Nghiên cứu áp dụng mạng cảm biến không dây sử dụng năng lượng sạch trong mô hình nhà kính

Trường Đại học Quảng Bình T K N Đ K T Đ C N N T–C N N NT TN N NC N NK N N C T N N KN C N N N T Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55 Đ N N N N N N N N T NT N CĐCNKT Đ Đ ng i t ng n m C CT N –Đ N N NT Trường Đại học Quảng Bình Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55 ục lục Phần mở đầu Gi i thiệu đề tài: Ý ng ĩa k oa ọc đề tài Mục đíc ng iên cứu Gi i hạn đề tài Sản phẩm khoa học đề tài 6 Cấu trúc báo cáo C ương Tổng quan mạng cảm biến không dây I.1 Mạng máy tính I.2 Mạng cảm biến không dây 11 I.3 Kết luận 11 C ương N ng lượng mạng cảm biến không dây 12 II.1 Đặc điểm cấu trúc mạng cảm biến không dây 12 II.2 N ng lượng mạng cảm biến không dây 14 II.3 Kết luận 16 C ương ạng cảm biến không dây ứng dụng vào nhà kính 17 III.1 ng dụng nông nghiệp 17 III.2 ng dụng vào nhà kính 18 III.3 Kết luận 23 C ương Kết luận 24 Tài liệu tham khảo 25 Trường Đại học Quảng Bình Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55 Hình 1: Ứng dụng mạng cảm biến không dây sống .4 Hình 2: Mạng máy tính Hình 3: Mạng không dây Hình 4: Mô hình mạng Ad hoc Hình 5: Mô hình mạng sở 10 Hình 6: Mô hình mạng mở rộng .10 Hình 7: Cấu trúc mạng cảm biến không dây: nốt cảm biến (cảm biến, vi điều khiển, gửi liệu không dây) trung tâm theo dõi .11 Hình 8: Cấu trúc nốt cảm biến không dây: cảm biến đo thông số môi trường; liệu từ cảm biến vi điều khiển; liệu thô xử lý đóng gói trước gửi cho giao tiếp không dây nhằm gửi toàn liệu trung tâm theo dõi nguồn 12 Hình 9: Kiến trúc mạng cảm biến không dây 13 Hình 10: Nguồn lượng cho mạng cảm biến không dây 15 Hình 11: Sơ đồ mạch cho cảm biến 18 Hình 12: Bản vẽ linh kiện 19 Hình 13: Sơ đồ bố trí linh kiện 3D 20 Hình 14: Nốt cảm biến sử dụng cảm biến DHT11, BH1750 cấp nguồn sử dụng lượng mặt trời 21 Hình 15: Mô hình mạng Zigbee .21 Hình 16: Nốt cảm biến sử dụng module CC2530 ZigBee 22 Hình 17: Mạng cảm biến không dây sử dụng module CC2530 ZigBee áp dụng giám sát điều khiển môi trường nhà kính .23 Bảng Mật độ lượng công nghệ thu hoạch lượng thông dụng 16 Trường Đại học Quảng Bình Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55 ần mở đầu i i t iệu đề tài: Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật nói chung ngành công nghệ thông tin, kỹ thuật điện – điện tử nói riêng, khái niệm đưa Internet of Things (IOT) Trong IOT, vấn đề quan tâm nghiên cứu gần mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks-WSN) Một cách hiểu đơn giản, WSN bao gồm cảm biến (sensor) kết nối giao tiếp với thành mạng, thông qua kết nối wifi/internet Về ứng dụng sống, WSN phát triển triển khai nhiều ứng dụng như: môi trường (theo dõi thay đổi môi trường, khí hậu, nghiên cứu vi sinh vật biển, chuyên chở chất gây ô nhiễm, kiểm tra giám sát hệ sinh thái môi trường sinh vật phức tạp), quân (giám sát mặt trận quân sự), y tế (theo dõi giám sát bác sỹ, bệnh nhân), giao thông (theo dõi điều khiển giao thông, phương tiện xe cộng) đặc biệt nông nghiệp công nghệ cao (giám sát môi trường nuôi trồng: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, độ pH, nồng độ CO2…) Hình 1: Ứng dụng mạng cảm biến không dây sống Hiện tại, Việt Nam có nông nghiệp đóng góp không nhỏ cho GDP (18% GDP), nông nghiệp công nghệ cao mục tiêu phát triển hàng đầu.Khoa học công nghệ thúc đẩy nông nghiệp giúp Việt Nam gia tăng giá trị sản lượng nông nghiệp xuất đạt xấp xỉ 31 tỷ USD năm 2014, tăng 1.5 lần so với bình Trường Đại học Quảng Bình Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55 quân năm từ 2010 đến 2012 Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thôn có định hướng đến năm 2020 thành tựu khoa học công nghệ đóng góp 50% GDP ngành nông nghiệp Đặc biệt, sản phẩm nông nghiệp