- Điện áp hoạt động: 3.3V-5V - Kích thước PCB: 3cm * 1.6cm
32
- Led đỏ báo nguồn vào, Led xanh báo độ ẩm. - IC so sánh : LM393
- VCC: 3.3V-5V - GND: 0V
- DO: Đầu ra tín hiệu số (0 và 1)
- AO: Đầu ra Analog (Tín hiệu tương tự)
- Cảm biến độ ẩm đất rất nhạy với độ ẩm môi trường xung quanh, thường được sử dụng để phát hiện độ ẩm của đất.
- Khi độ ẩm đất vượt quá giá trị được thiết lập, ngõ ra của module D0 ở mức giá trị là 0V.
- Ngõ ra D0 có thể được kết nối trực tiếp với vi điều khiển như (Arduino, PIC, AVR), để phát hiện cao và thấp, và do đó để phát hiện độ ẩm của đất.
- Đầu ra Analog AO có thể được kết nối với bộ chuyển đổi ADC, bạn có thể nhận được các giá trị chính xác hơn độ ẩm của đất.[3]
2.5.3 Cảm Biến Khí Gas 2.5.3.1 Giới thiệu
MQ2 là cảm biến khí, dùng để phát hiện các khí có thể gây cháy. Nó được cấu tạo từ chất bán dẫn SnO2. Chất này có độ nhạy cảm thấp với khơng khí sạch. Nhưng khi trong mơi trường có chất gây cháy, độ dẫn của nó thay đổi ngay. Chính nhờ đặc điểm này người ta thêm vào mạch đơn giản để biến đổi từ độ nhạy này sang điện áp.
Khi môi trường sạch điện áp đầu ra của cảm biến thấp, giá trị điện áp đầu ra càng tăng khi nồng độ khí gây cháy xung quanh MQ2 càng cao.
MQ2 hoạt động rất tốt trong mơi trường khí hóa lỏng LPG, H2, và các chất khí gây cháy khác. Nó được sử dụng rộng rãi trong cơng nghiệp và dân dụng do mạch đơn giản và chi phí thấp.
33 Hình 2.19: Sơ đồ chân MQ2 2.5.3.2 Nguyên lý hoạt động Trong đó: - Chân 1,3 là A - Chân 2,5 là B - Chân 4,6 là C Sơ đồ mắc MQ2 Hình 2.20: Sơ đồ mắc MQ2
34
- Aout: điện áp ra tương tự. Nó chạy từ 0.3à4.5V, phụ thuộc vào nồng độ khí xung quang MQ2.
- Dout: điện áp ra số, giá trị 0,1 phụ thuộc vào điện áp tham chiếu và nồng độ khí mà MQ2 đo được.
- Việc có chân ra số Dout rất tiện cho ta mắc các ứng dụng đơn giản, khơng cần đến vi điều khiển. Khi đó ta ch cần ch nh giá trị biến trở tới giá trị nồng độ ta muốn cảnh báo. Khi nồng độ MQ2 đo được thấp hơn mức cho phép thì Dout = 1. Đèn Led tắt. Khi nồng độ khí đo được lớn hơn nồng khí cho phép, Dout = 0, đèn led sáng.
- Ta có thể ghép nối vào mạch Realy để điều khiển bật tắt đèn, còi, hoặc thiết bị cảnh báo khác.
Một điều khó khăn khi làm việc với MQ2 là chúng ta khó có thể quy từ điện áp Aout về giá trị nồng độ ppm. Rồi từ đó hiển thị và cảnh báo theo ppm. Do giá trị điện áp trả về từng loại khí khác nhau, lại bị ảnh hưởng nhiệt độ, độ ẩm nữa.Trong thiết bị của mình, để xác định điểm cảnh báo mình làm khá thủ cơng.
