Các trạm điều khiển cục bộ thường được đặt rải rác tại các khu vực của từng phân đoạn, ở vị trí khơng xa với q trình kĩ thuật. Các phân đoạn có liên hệ, tương tác với nhau, do đó muốn điều khiển q trình tổng hợp cần có sự điều khiển phối hợp giữa các bộ điều khiển trung tâm. Trong phần lớn trường hợp, các trạm điều khiển trung tâm được nối mạng với nhau và với một hoặc nhiều trạm điều khiển trung tâm
thông qua bus hệ thống. Giải pháp này dẫn đến các hệ thống có cấu trúc điều khiển phân tán, hay được gọi là các hệ điều khiển phân tán.
Ưu thế của cấu trúc điều khiển phân tán không chỉ dừng lại ở độ linh hoạt cao hơn so với cấu trúc tập trung. Hiệu năng cũng như độ tin cậy tổng thể của hệ thống được nâng cao nhờ sự phân tán chức năng xuống các cấp dưới. Việc phân tán chức năng xử lý thông tin và phối hợp điều khiển có sự giám sát từ các trạm vận hành mở ra khả năng ứng dụng mới, tích hợp trọn vẹn trong hệ thống như lập trình cao cấp, điều khiển trình tự, điều khiển theo cơng thức và ghép nối với cấp điều hành sản xuất. [6]
2.4. Kết luận
Dựa trên hai cách xây dựng hệ thống đã nêu ở trên, ta sẽ chọn một trong hai phương án để xây dựng mơ hình hệ thống cho đề tài. Để có thể chọn phương án phù hợp, ta cần nắm giữ được những ưu nhược điểm của cả hai phương pháp trên.
Bảng 2. 1: So sánh hai phương án xây dựng mơ hình hệ thống
So sánh Điều khiển tập trung Điều khiển phân tán
Đặc điểm − Phù hợp trong các hệ thống vừa và nhỏ − Chỉ cần một bộ điều khiển trung tâm − Phù hợp với các hệ thống lớn, phức tạp
− Cần nhiều trạm điều khiển trung tâm và trạm điều khiển khu vực Thời gian
thực hiện 1 chu trình
− Thời gian thực hiện một vòng quét ngắn
− Thời gian thực hiện một vòng quét lớn hơn 10 – 50 lần so điều khiển tập trung.
Khả năng
mở rộng − Vài chục, vài trăm đến vài ngàn I/O
− Từ vài ngàn đến vài chục ngàn I/O, thậm chí hàng triệu I/O Khả năng
hồi tiếp − Khơng có tính năng hồi tiếp
− Có chức năng hồi tiếp, chống gián đoạn đường truyền Lập trình − Tập trung toàn bộ tinh hoa vào
trong một bộ điều khiển chính
− Phân tán chương trình ra cho từng phân đoạn
Ưu thế − Dễ lắp đặt, vận hành
− Tính linh hoạt
− Ổn định, độ tin cậy cao
Nhược điểm
− Công việc nối dây phức tạp
− Việc mở rộng hệ thống gặp khó khăn
− Độ tin cậy kém
− Việc lập trình, quản lý hệ thống phức tạp hơn
Từ sự so sánh trên ta có thể quyết định ngay việc lựa chọn phương án nào phù hợp với đề tài của mình. Đó chính là xây dựng hệ thống theo cấu trúc phân tán. Lý do là vì hệ thống vườn thơng minh yêu cầu thu thập dữ liệu từ rất nhiều nơi trong vườn, thậm chí thu thập dữ liệu tại vài ngàn vị trí trong một diện tích vườn vài hecta. Đó là điều mà hệ thống điều khiển tập trung khơng thể đáp ứng vì chi phí q cao cũng như sự rườm rà khi đi dây. Bên cạnh đó việc xử lý tín hiệu dữ liệu tại nhiều nơi