công nghệ cao sản phẩm nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao chiếm tỷ trọng 50% đến năm 2020 Trong nông nghiệp công nghệ cao, việc áp dụng cảm biến để giám sát điều kiện môi trường không gian rộng lớn sử dụng kết nối dây dẫn bất tiện, khó khăn việc triển khai vị trí rộng lớn, gập gềnh Do đó, việc sử dụng cảm biến không dây thuận lợi triển khai vị trí rộng lớn, lơi mà kết nối dây dẫn khó khăn việc triển khai Nhà kính tự động giúp tiết kiệm nhân lực, tăng độ xác giám sát điều khiển môi trường Đặc biệt giám sát điều khiển 24/7 Vì vậy, xu hướng phát triển nông nghiệp công nghệ cao sử dụng nhà kính tự động giúp giám sát điều khiển môi trường sống trồng, vật nuôi Từ yêu cầu thực tế trên, đòi hỏi ngày cao phát triển nông nghiệp công nghệ cao, cộng với phát triển mạnh khoa học công nghệ, đặc biệt công nghệ thông tin, kỹ thuật điện-điện tử Phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây nông nghiệp xu phát triển nông nghiệp cao nói chung nhà kính tự động nói riêng Từ đó, đề xuấtđềtài “Nghiên cứu áp dụng mạng cảm biến không dây sử dụng n ng lượng mô hình nhà kính” Ý ng ĩa k oa ọc đề tài Quảng Bình nằm phía Đông Trường Sơn, giáp biển, ảnh hưởng khí hậu khô hạn gió Lào, điều kiện thời tiết nói chung thuận lợi Đặc biêt năm gần đây, thời tiết biến đổi thất thường, khí hậu thay đổi ( bão, lũ lụt, hạn hán ) gây ảnh hưởng xấu đến suất nông nghiệp Do để hạn chế ảnh hưởng khí hậu việc ứng dụng cảm biến không dây vào giám sát thông số môi trường không gian rộng lớn nói chung nhà kính tự động nói riêng giảm chi phí nhân công, vật tư dây dẫn, giám sát không gian rộng lớn Hơn nữa, cách thông thường người nông dân canh tác dựa vào cảm nhận điều kiện môi trường, cách sử dụng hệ thống cảm biến người nông dân biết cách xác điều kiện môi trường, từ chủ động việc nuôi trồng Việc áp dụng mạng cảm biến không dây sử dụng lượng giúp kéo dài tuổi thọ mạng cảm biến đến phần cứng ngừng hoạt động Đây giải pháp quan trọng việc cấp nguồn cho mạng cảm biến ục đíc ng iên cứu Đề tài nghiên cứu, khảo sát thực với mục đích áp dụng mạng cảm biến không dây sử dụng lượng để thu thập thông tin môi trường, từ số liệu thu thập thiết kế hệ thống ổn định điều kiện môi trường cho phù hợp với yêu cầu sinh trưởng trồng vật nuôi Hệ thống gồm cảm biến cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí, ánh sáng, CO2… tích hợp mạng không dây Trường Đại học Quảng Bình Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55 Nghiên cứu nguồn lượng để tăng tuổi thọ mạng cảm biến giải vấn đề cấp nguồn cho mạng hoạt động i i ạn đề tài Để đáp ứng ứng dụng mạng cảm biến không dây nhà kính tự động đòi hỏi phải có lượng thời gian, kiến thức định, bên cạnh vấn đề tài Với lượng thời gian kiến thức có hạn, đề tài đưa nghiên cứu hệ thống hoàn chỉnh đó.Tôi tập trung vào vấn đề (lý thuyết thực nghiệm):  Tổng quan mạng cảm biến không dây;  Năng lượng mạng cảm biến không dây;  Mạng cảm biến không dây ứng dụng nhà kính tự động ản p ẩm k oa ọc đề tài Đề tài xuất công trình khoa học [1] Đào Xuân Quy, Từ Ngọc Thịnh, Trần Tiến Đạt, Vĩnh Thái Cường Ứng dụng mạng cảm biến không dây sử dụng lượng vào nông nghiệp (đang chuẩn bị) [2] Đào Xuân Quy, Lê Trọng Nhân, Từ Ngọc Thịnh, Trần Tiến Đạt Năng lượng mạng cảm biến không dây Tạp chí Thông tin Khoa học Công nghệ, Sở Khoa học Công nghệ Quảng Bình, 2016 (đã gửi bài) [3] Đào Xuân Quy, Lê Ngọc Phong, Lê Văn Hùng, Từ Ngọc Thịnh Giám sát điều khiển môi trường nhà kính điện thoại smartphone Hội thảo khoa học Khoa Kỹ thuật-Công nghệ, Trường Đại học Quảng Bình, tháng 4, năm 2016 Cấu trúc báo cáo Báo cáo trình bày sau C ương : Tổng quan mạng cảm biến không dây Giới thiệu tổng quan mạng máy tính, tổng quan mạng không dây cách sơ lược mạng cảm biến khôngdây C ương N ng lượng mạng cảm