2.5.4 Cảm biến chuyển động Pir 2.5.4.1 Giới thiệu 2.5.4.1 Giới thiệu
PRI là chữ viết tắt của Passive InfraRed sensor (PIR sensor), tức là bộ cảm biến thụ động dùng nguồn kích thích là tia hồng ngoại. Tia hồng ngoại (IR) chính là các tia nhiệt phát ra từ các vật thể nóng. Trong các cơ thể sống, trong chúng ta ln có thân nhiệt (thơng thường là ở 37 độ C), và từ cơ thể chúng ta sẽ ln phát ra các tia nhiệt, hay cịn gọi là các tia hồng ngoại, người ta sẽ dùng một tế bào điện để chuyển đổi tia nhiệt ra dạng tín hiệu điện và nhờ đó mà có thể làm ra cảm biến phát hiện các vật thể nóng đang chuyển động. Cảm biến này gọi là thụ động vì nó khơng dùng nguồn nhiệt tự phát (làm nguồn tích cực, hay chủ động) mà ch phụ thuộc vào các nguồn tha nhiệt, đó là thân nhiệt của các thực thể khác, như con người con vật…
35
Hình 2.21: Hình ảnh PIR
2.5.4.2 Nguyên Lý Làm Việc
Các nguồn nhiệt (với người và con vật là nguồn thân nhiệt) đều phát ra tia hồng ngoại, qua kính Fresnel, qua kích lọc lấy tia hồng ngoại, nó được cho tiêu thụ trên 2 cảm biến hồng ngoại gắn trong đầu dò, và tạo ra điện áp được khuếch đại với transistor FET. Khi có một vật nóng đi ngang qua, từ 2 cảm biến này sẽ cho xuất hiện 2 tín hiệu và tín hiệu này sẽ được khuếch đại để có biên độ đủ cao và đưa vào mạch so áp để tác động vào một thiết bị điều khiển hay báo động.
36
Hình 2.22: Bộ cảm biến dò ngang và nguyên lý phát hiện nguồn nhiệt
2.5.5 Cảm biến nhiệt độ độ â m 2.5.5.1 Giới Thiệu 2.5.5.1 Giới Thiệu
Hình 2.23: Cảm biến độ ẩm DHT11
- DHT11 có cấu tạo 4 chân như hình. Nó sử dụng giao tiếp số theo chuẩn 1 dây. - Thông số kỹ thuật:
+ Do độ ẩm: 20%-95% + Nhiệt độ: 0-50ºC + Sai số độ ẩm ±5% + Sai số nhiệt độ: ±2ºC[4]
37
2.5.5.2 Nguyên Lý Hoạt Động
Hình 2.24: Sơ đồ chân
Để có thể giao tiếp với DHT11 theo chuẩn 1 chân vi xử lý thực hiện theo 2 bước: - Gửi tin hiệu muốn đo (Start) tới DHT11, sau đó DHT11 xác nhận lại.
- Khi đã giao tiếp được với DHT11, Cảm biến sẽ gửi lại 5 byte dữ liệu và nhiệt độ đo được.
38
+ MCU thiết lập chân DATA là Output, kéo chân DATA xuống 0 trong khoảng thời gian >18ms. Trong Code mình để 25ms. Khi đó DHT11 sẽ hiểu MCU muốn đo giá trị nhiệt độ và độ ẩm.
+ MCU đưa chân DATA lên 1, sau đó thiết lập lại là chân đầu vào.
+ Sau khoảng 20-40us, DHT11 sẽ kéo chân DATA xuống thấp. Nếu >40us mà chân DATA ko được kéo xuống thấp nghĩa là ko giao tiếp được với DHT11.
+ Chân DATA sẽ ở mức thấp 80us sau đó nó được DHT11 kéo nên cao trong 80us. Bằng việc giám sát chân DATA, MCU có thể biết được có giao tiếp được với DHT11 ko. Nếu tín hiệu đo được DHT11 lên cao, khi đó hồn thiện q trình giao tiếp của MCU với DHT.