như vậy thì bộ điều khiển trung tâm khơng thể làm được. Trái ngược với những mặt hạn chế của hệ thống điều khiển trung tâm, hệ thống điều khiển phân tán bộ lộ ra những ưu điểm vượt trội. Việc thu thập, xử lý tín hiệu dường như quá sức đối với hệ thống điều khiển tập trung thì lại tỏ ra nhẹ nhàng đối với hệ thống điều khiển phân tán. Bởi vì việc thu thập, xử lý dữ liệu từ cảm biến đã được trạm khu vực thực hiện. Bên cạnh đó nhóm sử dụng mạng khơng dây Lora làm cho việc truyền nhận dữ liệu giữa trạm trung tâm và trạm khu vực trở nên dễ dàng, thuận tiện rất nhiều, cũng như tiết kiệm chi phí. Đồng thời, khi mơ hình hệ thống vườn thơng minh áp dụng cấu trúc điều khiển phân tán thì khả năng mở rộng của hệ thống trở nên rất khả thi thi. Ta chỉ cần lắp đặt thêm trạm điều khiển trung tâm cũng như trạm khu vực ở những khu vực ta cần mở rộng, tiền đề là mơ hình hệ thống sử dụng Lora.
CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH VƯỜN THÔNG MINH PHÂN TÁN TRONG ĐỀ TÀI
3.1. Sơ đồ khối và chức năng của toàn bộ hệ thống
Từ ý tưởng ban đầu, nhóm em đã đưa ra sơ đồ mơ tả tồn bộ hệ thống vườn thơng minh như Hình 3.1 và Hình 3.2 sau: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3. 1: Sơ đồ tồn bộ hệ thống vườn thơng minh
Từ hai sơ đồ trên, ta có thể hình dung được quy trình hoạt động của hệ thống. Đối với đề tài này, thay vì sử dụng dây điện để truyền dẫn tín hiệu như truyền thống hoặc là các phương thức truyền dữ liệu khác, nhóm em sử dụng mạng Lora để truyền nhận dữ liệu từ ESP8266 với Arduino. Lý do là vì Lora có thể truyền dữ liệu với khoảng cách rất xa mà tiêu tốn năng lượng rất thấp. So với Lora thì dùng dây điện để truyền thì tiêu hao năng lượng trên dây dẫn khá lớn, khó truyền khoảng cách xa đối với vi điều khiển. Cũng có nhiều phương thức truyền dữ liệu không dây như ZigBee, Wi-Fi, Bluetooth, … Nhưng so với Lora, các chuẩn truyền thông này không đáp ứng được nhu cầu của đề tài. Vậy thì mạng Lora là gì? Có ưu điểm như thế nào? Chúng ta sẽ cùng tìm hiểu trong mục 3.3.
Trong mơ hình hệ thống này bao gồm 4 bộ phận chính, đó là:
− Trạm điều khiển trung tâm.
− Trạm thu thập dữ liệu khu vực.
− Server.
− Giao diện người dùng (giám sát).
Trạm điều khiển trung tâm bao gồm một vi điều khiển ESP8266 chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu nhận từ trạm thu thập dữ liệu khu vực và gửi lên Server. Đồng thời nhận các tín hiệu điều khiển từ Server về xử lý. Trạm trung tâm truyền và nhận dữ liệu với trạm khu vực thông qua mạng Lora. Các dữ liệu mà ESP8266 nhận về bao gồm nhiệt độ, độ ẩm và trạng thái thiết bị. Bên cạnh việc giao tiếp với trạm khu vực, trạm trung tâm còn giao tiếp, truyền nhận dữ liệu với Server thông qua Internet. Các dữ liệu nhận từ Server là tín hiệu điều khiển, chế độ làm việc được đưa vào từ người dùng.
