Hệ thống được xây dựng trên cơ sở bo mạch chủ Waspmote của hãng Libelium, một bo mạch giao tiếp mở rộng với các cảm biến, pin cấp nguồn có khả năng nạp điện lại với dung lượng 6600mAh, môđun truyền dữ liệu không dây XBee, cảm biến nhiệt độ, cảm biến đo độ ẩm đất và cảm biến gia tốc.
Bo mạch chủ Waspmote: được chế tạo dựa trên một kiến trúc kiểu môđun. Trên bo mạch có thể tích hợp các môđun cần thiết để tối ưu hóa chi phí và năng lượng tiêu thụ. Các môđun như bo mạch cảm biến, môđun truyền không dây XBee, nguồn cấp, môđun GPS giao tiếp với bo mạch Waspmote thông qua các ổ cắm hoặc chân Jum.
Các môđun sẵn có có thể tích hợp được vào bo mạch Waspmote được phân loại như sau:
Môđun ZigBee/802.15.4 (2.4GHz, 868MHz, 900MHz).
Môđun GSM 3G/ GPRS (Bốn băng tần: 850MHz/900MHz/1800MHz /1900MHz).
Bo mạch giao tiếp mở rộng cảm biến.
Môđun lưu trữ: Thẻ nhớ SD.
Pin cấp nguồn
Hình 3. 3: Mặt trên bo mạch chủ Waspmote
Hình 3. 4: Mặt dưới bo mạch chủ Waspmote
Bo mạch chủ sử dụng chip vi điều khiển Atmega328 của hãng Atmel. Chip được sử dụng để thu thập và xử lý các dữ liệu thu được từ các cảm biến. Vi điều khiển atmega328 có nhiều tính năng đặc biệt phù hợp cho việc xây dựng một WSN với hiệu suất cao, tiêu thụ năng lượng nhỏ, khả năng tích hợp và mở rộng các giao tiếp ngoại vi.
Hình 3. 5: Sơ đồ khối của Chip Atmega328
Thông số chính của vi điều khiển atmega328 sử dụng trong bo mạch chủ Waspmote là:
+ Kiến trúc: AVR 8bit
+ Tần số xung nhịp lớn nhất: 20MHz + Bộ nhớ chương trình (FLASH): 32KB + Bộ nhớ EEPROM: 1KB
+ Bộ nhớ RAM: 2KB
+ Dải điện áp hoạt động: 1.8V - 5.5V
+ 2 bộ Timer/Counter 8-bit và 1 bộ Timer/Counter 16-bit
Ngoài ra, trên bo mạch chủ Waspmote còn có cổng giao tiếp miniUSB, giao tiếp SPI/UART với các thiết bị ngoại vi [13].
Bo mạch giao tiếp mở rộng các cảm biến: được thiết kế để giúp cho người dùng trong việc tích hợp thêm các cảm biến vào bo mạch chủ Waspmote. Bo mạch giao tiếp mở rộng có một bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số 16bit, độ phân giải lên tới 68µF trong khoảng từ 0 tới 4.5V với các giá trị lối vào khác nhau. Một mảng độc lập các tấm pad có chứa các chân, đầu cáp và mạch tích hợp loại chân cắm đã được đóng gói để có thể hàn. Ngoài ra, còn có một mảng các mạch tích hợp loại chân dán cho các mạch mở rộng hoặc chân cắm với các kích thước khác nhau được đặt trên bo mạch.
Hình 3. 6: Bo mạch giao tiếp mở rộng các cảm biến
Bo mạch giao tiếp mở rộng các cảm biến có trọng lượng nhỏ cỡ 20gr, với kích thước các chiều là 73.5 x 51 x 1.3 mm, hoạt động trong dải nhiệt độ từ -20ºC tới 65ºC. Điện áp cấp cho bo mạch là 3.3V và 5V, điện áp cung cấp cho bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số là 5V. Dòng liên tục tiêu thụ cực đại là 200mA, còn dòng đỉnh cực đại là 400mA.
Nguồn cấp: sử dụng pin Ion Lithium có khả năng nạp lại điện tích, dung lượng 6600mAh. Pin có gắn kèm một đầu connector theo chuẩn.