biến không dây Giới thiệu cách sơ lược đặc điểm cấu trúc nốt cảm biến, cấu trúc mạng cảm biến, ứng dụng lượng (năng lượng mặt trời) vào cung cấp nguồn cho hệ thống cảm biến C ương : Mạng cảm biến không dây ứng dụng vào nhà kính Giới thiệu hệ thống cảm biến sử dụng nông nghiêp, ứng dụng mạng cảm biến không dây mô hình nhà kính tự động C ương : Kết luận Nêu lên kết luận đề tài định hướng nghiên cứu tương lại Trường Đại học Quảng Bình Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55 C ương Tổng quan mạng cảm biến k ông dây I.1 ạng m y tín a Định nghĩa Mạng máy tính định nghĩa tập hợp máy tính thiết bị khác kết nối với đường truyền vật lý theo kiến trúc (kết nối dây dẫn không dây dùng wifi/internet) Mục đích mạng máy tính trao đổi thông tin chia sẻ tài nguyên thiết bị máy tính kết nối mạng (Hình 2) Ví dụ mạng LAN (Local Area Networks), máy tính kết nối với thiết bị máy in, máy fax, điện thoại thiết bị hỗ trợ thiết lập mạng hub, modem, repeater, router… Hình 2: Mạng máy tính b Phân loại mạng máy tính Mạng máy tính phân loại theo số tiêu chí sau  Phân loại theo khoảng cách địa lý: mạng cục LAN cài đặt phạm vi tương đối hẹp khoảng cách lớn máy tính nối mạng vài chục km, mạng đô thị MAN (Metropolian Area Networks) cài đặt phạm vi đô thị có bán kính nhỏ 100km, mạng diện rộng WAN (Wide Area Networks) phạm vi toàn quốc gia lục địa, mạng toàn cầu GAN (Global Area Networks) phạm vị toàn lục địa;  Phân loại theo kiến trúc mạng: theo topo giao thức sử dụng Các mạng thông dụng: mạng SNA IBM, mạng ISO mạng TCP/IP;  Phân loại theo kỹ thuật chuyển mạch: mạng chuyển mạch kênh, mạng chuyển mạch; thông báo, mạng chuyển mạch gói;  Phân loại theo hệ điều hành Trường Đại học Quảng Bình Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55 c Mạng không dây Mạng không dây hệ thống thiết bị nhóm lại với nhau, có khả giao tiếp thông qua sóng vô tuyến thay đường truyền dẫn dây Nói cách khác mạng không dây mạng sử dụng công nghệ mà cho phép hai hay nhiều thiết bị kết nối với cách sử dụng giao thức chuẩn, không cần kết nối vật lý hay xác không cần sử dụng dây mạng (Hình 3) Hình 3: Mạng không dây Phân loại mạng không dây: cách truyền thống phân loại mạng dây, cách phân chia hệ thống mạng không dây theo phạm vi phủ sóng Theo chia mạng không dây thành mạng:  WLAN: Wireless Local Area Network hay Wireless LAN - hệ thống mạng cục không dây Ví dụ mạng không dây toàn nhà công sở, trường họp, bệnh viện, trung tâm thương mại;  WMANS: Wireless Metropolitan Area Networks - hệ thống mạng đô thi không dây Ví dụ Đà Nẵng muốn xây dựng hệ thống không dây cho toàn thành phó  WWANS: Wireless Wide Area Networks - hệ thống mạng diện rộng không dây Ví dụ hệ thống mạng 3G/4G công ty viễn thông Viettel, Mobifone, Vinaphone Trường Đại học Quảng Bình Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55 Kỹ thuật truyền tín hiệu mạng không dây  Kỹ thuật trải phổ trực tiếp (Direct Hopping Spread SpectrumDHSS), kỹ thuật cho phép tín hiệu truyền trải nhiều tần số hoạt động đồng thời nhằm giảm đến mức tối thiểu nhiễu mát liệu  Kỹ thuật giảm sóng đa truy cập tránh đụng độ (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance-CSMA/CA), khắc phục tình trạng đụng độ máy trạm truyền tín hiệu thời điểm  Kỹ thuật yêu cầu để gửi/xóa để gửi (Request To Send/Clear To SendRTS/CTS) Mô hình mạng không dây  Mô hình mạng Ad hoc (Independent Basic Service Sets-IBSS): công nghệ cho phép nốt mạng (node) truyền trực tiếp với sử dụng thu phát không dây (wireless transceiver) mà không cần sở hạ tầng cố định Mạng Ad hoc có đặc điểm máy chủ không đóng vai trò hệ thống cuối mà đóng vai trò hệ thống trung gian, nốt mạng có khả di động, topo mạng thay đổi theo thời gian (Hình 4) Hình 4: Mô hình mạng Ad hoc  Mô hình mạng sở (Basic Service Sets-BSS) gồm