3.4.2. Kỹ thuật MultiCeiverTM của hãng Nordic [19]
Node SurfNet đƣợc phát triển để sử dụng nhƣ một node cảm biến cơng suất thấp, nó chạy theo 3 chế độ khác nhau: ngủ, truyền và chờ. Trong mỗi khoảng thời gian đƣợc đặt trƣớc bởi một bộ đếm thời gian, node bật chế độ hoạt động và thực hiện nhiệm vụ cảm biến, sau đó node chuyển sang chế độ năng lƣợng thấp trong một thời gian ngắn để thực hiện nhiệm vụ cảm biến môi trƣờng. Tiếp theo, node thực hiện các phép đo và lƣu trữ dữ liệu trong bộ đệm TX và truyền chúng. Nếu node nhận ACK từ máy thu, nó sẽ chuyển từ chế độ chờ sang chế độ ngủ. Nếu có lỗi hoặc xung đột xảy ra trong truyền dẫn mạng cảm biến không dây, máy phát không thể nhận ACK từ máy thu khi đó node sẽ truyền lại gói tin sau thời gian trễ cho trƣớc. Cơ chế này đƣợc thiết kế để giảm điện năng tiêu thụ của các node cảm biến, bằng cách này có thể kéo dài tuổi thọ của mạng.
Để ngăn ngừa sự xung đột sóng vơ tuyến khi truyền tải, kỹ thuật MultiCeiver ™ của Nordic Semiconductor đƣợc áp dụng trong các node SurfNet. MultiCeiver
liệu song song với các địa chỉ duy nhất, nhƣ thể hiện trong 3.8. Một luồng dữ liệu là một kênh truyền trong kênh RF vật lý. Mỗi một trong số chúng có địa chỉ vật lý riêng của nó đƣợc cấu hình trong bộ thu phát RF. Tối đa sáu bộ thu phát RF đƣợc cấu hình nhƣ PTX có thể giao tiếp với một máy thu phát RF đƣợc định cấu hình nhƣ PRX. Trong PRX, chỉ có một luồng dữ liệu có thể nhận đƣợc một gói tin tại một thời điểm. Nói cách khác, chỉ sau khi truyền thành cơng một luồng dữ liệu mới có thể bật các đƣờng dẫn dữ liệu khác. Khi nhiều node cảm biến cùng truyền dữ liệu trên các luồng dữ liệu khác nhau, gói tin đầu tiên sẽ đƣợc truyền đến thiết bị nhận, các node cảm biến khác tạm thời trở về trạng thái chờ tuy nhiên khơng nhận đƣợc tín hiệu ACK mà tự động truyền lại gói tin dựa trên địa chỉ ID của các node.
Hình 3.8. Kĩ thuật MultiCeiver ™ trong node SurfNet [19]
Trong hình 3.8, ví dụ nhƣ PRX và PTX 1, chỉ định cùng một địa chỉ vật lý của luồng dữ liệu, để chúng có thể liên lạc với nhau một cách thành cơng với chức năng tự động truyền lại. Địa chỉ của PTX có thể đƣợc cấu hình trong thanh ghi TX_ADDR trong khi cấu hình địa chỉ PRX đƣợc lƣu trữ từ RX_ADDR_P0 đến PX_ADDR_P6, phụ thuộc vào đƣờng dữ liệu sẽ đƣợc sử dụng. Với kỹ thuật
MultiCeiver ™ của Nordic Semiconductor đƣợc áp dụng trong các node SurfNet có cơ chế truyền nhận tƣơng ứng nhƣ hình 3.9.
Hình 3.9. Cơ chế tránh va chạm gói dữ liệu bằng kĩ thuật MultiCeiver ™ .
3.4.3. Thuật toán hoạt động trong kiến trúc phần mềm [19]
Đối với kiến trúc UWASA, khi đƣợc khởi tạo, node sẽ lựa chọn kênh truyền đồng thời kích hoạt mơ-đun thu phát vơ tuyến thực hiện các giao tiếp SPI và khởi động ADC. Sau đó hệ thống thiết lập thời gian chờ, nếu nhƣ thời gian chờ bằng thời gian thực bộ thu phát vô tuyến sẽ thực hiện nhiệm vụ truyền nhận dữ liệu, nếu không, mô-đun thu phát vô tuyến sẽ đƣợc tắt, trở về chế độ chờ nhằm tiết kiệm năng lƣợng. Khi thời gian chờ hết, các cảm biến đƣợc khởi động thu thập dữ liệu theo thời gian thực, đƣa dữ liệu vào bộ đệm và truyền dữ liệu khi mà bộ thu phát vô tuyến đã trong chế độ sẵn sàng truyền.
Hình 3.10. Sơ đồ thuật tốn của node cảm biến theo kiến trúc UWASA.
Trong q trình truyền tín hiệu từ node về trung tâm, node sẽ nhận đƣợc tín hiệu phản hồi từ thiết bị nhận dữ liệu gửi về để đảm bảo tín hiệu đã đƣợc truyền thành công. Trong trƣờng hợp chƣa nhận đƣợc tín hiệu phản hồi, node sẽ tiếp tục truyền lại gói tin và sau một khoảng thời gian hoặc một số lần truyền nhất định nào đó, nếu nhƣ vẫn khơng nhận đƣợc tín hiệu phản hồi, node sẽ kết thúc quá trình truyền và quay trở về chế độ chờ.
Tại trung tâm của mạng cảm biến, các ngƣỡng thông số cảm biến sẽ đƣợc thiết lập, chẳng hạn ngƣỡng thông số về độ ẩm của đất phù hợp với loại cây trồng.
Ban đầu trạm trung tâm sẽ ở chế độ chờ, khi nhận đƣợc tín hiệu từ node cảm biến gửi đến, trung tâm sẽ gửi tín hiệu các thực ACK đến node để thông báo đã nhận đƣợc tín hiệu. Sau khi nhận đƣợc dữ liệu mới, các dữ liệu cũ trong bộ đệm sẽ đƣợc xóa bỏ. Trong trƣờng hợp khơng nhận đƣợc tín hiệu trạm trung tâm duy trì ở trạng thái chờ. Dữ liệu gửi về sẽ đƣợc so sánh với ngƣỡng, nếu dữ liệu ví dụ là độ ẩm đất thu đƣợc lớn hơn ngƣỡng thì trạm quay lại trạng thái chờ, nếu dữ liệu thu đƣợc nhỏ hơn ngƣỡng hệ thống sẽ điều khiển máy bơm thực hiện tƣới nƣớc cho cây trồng. Sơ đồ thuật toán tại node trung tâm đƣợc thể hiện nhƣ hình 3.11.
Kết luận chương 3: Trong chƣơng này, luận văn đã xây dựng kiến trúc phần
cứng, phần mềm cho một mạng cảm biến không dây ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp và nội dung chƣơng tiếp theo sẽ là các kết quả thực nghiệm mà luận văn đã thực hiện.
CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM SỬ DỤNG MẠNG CẢM BIẾN ĐIỀU KHIẾN VAN TƢỚI NƢỚC THEO ĐỘ ẨM CỦA ĐẤT
Sau khi tìm hiểu mạng cảm biến không dây, các đặc điểm, kiến trúc phần cứng, phần mềm, chƣơng này luận văn đƣa ra một giải pháp, một mơ hình cụ thể về ứng dụng mạng cảm biến không dây vào nơng nghiệp chính xác mà tác giả đã tiến hành dựa trên thiết kế mạng cảm biến khơng dây đã trình bày ở chƣơng 3, đồng thời trình bày kết quả thực nghiệm chuẩn hóa cảm biến MS10 đƣợc sử dụng trong luận văn.