Trạm thu thập dữ liệu khu vực bao gồm một vi điều khiển Arduino xử lý việc thu thập dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm tại khu vực nhất định, và đồng thời điều khiển trạng thái các thiết bị vận hành. Khi có tín hiệu u cầu dữ liệu từ trạm trung tâm thì trạm khu vực sẽ gửi các dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm đã thu thập được cho trạm trung tâm để xử lý. Ngược lại nếu đó là tín hiệu điều khiển thiết bị thì Arduino sẽ thực hiện điều khiển trạng thái của thiết bị tương ứng với tín hiệu điều khiển.
Server là nơi chứa các dữ liệu mà trạm trung tâm gửi lên, đồng thời cũng là nơi lưu các tín hiệu điều khiển từ người dùng. Nơi lưu dữ liệu ở đây là Database.
Giao diện người dùng là giao diện giám sát, điều khiển thiết bị dành cho người dùng. Trong giao diện giám sát bao gồm các dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm tại vườn cập nhật theo thời gian và các biều đồ biểu diễn các giá trị đó trong một khoảng thời gian nhất
định. Ngồi ra cịn có giao diện điều khiển thiết bị vận hành cho phép người dùng điều khiển các thiết bị bằng tay hoặc tự động tùy theo chế độ được chọn.
Trong phần tiếp theo, việc lựa chọn linh kiện phần cứng trong mơ hình và các giao thức truyền thông kết nối để áp ứng được yêu cầu của điều khiển vườn thơng minh phân tán sẽ được trình bày.
3.2. Tính tốn lựa chọn linh kiện phần cứng
Để có thể xây dựng được một mơ hình hệ thống vườn thơng minh, thì việc tính tốn lựa chọn các linh kiện là việc quan trọng vơ cùng. Với từng trạm, ta có các linh kiện khác nhau, vì vậy trong phần này chúng ta sẽ thực hiện chọn linh kiện cho trạm điều khiển trung tâm và trạm thu thập dữ liệu khu vực.
3.2.1. Phần cứng trạm điều khiển trung tâm
Phần cứng của trạm điều khiển trung tâm gồm 2 linh kiện quan trọng chính đó là:
− Vi điều khiển ESP8266.
− Mạch thu phát sóng RF SPI Lora SX1278 433Mhz Ra-02 Ai-Thinker.
3.2.1.1. Mạch thu phát RF SPI Lora SX1278 433Mhz Ra-02 Ai-Thinker
Hình 3. 3: Mạch thu phát sóng RF SPI Lora SX1278 433Mhz Ra-02 Ai-Thinker [7] Mạch thu phát RF SPI Lora SX1278 433Mhz Ra-02 Ai-Thinker (Hình 3.3) được sản xuất bởi Ai-Thinker sử dụng chip SX1278 của nhà sản xuất SEMTECH chuẩn giao tiếp LORA (Long Range), chuẩn LORA mang đến hai yếu tố quan trọng là tiết kiệm năng lượng và khoảng cách phát siêu xa (Ultimate long range wireless solution). Ngồi ra, nó cịn có khả năng cấu hình để tạo thành mạng truyền nhận nên hiện tại được phát triển và sử dụng rất nhiều trong các nghiên cứu về IoT. [7]
Mạch thu phát RF SPI Lora SX1278 433Mhz Ra-02 Ai-Thinker có thiết kế nhỏ gọn dạng module giúp dễ dàng tích hợp trong các thiết kế mạch, mạch được thiết kế và
đo đạc chuẩn để có thể đạt cơng suất và khoảng cách truyền xa nhất. Ngồi ra mạch cịn có chất lượng kinh kiện và gia cơng tốt nên có độ bền cao và khả năng hoạt động ổn định. [7]
Thơng số kỹ thuật:
• Model: Lora Ra-02 Ai_Thinker. • IC chính: SX1278 đến từ SEMTECH. • LoRaTM spread spectrum communication.
• +20dBm – 10mW. Statble RF output power when input voltage changed. • Half-duplex SPI communication.
• Programable bit rate can reach to 300kbps.
• Support FSK, GFSK, LoRaTM and OOK Modulation Mode. • 127dB RSSI wave range.
• Automatically detect RF signal, CAD mode and super high speed AFC. • With CRC 256 bytes data engine.
• Half hole (castellated hole) SMD package. • With metal shielding case. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
• Pin pitch: 2.0mm. [7] Specifications: • Certification: FCC/CE. • Wireless Standard: 433Mhz. • Frequency range: 420 – 450Mhz. • Port: SPI/GPIO.
• Operating Voltage: 1.8 – 3.7V, default 3.3V. • Working Current:
o Receive: less than 10.8mA (LnaBoost closed, Band 1). o Transmit: less than 120mA (+20dBm).
o Sleep model: 0.2uA.
• Working temperature: -40 - +85 degree. [7]
Bảng 3.2: Chức năng của một số chân của mạch RF:
- ANT Antenna
1, 2 GND GND
3 3.3V 3.3V Power in
4 RESET Reset
5 DIO0 Digital IO0, software setting
6 DIO1 Digital IO1, software setting
7 DIO2 Digital IO2, software setting
8 DIO3 Digital IO3, software setting
9 GND GND
10 DIO4 Digital IO4, software setting
11 DIO5 Digital IO5, software setting
12 SCK SPI Clock input
13 MISO SPI data output
14 MOSI SPI data input
15 NSS SPI Selected-IN
16 GND GND
3.2.1.2. Vi điều khiển ESP8266
ESP8266, hay gọi đầy đủ là ESP8266EX là một vi mạch Wifi giá rẻ, có hỗ trợ bộ giao thức TCP/IP và có thể tích hợp vào thành phần của vi điều khiển, được sản xuất bởi hãng Espressif Systems ở Thượng Hải, Trung Quốc. [8]
Chip ESP8266 lần đầu tiên được các nhà sản xuất phương Tây chú ý vào tháng 8 năm 2014 với module ESP-01 (Hình 3.4), do nhà sản xuất bên thứ ba là Ai-Thinker sản xuất. Module cho phép các vi điều khiển kết nối với mạng Wifi và thực hiện các kết nối TCP/IP đơn giản bằng cách sử dụng các lệnh kiểu Hayes (Tập lệnh AT). [8]
Hình 3. 4: Module ESP-01 [8]
Hình 3. 5: Module thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CH340 [9]
Kit RF thu phát Wifi ESP8266 ModeMCU Lua CH340 (Hình 3.5) là kit phát triển dựa trên nền chip Wifi SoC ESP8266 với thiết kế dễ sử dụng và đặt biệt là có thể sử dụng trực tiếp trình biên dịch của Arduino để lập trình và nạp code, điều này khiến việc sử dụng và lập trình các ứng dụng trên ESP8266 trở nên rất đơn giản.
Kit RF thu phát Wifi ESP8266 ModeMCU Lua CH340 được dùng cho các ứng dụng cần kết nối, thu thập dữ liệu và điều khiển qua sóng Wifi, đặt biệt là các ứng dụng liên quan đến IoT.
Các module EPS8266 như ESP-01, ESP-12, … đều được thiết kế từ chip ESP8266EX. Trong đồ án này, nhóm em sử dụng Module ESP8266-12_E. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
• Tương thích các chuẩn Wifi: 802.11 b/g/n. • Hỗ trợ: Wi-Fi Direct (P2P), soft-AP. • Tích hợp TCP/IP protocol stack.
• Tích hợp TR switch, balun, LNA, power amplifier and matching network. • Tích hợp bộ nhân tần số, ổn áp, DCXO and power managerment units. • +25dBm output power in 802.11b mode.
• Power down leakage current of <10uA.
• Intergrated low power 32-bit CPU could be used as application processor. • SDIO 1.1/2.0, SPI, UART.
• STBC, 1x1 MIMO, 2x1 MIMO.