Hình 3. 7: Pin Ion Lithium dung lượng 6600mAh
Cảm biến gia tốc: được sử dụng để đo lường các chuyển động của các lớp đất như dịch chuyển trượt của đất, các dịch chuyển đột ngột và phân tích các rung chấn
trong lòng đất là tác nhân gây trượt đất. Cảm biến gia tốc có thể được dùng để đo độ nghiêng và các âm chấn trong lòng đất. Cảm biến gia tốc được sử dụng trong hệ thống mỗi nút cảm biến ở đây là ADXL335, cảm biến có kích thước nhỏ, mỏng, năng lượng tiêu thụ thấp. Bộ cảm biến 3 trục đầy đủ sau khi đo sẽ cho các tín hiệu lối ra dưới dạng điện áp. Cảm biến gia tốc ADXL335 có thể đo gia tốc với dải toàn thang tối thiểu là ±3g. Cảm biến cũng cho phép đo gia tốc tĩnh của trọng lực trong các ứng dụng cảm biến đo độ nghiêng hoặc đo gia tốc động học trong các chuyển động, va chạm và rung lắc. Băng thông có thể được lựa chọn với dải tần 0,5 Hz đến 1.600 Hz cho trục X và trục Y, và dải tần từ 0,5 Hz đến 550 Hz cho trục Z [14].
Hình 3. 8: Sơ đồ khối và bo mạch cảm biến ADXL335
Các thuật toán để đo gia tốc của các trục X, Y và Z:
* / 1024 i ADC i i i V R O S A , i=X, Y, Z. (3.1)
Với Ai là giá trị của gia tốc tương ứng theo 3 trục X, Y và Z; Vi là giá trị sau khi lấy mẫu của trục i; RADC là điện áp tham chiếu; Oi là điện áp 0g sau một số hiệu chỉnh đơn giản của trục i; và Si là độ nhạy của cảm biến gia tốc với trục i.
Cảm biến nhiệt độ: được dùng để đo những thay đổi về nhiệt độ của môi trường. Do các đặc tính vật lý của đất và nước có thể thay đổi khi nhiệt độ của môi trường thay đổi, vì vậy cảm biến nhiệt độ LM35 được sử dụng trong hệ thống của một nút cảm biến. Cảm biến nhiệt độ LM35 là loại cảm biến tương tự thường được dùng
trong các ứng dụng đo nhiệt độ thời gian thực. Cảm biến hoạt động với độ chính xác khá cao, sai số nhỏ, đồng thời yếu tố kích thước nhỏ và giá thành rẻ cũng là những ưu điểm giúp cho cảm biến được ứng dụng rộng rãi. Cảm biến LM35 là cảm biến nhiệt độ được tích hợp mạch đo chính xác, với điện áp đầu ra tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ C là 10mV/°C. Cảm biến LM35 không yêu cầu hiệu chuẩn ngoài, với độ chính xác thực tế là ±1/4°C ở nhiệt độ phòng và ±3/4°C trên dải nhiệt độ từ -55°C tới 150°C [15].
Hình 3. 9: Cảm biến nhiệt độ LM35 và sơ đồ mạch đo
* Với trị số R1 được chọn là –VS/50µA.
Cảm biến nhiệt độ LM35 còn một số đặc điểm khác như: + Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V
+ Độ phân giải điện áp đầu ra là 10mV/oC + Độ chính xác cao ở 25oC là 0.5o
C + Trở kháng đầu ra thấp
+ Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ -55 C tới 150 C Nhiệt độ được xác định bởi công thức:
*
ADC
T V k
(3.2)
Với T là nhiệt độ thực tế của môi trường; VADC là giá trị của nhiệt độ sau khi lấy mẫu; k là hệ số tỷ lệ (trong trường hợp này k = 45).
Cảm biến đo độ ẩm đất: sử dụng trở kháng để đo hàm lượng nước trong đất (trở kháng phụ thuộc vào hằng số điện môi, ở đây hằng số điện môi là một hàm số của hàm lượng nước trong đất). Việc lắp đặt cảm biến khá đơn giản, chỉ cần đưa cảm biến thô này vào trong lòng đất để đo, thể tích hàm lượng nước có trong đất sẽ được trả về theo đơn vị phần trăm. Mạch đo cho cảm biến độ ẩm đất có một mạch lật 2 lối vào khác nhau để tạo dòng điện trước và sau ở 2 đầu cảm biến. Cảm biến đo độ ẩm đất được sử dụng trong hệ thống được mô tả như trong hình 3.10.
Hình 3. 10: Cảm biến đo độ ẩm đất Watermark
Thông số đặc trưng của cảm biến đo độ ẩm đất Watermark:
Dải đo: từ 0 tới 200 centibar (cb)
Dải tần: khoảng từ 50 tới 10000Hz
Đường kính: 22mm
Chiều dài: 76mm
Độ ẩm của đất được xác định bởi công thức sau:
_ _
(M 0 ) * 200
(1023 0 )
ADC offset ADC offset ADC
M
(3.3)
Với M là độ ẩm của đất được tính bằng đơn vị %; MADC là giá trị dữ liệu trả về
từ ADC; 0offset_ADC là giá trị ADC tương ứng tại điểm 0 Kpa.
