yêu cầu này nhấn mạnh sự cần thiết của những loại giao thức mới ở lớp giao vận

1.1.5.3 Lớp mạng

Các node cảm biến được phân bố dày đặc trong một trường ở gần hoặc ở ngay bên trong các hiện tượng mục tiêu như trong hình 1.1 Giao thức định tuyến không dây đa bước phù hợp giữa node cảm biến và node Sink là cần thiết Kỹ thuật định tuyến trong mạng Ad hoc thông thường không phù hợp những yêu cầu của mạng cảm biến Lớp mạng của mạng cảm biến được thiết kế theo những nguyên tắc sau :

- Hiệu suất năng lượng luôn là yếu tố quan trọng

- Hầu hết các mạng cảm biến là số liệu tập trung

- Việc tập hợp số liệu chỉ được thực thi khi nó không cản trở hoạt động hợp tác của các node cảm biến

- Một mạng cảm biến lý tưởng phải nhận biết được việc đánh địa chỉ thuộc tính cơ sở và vị trí

1.1.5.4 Lớp liên kết số liệu

Lớp liên kết số liệu chịu trách nhiệm ghép kênh cho các dòng số liệu và tách khung số liệu, điều khiển truy nhập môi trường và sửa lỗi Nó đảm bảo sự tin cậy cho kết nối điểm - điểm (Point to Point) và điểm - đa điểm (Point to Multipoint) trong mạng truyền thông Hai phần dưới sẽ trình bày về chiến lược truy nhập môi trường truyền dẫn và điều khiển sửa lỗi cho mạng cảm biến

1.1.5.5 Lớp vật lý

Lớp vật lý chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, tạo tần số mang, tách sóng, điều chế và mã hoá số liệu Kế hoạch chọn tần số đã được trình bày trong bảng 1.1 Việc tạo tần số và tách sóng thuộc phạm vi thiết kế phần cứng và bộ thu phát nên

sẽ không được xem xét ở đây Các phần tiếp theo sẽ chú trọng về các hiệu ứng phát sóng, hiệu suất năng lượng và các phương pháp điều chế trong mạng cảm biến Hiển nhiên là truyền thông vô tuyến với khoảng cách xa là rất tốn kém xét cả

về năng lượng và độ phức tạp của hoạt động Trong khi thiết kế lớp vật lý cho mạng cảm biến, việc tối thiểu hoá năng lượng được coi là rất quan trọng, ngoài ra còn các vấn đề về suy hao, phát tán, vật cản, phản xạ, nhiễu, các hiệu ứng fading

đa đường Thông thường, công suất đầu ra tối thiểu để chuyển một tín hiệu qua một khoảng cách d tỷ lệ với dn , trong đó 2 ≤ n < 4 Số mũ n gần 4 với antenna tầm thấp và các kênh gần mặt đất điển hình trong mạng cảm biến Nguyên nhân là do

sự triệt tiêu một phần tín hiệu bởi tia phản xạ mặt đất Để giải quyết vấn đề này, người thiết kế phải hiểu rõ các đặc tính đa dạng cố hữu và khai thác chúng một cách triệt để Ví dụ, truyền thông qua nhiều bước nhảy trong mạng cảm biến có thể vượt qua một cách hiệu quả các vật chắn và các hiệu ứng suy hao đường truyền nếu mật độ node mạng đủ lớn Tương tự, trong khi suy hao đường truyền và dung lượng kênh hạn chế độ tin cậy của số liệu thì nhờ đó ta có thể sử dụng lại tần số theo không gian

Bảng 1.1: Các dải tần dành cho các ứng dụng Công nghiệp, khoa học và y tế ISM

(Industrial, Scientific and Medical)