điểm truy nhập AP (Access Point) đóng vai trò điểu khiển cell điều khiển lưu lượng tới mạng Trong mạng sở, thiết bị không dây không giao tiếp trực tiếp giao tiếp với điểm truy cập AP (Hình 5) Trường Đại học Quảng Bình Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55 Hình 5: Mô hình mạng sở  Mô hình mạng mở rộng (Extended Service Sets-ESS) dạng mở rộng BSS Trong ESS tập hợp BSS giao tiếp với qua AP (Hình 6) Hình 6: Mô hình mạng mở rộng 10 Trường Đại học Quảng Bình I.2 Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55 ạng cảm biến k ông dây Mạng cảm biến không dây hệ thống bao gồm nhiều nốt cảm biến trung tâm theo dõi, mô tả Hình Hình 7: Cấu trúc mạng cảm biến không dây: nốt cảm biến (cảm biến, vi điều khiển, gửi liệu không dây) trung tâm theo dõi Trong mạng cảm biến không dây, nốt cảm biến hệ thống nhỏ bao gồm ba phận chính: cảm biến, vi điều khiển gửi liệu không dây (Hình 7) Các cảm biến sử dụng cho nốt cảm biến đa dạng tùy thuộc vào ứng dụng cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, âm thanh, pH, độ mặn loại cảm biến cấp cao khác âm hay hình ảnh Các cảm biến đo thông số cần giám sát gửi vi điều khiển Tại đây, liệu thô xử lý đóng gói trước gửi cho giao tiếp không dây, nhằm gửi toàn liệu trung tâm theo dõi, kịp thời điều chỉnh thông số theo mong muốn I.3 Kết luận Mạng không dây cho phép người dùng truy xuất tài nguyên đâu, ví dụ mạng 3G/4G Hơn nữa, thông qua kết nối không dây, không giới hạn không gian, tính di động cao đặc biệt khả mở rộng cao Tuy nhiên, mạng không dây bị nhiễu sóng radio, ảnh hưởng bời thiết tiết, thời gian tồn mạng không dây sử dụng pin tốt độ mạng không dây thấp so với mạng có dây Để giải vấn đề thời gian tồn mạng không dây, đặc biệt mạng cảm biến không dây, chương nghiên cứu cấu trúc mạng cảm biến không dây tổng hợp số phương pháp thu hoạch lượng cho mạng cảm biến không dây 11 Trường Đại học Quảng Bình C ương Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55 N ng lượng sạc mạng cảm biến k ông dây II.1 Đặc điểm cấu trúc mạng cảm biến k ông dây Mạng cảm biến không dây mạng không dây bao gồm nhiếu nốt cảm biến hợp thành có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhằm mục đích thu thập, xử lý đưa định cần thiết liên quan đến thông số cần cảm nhận Việc sử dụng kết nối không dây giúp mạng cảm biến không dây hoạt động điều kiện vị trí địa lý rộng lớn, khó khăn tiếp cận nguy hiểm thông qua giao thức chuẩn định Cấu trúc nốt cảm biến minh họa n : cảm biến để đo thông số môi trường, truyển đổi tín hiệu A/D, vi điều khiển, gửi liệu không dây nguồn Bộ định vị tìm vị trí Bộ thu phát Bộ xử lý i điều khiển Cảm biến A/D Bộ nh Bộ cảm biến Bộ ngu n Hình 8: Cấu trúc nốt cảm biến không dây: cảm biến đo thông số môi trường; liệu từ cảm biến vi điều khiển; liệu thô xử lý đóng gói trước gửi cho giao tiếp không dây nhằmgửi toàn liệu trung tâm theo dõi nguồn  Bộ cảm biến:các cảm biến có nhiệm vụ đo thông số môi trường nhiệt độ, độ ẩm, anh sáng độ pH, CO2, âm thanh, hình ảnh…Bộ truyển đổi tính hiệu A/D có nhiệm vụ truyển đổi tín hiệu số tương tự  Bộ xử lý: có nhiệm vụ xử lý liệu thô, mã hóa đóng gói gửi cho gửi liệu không dây  Bộ gửi liệu không dây: có nhiệm vụ gửi liệu đến nốt cảm biến khác trung tâm theo dõi 12 Trường Đại học Quảng Bình Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55  Bộ nguồn: có nhiệm vụ cấp nguồn cho nốt cảm biến hoạt động, sử dụng nguồn giới hạn (pin ắc-quy) hay nguồn từ lượng (năng lượng mặt trời, lượng gió, lượng nhiệt…) Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây minh họa Hình Kiến trúc bao gồm: lớp vật lý; lớp liên kết liệu; lớp mạng; lớp truyền tải; lớp ứng dụng; phần quản lý công suất; phần quản lý di động phần quản lý nhiệm vụ Hình 9: Kiến trúc mạng cảm biến không dây  Lớp ứng dụng: tùy vào nhiêm vụ mạng cảm biến mà phần mềm ứng dụng khác xây dựng sử dụng lớp ứng dụng  Lớp giao vận: giúp trì luồng số liệu ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu Lớp truyền tải đặc biệt cần thiết mạng cảm biến kết nối với mạng bên ngoài, hay kết nối người dung qua internet  Lớp mạng: quan tâm đến việc định tuyến dũ liệu cung cấp lớp truyền tải Thiết kế lớp mạng theo nguyên tắc: hiệu lượng xem quan trọng nhất; mạng cảm biến gần tập trung liệu; tích hợp liệu vào giao thức mạng; phải có chế theo thuộc tính biết vị trí  Lớp kết nối liệu: lớp chịu trách nhiệm cho việc ghép luồng liệu, dò khung liệu, điều khiển lỗi truy cập môi trường  Lớp vật lý: lớp chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, phát tần số sóng mang, điều chế, lập mã tách sóng 13 Trường Đại học Quảng Bình Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55  Phần quản lý công suất: điều khiển việc sử dụng công suất nút cảm biến  Phần quản lý di động: phát ghi lại di chuyển nút cảm biến để trì tuyến tới người sử dụng nút cảm biến Nhờ xác định nút lân cận, nút cân công suất nhiệm vụ thực  Phần quản lý nhiệm vụ: lên kế hoạch nhiệm vụ cảm biến vùng xác định Không phải tất nút cảm biến vùng thực nhiệm vụ cảm biến tai thời điểm ết số nút cảm biến thực nhiệm vụ nhiều nút khác tùy vào mức độ công suất II.2 N ng lượng sạc mạng cảm biến k ông dây Cùng với phát triển công nghệ vi điện tử (Micro Electro Mechanical Systems-MEMS), kỹ thuật truyền sóng vô tuyến kết nối không dây thiết bị số làm đơn giản hóa việc phát triển hệ thống nốt cảm biến với giá thành thấp, tiêu thụ lượng nhiều chức Hiện tại, nốt cảm biến chế tạo với kích thước nhỏ gọn mạnh mẽ xử lý giao tiếp không dây Tuy nhiên, khoảng cách truyền liệu gửi liệu không dây tương đối ngắn (ví dụ 30m gửi liệu hãng Texas Instrument CC2420) nên ứng dụng giám sát vùng không gian rộng lớn phần tử di động yêu cầu số lượng lớn nốt cảm biến Hơn nữa, nốt cảm biến (địa chấn, từ, nhiệt, thị giác, hồng ngoại, âm thanh…) ứng dụng nhà thông minh, hướng dẫn bãi đậu xe chăm sóc sức khỏe bệnh nhân yêu cầu thời gian tồn lâu dài Thực tế, thời gian tồn nốt cảm biến giới hạn thời gian Pin (Ác-quy) giới hạn Do đó, nhằm mục đích tăng thời gian tồn mạng cảm biến không dây, lượng môi trường xung quanh sử dụng để cấp nguồn cho nốt cảm biến Theo lý thuyết, lượng thu hoạch cung cấp cho nốt cảm biến lớn lượng tiêu thụ thời gian tồn mạng cảm biến đến phần cứng ngừng hoạt động Trong thập kỷ qua, nhiều tảng nốt cảm biến nghiên cứu công nghiệp đề xuất Crossbow Mica2 BT (Beutel, et al., 2004) Tất tảng có chi phí thấp, kích thước nhỏ đặc biệt hiệu suất lượng cao lượng tiêu thụ hạn chế mạng cảm biến không dây Mặc dù mạng cảm biến không dây dễ triển khai ứng dụng giám sát mà việc thực kết nối dây dẫn khó khăn chi phí cao Tuy nhiên, vấn đề trì cấp nguồn cho nốt cảm biến 14 Trường Đại học Quảng Bình Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55 khó khăn ứng dụng không gian rộng lớn vị trí nguy hiểm Vấn đề mở hai cách tiếp cận khác việc mở rộng thời gian hoạt động hệ thống mạng cảm biến không dây:  Đầu tiên, loạt phương pháp kỹ thuật để giảm điện tiêu thụ tăng tuổi thọ hệ thống (cả phần cứng phần mềm (Demirkol, et al., 2009)) Mặc dù phương pháp tăng tuổi thọ cho mạng cảm biến không dây giải pháp bị giới hạn sử dụng Pin (Ác-quy) để cấp nguồn cho nốt cảm biến  Thứ hai, nguồn lượng thay tích hợp để bổ sung, chí thay Pin (Ác-quy) Nhờ tiến kỹ thuật thu hoạch lượng, lượng vĩnh cửu môi trường thiết kế tự động thu hoạch lượng mạng cảm biến không dây Thiết bị tự động thu hoạch lượng là: quang điện cho lượng mặt trời; nhiệt điện cho lượng nhiệt;phong điện cho lượng gió (Hình 10) Những thiết bị giá thành thấp, kích thước nhỏ mang lại hiệu suất cao uang điện Nhiệt điện ong điện Nốt