- Bước 2: đọc giá trị trên DHT11
+ DHT11 sẽ trả giá trị nhiệt độ và độ ẩm về dưới dạng 5 byte. Trong đó: Byte 1: giá trị phần nguyên của độ ẩm (RH%)
Byte 2: giá trị phần thập phân của độ ẩm (RH%) Byte 3: giá trị phần nguyên của nhiệt độ (TC) Byte 4 : giá trị phần thập phân của nhiệt độ (TC) Byte 5 : kiểm tra tổng.
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 có nghĩa. o Đọc dữ liệu:
Sau khi giao tiếp được với DHT11, DHT11 sẽ gửi liên tiếp 40 bit 0 hoặc 1 về MCU, tương ứng chia thành 5 byte kết quả của Nhiệt độ và độ ẩm.
39 Bit 1:
Sau khi tín hiệu được đưa về 0, ta đợi chân DATA của MCU được DHT11 kéo lên 1. Nếu chân DATA là 1 trong khoảng 26-28 us thì là 0, cịn nếu tồn tại 70us là 1. Do đó trong lập trình ta bắt sườn lên của chân DATA, sau đó delay 50us. Nếu giá trị đo được là 0 thì ta đọc được bit 0, nếu giá trị đo được là 1 thì giá trị đo được là 1. Cứ như thế ta đọc các bit tiếp theo. (Whittaker, 2021)
2.5.6 Cảm Biến Thẻ Từ RFID 2.5.6.1 Giới thiệu 2.5.6.1 Giới thiệu
Module RFID RC522 sử dụng IC MFRC522 của Phillip dùng để đọc và ghi dữ liệu cho thẻ NFC tần số 13.56mhz.
RFID (Radio Frequency Identification) là công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vơ tuyến. Cơng nghệ này cho phép nhận biết các đối tượng thông qua hệ thống thu phát sóng radio, từ đó có thể giám sát, quản lý hoặc lưu vết từng đối tượng. Một hệ thống RFID thường bao gồm 2 thành phần chính là thẻ tag (chip RFID chứa thông tin) và đầu đọc (reader) đọc các thông tin trên chip. (Gus, 2021)
2.5.6.2 Thông số kỹ thuật Module RFID RC522 13.56MHz
Datasheet: Module RFID RC522 13.56MHz Điện áp: 3.3V
40 Dòng điện:13-26mA
Tần số hoạt động: 13.56MHz
Khoảng cách hoạt động: 0 ~ 60 mm Cổng giao tiếp: SPI, tốc độ tối đa 10Мbps Kích thước: 40мм х 60мм
Có khả năng đọc và ghi Sơ Đồ chân cảm biến thẻ từ RFID 522
Hình 2.25: Sơ đồ chân cảm biến thẻ từ RFID 522
2.5.7 Cảm Biến Khoảng Cách HC-SR04 2.5.7.1 Giới thiệu 2.5.7.1 Giới thiệu
Cảm biến khoảng cách siêu âm HC-SR04 được sử dụng rất phổ biến để xác định khoảng cách vì RẺ và CHÍNH XÁC. Cảm biến sử dụng sóng siêu âm và có thể đo khoảng cách trong khoảng từ 2 -> 300 cm, với độ chính xác gần như ch phụ thuộc vào cách lập trình.
41
Bảng 2.2: Thơng số kỹ thuật cảm biến siêu âm
2.5.7.2 Nguyên lý hoạt động
Để đo khoảng cách, ta sẽ phát 1 xung rất ngắn (5 microSeconds - ú) từ chân Trig. Sau đó, cảm biến sẽ tạo ra 1 xung HIGH ở chân Echo cho đến khi nhận lại được sóng phản xạ ở pin này. Chiều rộng của xung sẽ bằng với thời gian sóng siêu âm được phát từ cảm biển và quay trở lại.
Tốc độ của âm thanh trong khơng khí là 340 m/s (hằng số vật lý), tương đương với 29,412 microSeconds/cm (106 / (340*100)). Khi đã tính được thời gian, ta sẽ chia cho 29,412 để nhận được khoảng cách.