Hình 3. 11: Đồ thị hàm tần số lối ra phụ thuộc trở kháng cảm biến Watermark
Môđun truyền dữ liệu không dây XBee PRO: sử dụng chuẩn giao tiếp không dây 802.15.4. Môđun có dải truyền xa hơn so với truyền không dây Bluetooth nhưng tiêu thụ điện năng thấp hơn so với truyền không dây Wifi chuẩn 802.11. Môđun XBee
giao tiếp với vi điều khiển thông qua cổng nối tiếp với các thiết bị khác với mục đích truy cập vào được mạng ZigBee. Môđun XBee Pro S2 là một sản phẩm mới của hãng Digi, môđun có những cải thiện về điện năng tiêu thụ và giao thức truyền tải. Khoảng cách truyền dẫn tối đa của môđun có thể lên tới 90 mét trong điều kiện trong nhà và lên tới 7km ở điều kiện ngoài trời mà không có vật cản. Môđun XBee cung cấp giao thức truyền dữ liệu đáng tin cậy với độ nhạy -102dBm. Tốc độ truyền tải dữ liệu có thể lên đến 250 kbps với công suất truyền 50mW. Mỗi môđun có một địa chỉ vật lý 16-bit duy nhất. Môđun có 2 chế độ truyền nhận là điểm-tới-điểm unicast và điểm-tới-toàn mạng broadcast ở dải tần 2,4GHz. Môđun XBee cũng có chế độ ngủ để tiết kiệm điện năng tiêu thụ [13, 16].
Hình 3. 12: Môđun truyền dữ liệu không dây XBee PRO
3.3. Mạng cảm biến không dây đƣợc đề xuất cho hệ thống cảnh báo trƣợt đất
Một trong những yêu cầu quan trọng đối với một hệ thống giám sát lở đất là việc phân phối hiệu quả các dữ liệu thu được từ các cảm biến trong thời gian thực. Cấu trúc của hệ thống mạng cảm biến không dây phục vụ cảnh báo trượt đất đề xuất được thể hiện như trong hình 3.13 dưới đây.
Hình 3. 13: Cấu trúc của hệ thống WSN được đề xuất
Cấu trúc hoàn chỉnh của hệ thống mạng cảm biến không dây bao gồm 3 nút cảm biến không dây để đo các thông số môi trường. Mạng cảm biến không dây (WSN) được thiết kế như mô hình một mạng hình sao. Các dữ liệu cảm biến thu thập được tại mỗi nút sẽ được gửi tới cổng vào ra dữ liệu theo chuẩn XBee. Khoảng cách tối đa giữa
các nút cảm biến tới cổng vào ra dữ liệu có thể lên đến 7km với tốc độ truyền dữ liệu không dây là 250kbps. Các dữ liệu nhận được từ cổng vào ra dữ liệu được sao chép và lưu trữ trong một máy chủ cơ sở dữ liệu. Bên cạnh đó, các dữ liệu cũng được xử lý bằng máy tính thông qua chương trình được thiết kế trước đó như trong hình 3.14.
Hình 3. 14: Giao diện phần mềm thu thập, xử lý và lưu trữ dữ liệu
Phần mềm được thiết kế có chức năng thu thập, xử lý, hiển thị trạng thái của mạng và các dữ liệu thu thập được từ mỗi nút cảm biến. Dữ liệu thu thập được từ các cảm biến theo thời gian thực và các kết quả phân tích dữ liệu sau đó được chuyển trực tiếp về máy chủ cơ sở dữ liệu thông qua mạng internet. Dữ liệu tại máy chủ cơ sở dữ liệu được xử lý, lưu trữ và đưa ra những cảnh báo trượt đất nếu cần thiết. Các dịch vụ cảnh báo như dịch vụ tin nhắn ngắn (Short Message Service - SMS) được thực hiện để đưa ra cảnh báo kịp thời về khu vực có khả năng xảy ra trượt đất.
3.4. Cấu trúc phần mềm của hệ thống
Các mạng không dây không đồng nhất như mạng cảm biến không dây, mạng Wifi, mạng vệ tinh và mạng lưới băng thông rộng được ứng dụng trong các hệ thống phát hiện và cảnh báo sớm trượt lở đất. Các kỹ thuật thu thập dữ liệu, xử lý và truyền dẫn trong mỗi mạng là khác nhau và mỗi kỹ thuật trong số đó đòi hỏi những yêu cầu khác nhau để thu được thông tin liên lạc liên tục với độ trễ thời gian tối thiểu. Cấu trúc phần mềm được xây dựng có khả năng đạt được tất cả các yêu cầu trên. Giao diện phần mềm và các khối môđun cho các yêu cầu xử lý khác nhau cho mạng không dây không đồng nhất đã được thiết kế, thực hiện và thử nghiệm trong điều kiện phòng thí nghiệm và dự định được triển khai sớm ở những vị trí có khả năng xảy ra trượt đất.