Việc nghiên cứu về mạng cảm biến khơng dây và các ứng dụng của nó với mục đích là đƣa vào ứng dụng trong thực tiễn, với ứng dụng trong nơng nghiệp chính xác đến từng hộ gia đình giúp bà con tiếp cận với cơng nghệ mới. Hiện nay ngồi việc đảm bảo độ tin cậy của mạng, vấn đề năng lƣợng cho sự hoạt động và vấn đề kiến trúc có thể dùng chung cho nhiều kịch bản mạng nhƣ đã nghiên cứu và trình bày ở các chƣơng trƣớc, cịn gặp một số khó khăn trong triển khai thực tế đó là vấn đề tiếp cận kĩ thuật của bà con nơng dân, vấn đề chi phí đầu tƣ khi triển khai.
Với sự hạn chế về thời gian, năng lực, và cũng là để giải quyết vấn đề thực tiễn, tác giả sử dụng kịch bản mạng gồm 4 node làm nhiệm vụ thu thập thơng số mơi trƣờng, áp dụng cho diện tích khơng lớn, khoảng 360m2
. Với kịch bản mạng nhƣ vậy sẽ giảm chi phí đầu tƣ ban đầu, hạn chế sự phức tạp về mặt kĩ thuật, mặc dù số lƣợng node không nhiều nhƣng tác giả cho rằng vẫn đảm bảo nhiệm vụ giám sát độ ẩm đất vì thơng số độ ẩm đất là thơng số biến đổi chậm, bên cạnh đó cảm biến độ ẩm đƣợc sử dụng trong mạng là cảm biến có độ tin cậy cao, có khả năng thu thập thơng tin trong diện tích rộng. Mặt khác diện tích 360m2 cũng là diện tích khá phù hợp với quy mơ sản xuất nhỏ của các hộ gia đình nơng dân khu vực miền Bắc.
4.1. Bản thiết kế sơ đồ mạng
Mạng cảm biến không dây giám sát độ ẩm đất trồng cây nông nghiệp với diện tích 360m2
gồm 4 node cảm biến thu thập thông số độ ẩm đất, một trạm xử lý trung tâm, các đƣờng ống dẫn nƣớc phân bố đều trên khu vực canh tác nhƣ hình vẽ
Hình 4.1. Sơ đồ bản thiết kế mạng cảm biến giám sát độ ẩm đất.
Trong mạng cảm biến trên có 04 cảm biến đƣợc bố trí hợp lí để thu nhận đƣợc thông tin theo thời gian thực về độ ẩm của đất tại khu vực đại điện trên tồn bộ diện tích khu vƣờn, thơng số các node thu đƣợc trực tiếp truyền đến node trung tâm thơng qua sóng vơ tuyến. Tại trạm trung tâm, một ngƣỡng độ ẩm đất phù hợp với nhu cầu phát triển của cây đã đƣợc thiết lập, dữ liệu nhận đƣợc từ node sẽ đƣợc so sánh với ngƣỡng. Nếu dữ liệu này lớn hơn ngƣỡng tức là lƣợng nƣớc vẫn đủ duy trì cho cây, trạm trung tâm tiếp tục ở trạng thái chờ nhận dữ liệu từ các node cảm biến mà khơng kích hoạt máy bơm hay các van tƣới.