42
Hình 2.27: Biểu đồ thời gian của SRF05
2.5.8 Cảm biến hồng ngoại 2.5.8.1 Giới thiệu 2.5.8.1 Giới thiệu
Cảm biến hồng ngoại hay có tên Tiếng Anh là IR Sensor (Infrared Sensor) được sử dụng trong cuộc sống hàng ngày và cả trong các ngành công nghiệp với các mục đích khác nhau.
43
2.5.8.2 Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại tương tự như cảm biến phát hiện vật thể. Cảm biến này bao gồm một đèn LED hồng ngoại (IR LED) và một điốt quang hồng ngoại.
Hình 2.29: Nguyên lý hoạt động của cảm biến
Cảm biến hồng ngoại gồm một cặp truyền và nhận tia hồng ngoại. Tia hồng ngoại phát ra một tần số nhất định, khi phát hiện hướng truyền có vật cản, phản xạ vào đèn thu hồng ngoại, sau khi so sánh, đèn màu xanh sẽ sáng lên, đồng thời đầu ra sẽ cho tín hiệu để xử lý.
44
Chƣơng 3: PHƢƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT
3.1 Các ứng dụng điều khiển hệ thống 3.1.1 Giới thiệu về IBM Bluemix 3.1.1 Giới thiệu về IBM Bluemix
Các ứng dụng ngày nay đang làm thay đổi cách chúng ta tương tác với công nghệ thông qua cơng việc hàng ngày. Các ứng dụng có ở khắp mọi nơi đã dẫn đến một cuộc cách mạng ứng dụng làm thay đổi cách tương tác người dùng. Chính vì vậy điện tốn đám mây IBM Bluemix làm cho “cuộc cách mạng ứng dụng” diễn ra nhanh hơn do các ứng dụng có thể được kết nối với nhau một cách nhanh chóng. IBM Bluemix là dịch vụ “nền tảng như một dịch vụ” của IBM, một phần mục đích động viên người lập trình phát triển ứng dụng (web, di động) một cách nhanh chóng và minh bạch hơn.[6]
45 Lợi ích của việc sử dụng Bluemix :
- Thiết lập môi trường thực thi và triển khai ứng dụng nhanh chóng.
- Cơ sở hạ tầng và nền tảng chạy ứng dụng được quản lý bởi nhà cung cấp dịch vụ.
- Ch mất thời gian ngắn để cấu hình và triển khai một ứng dụng cùng với dữ liệu của nó, giúp nó tập trung vào việc xây dựng ứng dụng và dữ liệu.
- Trong phạm vi đề tài ch tìm hiểu về những giải pháp về Internet of Things hiện có trên IBM Bluemix.
3.1.2 Phƣơng thức giao tiếp đƣợc sử dụng trên Waston IOT Platform Giải pháp IoT dựa trên Waston IoT Platform
46
3.2 Tìm hiểu về MQTT
Từ thiết bị đã được kết nối đến mạng Internet, dữ liệu sẽ được gửi một cách an toàn thơng qua mã hố trong giao thức truyền gửi đến điện tốn đám mây. Dạng giao thức gửi có thể là MQTT như đã nêu ở trên, hay một giao thức gửi tin khác như HTTP. Dữ liệu gửi đến IBM Watson IoT Platform một cách an toàn và đầy đủ. Tại IBM Watson IoT Platform, chúng ta cần thiết lập và quản lý rõ ràng các thiết bị đã được đăng ký để xác định đúng dữ liệu cho từng loại. Từ đó xây dựng các ứng dụng để nhận dữ liệu và xây dựng, phân tích dữ liệu đã nhận từ Watson IoT Platform.
MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) là một giao thức gửi dạng “publish” và “subscribe” sử dụng cho các thiết bị Internet of Things với băng thông thấp, độ tin cậy cao và khả năng được sử dụng trong mạng lưới khơng ổn định. Bởi vì giao thức này sử dụng băng thơng thấp trong mơi trường có độ trễ cao nên nó là một giao thức lý tưởng cho các ứng dụng M2M.
