Hình 3. 8: Cảm biến độ ẩm đất
Đây là loại cảm biến chuyên dùng để đo lường độ ẩm của đất theo nguyên lí thay đổi tổng trở trên hai que kim loại. Khi sử dụng trong mơi trường đất ẩm nhiều nước, nĩ sẽ dẫn điện một cách dễ dàng hơn (tổng trở thấp) và ngược lại trong mơi trường đất khơ, tổng trở sẽ lên rất cao.
Thơng số kỹ thuật:
- Điện áp hoạt động: 3.3- 5V - Kích thước PCB: 3cm x 1.6cm
- Led đỏ báo nguồn vào, Led xanh báo độ ẩm - IC so sánh: LM393
Chân giao tiếp:
- VCC: 5V - GND: 0 V
- DO: Đầu ra là tín hiệu số ( 0 và 1)
- AO: Đầu ra là tín hiệu tương tự Analog (ở trong mạch thiêt kế sử dụng chân AO để đọc và gửi tín hiệu về trung tâm với kết nối A1 ở vi xử lí)
Nguyên lí hoạt động của cảm biến:
Khi module cảm biến phát hiện độ ẩm, khi đĩ sẽ cĩ sự thay đổi điện áp ngay tại đầu vào của IC LM393. IC này nhận biết cĩ sự thay đổi sẽ đưa ra một tín hiệu
0V để báo hiệu .Ở chân Analog outputA0 của vi xử lý nối trự tiếp với mạch phân áp của cảm biến mà khơng qua mạch so sánh , đưa trực tiếp tín hiệu điện áp tới đầu ra AO.
3.4.5. Module Camera VC0706
Module camera VC0706 là một module chụp ảnh nhanh hoặc là máy quay video, được thiết kế cho mục đích giám sát. Module cĩ thể liên tục phát video cĩ độ phân giải TV (định dạng đơn sắc NTSC) và cũng nhận lệnh từ chân kết nối của cổng truyền thơng nối tiếp, từ đĩ MCU (vi xử lý) cĩ thể yêu cầu module dừng video và sau đĩ tải xuống ảnh màu JPEG. Vì vậy, thơng thường ứng dụng của module là hiển thị video trên màn hình, khi phát hiện chuyển động nĩ sẽ chụp ảnh và lưu trữ trên bộ nhớ ngồi để người dùng cĩ thể xử lý [6].
Module này khơng cĩ độ phân giải cực cao, định dạng hình ảnh đầu ra theo tiêu chuẩn JPEG, kích thước hình ảnh tối đa cĩ thể chụp là 640x480 pixel. Hình ảnh chụp từ camera sẽ bị thay đổi màu sắc thì gặp ánh sáng hồng ngoại, vì thế module phù hợp nhất để thực hiện việc giám sát hơn việc chụp ảnh chuyên nghiệp, nên nhĩm đồ án đã quyết định sử dụng module camera này.
Hình 3. 9: Module Camera VC0706 [6] Các thơng số cơ bản [6]:
- Kích thước module: 32mm x 32mm - Cảm biến hình ảnh: CMOS 1/4 inch - Kích thước mỗi pixel: 5.6um*5.6um - Định dạng đầu ra: Chuẩn JPEG/M-JPEG - SNR: 45DB
- Tốc độ khung hình: 640*480 30 khung hình/s - Chế độ quét: liên tục
- Gĩc nhìn: 60 độ
- Khoảng cách giám sát: 10 m, tối đa 15m (cĩ thể điều chỉnh)
- Kích thước hình ảnh: VGA (640*480), QVGA (320*240), QQVGA (160*120)
- Tốc độ truyền: mặc định 38400 - Dịng định danh: 75mA
- Điện áp hoạt động: DC +5V
- Chuẩn truyền thơng: 3.3V TTL (Three wire TX, RX, GND)
Sơ đồ chân
Hình 3. 10: Sơ đồ module VC0706 [16] Chức năng chân:
TT chân Tên chân Chức năng
1 GND Đất
2 RX Nhận dữ liệu qua truyền thơng UART 3 TX Gửi dữ liệu qua truyền thơng UART
4 5V Nguồn
5 CVBS Kết nối video
Bảng 3. 2: Chức năng chân VC0706 [16]
Chuẩn truyền thơng của Camera
Vc0706 sử dụng giao tiếp UART và UART tốc độ cao dựa trên thiết kế giao tiếp chuẩn UART. Nĩ cĩ thể được kết nối với các cổng giao tiếp nối tiếp của một máy tính cá nhân hoặc một MCU ngồi. VC0706 hỗ trợ RXD và TXD, sử dụng giao thức truyền thơng nối tiếp, chúng ta cĩ thể lấy thơng tin VC0706 hoặc điều khiển nĩ, chẳng hạn như chụp ảnh, đọc ảnh…
Định dạng giao thức truyền thơng của camera như sau: Định dạng lệnh nhận dữ liệu:
- Dấu hiệu giao thức (1 byte) + Số seri (1 byte) + Lệnh (1 byte) + Độ dài dữ liệu (1 byte)+ Dữ liệu (0 ~ 16bytes)
Lệnh trả về:
- Dấu hiệu giao thức (1 byte) + Số seri (1 byte) + Lệnh (0 ~ 16bytes) + Trạng thái (1byte) + Độ dài dữ liệu (1 byte) + Dữ liệu (0 ~ 16bytes)
Trong đĩ:
- Dấu hiệu giao thức: nĩ đánh dấu rằng VC0706 sử dụng giao thức truyền thơng nối tiếp, ký hiệu nhận được là 0x56 ('V'), dấu hiệu trả về là 0x76 ('v'). - Số seri: nĩ định danh một thiết bị khi cĩ nhiều thiết bị trong truyền thơng
cùng một lúc, giá trị của dãy byte này từ 0 đến 255. - Lệnh: nĩ đánh dấu một lệnh đặc biệt.