Vì diện tích canh tác có các khu vực khác nhau nên có khu vực cây cần tƣới nƣớc và có vùng chƣa cần tƣới, do đó mỗi node có một địa chỉ ID riêng. Khi gửi dữ liệu về trạm trung tâm, trạm trung tâm sẽ so sánh và phát hiện nhu cầu tƣới nƣớc của từng vùng dựa trên địa chỉ ID này và chỉ tƣới nƣớc những vùng cần hoặc tƣới cả diện tích canh tác nếu dữ liệu từ 4 node đều cho biết cả 4 khu vực đều thiếu nƣớc. Dữ liệu vẫn liên tục đƣợc thông tin giữa các node với trạm trung tâm ngay cả khi các van đang tƣới nƣớc nên sau khi so sánh, nếu dữ liệu về độ ẩm thu đƣợc vƣợt ngƣỡng cho phép, trạm trung tâm sẽ gửi tín hiệu điều khiển đến các van tƣới tạm dừng cung cấp nƣớc cho cây trồng điều này giúp hạn chế lãng phí nguồn nƣớc
Trạm trung tâm còn đƣợc kết nối với van tự động để điều khiển máy bơm điều chỉnh lƣợng nƣớc trong bể. Máy bơm sử dụng nguồn điện lƣới, đƣợc kết nối với phao tự động gắn với bể chứa nƣớc, có vai trị ln đảm bảo đủ nƣớc trên bể để có thể tƣới khi nào nhận đƣợc tín hiệu yêu cầu, để sử dụng tiết kiệm và hiệu quả nguồn nƣớc bể chứa nƣớc ln đƣợc duy trì ở mức tối thiểu đủ để cung cấp nƣớc cho tồn bộ diện tích canh tác và các van tƣới ở dạng tƣới phun. Thực tế đối với mạng đƣợc trình bày ở đây máy bơm có thể chỉ cần gắn với phao cơ và hoạt động độc lập với mạng, vì nó chỉ cần đảm bảo đủ nƣớc trên bể, tuy nhiên với mong muốn cao hơn là node trung tâm sau này có thể đƣợc kết nối với Internet để theo dõi thông tin về dự báo thời tiết, dự báo về nguồn điện đƣợc cung cấp trong những ngày tiếp theo và quyết định máy bơm có cần hoạt động để bơm hay không, chẳng hạn trong những ngày tiếp theo là trời mƣa thì khơng cần bơm nƣớc lên bể nữa, hay trong ngày tiếp theo sẽ mất điện thì nó sẽ tự động bơm nƣớc dự trữ.
Các node cảm biến và node trung tâm đƣợc sử dụng năng lƣợng dự trữ là pin và năng lƣợng mặt trời đảm bảo luôn hoạt động đƣợc trong nhiều điều kiện khác nhau.
Vịi phun đƣợc bố trí ở các nhánh trên khắp khu vƣờn đảm bảo cung cấp đủ nƣớc cho một diện tích đƣợc thiết kế định sẵn xung quanh nó.
Để điều khiển hoạt động của mạng, từ thuật tốn đã trình bày ở trên, tác giả xây thƣ viện các hàm sử dụng trong truyền nhận vơ tuyến, mã nguồn chƣơng trình thu thập số liệu ở node cảm biến, mã nguồn chƣơng trình xử lý điều khiển máy bơm đính kèm ở phần phụ lục.
4.2. Phần cứng trong node cảm biến
Nhƣ đã trình bày, node cảm biến là thành phần có nhiệm vụ thu nhận thơng tin về độ ẩm đất và truyền dữ liệu về trạm trung tâm, nhằm mang đến sự tin cậy về thông số độ ẩm đất thu nhận đƣợc, tác giả lựa chọn cảm biến độ ẩm đất MS10 với những ƣu điểm nổi bật hơn so với các cảm biến đang có mặt trên thị trƣờng, bộ truyền sóng vơ tuyến nRF24L01 đã đƣợc trình bày ở các phần trƣớc và bộ xử lý
trung tâm sử dụng Atmega8. Thành phần của node cảm biến thu thập dữ liệu đƣợc thể hiện thông qua sơ đồ mạch điện, và đƣợc tác giả lắp ráp thực tế nhƣ sau:
Bản vẽ dạng 2D
Bản vẽ dạng 3D
Hình ảnh thực tế
4.3. Phần cứng trong trạm trung tâm