Trong một hệ thống sử dụng giao thức MQTT, nhiều node trạm (gọi là client) kết nối tới một MQTT server (gọi là broker). Mỗi client sẽ đăng ký một vài kênh (topic), ví dụ như “/client1/channel1”, “/client1/channel2”. Q trình đăng ký này gọi là “subscribe”. Mỗi client sẽ nhận được dữ liệu khi bất kỳ trạm nào khác gởi dữ liệu và kênh đã đăng ký. Khi một client gửi dữ liệu tới kênh đó, gọi là “publish”.
3.2.1 Lƣu Trữ Dữ Liệu Bằng Node-Red Trên Cloudant
3.2.1.1 Node-RED – Một Dịch Vụ Phổ Biến Của IBM Bluemix
Node-RED là công cụ mạnh mẽ để xây dựng ứng dụng Internet of Things. Nó dùng để kết nối các thiết bị phần cứng, API và các dịch vụ mạng online với nhau.Việc sử dụng Node-RED giúp các dự án thời gian thực (real-time) về Internet of Things trở nên dễ dàng thực hiện hơn, lưu trữ dữ liệu một cách nhanh chóng.
47
Hình 3.3: Trang chủ Node-RED
Trong phạm vi đề tài, Node-RED được sử dụng để lưu trữ dữ liệu nhă m cho việc truy vấn dữ liệu tại các thời điểm trước đó. Cuối cùng các dữ liệu được lưu trữ bằng cách tạo một thực thể cơ sở dữ liệu Cloudant NoSQL. (Piddler, 2017)
3.2.1.2 Điều khiển thiết bị thông qua Node-red
48
Hình 3.5: Các nút điều khiển trên node-red
49
Hình 3.7: Giá trị “current_draw” ở Client B và Client C nhận được khi A publish
MQTT được phát triển bởi Tiến sĩ Andy Stanford-Clark của công ty IBM và Arlen Nipper của cơng ty Arcom từ năm 1999. Từ đó MQTT được triển khai rộng rãi trong các ngành công nghiệp trên thế giới. Hiện tại MQTT v3.1.1 là phiên bản đang được sử dụng phổ biến.
3.2.1.3 Cách thức kết nối đƣợc sử dụng trên IBM IOT Platform Kết nối giữa Client và Application
Cơ chế chính được sử dụng cho sự kết nối giữa ứng dụng (application) và các thiết bị (device) trên IBM Watson IoT platform là MQTT, đây là giao thức làm tăng tính hiệu quả trong việc trao đổi dữ liệu thời gian thực với các cảm biến hay thiết bị ngoại vi khác. IBM Watson IoT platform cung cấp cho người dùng service với tên miền xác định (organization) nhă m mục đích cho các thiết bị ( MQTT client for Device) đăng kí truyền nhận dữ liệu từ nó.
Tên miền có dạng : org_id.messaging.internetofthings.ibmcloud.com Kết nối qua cổng 1883. Trong đó org_id là một chuỗi 6 ký tự được cung cấp riêng khi đăng kí dịch vụ.
Khi được cấp một tên miền xác định, việc tiếp theo là đăng kí thiết bị ( register device) để thực hiện gửi và nhận dữ liệu trên IoT platform.
50 Cách đăng kí thiết bị .
Nhận diện và xác thực kết nối MQTT từ Client
Mỗi thiết bị đều được nhận diện dựa trên một client ID có dạng : d : org_id : device_type : device_id
Trong đó:
- d : xác định MQTT client vừa được gửi đến từ thiết bị org_id : là tên miền do IoT Platform cung cấp, để xác định đúng service mà MQTT client được gửi đến.
- device_type : Tên thiết bị khi đăng ký (register device) trên service.
- device_id : là id của thiết bị nhằm xác định thiết bị đó với thiết bị khác. Xác thực