Cảm biến nhịp là một kỹ thuật mới, thích hợp cho các ứng dụng giám sát môi trường thông minh với yêu cầu về công suất tiêu thụ thấp và các mạch cảm biến Internet vạn vật (IoT) với kích thước nhỏ gọn. Bài viết này đề xuất và thử nghiệm một giải pháp thiết kế cảm biến nhiệt độ trên nguyên lý cảm biến nhịp, cho phép theo dõi nhiệt độ trong dải từ -20°C đến 50°C với độ chính xác phù hợp.
Nghiên cứu khoa học công nghệ THIẾT KẾ CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ THEO NGUYÊN LÝ CẢM BIẾN NHỊP CHO CÁC HỆ THỐNG GIÁM SÁT MƠI TRƯỜNG THƠNG MINH Hồng Văn Phúc1*, Đào Văn Lân2, Đặng Văn Bình3, Nguyễn Tiến Duy3, Nguyễn Văn Trung2 Tóm tắt: Cảm biến nhịp kỹ thuật mới, thích hợp cho ứng dụng giám sát môi trường thông minh với yêu cầu công suất tiêu thụ thấp mạch cảm biến Internet vạn vật (IoT) với kích thước nhỏ gọn Bài báo đề xuất thử nghiệm giải pháp thiết kế cảm biến nhiệt độ nguyên lý cảm biến nhịp, cho phép theo dõi nhiệt độ dải từ -20°C đến 50°C với độ xác phù hợp Kết thực nghiệm cho thấy, cảm biến nhiệt độ nguyên lý nhịp có tiềm ứng dụng lớn hệ thống giám sát môi trường thông minh Hơn nữa, giao thức truyền thông vô tuyến tầm xa (LoRa) đề xuất áp dụng để xây dựng hệ thống giám sát thông minh với cự ly xa tiết kiệm lượng Từ khóa: IoT; Cảm biến nhịp; Giám sát thông minh; LoRa ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, nhu cầu hệ thống giám sát môi trường tự động trở nên cấp bách phức tạp loại thiên tai cố mơi trường Trong đó, hạn hán tượng có ảnh hưởng lớn đến sống người tồn giới gây thiệt hại to lớn môi trường hoạt động kinh tế xã hội Do diễn biến tích lũy chậm, tác động hạn hán thường khó nhận biết nhận biết thiệt hại trở nên đáng kể Giám sát, cảnh báo hạn hán với công nghệ Internet vạn vật (IoT: Internet of Things) có tiềm lớn để giải vấn đề [1-3] Các cảm biến IoT cho phép theo dõi liên tục tham số hạn hán cần thiết Vấn đề đặt cảm biến IoT cần phải tiêu tốn lượng, cự ly thơng tin đủ lớn để bảo đảm giám sát phạm vi lớn Trong báo này, chúng tơi trình bày thiết kế cảm biến nhiệt độ dựa nguyên lý cảm biến nhịp (gọi cảm biến nhịp nhiệt độ), cảm biến không dây với mức tiêu thụ lượng thấp, cự ly thông tin xa với công nghệ LoRa Trong nghiên cứu trước đây, tác giả [4] công bố thiết kế cảm biến nhịp nhiệt độ với ưu điểm công suất tiêu thụ nhỏ, nhiên, cự ly truyền hạn chế (tối đa 110m) Vì vậy, nghiên cứu này, chúng tơi đưa cấu trúc cải tiến với thiết kế hoàn chỉnh cảm biến nhịp nhiệt độ cho phép cự ly liên lạc lên tới 1700m, giúp mở rộng vùng giám sát cho hệ thống Đây thiết kế cảm biến đầy hứa hẹn để sử dụng cho nút cảm biến IoT không dây cự ly xa phục vụ cho hệ thống giám sát tham số môi trường tương lai ĐỀ XUẤT CẢM BIẾN NHỊP NHIỆT ĐỘ Các nút cảm biến truyền thống thường sử dụng MCU để đọc trực tiếp giá trị cảm biến thông qua mạch giao tiếp ADC, I2C, SPI gửi trung tâm xử lý Tuy nhiên, phương pháp có nhược điểm tốn lượng, cần thiết kế lớp truy nhập kênh truyền (MAC) số thành phần khác Cảm