- Độ dài dữ liệu: nĩ cho thấy độ dài dữ liệu đằng sau chính nĩ, khơng bao gồm dấu hiệu giao thức, số seri, lệnh, chiều dài dữ liệu.
- Dữ liệu: được sử dụng trong các lệnh, mỗi lệnh cĩ độ dài và định dạng dữ liệu khác nhau, từ 0 đến 16 byte.
- Trạng thái: byte này cho biết lệnh receive đúng hay sai, 0 là đúng, một số khác sai.
Tên lệnh Byte Lệnh Chức năng
READ_FBUF 0x32 Đọc thanh ghi đệm
GET_FBUF_LEN 0x34 Nhận độ dài ảnh từ bộ đệm khung FBUF_CTRL 0x36 Điều khiển thanh ghi đệm
VC0706 sử dụng nhiều câu lệnh tuy nhiên trong phạm vi đồ án nhĩm thực hiện chỉ tìm hiểu nhưng lệnh liên quan đến việc nhận ảnh từ camera về MCU (vi xử lý).
Đọc hình ảnh từ VC0706
- Gửi lệnh FBUF_CTRL để ngừng cập nhật khung hiện tại, tham số là 0x00.
- Gửi lệnh GET_FBUF_LEN để nhận độ dài hình ảnh trong FBUF.
- Gửi READ_FBUF để đọc dữ liệu hình ảnh, các tham số như sau trong lệnh READ_FBUF.
- Chế độ điều khiển là 0x0F - Địa chỉ bắt đầu là 0x00
- Dùng lệnh GET_FBUF_LEN để nhận dữ liệu hình ảnh.
- Thời gian trễ được sử dụng để kéo dài thời gian giữa dữ liệu hình ảnh và lệnh trả lại, giá trị mặc định là 3000.
Sau khi gửi lệnh READ_FBUF, chờ phản hồi từ bộ đệm, nếu thực hiện đúng, nhận dữ liệu hình ảnh từ VC0706. Khi gửi dữ liệu đã hồn thành, VC0706 sẽ gửi lệnh trả về thứ hai đến MCU bên ngồi.
Sau khi tất cả đã kết thúc, chúng ta cần phải gửi lệnh FBUF_CTRL để tiếp tục khung, tham số là 0x02. 3.5. Thiết kế nút mạng cảm biến 3.5.1. Cấu trúc nút mạng Hình 3. 11: Cấu trúc nút mạng cảm biến Thành phần nút mạng cảm biến Thiết bị cảm biến gồm:
Vi điều khiển Arduino Nano Module nRF24L01+PA
Cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm mơi trường DHT22 Module camera VC0706
Lập trình cho vi điều khiển trên Arduino IDE
Cấu trúc mỗi nút mạng gồm cĩ mạch biến đổi nguồn điện, mạch xử lý dữ liệu, các cảm biến đo thơng số mơi trường, camera chụp ảnh, bộ cơ cấu chấp hành và thiết bị thu phát sĩng RF. Trong mạch nút mạng này sử dụng module thu phát nRF24L01 và camera VC0706 cĩ sẵn, cịn mạch xử lý dữ liệu và mạch biến đổi nguồn điện được thiết kế trên Altium. Cảm biến trong nút mạng gồm cĩ cảm biến nhiệt độ và độ ẩm của đất, cảm biến nhiệt độ mơi trường.
Các tiêu chí để đánh giá mạch nút mạng đĩ là:
- Độ ổn định, chính xác: Cảm biến đọc ra các thơng số chính xác với sai số trong mức cho phép, thiết bị phu phát sĩng cĩ thể truyền và nhận các dữ liệu khi mạch xử lý cĩ tín hiệu điểu khiển.