cảm biến Hình 10: Nguồn lượng cho mạng cảm biến không dây Bảng tóm tắt mật độ lượng tiềm công nghệ thu hoạch lượng Chúng ta thấy quang điện từ mặt trời cung cấp mật độ lượng cao Hơn nữa, quang điện có kích thước nhỏ, chi phí thấp dễ dàng triển khai so với công nghệ khác (Stojcev, et al., 2009) Vì vậy, quang điện sử dụng rộng rãi tảng thu hoạch lượng mạng cảm biến không dây 15 Trường Đại học Quảng Bình Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55 Bảng Mật độ lượng công nghệ thu hoạch lượng thông dụng Mật độ n ng lượng Thiết bị thu hoạch Quang điện trực tiếp từ mặt trời Quang điện ngày có mây 15mW/cm2 0.15mW/cm2 Quang điện nhà 6µW/cm2 Quang điện với đèn bàn 0.57mW/cm2 Áp điện 330µW/cm2 Nhiệt điện -100C 40µW/cm2 Phong điện -15Km/h 7.93mW Mặc dù lượng môi trường tận dụng lâu mong muốn, lượng thu hoạch phụ thuộc thay đổi điều kiện môi trường Năng lượng mặt trời có định kỳ dự đoán, nhiệt lượng gió tùy ý dự đoán trước Do đó, hệ thống quản lý lượng cần tích hợp vào nút thu hoạch lượng mạng cảm biến để phù hợp với lượng thu hoạch (Kansal, et al., 2007) II.3 Kết luận Trong chương này, trình bày tổng quan cấu trúc mạng cảm biến không dây kỹ thuật cải thiện thời gian tồn mạng Một kỹ thuật cải thiện thời gian tồn mạng sử dụng nguồn lượng để cấp nguồn cho hệ thống Trong kỹ thuật thu hoạch lượng cấp nguồn cho mạng, quang điện từ mặt trời thích hợp để kéo dài tuổi thọ cho mạng: chi phí thấp, thiết bị nhỏ gọn hiệu suất lượng cao Mạng cảm biến không dây sử dụng lượng mặt trời áp dụng vào mô hình nhà kính tự động phần 16 Trường Đại học Quảng Bình C ương Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55 ạng cảm biến k ông dây ứng dụng vào n kín III.1 ng dụng nông ng iệp Nhờ nhiều loại cảm biến đa dạng, mạng cảm biến không dây đáp ứng hầu hết yêu cầu theo dõi điều kiện môi trường sản xuất nông nghiệp Việc giao tiếp không dây giúp cho việc lắp đặt mạng cảm biến dễ dàng thuận tiện, môi trường giám sát rộng lớn sản xuất nông nghiệp Mỗi nốt cảm biến đặt vùng không gian cần giám sát Nó tự động gửi liệu trực tiếp trung tâm theo dõi (nếu nằm bán kính giao tiếp không dây với trung tâm) thông qua nốt cảm biến trung gian (nếu nằm bán kính giao tiếp không dây với trung tâm) để gửi liệu trung tâm Với ưu điểm trên, mạng cảm biến không dây ứng dụng nhiều giới Tại Việt Nam, hệ thống mạng cảm biến không dây bước đầu xây dựng triển khai nông nghiệp, ví dụ hệ thống mạng cảm biến không dây phục vụ nông nghiệp xác Trường Đại học Kinh tế Nông nghiệp Long An (Le & Thai, 2013) Nhóm tác giả bước đầu xây dựng, triển khai chạy thử nghiệm mạng cảm biến giám sát nhiệt độ độ ẩm Bước đầu hoạt động tốt hứa hẹn tiết kiệm nguyên liệu đầu vào, nâng cao hiệu quả, suất lợi nhuận hệ thống sản xuất nông nghiệp Việc thiết kế hệ thống nhà lưới để phục vụ sản xuất nông nghiệp công nghệ cao Ngô Trí Dương nhóm tác giả tiến hành, ví dụ thiết kế chế tạo module xử lý tín hiệu đo nhiệt độ, độ ẩm cường độ ánh sáng để sử dụng hệ thống điều khiển trình sản xuất rau nhà lưới (Nguyen & Ngo, 2011) Nhóm tác giả giải vấn đề khó khăn cho nhà vườn Việt Nam việc đo đạc thông số môi trường module xử lý tín hiệu đo nhiệt độ, độ ẩm cường độ sáng Đồng thời nhóm thiết kế hệ thống tự động điều khiển quạt thông gió, bơm phun sương phục vụ trồng rau giai đoạn vườn ươm để đảm bảo trì nhiệt độ, độ ẩm, kiểm soát tỷ lệ chất dinh dưỡng nồng độ chất bảo vệ thực vật phun tới trồng (Ngo & Nguyen, 2013) Mặc dù hệ thống đơn giản, dễ sử dụng chi phí thấp chưa có đồng cao, cần phát triển lên thành hệ thống mạng cảm biến không dây tự động việc giám sát điều khiển môi trường 17 Trường Đại học Quảng Bình Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55 III.2 ng dụng vào n kín a Thiết kế nốt cảm biến Nốt cảm biến gồm cảm biến cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11; cảm biến ánh sáng BH1750 cấp nguồn sửu dụng lượng mặt trời Hệ thống cảm biến có nhiệm vụ cập nhật thông số môi trường theo thời gian thực gửi đến điều khiển trung tâm.Sơ đồ mạch cho hệ thống cảm biến: DHT11 BH1750 trình bày Hình 11: module DHT11, module BH1750, linh kiện MAX485 STM85 Sử dụng cảm biến ánh sáng module BH1750 (đo ánh sáng 1–65535 lux), cảm biến nhiệt độ - độ ẩm module DHT11 (đo độ ẩm 20%-95%, nhiệt độ 0-50oC, sai số độ ẩm ±5%, sai số nhiệt độ ±2ºC) Hình 11: Sơ đồ mạch cho cảm biến Mô tả linh kiện Hình 11được trình bày 18 Trường Đại học Quảng Bình Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55 Bản vẽ mạch sơ đồ bố chí linh kiện trình bày hình tiếp theo: Hình 12và Hình 13 Hình 12: Bản vẽ linh kiện 19 Trường Đại học Quảng Bình Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55 Hình 13: Sơ đồ bố trí linh kiện 3D Nốt cảm biến thiết kế trongHình 14, cảm biến sử dụng DHT11 BH1750, nguồn sử dụng lượng mặt trời để cấp nguồn Bộ định vị tìm vị trí Cảm biến Bộ xử lý Bộ thu phát i điều khiển A/D Bộ nh Bộ cảm biến Bộ ngu n 20 Bộ cấp ngu n dùng n ng lượng mặt trời Trường Đại học Quảng Bình Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55 Hình 14: Nốt cảm biến sử dụng cảm biến DHT11, BH1750 cấp nguồn sử dụng lượng mặt trời Phần thiết kết mạng cảm biến không dây áp dụng vào mô hình nhà kính tự động dựa nốt cảm biển sử dụng lượng mặt trời b Thiết kế mạng cảm biến nhà kính Mạng cảm biến không dây sử dụng lượng áp dụng vào nhà kính tự động theo chuẩn Zigbee Ngoài chuẩn giao tiếp không dây phổ biến như: Wimax, Bluetooth, 3G/4G/5G, Zigbee chuẩn giao tiếp áp dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực đời sống Nhờ tính linh động, ngày Zigbee dùng nhiều ứng dụng sống như: hệ chiếu sáng thông minh, bệnh viện, mạng cảm biến không dây… Zigbee giao thức xây dựng theo chuẩn IEEE 802.15.4 với giá thành công suất thấp có khả ứng dụng linh động phạm vi rộng Trong truyền thông, giao thức Zigbee thường hỗ trợ ba mô hình mạng chính: mạng hình sao, mạng hình mạng sơ đồ lưới (Hình 15) Hình 15: Mô hình mạng Zigbee Các thiết bị không dây dựa chuẩn Zigbee hoạt động dãy tần số 868MHZ, 915 MHz 2,4 GHz  Dải 868,3 Mhz: Chỉ kênh tín hiệu Trong dải tốc độ truyền 20kb/s  Dải 902 Mhz - 928 MHz: Có 10 kênh tín hiệu từ - 10 với tốc độ truyền thường 40kb/s  Dải 2,4 Ghz - 2,835 GHz: có 16 kênh tín hiệu từ 11 - 26 với tốc độ truyền 250 kb/s Trong nhiều ứng dụng, người ta hay dùng giao thức Zigbee dải tần 2,4 Ghz 2,835 Ghz Đây dải tần phổ biến hỗ trợ nhiều thiết bị Hơn với Zigbee, dải tần có tới 16 kênh tín hiệu dải (mỗi kênh cách 5MHz tần số) với tốc độ truyền lớn nhất: 250kb/s 21 Trường Đại học Quảng Bình Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55 Với đặc điểm chính:  Tốc độ truyền liệu thấp 20-250Kbps  Sử dụng công suất thấp, tiêu hao điện  Thời gian sử dụng pin dài  Cài đặt, bảo trì dễ dàng  Độ tin cậy cao  Có thể mở rộng đến 65000 node  Chi phí đầu tư thấp Nốt cảm biến thiết kế với module CC2530 ZigBee Hình 16 Bộ định vị tìm vị trí Cảm biến Bộ xử lý Bộ thu phát i điều khiển A/D Bộ nh CC2530 ZigBee Bộ cảm biến Bộ ngu n Bộ cấp ngu n dùng n ng lượng mặt trời Hình 16: Nốt cảm biến sử dụng module CC2530 ZigBee Mạng cảm biến không dây sử dụng chuẩn ZigBee tự động giám sát thông số môi trường, gửi đến trung tâm theo dõi tự động điều môi trường nhà kính (Hình 17) Hệ thống cảm biến nhằm theo dõi thông số kỹ thuật liên quan đến chất lượng trồng nhiệt độ, độ ẩm, ánh sang thông số liên quan đến điều kiện đất trồng độ ẩm đất, độ pH… biến có nhiệmvụcậpnhậtthôngsốmôitrườngtheothờigianthựcvàgửiđếnbộđiềukhiểntrungtâm Dựa thông số thu thập được, điều khiển trung tâm tác động lên hệ thống cấu chấp hành: quạt thông gió, mái che, bơm tưới, hệ thống chiếu