1.2 Các ứng dụng trong mạng cảm biến không dây

1.2.1 Giám sát và điều khiển công nghiệp

Một nhà máy công nghiệp, có quy mô rộng điển hình có một phòng điều khiển tương đối nhỏ, xung quanh có các thiết máy móc tương đối lớn Phòng điều khiển có các đồng hồ chỉ báo và các máy hiển thị để mô tả trạng thái các thiết bị (trạng thái các van, trạng thái thiết bị, nhiệt độ và áp suất của nguyên liệu được lưu trữ, v.v…), đầu vào các thiết bị để điều khiển các bộ truyền động trong các máy móc (các van, các bếp lò, v.v…) mà tác động đến trạng thái được theo dõi của máy móc Các cảm biến mô tả trạng thái các máy móc, các kết quả hiển thị của chúng

nằm trong phòng điều khiển, các thiết bị đầu vào điều khiển, và các bộ truyền động trong các máy tất cả tương đối rẻ khi được so sánh với chi phí của các đường dây bọc kim loại mà được sử dụng để truyền thông giữa chúng Tiết kiệm chi phí đáng

kể được hoàn tất nếu một phương tiện không dây rẻ có sẵn để cung cấp kiểu truyền thông này Bởi vì thông tin được truyền thông là thông tin trạng thái, nó thường thay đổi chậm Vì vậy, trong chế độ vận hành bình thường, thông lượng dữ liệu được yêu cầu của mạng tương đối chậm, nhưng độ tin cậy được yêu cầu của mạng lại rất cao Mạng cảm biến không dây của nhiều node, cung cấp nhiều đường dẫn định tuyến bản tin của quá trình truyền thông multi-hop, có thể nhận được các yêu cầu này

1.2.2 Tự động hoá gia đình và điện dân dụng

Gia đình là không gian ứng dụng rất lớn cho các mạng cảm biến không dây Nhiều ứng dụng công nghiệp vừa được mô tả có mối liên hệ tương tự trong gia đình Ví dụ một hệ thống HVAC được trang bị với các bộ ổn nhiệt và chống rung không dây có thể bảo vệ các phòng dưới ánh nắng mặt trời của ngôi nhà - sẽ hiệu quả hơn một ngôi nhà chỉ trang bị một bộ ổn nhiệt đơn có dây Một ứng dụng được điều khiển chung từ xa, một PDA loại thiết bị có thể chỉ không điều khiển TV, Máy nghe DVD, dàn âm thanh nổi và các thiết bị điện tử gia đình khác nhưng với các bóng đèn, các cánh cửa, và các ổ khoá cũng được trang bị với một kết nối mạng cảm biến không dây Với điều khiển chung từ xa, một bộ có thể điều khiển ngôi nhà từ tiện ích trên ghế Tuy nhiên, khả năng hấp dẫn nhất đến từ sự kết hợp nhiều dịch vụ, giống như các cánh cửa tự động đóng khi TV được bật, hoặc có thể

tự động ngưng hệ thống giải trí gia đình khi một cuộc được nhận trên máy điện thoại hoặc chuông cửa kêu Với chiếc cân và máy tính cá nhân cả hai được kết nối với nhau thông qua một mạng cảm biến không dây, sức nặng của một vật có thể được tự động ghi lại không cần yêu cầu sự can thiệp bằng tay

1.2.3 Cảm biến trong quân sự

Các mạng cảm biến không dây là một phần không thể thiếu trong các ứng

dụng quân sự ngày nay với các hệ thống mệnh lệnh, điều khiển, thu thập tin tức tình báo truyền thông, tính toán, theo dõi kẻ tình nghi, trinh sát và tìm mục tiêu Các đặc tính triển khai nhanh chóng, tự tổ chức và khả năng chịu đựng lỗi của các mạng cảm biến cho thấy đây là một công nghệ đầy triển vọng trong lĩnh vực quân

sự Vì các mạng cảm biến dựa trên cơ sở triển khai dày đặc với các node giá rẻ và chỉ dùng một lần, việc bị địch phá huỷ một số node không ảnh hưởng tới hoạt động chung như các cảm biến truyền thống nên chúng tiếp cận chiến trường tốt hơn Một số ứng dụng của mạng cảm biến là : kiểm tra lực lượng, trang bị, đạn dược, giám sát chiến trường, trinh sát vùng và lực lượng địch, tìm mục tiêu, đánh giá thiệt hại trận đánh, trinh sát và phát hiện các vũ khí hóa học sinh học - hạt nhân (NCB)

