6. Bố cục của luận án
3.3 Xây dựng cảm biến quay ánh sáng
Hình 3.3 trình bày sơ đồ của cảm biến quay. Cảm biến sử dụng động cơ bước để quay mắt đo ánh sáng nhằm thu thập cường độ ánh sáng theo nhiều hướng. Một bảng điều khiển được sử dụng để điều khiển động cơ và thu thập dữ liệu cảm biến. Ngoài ra, bộ điều khiển cũng gửi dữ liệu đến hệ thống giám sát dữ liệu.
49
Hình 3.3: Sơ đồ cảm biến quay đa hướng
Nghiên cứu sử dụng mô-đun cảm biến cường độ ánh sáng kỹ thuật số BH1750 [66] để xây dựng hệ thống. Đầu ra từ cảm biến có đơn vị LUX, bằng một lumen trên mét vuông: 1Lux = 1Lm/𝑚2. BH1750 có bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang kỹ thuật số bên trong và bộ tiền xử lý kỹ thuật số, vì vậy nó không yêu cầu thêm bất kỳ mạch tính toán nào. BH1750 truyền dữ liệu bằng giao thức truyền thông I2C.
Bộ phận động cơ bao gồm hai phần: động cơ bước và bảng điều khiển. Nghiên cứu sử dụng một động cơ bước nhỏ gọn, chi phí thấp nhất, 28BYJ-48, hoạt động ở 5V DC. Động cơ 28BYJ- 48 được tích hợp tỷ số truyền 64:1. Động cơ có hai chế độ chạy 64 và 32 bước cho một vòng quay. Nghiên cứu lựa chọn phương án điều khiển động cơ theo 32 bước kết hợp với giảm số, do đó động cơ cung cấp 2048 bước/vòng quay.
Phương trình (3.2) mô tả quan hệ giữa góc quay và số bước của động cơ
α=i*360/2048 (3.2)
Trong đó α là giá trị góc quay và i từ 0 đến 2048 là giá trị bước của động cơ.
Bảng 3.2: Quan hệ giữa số lượng hướng đo cảm biến, góc quay và số lượng bước động cơ
Số lượng hướng đo cảm biến ∆ Số lượng bước
8 45 độ 256
50
32 11.25 độ 64
64 5.625 độ 32
Trong hệ thống này, động cơ gắn vào trung tâm của cấu trúc đế quay như thể hiện trong hình 3.4, trục của động cơ quay xuống dưới và được cố định lại. Động cơ được gắn vào một đầu của ống đế bằng nhựa trong khi mạch driver được gắn vào đầu kia. Một tấm nhựa cứng, kích thước 2 x 10 cm, được dán vào bộ tời của động cơ bước. Mô-đun cảm biến ánh sáng được gắn vào đầu kia của khung. Khi quay động cơ sẽ xoay toàn bộ cấu trúc do đó xoay cảm biến ánh sáng.
Hình 3.4: Khối động cơ bước: a) động cơ bước, b) mạch điều khiển động cơ
Cảm biến sử dụng bo mạch ESP8266 [67] để điều khiển động cơ bước quay theo yêu cầu và thu nhận giá trị đo được tại cảm biến ở các hướng sau đó truyền dữ liệu này lên mạng thông qua đường truyền Wi-Fi. Mô-đun ESP8266 có một chip vi điều khiển chạy trong môi trường Arduino. Mô-đun bộ điều khiển sử dụng thành phần WI-FI tích hợp để giao tiếp với hệ thống giám sát dữ liệu. Trong hướng nghiên cứu này, luận án sử dụng Arduino IDE để lập trình mô-đun bộ điều khiển. Hình 3.5 cho thấy bảng điều khiển được sử dụng trong hệ thống của nghiên cứu. Mạch điều khiển động cơ bước ULN2003 được dùng là mạch đệm công suất giữa vi điều khiển và động cơ bước. Các chân điều
Hình 3.5 Cảm biến quay đa hướng: a) Cảm biến ánh sáng, b) Động cơ bước, c) Mạch điều khiển
51 khiển ULN2003, IN1, IN2, IN3 và IN4, được kết nối với các chân đầu ra của vi điều khiển.
Bên cạnh đó, cảm biến có thể kết nối với các nền tảng IoT phổ biến, chẳng hạn như Ubidots và Thingspeak, để trực quan hóa và phân tích dữ liệu cảm biến từ xa. Bởi vì Mô-đun ESP8266 sử dụng thành phần WI-FI tích hợp để giao tiếp với hệ thống giám sát dữ liệu, trong khi chuẩn WI-FI là giao thức phổ biến với các nền tảng IoT, do đó hệ thống có thể dễ dàng kết nối với bất kỳ nền tảng IoT nào hỗ trợ WI-FI.