Các môđun phần mềm của hệ thống được triển khai cho mạng cảm biến không dây bao gồm 3 khối chính [12]:
Khối thu thập dữ liệu: Khối này được phát triển để cung cấp khả năng thu thập dữ liệu từ cả hai loại cảm biến kỹ thuật số và cảm biến tương tự. Khối có chức năng thu thập dữ liệu từ các nút cảm biến đặt sâu dưới lòng đất. Dữ liệu kỹ thuật số đo được từ cảm biến gia tốc được thu lại nhờ các trình điều khiển số. Dữ liệu tương tự được thu lại từ các cảm biến đo độ ẩm đất và cảm biến nhiệt độ.
Khối xử lý dữ liệu: Với các ứng dụng giám sát yêu cầu việc lên kế hoạch các sự kiện và quản lý bộ đệm của mỗi nút cảm biến để tránh mất mát dữ liệu và các sự kiện xảy ra. Khối xử lý dữ liệu là thành phần trung tâm có chức năng xử lý tất cả các dữ liệu đến và đi từ các cảm biến và thu phát các dữ liệu tương ứng trong mạng cảm biến không dây. Khối lập lịch thực hiện 3 chức năng cơ bản sau:
o Lấy mẫu cho cảm biến: khối này được thiết kế để cung cấp một giao tiếp hiệu quả giữa các cảm biến và nút cảm biến không dây gắn liền với nó. Khối có khả năng lấy mẫu và thu thập dữ liệu đo được từ các cảm biến cho người dùng có thể xác định được tỷ lệ lấy mẫu. Sau đó dữ liệu được gửi tới khối quản lý bộ đệm.
o Giám sát trạng thái của mạng và nút cảm biến không dây: khối này được thiết kế và thực hiện việc giám sát tình trạng của mạng và các nút cảm biến trong mạng. Các thông số tình trạng của nút cảm biến cho biết tình trạng năng lượng trong nút cảm biến, năng lượng của pin và một vài thông số cần thiết khác. Chức năng giám sát tình trạng của mạng được sử dụng để xác định các nút cảm biến không còn hoạt động trong mạng bằng cách định kỳ cập nhật địa chỉ mỗi nút mạng. Địa chỉ của các nút mạng sẽ được dùng cho việc định tuyến hiệu quả đường truyền dữ liệu tới các cổng gateway.
o Tiết kiệm năng lượng: khối này được thiết kế để cung cấp một cơ chế tiết kiệm năng lượng cho các nút cảm biến không dây. Khối này thực hiện bằng cách tích hợp các nút cảm biến không dây chuyển trạng thái, như chuyển từ trạng thái “ngủ” sang trạng thái hoạt động khi cần thiết.
Phần mềm máy tính: khối này được thiết kế để thu thập dữ liệu từ các nút cảm biến không dây, sử dụng các thuật toán để phân tích và xử lý, sau đó đưa ra cảnh báo trượt đất nếu cần thiết.
3.4.1. Môi trƣờng phát triển tích hợp cho bo mạch chủ Waspmote
Để lập trình cho bo mạch chủ Waspmote có chứa vi điều khiển atmega328 cần có trình biên dịch môi trường phát triển tích hợp (Integrated Development Environment - IDE) của chính hãng Waspmote cung cấp. Trước hết cần tải trình biên dịch từ địa chỉ http://www.libelium.com/development/waspmote/sdk_applications/
Sau khi tải về hoàn thành, giải nén file tải về vào thư mục được lựa chọn. Thư mục này bao gồm các trình điều khiển cần thiết để hỗ trợ cho cài đặt giao tiếp với USB và bộ chuyển đổi Future Technology Devices International (FTDI). Khi kết nối máy tính với bo mạch chủ Waspmote thông qua đầu nối mini-USB và trình điều khiển hỗ trợ giao tiếp. Giao diện trình biên dịch IDE cho bo mạch chủ Waspmote được minh họa như hình 3.15.
Hình 3. 15: Giao diện trình biên dịch IDE cho bo mạch chủ Waspmote
Phần đầu tiên trên giao diện trình biên dịch là trình đơn cho phép cấu hình các thông số chung như các cổng nối tiếp được lựa chọn.
Phần thứ hai là thẻ bao gồm các nút nhấn cho phép xác nhận, mở, sao lưu hoặc tải mã được lựa chọn lên bo mạch chủ.