- Kiểm tra lực lượng, trang bị, đạn dược

- Theo dõi chiến trường

- Trinh sát vùng và lực lượng đối phương

- Trinh sát vùng và lực lượng đối phương

- Tìm mục tiêu

- Đánh giá thiệt hại của trận đánh

- Trinh sát và phát hiện các vũ khí hóa học, sinh học, hạt nhân

1.2.4 Cảm biến môi trường và nông nghiệp thông minh

Một số các ứng dụng về môi trường của mạng cảm biến bao gồm theo dõi

sự di chuyển của các loài chim, loài thú nhỏ, côn trùng; kiểm tra các điều kiện môi trường ảnh hưởng tới mùa màng và vật nuôi; tình trạng nước tưới; các công cụ vĩ

mô cho việc giám sát mặt đất ở phạm vi rộng và thám hiểm các hành tinh; phát hiện hóa học, sinh học; tính toán trong nông nghiệp; kiểm tra môi trường không khí,đất trồng, biển; phát hiện cháy rừng; nghiên cứu khí tượng và địa lý; phát hiện

lũ lụt; vẽ bản đồ sinh học phức tạp của môi trường và nghiên cứu ô nhiễm môi trường

- Phát hiện cháy rừng: Vì các node cảm biến có thể triển khai dày đặc, tự do

ở các vị trí cần thiết nên chúng có thể cung cấp tin tức chính xác về nguồn gốc phát lửa trước khi chúng phát tán rộng không kiểm soát được Hàng nghìn node cảm biến có thể được triển khai và tích hợp nhờ các hệ thống quang và các tần số

vô tuyến Ngoài ra, các node cảm biến còn được trang bị các phương pháp thu năng lượng, ví dụ như dùng pin mặt trời, để các cảm biến có thể tự duy trì trong nhiều tháng thậm chí nhiều năm Các node cảm biến sẽ cộng tác với các node khác

để phân tán sự cảm biến và chống lại các trở ngại như các cành cây, khối đá làm cản trở tầm nhìn của các cảm biến

- Vẽ bản đồ sinh học phức tạp của môi trường: Việc lập bản đồ sinh học của môi trường đòi hỏi phải tiếp cận một cách tinh vi để kết hợp các thông tin qua các trục không gian và thời gian Các tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực cảm biến từ xa và thu thập dữ liệu tự động cho phép độ phân giải không gian, quang phổ và thời gian cao tại một đơn vị diện tích Dựa vào công nghệ hiện nay, các node cảm biến có thể được kết nối Internet, điều này cho phép người sử dụng từ xa có thể điều khiển, kiểm tra và theo dõi các thành phần sinh học trong môi trường Mặc dù các hệ thống cảm biến vệ tinh và trên máy bay rất hữu ích cho việc theo dõi tính đa dạng sinh học vĩ mô nhưng chúng không đủ tinh vi để tiếp cận các thành phần sinh học

có kích cỡ nhỏ Do đó cần thiết phải sử dụng mạng cảm biến để theo dõi chi tiết các thành phần sinh học một cách đầy đủ

- Phát hiện lũ lụt: một ví dụ về ứng dụng phát hiện lũ lụt là hệ thống ALERT được triển khai tại Mỹ Nhiều kiểu cảm biến được triển khai trong hệ thống ALERT là các cảm biến về lượng mưa, mức nước và thời tiết Các cảm biến này cung cấp thông tin cho hệ thống cơ sở dữ liệu trung tâm Các dữ liệu này được tính toán, phân tích để đưa ra dự báo về tình hình nguy cơ lũ lụt