sáng 22 Trường Đại học Quảng Bình Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55 ZigBee Hình 17: Mạng cảm biến không dây sử dụng module CC2530 ZigBee áp dụng giám sát điều khiển môi trường nhà kính III.3 Kết luận Chúng xây dựng mạng cảm biến không dây sử dụng lượng áp dụng vào mô hình nhà kính tự động giúp tự động giám sát điều khiển thông số môi trường Trong mạng cảm biến không dây, sử dụng giao thức truyền ZigBee sử dụng module CC2530 ZigBee Sử dụng module DHT11 BH1750 tự động giám sát thông số môi trường: nhiệt độ, độ ẩm ánh sáng sử dụng ánh sáng mặt trời để cấp nguồn cho nôt cảm biến giúp trì thời gian tồn mạng cảm biến không dây theo lý thuyết vô hạn 23 Trường Đại học Quảng Bình Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55 C ương Kết luận Đề tài thực nghiên cứu áp dụng mạng cảm biến không dây vào mô hình nhà kính tự động Vấn đề quan trọng mạng cảm biến không dây thời gian tồn mạng giải cách sử dụng nguồn lượng mặt trời đề cấp nguồn Trong nghiên cứu, thiết kế mạng cảm biến không dây từ module có sãn với chi phí thấp hiệu suất cao, phù hợp với chi phí nông nghiệp Năng lượng thu hoạch để cấp nguồn cho mạng cảm biến không dây: lượng mặt trời, lượng gió, lượng nhiệt… Trong đó, lượng mặt trời thích hợp để kéo dài tuổi thọ cho mạng: chi phí thấp, thiết bị nhỏ gọn hiệu suất lượng cao Mạng cảm biến không dây áp dụng vào mô hình nhà kính tự động dụng giao thức truyền ZigBee module CC2530 ZigBee, giao thức có giá thành hiệu suất thấp có khả ứng dụng linh hoạt phạn vi rộng lớn phù hợp với nông nghiệp công nghệ cao nói chung nhà kính tự động nói riêng Bộ cảm biến dựa module DHT11 BH1750 giá thành thấp hiệu suất cao Mặc dù lượng thu hoạch nhằm cấp nguồn cho mạng cảm biến không dây kỹ thuật quản lý lượng cần nghiên cứu kỹ Trong tương lại, sâu vào cách thức quản lý lượng mạng cảm biến không dây 24 Trường Đại học Quảng Bình Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55 Tài liệu t am k ảo Beutel, J et al., 2004 Nextgeneration prototyping of sensor networks s.l., s.n., pp 291-292 Demirkol, I., Ersoy, C & Onur, E., 2009 Wake-up receivers for wireless sensor networks: benefits and challenges IEEE Wireless Communications, 16(4), p 88–96 Kansal, A., Hsu, J., Zahedi, S & Srivastava, M., 2007 Power management in energy harvesting sensor networks ACM Transactions on Embedded Computing Systems (TECS), 6(4) Le, D T & Thai, D N., 2013 Xây dựng mạng cảm biến không dây nông nghiệp xác Tạp chí khoa học Trường Đại học Cần thơ, số chuyên đề: Công nghệ thông tin, 115-122 Ngo, T D & Nguyen, T H., 2013 Design and manufacturing of automated greenhouse misting control system for vegetables during nursery stage Journal of Sci & Devel., Vol 11, No 3:397410 Nguyen, V L & Ngo, T D., 2011 Design and manufacture signal processing modules to measure temperature, relative humidity and light intensity for the control systems in a vegetable net house Journal of Sci & Devel., Vol 9, No 1:120-130 Stojcev, M K., Kosanovic, M R & Golubovic, L R., 2009 Power management and energy harvesting techniques for wireless sensor nodes Telecommunication in Modern Satellite, Cable, and Broadcasting Services, pp 65-72 25 ... mạng cảm biến không dây áp dụng vào mô hình nhà kính tự động dựa nốt cảm biển sử dụng lượng mặt trời b Thiết kế mạng cảm biến nhà kính Mạng cảm biến không dây sử dụng lượng áp dụng vào nhà kính tự... Hình 17: Mạng cảm biến không dây sử dụng module CC2530 ZigBee áp dụng giám sát điều khiển môi trường nhà kính III.3 Kết luận Chúng xây dựng mạng cảm biến không dây sử dụng lượng áp dụng vào mô. .. thực nghiên cứu áp dụng mạng cảm biến không dây vào mô hình nhà kính tự động Vấn đề quan trọng mạng cảm biến không dây thời gian tồn mạng giải cách sử dụng nguồn lượng mặt trời đề cấp nguồn Trong