Diễn giải phần cứng trong bộ xử lý trung tâm gồm bộ truyền sóng vơ tuyến nRF24L01 đã giới thiệu ở các phần trƣớc, và bộ xử lý trung tâm là Atmega128 để điều khiển van tự động. Sơ đồ mạch điện, bản vẽ của mạch và hình ảnh thực tế của trạm trung tâm đƣợc thể hiện ở các hình sau:
Bản vẽ dạng 2D Bản vẽ dạng 3D
Hình ảnh thực tế
4.4. Thực nghiệm chuẩn hóa cảm biến đo độ ẩm đất
4.4.1. Giới thiệu cảm biến độ ẩm đất
Độ ẩm đất trung bình là điều kiện quan trọng đối với sự phát triển của cây, quá nhiều nƣớc hoặc thiếu nƣớc có thể sẽ gây ra nhiều ảnh hƣởng đến cây trồng nhƣ hình thái cây, lá, sự phát triển của rễ, quá trình quang hợp và tổng hợp chất hữu cơ. Để xác định độ ẩm đất cho cây từ đó điều chỉnh lƣợng nƣớc cần thiết phù hợp với loại cây trồng. Hiện nay có nhiều loại cảm biến độ ẩm trong đất đƣợc sử dụng, với nguyên lý cảm biến khác nhau, có thể kể đến nhƣ các loại sau:
- Cảm biến đo độ ẩm trong đất (loại 2 chân)
Đây là loại cảm biến đơn giản nhất để đo độ ẩm tƣơng đối của đất trồng cây. Nguyên tắc đo độ ẩm đất của cảm biến dựa theo nguyên lý thay đổi tổng trở trên 2 que kim loại. Khi cắm hai chân của cảm biến vào đất nó sẽ hấp thụ hơi nƣớc có trong đất làm biến đổi tính chất của thành phần cảm nhận trong cảm biến, tức là làm thay đổi điện trở của cảm biến, đối với đất ẩm điện trở sẽ nhỏ, khi đất khô điện trở sẽ lớn.
Hình 4.6. Cảm biến độ ẩm trong đất.
Mạch cảm biến độ ẩm của đất sử dụng loại cảm biến này hoạt động bằng cách so sánh độ ẩm từ phần nằm dƣới mặt đất với giá trị định trƣớc (giá trị này thay đổi đƣợc thông qua 1 biến trở) từ đó phát ra tín hiệu đóng /ngắt rơ le qua chân D0.
Ƣu điểm của loại cảm biến độ ẩm đất này là dễ dàng phát hiện ra sự khác biệt giữa độ ẩm của môi trƣờng đất nơi cảm biến tiếp xúc để thông báo cho ngƣời
quản lý, hoặc đƣợc lập trình tự động đóng ngắt rơle để máy bơm hoạt động tƣới nƣớc khi đất khô, ngắt máy khi đất đủ độ ẩm.
- Cảm biến HS1101 [15]
Cảm biến HS1101 là cảm biến điện dung: Khi độ ẩm của môi trƣờng thay đổi, điện dung bộ phận cảm biến của HS1101 thay đổi. Do vậy, để đo đƣợc độ ẩm ngƣời ta thiết kế mạch đo điện dung của HS1101. Trong thực tế, ngƣời ta thƣờng ghép nối HS1101 và IC NE555. Khi đó giá trị điện dung của HS1101 thay đổi thì làm thay đổi tần số đầu ra của IC555. Nhƣ vậy chỉ cần đo tần số đầu ra là có thể đo đƣợc điện dung của HS1101. Ngồi ra nó cịn dùng kết hợp với cảm biến DS18B20 dùng đo nhiệt độ, chính vì vậy cảm biến HS1101 đƣợc sử dụng khá phổ biến trong cuộc sống. Thông số kĩ thuật Điện áp hoạt động: 5-10 V DC Dải đo độ ẩm: 1 đến 100% Sai số độ ẩm: ± 2% Nhiệt độ hoạt động: -40 đến 100oC Hình 4.7. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm HS1101.
- Cảm biến đo độ ẩm đất MS10 [16]: Cảm biến MS10 là sản phẩm của công ty Cơng nghệ Đại Liên Endeavour, MS10 có độ nhạy và độ chính xác cao, đây là một cơng cụ quan trọng để nghiên cứu độ ẩm đất bằng cách đo trực tiếp hằng số điện mơi của đất từ đó xác định độ ẩm của đất.
Hình 4.8. Cảm biến độ ẩm đất MS10 [16].
Nguyên lý đo độ ẩm đất bằng cảm biến MS10 dựa vào việc xem xét độ dẫn