biến nhịp (Beat sensor) sử dụng nguyên lý hoàn toàn khác để truyền tham số cảm biến trung tâm, giá trị cảm biến tính theo khoảng thời gian hai lần liên tiếp nhận ID nút Hình thể sơ đồ khối cảm biến nhịp tổng quát GS Ishibashi đề xuất [4] đồ thị thời gian mà mã ID truyền từ nút Mỗi cảm biến nhịp nối Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 69, 10 - 2020 95 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử tới máy phát gán mã ID riêng Nút phát mã ID riêng biệt này, khoảng thời gian phát hai tín hiệu ID liên tiếp phụ thuộc vào tham số vật lý cảm biến Máy thu nhận hai tín hiệu mã ID nút, tính tốn tham số vật lý cảm biến Khi sử dụng nhiều nút cảm biến, nút gửi mã ID chúng tới máy thu RF Máy thu nhận giá trị ID gửi chúng cho PC Một phần mềm ứng dụng chạy PC để phân tích, đọc giá trị nút chia sẻ mơi trường Internet Hình Khái niệm cảm biến nhịp Trên sở đó, nhằm giảm lượng tiêu thụ cảm biến nhiệt độ hệ thống giám sát môi trường thông minh tảng IoT, hình thể sơ đồ khối đề xuất nút cảm biến nhịp nhiệt độ Sơ đồ bao gồm vùng thể hình vẽ Các khối chức vẽ nét đứt khối không bắt buộc khối vẽ nét liền khối bắt buộc phải có cấu trúc cảm biến nhịp nhiệt độ Trong báo [4], nhóm tác giả đề xuất sử dụng LDO sau khối cấp nguồn trước mạch RC (điện trở nhiệt, tụ nạp xả) Tuy nhiên, thấy sơ đồ gặp phải nhiều nhược điểm như: nguồn cung cấp tới MCU, RF không ổn định thăng giáng điện áp nạp xả tụ C, làm cho MCU RF hoạt động khơng ổn định (có thể dẫn đến treo MCU, module RF không phát tối đa công suất nó, ) Hơn nữa, nhược điểm để bảo đảm cấp nguồn tới MCU RF khoảng thời gian dài sơ đồ yêu cầu cần có tụ C với giá trị lớn (vì điện trở nhiệt cố định) Trong báo này, đề xuất ứng dụng công nghệ LoRa để tăng cự ly liên lạc Đối với module này, khoảng thời gian để phát xong byte ID lớn (khoảng 350ms) dòng tiêu thụ phát lớn (khoảng 100 mA) Do đó, để bảo đảm dòng điện thời gian cung cấp cho MCU RF sơ đồ báo [4], giá trị tụ C phải lớn dẫn tới kích thước lớn làm tăng kích thước cảm biến Xuất phát từ hai lý này, nhóm tác giả đề xuất sử dụng LDO đóng vai trị vừa tạo điện áp ổn định, dòng lớn cho MCU RF (đầu LDO đưa tới cung cấp nguồn cho khối MCU RF), vừa điều khiển cấp nguồn cho MCU RF Điều giúp cho điện áp nguồn cấp cho MCU RF có giá trị ổn định hơn, làm cho hệ thống hoạt động ổn định đạt giá trị cơng suất phát tối đa module RF, nhờ làm tăng cự ly liên lạc từ nút trung tâm xử lý Để bảo đảm thời gian cấp nguồn cho MCU RF khoảng thời gian dài mà không 96 H V Phúc, …, N V Trung, “Thiết kế cảm biến nhiệt độ … môi trường thông minh.” Nghiên cứu khoa học công nghệ cần sử dụng tụ C giá trị cao, tác giả xử lý mạch so sánh để điều khiển cấp nguồn điều chỉnh thời gian chiết áp vi chỉnh VCC Điện trở nhiệt Pin mặt trời + - Module 3.7V sạc pin mặt trời Vst LDO VDD EN VH / 3VCC VL 1/ 3VCC MCU RF Hình Sơ đồ khối cấu trúc nút cảm biến nhịp nhiệt độ Trên hình 2, khối khoanh vùng thứ khối nguồn cung cấp, bao gồm Pin mặt trời có chức hấp thụ lượng mặt trời đưa tới module sạc pin, module sạc pin mặt trời có chức tiếp nhận nguồn lượng từ Pin mặt trời để nạp điện cho Pin, hai khối chức không bắt buộc phải có, dùng phương pháp lấy nguồn lượng khác gió, RF,… Pin phần tử bắt buộc phải có để đảm nhiệm chức cung cấp nguồn điện cho toàn nút cảm biến Khối khoanh vùng thứ hai khối điều khiển cấp nguồn cho khối MCU RF, bao gồm điện trở nhiệt (ở dùng điện trở nhiệt NTC-10K) thay đổi nội trở theo nhiệt độ môi trường, tụ điện C tụ nạp xả phối hợp với biến trở nhiệt định chu kì xung cấp nguồn tới MCU RF, so sánh điện áp so sánh hai ngưỡng điện áp VH VL để đưa định chuyển mạch nguồn, LDO, IC ổn áp với hiệu suất cao, dòng rò nhỏ để đạt tối ưu mặt lượng tiêu thụ Khối khoanh vùng thứ ba khối MCU RF, đó, MCU khối khả trình cho phép đặt ID cho nút, khối RF đảm nhiệm phát giá trị ID nút Nguyên lý hoạt động cảm biến nhịp nhiệt độ sau Từ nguồn pin, tụ điện C nạp điện áp thông qua biến trở nhiệt, điện áp Vst = 2/3Vcc, so sánh ngưỡng điện áp kích xung vào chân EN LDO lên mức cao, lúc LDO cấp nguồn tới MCU RF khoảng thời gian t H đủ lớn để khối RF phát thành công giá trị ID Khi Vst = 1/3Vcc, so sánh ngưỡng đưa chân EN mức thấp, ngắt nguồn khỏi khối MCU RF, khoảng thời gian t L , sau lại lặp lại chu trình nạp điện áp vào tụ điện Khoảng thời gian cấp nguồn cho khối MCU RF thời gian xả điện áp tụ từ mức 2/3Vcc mức 1/3Vcc Khoảng thời gian lần máy thu nhận giá trị ID t tL tH Trong đó, t H ta thiết kế cố định, t L thay đổi theo tham số vật lý biến trở nhiệt Các giá trị thời gian tính gồm: tL Rt C tH RAC , đó, Rt giá trị nội trở điện trở nhiệt, RA giá trị nội trở chiết áp vi chỉnh Để thay đổi thời gian cấp nguồn ta thay đổi RA nút có giá trị C cố định Do đó, dựa vào kết đo t ta hồn tồn xác định tham số cảm biến Hình thể dạng sóng tín hiệu cảm biến nhịp nhiệt độ đề xuất Tín hiệu VEN tín hiệu điện áp điều khiển nguồn cung cấp cho khối MCU RF, Vst tín hiệu điện áp tụ nạp xả Tín hiệu VEN bắt đầu chuyển lên mức cao Vst = VH chuyển xuống mức thấp Vst = VL Quá trình liên tiếp lặp lại tạo nên chu trình nhịp lên xuống, lý mà gọi cảm biến nhịp Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 69, 10 - 2020 97 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Hình Tín hiệu dạng sóng cảm biến nhịp nhiệt độ Khoảng thời gian t hai lần phát tín hiệu ID nút phụ thuộc vào giá trị nhiệt độ Máy thu vào giá trị t nhận để tính giá trị nhiệt độ môi trường Bảng thể hàm số nội suy để xác định giá trị nhiệt độ tương ứng với khoảng thời gian t tương ứng với dải nhiệt để phục vụ tính giá trị nhiệt độ cụ thể Để xây dựng hàm này, tác giả phải sử dụng đến buồng đo nhiệt chuẩn MicroCal T100, xây dựng bảng giá trị khoảng thời gian ID tương ứng với giá trị nhiệt độ từ -20°C đến 50°C, bước nhiệt lần đo 0,5°C Sau đó, sử dụng phép nội suy để xây dựng lên hàm số cho khoảng nhiệt độ cụ thể Bảng Các hàm số tính giá trị nhiệt độ tương ứng với khoảng thời gian t, theo dải nhiệt, nút cảm biến nhịp nhiệt