- Độ bền: Nút mạng đặt ở ngồi mơi trường và đo các thơng số một cách liên tục trong nhiều điều kiện thời tiết vì thế cần cĩ độ bền cao, hoạt động được lâu mà vẫn giữ được tính ổn định và độ bền.
- Giá thành trung bình: Cĩ nhiều linh kiện cĩ thể phù hợp sử dụng trong nút mạng này tuy nhiên nên chọn các linh kiện đáp ứng đủ chức năng của mạch nhưng giá thành phù hợp.
- Thẩm mỹ: Sản phẩm cần cĩ kích thước nhỏ gọn, sử dụng được ở mơi trường ngồi.
3.5.2. Mạch nút cảm biến a. Khối nguồn
Khối nguồn trong mạch cĩ nhiệm vụ 2 nhiệm vụ:
- Cung cấp nguồn 5V cho Arduino Nano, cảm biến độ ẩm, nhiệt độ khơng khí DHT22, cảm biến độ ẩm đất TH-50K.
Hình 3. 12: Mạch nguyên lý khối nguồn
- Chuyển đổi từ 5V về 3,3V bằng IC nguồn AMS1117-3.3V cung cấp cho Camera VC0706 và module thu phát RF nRF24L01.
b. Khối xử lý
Khối xử lý trong mạch sử dụng vi điều khiển Arduino Nano là dịng vi điều khiển Atmega328 đề giao tiếp giữa cảm biến, camera, bộ cơ cấu chấp hành và module thu phát sĩng RF. Khối xử lý cĩ 2 nhiệm vụ chính:
- Đọc dữ liệu từ cảm biến và dữ liệu hình ảnh chụp từ camera và truyền về trung tâm qua module thu phát sĩng RF.
- Nhận tín hiệu điều khiển từ trung tâm qua module sĩng RF, tín hiệu điều khiển cĩ thể là tín hiệu ra lệnh chụp ảnh hoặc điều khiển hoạt động bộ cơ cấu chấp hành.
c. Khối thu phát
Mạch thu phát ở đây sử dụng module nRF24L01 giao tiếp với khối xử lý thơng qua chuẩn giao tiếp SPI vì vậy sơ đồ kết nối ta cĩ thể xem trong hình dưới. Chuẩn truyền thơng này cĩ 5 đường giao tiếp chuẩn là SCK (Serial Clock), MISO (Master Input Slave Output), MOSI(Master Output Slave Input), CE (Chip Enable), CS (Chip Select) lần lượt kết nối với các chân D13, D11, D12, D9, D10 trong Arduino Nano. Từ đĩ ta cĩ thể điều khiển mạch phát hoặc nhận dữ liệu qua khối xử lý bằng code.
d. Kết quả thiết kế
Sơ đồ nguyên lý của mạch
Hình 3. 15: Sơ đồ nguyên lý tồn mạch
Sơ đồ layout mạch trên phần mềm vẽ mạch altium:
Hình ảnh một nút mạng cảm biến sau khi hồn thành và được đĩng trong hộp kín, các cảm biến và anten của module nRF24L01 được đặt ở ngồi để thực hiện việc đo đạc, chụp ảnh, gửi – nhận dữ liệu.
Hình 3. 17: Mạch nút mạng cảm biến khi hồn thành 3.5.2. Cách thức nhận dữ liệu từ cảm biến
MCU thiết lập chân DATA là Output, kéo chân DATA xuống mức 0 trong khoảngthời gian >18ms. Khi đĩ DHT22 sẽ hiểu MCU muốn đo giá trị nhiệt độ và độẩm.MCU đưa chân DATA lên mức 1, sau đĩ thiết lập lại là chân đầu vào.Sau khoảng 20-40us, DHT22 sẽ kéo chân DATA xuống thấp. Nếu >40us mà chân DATA khơng được kéo xuống thấp nghĩa là ko giao tiếp được với DHT22. Khi đã giao tiếp được, chân DATA sẽ ở mức thấp80us sau đĩ nĩ được DHT22 kéo nên cao trong 80us. Nếu tín hiệu đo được DHT22lên cao, khi đĩ hồn thiện quá trình giao tiếp củaMCU với DHT.
DHT11 sẽ trả giá trị nhiệt độ và độ ẩm về dưới dạng 5 byte. Trong đĩ: 8 bit dữ liệu phần nguyênđộ ẩm RH(byte1) 8 bit dữ liệu phần thập phânđộ ẩm RH(byte2) 8 bit dữ liệu phần nguyên nhiệt độ T (byte3) 8 bit dữ liệu phần thập phân nhiệt độ T (byte4) 8bit kiểm tra tổng (byte 5) Nếu Byte 5 = (8 bit) (Byte1 +Byte2 +Byte3 + Byte4) thì giá trị độ ẩm và nhiệt độ là chính xác, nếu sai thì kết quả đo khơng cĩ nghĩa.