Nghiên cứu giải pháp giám sát (xâm thực mặn vùng ven biển) môi trường thông qua mạng cảm biến không dây sử dụng bo mạch Arduino

Hệ thống có chi phí thấp và khả năng mở rộng cao về cả loại cảm biến và số lượng nút cảm biến, cũng như mức độ phù hợp với nhiều ứng dụng liên quan tới công tác giám sát môi trường. Trong nghiên cứu này chúng tôi trình bày kiến trúc tổng quan và thiết kế phần mềm, phần cứng của hệ thống quan trắc độ xâm nhập mặn ở vùng ven biển.

BÀI BÁO KHOA HỌC NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP GIÁM SÁT (XÂM THỰC MẶN VÙNG VEN BIỂN) MÔI TRƯỜNG THÔNG QUA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY SỬ DỤNG BO MẠCH ARDUINO Nguyễn Anh Tuấn1, Nguyễn Đình Chinh2, Lê Trung Thành1 Tóm tắt: Trong thập kỷ nghiên cứu phát triển chuyên sâu, công nghệ cảm biến không dây xem giải pháp sáng tạo cho nhiều ứng dụng Trong báo mô tả hệ thống cảm biến không dây phát triển sử dụng tảng phần cứng mã nguồn mở Arduino Hệ thống có chi phí thấp khả mở rộng cao loại cảm biến số lượng nút cảm biến, mức độ phù hợp với nhiều ứng dụng liên quan tới công tác giám sát mơi trường Trong nghiên cứu chúng tơi trình bày kiến trúc tổng quan thiết kế phần mềm, phần cứng hệ thống quan trắc độ xâm nhập mặn vùng ven biển Từ khóa: Arduino, giám sát môi trường, mạng cảm biến không dây, xâm nhập mặn, zigbee Ban Biên tập nhận bài: 12/09/2019 Ngày phản biện xong: 08/11/2019 Giới thiệu Trong thập kỷ nghiên cứu phát triển chuyên sâu, công nghệ cảm biến không dây xem giải pháp sáng tạo cho nhiều ứng dụng [1] Các nghiên cứu mạng cảm biến hệ thống vật lý không gian mạngban đầu tập trung phát triển công nghệ đổi cách giải vô số thách thức kỹ thuật định tuyến đa liên kết, truyền thông trừu tượng, phần mềm trung gian, hệ điều hành,ngôn ngữ trừu tượng chia sẻ liệu Gần phát triển công nghệ vi điện tử (MEMS), công nghệ truyền thông vô tuyến lĩnh vực vi xử lý, xử lý tín hiệu hệ điều hành nhúng cho phép phát triển nút cảm biến đa chức có giá thành thấp, tiêu tốn lượng, kích thước nhỏ, truyền thơng vơ tuyến linh hoạt Các nút cảm biến nhỏ gồm có thành phần cảm biến, xử lý liệu thu phát vô tuyến Hoạt động mạng cảm biến dựa kết hợp tương tác số lượng lớn nút với phân bố mật độ nút cao nên mạng triển khai rộng khắp Ngày đăng bài: 25/11/2019 vùng diện tích rộng lớn với mật độ cao hay thấp tỳ vào ứng dụng cụ thể Hầu hết mạng cảm biến không dây sử dụng theo chuẩn ZigBee (một chuẩn IEEE sử dụng rộng rãi nay) Mạng cảm biến bao gồm nút mạng (End Device Router) có nhiệm vụ thu thập gửi liệu thu nút điều phối (Coordinator) Nút điều phối gửi liệu server mạng Internet, liệu lưu trữ sở liệu, xử lý, cập nhật đưa định thi hành cụ thể theo trường hợp Tần số hoạt động mạng cảm biến vô tuyến dải tần số công nghiệp 868 MHz, 915 MHz 2,4 GHz Pin sử dụng cho nút mạng kéo dài trung bình từ đến năm, để truyền liệu xa đặt thêm nút End Device Router mạng Mỗi nút mạng với chức cảm biến có khả tự cấu hình mạng vơ tuyến, nút cảm biến đọc liệu xử lý, đóng gói truyền nút điều phối, nút điều phối truyền liệu nhận sở liệu Internet Các hoạt động diễn đơn vị này: Giao tiếp Khoa Quốc tế, Đại học Quốc gia Hà Nội, Nhà G7, 144 Xuân Thủy, Cầu Giấy Hà Nội Trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, Nhà E3, 144 Xuân Thủy, Cầu Giấy Hà Nội Email: tuanna@isvnu.vn TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 11 - 2019 37 BÀI BÁO KHOA HỌC với mạng cảm biến, thu thập tham số cần quan trắc vào sở liệu, điều khiển giao tiếp thiết bị ngoại vi, đóng gói liệu thu từ mạng cảm biến truyền lên Internet Nghiên cứu tập trung đề xuất cấu trúc mạng cảm biến không dây phục vụ giám sát tai biến thiên nhiên sử dụng bo mạch Arduino nhằm giúp giảm chi phí, tăng tốc độ truyền liệu, dễ dàng mở rộng phạm vi quan trắc Phương pháp nghiên cứu Phương pháp để xây dựng hệ thống mạng cảm biến không dây (WSN) yêu cầu cần