- Trong nông nghiệp: Một ví dụ cơ bản của việc sử dụng các mạng cảm biến không dây trong nông nghiệp là đo đạc lượng mưa Các trang trại trồng trọt và các trang trại chăn nuôi lớn có thể vượt quá vài dặm vuông, và chúng có thể chỉ nhận được lượng mưa rời rạc và chỉ có một vài vị trí trên trang trại Tưới nước là rất đắt,

vì vậy quan trọng là biết được các cánh đồng nào đã nhận được mưa, mục đích là việc tưới nước có thể bị bỏ qua, và chỉ có những cánh đồng nào không có và phải được tưới Một ứng dụng như vậy là ý tưởng cho các mạng cảm biến không dây

Số lượng dữ liệu gửi qua mạng có thể rất chậm (chậm bằng một bit – “yes hoặc no” - với đáp ứng là truy vấn “Hôm nay trời có mưa hay không”) và trễ bản tin có thể theo trình tự vài phút Bây giờ, giá cả thấp, và mức tiêu thụ nguồn phải đủ thấp cho mạng nguyên khối đến cuối mùa sinh trưởng Mạng cảm biến không dây là khả năng nhiều hơn các phép đo lường độ ẩm của đất, tuy nhiên, bởi vì mạng có thể được thích hợp với một số lượng các loại near-infinite các cảm biến hoá học và sinh học Dữ liệu được cung cấp bởi một mạng như vậy là khả năng để cung cấp, người nông dân với một cái nhìn sinh động về độ ẩm của đất; nhiệt độ; cần cho thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, và phân bón; ánh nắng nhận được; và nhiều con số khác Kiểu ứng dụng này là vấn đề quan trọng đặc biệt trong vườn nho, nơi mà những thay đổi môi trường nhạy cảm có thể ảnh hưởng lớn đến giá trị vụ mùa và làm thế nào được sử lý Các tính năng quyết định của nhiều mạng cảm biến không dây cũng được sử dụng trong các hệ thống điều khiển tiên tiến để cho phép khả năng tự của thiết bị nông trại Các ứng dụng của các mạng cảm biến không dây cũng được sử dụng trên các trang trại chăng nuôi Người chăn nuôi có thể sử dụng các mạng cảm biến trong quá trình quyết định vị trí của động vật trong trang trại và với các cảm biến được gắn theo mỗi động vật, xác định yêu cầu cho các phương pháp điều trị để phòng chống các động vật ký sinh Người chăn nuôi gia xúc có thể

sử dụng cảm biến không dây để quyết định sự bắt đầu mạnh mẽ của quá trình động hớn trong đàn, một, một bộ xử lý bằng tay labor-intensive hiện đang sử dụng Người chăn nuôi lợn hoặc gà có các đàn trong các chuồng nuôi mát, thoáng khí Mạng cảm biến không dây có thể được sử dụng cho việc giám sát nhiệt độ khắp chuồng nuôi, giữ cho an toàn cho đàn

CHƯƠNG 2:

PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG THU THẬP

DỮ LIỆU MÔI TRƯỜNG TRONG NHÀ KÍNH

2.1 Đặt vấn đề

Điều kiện môi trường thích hợp rất quan trọng cho sự tăng trưởng thực vật, cải thiện năng suất cây trồng, và sử dụng hiệu quả nước và các nguồn khác Tự động hoá việc thu thập dữ liệu quá trình điều kiện đất và các thông số khí hậu khác nhau chi phối sự phát triển của thực vật cho phép thông tin được thu thập ở tần suất cao với yêu cầu lao động ít hơn Hiện có hệ thống sử dụng hệ thống máy tính hoặc dựa trên tin nhắn cho người sử dụng liên tục thông báo các điều kiện bên trong nhà kính, nhưng khả năng chi trả, cồng kềnh, khó khăn để duy trì và ít được chấp nhận bởi các công nhân không có kỹ năng công nghệ

Mục tiêu của dự án này là thiết kế, dễ cài đặt, đơn giản dựa trên mạch để theo dõi và ghi lại các giá trị của nhiệt độ, độ ẩm, và ánh sáng mặt trời môi trường

tự nhiên đang tiếp tục sửa đổi và kiểm soát để tối ưu hóa chúng đạt được tăng trưởng thực vật và năng suất tối đa