• A-MPDU & MSDU aggregation & 0.4ms guard interval. • Wake up and transmit packet in <2ms.
• Dịng tiêu thụ ở Standby Mode < 1.0mW (DTIM3). [9]
Các chuẩn giao tiếp và các thơng tin khác:
• SDIO 2.0, SPI, UART.
• Intergrated RF Switch, balun, 24dBm PA, DCXO, and PMU.
• Intergrated RISC processor, onchip memory and external memory interfaces. • Intergrated MAC/baseband processors.
• Quality of Service managerment.
• I2S interface for high fidelity audio applications.
• On-chip low-dropout linear regulators for all internal supplies. • Proprietary spurious-free clock genaration architecture.
• Integrated WEP, TKIP, AES, and WAPI engines. [9]
3.2.2. Phần cứng trạm thu thập dữ liệu khu vực
Phần cứng của trạm khu vực bao gồm các linh kiện chính sau:
− Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 − Cảm biến độ ẩm đất
− Vi điều khiển Arduino
− Mạch thu phát sóng RF SPI Lora SX1278 433Mhz Ra-02 Ai-Thinker.
Hình 3. 6: Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 [10]
Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 (Hình 3.6) là cảm biến rất thơng dụng hiện nay vì chi phí rẻ và rất dễ lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1 dây (giao tiếp digital 1 dây truyền dữ liệu duy nhất). Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp trong cảm biến giúp bạn có được dữ liệu chính xác mà khơng phải qua bất kì tính tốn nào. Tuy nhiên so với cảm biến đời mới hơn là DHT22 thì DHT11 có khoảng đo và độ chính xác kém hơn. [10]
Thơng số kỹ thuật:
• Nguồn: 3->5V
• Dịng sử dụng: 2.5mA (Max khi truyền dữ liệu)
• Khoảng đo nhiệt độ: 0-50˚C (sai số 2˚C)
• Khoảng đo độ ẩm: 20%-90% RH (Sai số 5% RH)
• Tần số lấy mẫu tối đa: 1Hz (1 giây 1 lần)
• Kích thước: 15mm x 12mm x 5.5mm
Sơ đồ kết nối cảm biến với vi điều khiển: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Theo như sơ đồ kết nối cảm biển được thể hiện trong Hình 3.7, có thể thấy chân dữ liệu được kết nối với chân I/O của vi điều khiển và một điện trở kéo lên được sử dụng. Chân dữ liệu này xuất ra giá trị của cả nhiệt độ và độ ẩm dưới dạng dữ liệu nối tiếp.
Hình 3. 7: Sơ đồ kết nối cảm biến DHT11 với vi điều khiển [10]
3.2.2.2. Cảm biến độ ẩm đất
Cảm biến độ ẩm đất Soil Moisture Sensor (Hình 3.8) thường được sử dụng trong các mơ hình tưới nước tự động, vườn thông minh, … cảm biến giúp xác định độ ẩm của đất qua đầu dò và trả về giá trị Analog, Digital qua 2 chân tương ứng để giao tiếp với vi điều khiển để thực hiện vô số các ứng dụng khác nhau.
Hình 3. 8: Cảm biến độ ẩm đất (Soil Moisture Sensor) [11]
Bình thường, đầu ra cảm biến ở mức thấp (đối với đầu ra Digital), khi đất thiếu nước, đầu ra sẽ ở mức cao.
Độ nhạy của cảm biến độ ẩm đất có thể điều chỉnh được (Bằng cách điều chỉnh biến trở màu xanh trên Board mạch).
Phần đầu dò được cắm vào đất để phát hiện độ ẩm, khi độ ẩm của đất đạt được ngưỡng thiết lập, đầu ra D0 sẽ chuyển trạng thái từ mức thấp lên mức cao.
Ngồi ra, đầu ra Analog có thể được kết nối với bộ chuyển đổi ADC, chúng ta có thể nhận được các giá trị chính xác hơn về độ ẩm của đất.