độ sử dụng tụ 470uF Dải nhiệt độ [°C] Hàm số tương ứng (C = 470 uF) (Nhiệt độ [°C], t [s]) -20,0 đến -10,1 Nhiệt độ = 15, 205 1, 74t 0, 02t -10,0 đến -0,1 Nhiệt độ = 27,385 3,09t 0,06t đến +9,9 Nhiệt độ = 40,635 5, 48t 0,16t +10 đến +19,9 Nhiệt độ = 55,584 9,70t 0, 46t +20 đến +29,9 Nhiệt độ = 75,843 18, 22t 1,36t +30 đến +39,9 Nhiệt độ = 91, 665 28,12t 2,89t +40 đến +50 Nhiệt độ = 118, 236 49, 08t 7, 02t TRUYỀN THÔNG CỰ LY XA TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG VỚI LORA VÀ CẢM BIẾN NHỊP Để thực thi hệ thống giám sát IoT cự ly xa, đề xuất sử dụng công nghệ LoRa cho ứng dụng cảm biến nhịp Để thực hệ thống đề xuất, tác giả sử dụng KIT S78SXB hãng ACSIP KIT phần cứng thích hợp cho mục đích triển khai thử nghiệm, sử dụng giao thức LoRa WAN Module có mức tiêu thụ cơng suất thấp cự ly liên lạc xa Trong thử nghiệm này, với giải pháp không sử dụng IC khuếch đại công suất, cự ly liên lạc điểm-tới-điểm tối đa 1700 m Tác giả thiết kế hoàn chỉnh 98 H V Phúc, …, N V Trung, “Thiết kế cảm biến nhiệt độ … môi trường thông minh.” Nghiên cứu khoa học công nghệ 04 nút cảm biến nhịp nhiệt độ, tất nút thiết lập cho module LoRa hoạt động tần số 433MHz, hệ số trải phổ SF=12 băng thông 500 KHz Kết triển khai đo đạc thể hình Mức tiêu thụ lượng nút cảm biến nhịp nhiệt độ sử dụng tụ C có giá trị 470µF thể hình phép đo thực nhiệt độ môi trường 22°C Để xây dựng đồ thị trên, nhóm tác giả đo đạc nhập kết đo vào phần mềm vẽ đồ thị OriginLab có hỗ trợ cơng cụ giúp tính tích phân hàm số khoảng thời gian tùy ý Ở hình trên, phép tính tích phân cho phép đưa kết cơng suất tiêu thụ (phần diện tích kết phép tính tích phân này) Năng lượng tiêu tốn để phát ID nút đo hình 0,05462 Ws hay 0,05462 J (54,62 mJ) Còn lượng tiêu thụ khoảng nút khơng phát ID tính 1s đo 0,00315 Ws (3,15 mJ) Hình nhỏ bên trái phóng to phần tính lượng tiêu thụ nút khơng phát ID khoảng 1s, ta thấy dịng tiêu thụ nút không phát ID bé, xấp xỉ Đây ưu điểm lớn cảm biến nhịp, nút cảm biến gần không tiêu thụ nguồn khoảng thời gian nghỉ, tiêu thụ nguồn khoảng thời gian định Tần suất phát ID phụ thuộc theo giá trị nhiệt độ môi trường cần đo giá trị tụ nạp xả C mà nút sử dụng Trong đó, cảm biến nhiệt độ thơng thường với chức tương tự có dịng tiêu thụ cỡ 10 mA [5], ứng với công suất tiêu thụ 37 mW lớn nhiều lần so với cảm biến nhịp báo Tính tốn lượng dự trữ pin cho nút, pin có dung lượng C = 2000 mAh (2 Ah), U = 3,7 V Nút ngừng hoạt động điện áp pin nhỏ 3,3V, ta tra cứu đặc tính số pin 3,7 V điện áp pin giảm đến 3,3 V hiệu suất sử dụng pin đạt khoảng 80% Do đó, lượng dự trữ pin là: C U 80% 3,7 80% 5,92 (Wh) 21312 (Ws) 1700 m TX RX Hình Hệ thống giám sát IoT với cảm biến nhịp nhiệt độ giao thức LoRa Giả sử nhiệt độ trung bình năm điểm đo 25°C, dựa tham số tiêu thụ lượng tính ta tiến hành tính tốn số thời gian mà nút sử dụng tụ nạp xả C có giá trị 470uF hoạt động sau: Nhiệt độ trung bình = 25°C, thời gian phát ID trung bình t = 3,96 (s), vậy, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 69, 10 - 2020 99 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 86400 21818, (lần) Vì vậy, lượng trung bình 3,96 tiêu tốn cho phần phát ID ngày là: 21818, 0,05462 (Ws) 1191,7 (Ws) ngày cảm biến phát số lần là: Hình Năng lượng tiêu thụ nút cảm biến nhịp nhiệt độ sử dụng tụ C có giá trị 470 uF, nhiệt độ đo 22°C Thời gian phát ID hình ta thấy 0,54 (s), thời gian không phát ID là: 3,96 0,54 3, 42 (s), mặt khác, ta có lượng trung bình tiêu tốn giây tính trên, đó, có lượng trung bình tiêu tốn cho lần nghỉ 3, 42 0,00315 (Ws) 0,010773 (Ws) Vậy, lượng trung bình tiêu tốn cho phần nghỉ ngày là: 21818, 0,0010773 (Ws) 235,047 (Ws) Như vậy, lượng tiêu tốn trung bình ngày nút cảm biến là: 1191,7 235,047 1426,747 (Ws) Do đó, thời gian mà nút hoạt động ước lượng cách gần là: 21312 14,945 (ngày) 1426, 047 Hình thể kết đo thực tế mối quan hệ cư ly liên lạc với xác xuất truyền thành cơng từ phía máy phát tới máy thu hai trường hợp cài đặt hệ số trải phổ (SF: Spectrum spreading factor) khác với băng thông (BW: Bandwidth) đặt cố định 500KHz Để có kết đo tác giả đặt nút cảm biến cách nút thu trung tâm cự ly từ 100m, 200m, đến 2500m, cho phía nút cảm biến phát 200 lần ID kiểm sốt số lần thu thành cơng trung tâm, sau đó, tính xác suất thu thành cơng hai trường hợp SF=7, BW=500kHz SF=12, BW=500kHz Ta thấy với xác suất thu thành công, hệ số trải phổ lớn cự ly liên lạc hệ thống cao Phần trung tâm xử lý liệu máy tính nhúng loại Raspberry Pi mode B+ Với tảng hệ điều hành Linux, tốc độ xử lý cao giao diện phần cứng hỗ trợ đầy đủ, Raspberry Pi đảm nhiệm vai trị IoT Server qui mơ nhỏ cho ứng dụng báo 100 H V Phúc, …, N V Trung, “Thiết kế cảm biến nhiệt độ … môi trường thông minh.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Kết đo thực tế cự ly xác suất thu thành công hai trường hợp SF=7 SF=12, cố định băng thông 500KHz KẾT LUẬN Bài báo trình bày thiết kế kết thử nghiệm cảm biến nhịp nhiệt độ cho hệ thống giám sát môi trường thông minh tảng IoT Cảm biến nhịp nhiệt độ giám sát tốt với dải nhiệt độ từ -20°C đến 50°C với độ xác ±0,5°C Cảm biến ứng dụng để đo tham số dựa thay đổi giá trị nội trở phần tử đo Cảm biến nhịp có giá thánh thấp, cơng suất tiêu thụ nhỏ kích thước cảm biến IoT nhỏ, có tiềm lớn hệ thống giám sát cảnh báo hạn hạn thông minh Hơn nữa, giao thức truyền thông LoRa sử dụng để xây dựng hệ thống giám sát thông minh, cự ly xa tiết kiệm lượng Bước tác giả thiết kế nút cảm biến lượng mưa, độ ẩm theo nguyên lý cảm biến nhịp để tạo nên hệ thống giám sát cảnh báo hạn hán thơng minh tảng IoT hồn chỉnh Hơn nữa, nhóm tác giả dự định áp dụng phương pháp bảo mật liệu [6] cho hệ thống IoT TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dave Evans, “The Internet of Things - How the Next Evolution of the Internet is Changing Everything,” Cisco Internet Business Solutions Group (IBSG), 2011 [2] A Kamilaris and A Pitsillides, “Mobile Phone Computing and the Internet of Things: A Survey,” in IEEE Internet of Things Journal, vol 3, no 6, pp 885-898, Dec 2016 [3] Van-Lan Dao and Van-Phuc Hoang, “A Smart Delivery System Using Internet of Things”, IEEE 7th International Conference on Integrated Circuits, Design, and Verification (ICDV2017), pp 58-63, Oct 2017 [4] R Takitoge, K Ishibashi et al., “Temperature Beat: Persistent and Energy Harvesting Wireless Temperature Sensing Scheme,” IEEE SENSORS, Orlando, 2016 [5] Van-Phuc Hoang, Minh-Hong Nguyen, Thanh Quan Do, Dinh-Nhan Le and Du Duong Bui, “A Long Range, Energy Efficient Internet of Things Based Drought Monitoring System,” International Journal of Electrical and Computer Engineering, vol 10, no 22, pp.1278-1287, Apr 2020 [6] V P Hoang, V L Dao and C K Pham, “Design of ultra-low power AES encryption cores with silicon demonstration in SOTB CMOS process,” in Electronics Letters, ISSN: 0013-5194, vol 53, no 23, pp 1512-1514, Nov 2017 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 69, 10 - 2020 101 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử ABSTRACT DESIGN OF TEMPERATURE SENSOR WITH BEAT PRINCIPLE FOR APPLICATIONS IN SMART MONITORING SYSTEMS The Beat sensor is a new technique suitable for applications in smart environment monitoring with the requirements of low power consumption and compact IoT sensor circuits This paper proposed and verified a new solution for designing an efficient temperature sensor based on the Beat sensor principle to sense the temperature range from -20°C to 50°C with suitable accuracy The experimental results have clarified this Beat sensor’s high potential for applications in smart environment monitoring systems Moreover, the long-range wireless communication protocol (LoRa) is proposed for this long-range, energy efficient smart monitoring system Keywords: IoT; Beat sensor; Smart monitoring; LoRa Nhận ngày 12 tháng năm 2020 Hoàn thiện ngày 13 tháng năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 15 tháng 10 năm 2020 Địa chỉ: 1Viện Tích hợp hệ thống, Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn; Khoa Vô tuyến Điện tử, Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn; Trung tâm Kỹ thuật thông tin Công nghệ cao, Binh chủng Thông tin Liên lạc *Email: phuchv@lqdtu.edu.vn 102 H V Phúc, …, N V Trung, “Thiết kế cảm biến nhiệt độ … môi trường thông minh.” ... thông 500KHz KẾT LUẬN Bài báo trình bày thiết kế kết thử nghiệm cảm biến nhịp nhiệt độ cho hệ thống giám sát môi trường thông minh tảng IoT Cảm biến nhịp nhiệt độ giám sát tốt với dải nhiệt độ. .. Tác giả thiết kế hoàn chỉnh 98 H V Phúc, …, N V Trung, ? ?Thiết kế cảm biến nhiệt độ … môi trường thông minh. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ 04 nút cảm biến nhịp nhiệt độ, tất nút thiết lập cho module... mơi trường Internet Hình Khái niệm cảm biến nhịp Trên sở đó, nhằm giảm lượng tiêu thụ cảm biến nhiệt độ hệ thống giám sát môi trường thông minh tảng IoT, hình thể sơ đồ khối đề xuất nút cảm biến