Hệ thống sử dụng board mạch điều khiển của arduino Nó có thể giao tiếp với mô-đun cảm biến khác nhau trong thời gian thực để kiểm soát quá trình đo đạc ánh sáng, không khí và độ ẩm hiệu quả bên trong một nhà kính Đồng thời có thể truyền nhận qua một mạng truyền thông không dây Thiết kế này là khá linh hoạt khi các phần mềm có thể được thay đổi bất cứ lúc nào Nó có thể do đó được thiết

kế riêng thực hiện các yêu cầu cụ thể của người sử dụng

2.2 Phân tích bài toán

Chúng ta sống trong một thế giới nơi mà tất cả mọi thứ có thể được kiểm soát và vận hành tự động, nhưng vẫn còn một số lĩnh vực quan trọng ở nước ta mà

tự động hóa đã không được thông qua hoặc không được đưa vào sử dụng chính thức, có lẽ vì một số lý do như là chi phí và kỹ thuật Một trong những lĩnh vực đó

là nông nghiệp và nhà kính tạo thành một phần quan trọng của nó, tuy nhiên để kiểm soát được các tác nhân của môi trường đến các cây trồng trong các điều kiện khác nhau thì đang gặp nhiêug khó khăn dẫn đến các sản phẩm chưa được tối ưu, cũng như các nông sản chưa có độ đảm bảo an toàn thực phẩm cao

Do vậy một hệ thống cảm biến các thông số về môi trường sẽ rất cần thiết

để giải quyết tất cả các vấn đề trên Một hệ thống cảm biến gồm các node cảm biến

và một node sink Các thông số dữ liệu được các node cảm biến thu thập và gửi về node sink sẽ qua một mạng truyền thông không dây và hiển thị thông số lên máy tính

Qua quá trình phân tích thì ta có thể đưa ra một số giới hạn và nhiệm vụ của

hệ thống:

- Làm việc cả ngày lẫn đêm

- Thu nhận tín hiệu liên tục

- Đo nhiệt độ môi trường

- Đo độ ẩm môi trường

- Đo cường độ ánh sáng

- Đo độ ẩm giá thể (độ ẩm đất)

- Đo nhiệt độ giá thể (nhiệt độ đất )

- Truyền thông trong mạng truyền thông không dây

2.2.1 Giải pháp thiết kế

- Để thu nhận các yếu tố khí hậu của môi trường ta dùng các cảm biến ánh sáng, độ ẩm và nhiệt độ, để thu nhận các yếu tố của giá thể ta sử dụng các cảm biến nhiệt độ đất và độ ẩm đất

- Khối xử lý, điều khiển dành cho node cảm biến dùng arduino nano

- Khối xử lý, điều khiển dành cho node sink dùng arduino mega

- Khối truyền thông không dây sử dụng kit thu phát RF zigbee CC2530

2.2.2 Sơ đồ khối

2.2.2.1 Sơ đồ khối của toàn hệ thống

Hình 2.1: Sơ đồ khối tổng quát của toàn mạch 2.2.2.2 Sơ đồ khối của node cảm biến

Hình 2.2: Sơ đồ khối tổng quát của node cảm biến

- Khối nguồn : nguồn DC được cấp cho khối điều khiển trung tâm, khối truyền nhận không dây và khối cảm biến

- Khối điều khiển trung tâm : Arduino nano tiếp nhận tín hiệu từ khối cảm biến sau đó xử lý và xuất tín hiệu tới khối truyền nhận không dây

- Khối truyền nhận không dây : nhận tín hiệu từ khối xử lý, truyền dữ liệu

đã được xử lý tới node sink

- Khối cảm biến :Đo cường độ ánh sáng sử dụng BH1750, độ ẩm sử dụng module HR 202 và nhiệt độ dùng cảm biến nhiệt độ LM35 Đối với giá thể, đo nhiệt độ ta sử dụng cảm biến nhiệt độ DS18B20 và cảm biến độ ẩm đất ta sử dụng module HR 202

2.2.2.3 Sơ đồ khối của node trung tâm

Hình 2.3: Sơ đồ khối tổng quát node trung tâm

- Khối truyền nhận không dây : nhận tín hiệu các node cảm biến qua một mạng cảm biến không dây và truyền dữ liệu đã được xử lý tới khối xử lý và điều khiển

- Khối xử lý và điều khiển :Arduino mega sẽ xử lý các thông tin thu được

và hiển thị lên máy tính

- Khối hiển thị : Máy tính được kết nối với khối xử lý arduino qua cap USB

để nhận dữ liệu hiển thị qua một giao diện hiển thị

2.3 Các linh kiện sử dụng trong hệ thống

2.3.1 Các linh kiện sử dụng trong khối xử lý và điều khiển

Các node cảm biến của hệ thống cần một vi điều khiển không cần quá mạnh nhưng yêu cầu cần phải có là bền, tiêu thụ điện năng ít, nhỏ gọn và có thể hoạt động trong một thời gian dài Chính vì vậy arduino nano là một sự lựa chọn hoàn hảo dành cho khối điều khiển của các node cảm biến Ngoài ra node trung tâm lại cần một mạch điều khiển đủ mạnh để có thể tiếp nhận toàn bộ các dữ liệu từ các node cảm biến truyền về Arduino mega có các tiêu chuẩn là một board mạch xử lý mạnh cũng như bộ nhớ flash cao có thể xử lý được các luồng dữ liệu số và tương

tự cùng lúc

Thế mạnh của arduino so với các nền tảng vi điều khiển khác:

- Chạy trên đa nền tảng : Việc lập trình có thể thực hiện trên các hệ điều hành khác nhau như Window, Mac Os, Linux trên destop, android trên di động

- Ngôn ngữ lập trình đơn giản, dễ hiểu

- Nền tảng mở : arduino được phát triển dựa trên nguồn mở nên phần mêm chạy trên Arduino được chia sẻ dễ dàng tính hợp vào các nền tảng khác nhau

- Mở rộng phần cứng: Arduino được thiết kế và sử dụng theo dạng module nên việc mở rộng phần cứng khá dễ dàng

- Đơn giản và nhanh: Rễ dàng lắp ráp, lập trình và sử dụng thiết bị

- Dễ dàng chia sẻ : Mọi người dễ dàng chia sẻ mã nguồn với nhau mà không

lo lắng về ngôn ngữ hay hệ điều hành mình đang sử dụng

2.3.1.1 Arduino nano

Hình 2.5: Sơ đồ các chân của Arduino nano

Với mỗi chân trong số 14 chân (digital) trên Nano có thể được sử dụng như một đầu vào hay đầu ra, qua việc sử dụng pinMode (), digitalWrite (), và digitalRead () Mỗi chân đó hoạt động ở mức 5 volts Mỗi pin có thể cung cấp hoặc nhận tối đa 40 mA và có một điện trở kéo lên bên trong (ngắt kết nối theo mặc định) 20-50 kohms Ngoài ra, một số chân có chức năng khác như:

- Serial: 0 (RX) và 1 (TX) Được sử dụng để nhận (RX) và truyền tải (TX)

TTL dữ liệu nối tiếp Các chân này được kết nối với các chân tương ứng của FTDI USB-to-TTL và nối tiếp chip.

- Ngắt ngoài (pin 2 và 3): Các chân có thể được code để kích hoạt một ngắt trên một giá trị thấp, một xung lên và xuống, hoặc một sự thay đổi về giá trị

- PWM: 3, 5, 6, 9, 10, và 11: Cung cấp 8-bit đầu ra PWM với analogWrite ()

- SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK)Những chân hỗ trợ SPI truyền thông

- LED: 13 Có một LED kết nối với pin số 13 Khi chân só 18 là giá trị cao, đèn LED được bật, khi chân 13 là thấp, đèn LED tắt

- Arduino Nano có 8 đầu vào tương tự, mỗi trong số đó cung cấp độ phân giải 10 bit (tức là năm 1024 giá trị khác nhau) Theo mặc định thì mức điện sẽ là 5 volts, tuy nhiên có thể thay đổi phạm vi của nó bằng cách sử dụng analogReference () chức năng Chân Analog 6 và 7 không thể được sử dụng như chân số (digital)

Ngoài ra, một số chân có chức năng khác:

- I2C: 4 (SDA) và 5 (SCL) Hỗ trợ I2C (TWI) giao tiếp bằng cách sử dụng Wire library

- Aref: Điện áp tham chiếu cho các đầu vào tương tự Được sử dụng với analogReference ()

- Reset: Thiết lập lại hệ thống

Bảng 2.1 Thông số kĩ thuật của Arduino nano

Điện áp đầu vào ( đề nghị ) 7V – 12V

Điện áp đầu vào ( giới hạn ) 6V – 20V

Kĩ thuật số I/O pins 14 ( trong đó có 6 chân cung cấp xung

PWM )

DC hiện tại mỗi I/O pins 40mA

Bộ nhớ Flash 32Kb ( trong đó 2Kb được sử dụng bởi

là, khi chạy nguồn điện ngoài (không USB), đầu ra 3.3V (được cung cấp bởi chip FTDI) không có sẵn và các đèn LED RX và TX sẽ nhấp nháy nếu chân số 0 hoặc 1

là cao

2.3.1.2 Board mạch Arduino mega

Hình 2.6 Arduino mega

Arduino Mega là sản phẩm tiêu biểu cho dòng mạch Mega và là dòng bo mạch có nhiều cải tiến so với Arduino Uno (54 chân digital IO và 16 chân analog IO) Đặc biệt bộ nhớ flash của MEGA được tăng lên một cách đáng kể, gấp 4 lần

so với những phiên bản cũ của UNO R3 Điều này cùng với việc trang bị 3 timer

và 6 cổng interrupt khiến bo mạch Mega hoàn toàn có thể giải quyết được nhiều bài toán hóc búa, cần điều khiển nhiều loại động cơ và xử lý song song nhiều luồng dữ liệu số cũng như tương tự

Hình 2.7: Sơ đồ chân của Arduino mega

Ngoài việc phát triển được ưu tiên, việc kế thừa cũng được đặc biệt lưu ý Trên mạch MEGA các chân digital vẫn từ 0-13, analog từ 0-5 và các chân nguồn tương tự thiết kế của UNO Do vậy chúng ta dễ dàng phát triển nghiên cứu theo kiểu gắp ghép module từ Arduino UNO chuyển sang Arduino mega Ngoài ra, ở phiên bản này, các nhà thiết kế đã mạnh dạn thay đổi thiết kế Để có thêm được

nhiều vùng nhớ và nhiều chân IO hơn, một con chip khác đã thay thế cho Atmega1280 Theo dòng phát triển của vi điều khiển nhúng, những dự án lớn cần nhiều dung lượng flash hơn Do vậy, Arduino Mega ra đời với sứ mệnh giải những bài toán như thế Arduino Mega được thiết kế cho nhiều dự án khó.Với 54 chân I/O kĩ thuật số, 16 chân analog, cùng không gian khá rộng giúp ta có thể tích hợp các mạch điện tử của dự án.

Bảng 2.2: Thông số kĩ thuật của arduino mega

Giao tiếp SPI 1 bộ ( chân 50 đến 53) dùng với thư viện SPI

2.3.2 Linh kiện sử dụng trong khối nguồn

Nguồn của toàn bộ node cảm biến sử dụng nguồn lấy từ pin Ta sử dụng nguồn pin 9V để làm nguồn nuôi cho arduino nano và các cảm biến sử dụng trong

hệ thống

2.3.3 Linh kiện sử dụng trong khối truyền nhận không dây