phải phát triển tích hợp gồm nhiều phần mềm phần cứng Hình mơ tả kiến trúc tổng thể hệ thống giám sát mơi trường nhóm nghiên cứu đề xuất Hệ thống bao gồm phần cứng thiết kế dựa vi xử lý AVR để nhận chuyển tải nút liệu mạng cảm biến không dây thông qua việc mở rộng mô đun Zigbee GPRS Trong hệ thống WSN nút cổng đặt khu vực tiếp cận, việc bảo tồn lượng số quan trọng Các cổng sử dụng công nghệ Zigbee cho bảo toàn lượng giao thức IEEE 802.11.15.4 Các liệu thông qua mạng Zigbee tải lên trung tâm giám sát thông qua mạng GPRS Các liệu quan trắc thu từ nút cảm biến chỉnh tiền xử lý sau đóng gói, truyền Gateway thơng qua giao thức ZigBee để liệu truyền xa thơng qua mạng lưới thiết bị trung gian, tiêu tốn điện công suất thấp; liệu xử lý Data Logger (chuyển đổi tín hiệu ADC, SPI, I2C…) Dữ liệu sau xử lý lưu trữ quản lý hệ sở liệu quan hệ MySQL Người dùng truy cập vào liệu nút cảm biến thông qua dịch vụ Web Service ứng dụng di động giao thức API để đưa định cảnh báo nguy tai biến thiên nhiên [3-4] Hình Kiến trúc tổng quan hệ thống 38 Mơ hình bao gồm nút mạng cảm biến nút điều phối (Gateway) kết nối không dây với Các nút cảm biến thiết kế để đo thơng số lưu lượng dòng chảy độ mặn mơi trường Nút mạng lắp đế phao sông kết nối không dây với nút điều phối đặt bờ Kết nối mạng TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 11 - 2019 không dây sử dụng nghiên cứu chuẩn truyền thông không dây Zigbee thiết lập theo mơ hình mạng hình trình bày Hình Các thơng tin chi tiết mạng trình bày sau đây:Zigbee tiêu chuẩn mạng lưới khơng dây chi phí thấp, lượng thấp, nhắm BÀI BÁO KHOA HỌC vào thiết bị chạy pin ứng dụng điều khiển giám sát không dây Zigbee cung cấp thông tin liên lạc có độ trễ thấpthường tích hợp với radio vàvi điều khiển Zigbee hoạt động băng tần vô tuyến công nghiệp, khoa học y tế (ISM): 2,4 GHz hầu hết khu vực pháp lý toàn giới; số thiết bị sử dụng 784 MHz Trung Quốc, 868 MHz châu Âu 915 MHz Mỹ Úc, nhiên khu vực quốc gia sử dụng 2,4 GHz cho hầu hết thiết bị Zigbee thương mại để sử dụng nhà Tốc độ liệu thay đổi từ 20 kb/s (băng tần 868 MHz) đến 250 kb/s (băng tần 2,4 GHz).Zigbee xây dựng lớp vật lý điều khiển truy cập phương tiện xác định chuẩn 802.11.15.4 IEEE cho mạng khu vực cá nhân không dây tốc độ thấp (WPANs) Thông số kỹ thuật bao gồm bốn thành phần bổ sung: lớp mạng, lớp ứng dụng, đối tượng thiết bị Zigbee (ZDOs) đối tượng ứng dụng nhà sản xuất xác định ZDO chịu trách nhiệm cho số nhiệm vụ, bao gồm theo dõi vai trò thiết bị, quản lý yêu cầu tham gia mạng, khám phá bảo mật thiết bị Lớp mạng Zigbee vốn hỗ trợ mạng mạng mạng lưới chung Mỗi mạng phải có thiết bị điều phối.Trong mạng sao, điều phối viên phải nút trung tâm.Cả mắt lưới cho phép sử dụng định tuyến Zigbee để mở rộng giao tiếp cấp độ mạng Một tính xác định khác Zigbee phương tiện để thực liên lạc an toàn, bảo vệ việc thiết lập vận chuyển khóa mật mã, khung mã hóa thiết bị điều khiển Nó xây dựng khung bảo mật xác định IEEE 802.15.4 [5] Hình Mơ hình mạng Zigbee dạng hình Kết 3.1 Thiết kế node cảm biến Trong nghiên cứu nhóm phát triển mạng cảm biến sử dụng bo mạch chủ Ardunio thiết kế sơ đồ Hình Nút cảm biến bao gồm thành phần: Bo mạch chủ Arduino Mega giống nút điều phối, Module truyền thơng Zigbee cấu hình với vai trò End Device, cảm biến gồm cảm biến lưu lượng dòng chảy cảm biến độ mặn, nguồn cấp gồm Pin lưu trữ Pin lượng mặt trời (Hình 4) [2] TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 11 - 2019 39 BÀI BÁO KHOA HỌC Hình Kiến trúc nút cảm biến Nghiên cứu sử dụng cảm biến lưu lượng dòng chảy YF-S201.Trong có dòng chảy qua cảm biến làm quay động từ tính cảm biến, tốc độ quay động tỉ lệ với tốc độ dòng chảy.Hiệu ứng trường động đưa xung tín hiệu từ xác định lưu lượng dòng chảy Cảm biến lưu lượng dòng chảy có đặc điểm sau: đường kính nội: 11mm; đường kính bên ngồi: 20mm; kháng áp lực nước: