2.2.1 Lý thuyết cơ bản và lựa chọn linh kiện
Hình 2.11: Mơ hình thiết kế của đề tài
Khối cảm biến: Các cảm biến có vai trị thu thập các thơng số vật lý môi trường xung quanh ngôi nhà và gửi dữ liệu về GATEWAY.
Khối LoRa: khối này có vai trị nhận dữ liệu điều khiển từ GATEWAY.
Khối GATEWAY có vai trị nhận dữ liệu cảm biến và gửi tín hiệu điều khiển đến các node LoRa và giao tiếp với điện thoại bằng 3G/4G/SMS thông qua cloud server.
- Màn hình cảm ứng Nextion:
Sau nhiều lưa chọn được so sánh thì giải pháp tối ưu là dùng màn hình cảm ứng HMI có thể lập trình giao diện trực tiếp bằng phần mềm của hãng Nextion.
Hình 2.12: Màn hình cảm ứng HMI Nextion
Màn hình HMI UART cảm ứng điện trở Nextion được phát triển với mục đích giúp người sử dụng có thể thiết kế các giao diện điều khiển và hiển thị (GUI) trên màn cảm ứng một cách dễ dàng và trực quan nhất. Các điểm mạnh về tính năng:
- Giao tiếp UART, với chỉ 2 dây tín hiệu (TX, RX) rất dễ dàng giao tiếp với các dòng vi điều khiển;
- Phần phểm thiết kế giao diện trên máy tính Nextion Editor trực quan kết hợp GUI và viết lệnh lập trình, giao tiếp với màn hình qua giao tiếp UART;
- Có bộ nhớ lưu trữ và xử lý hình ảnh, tích hợp khe thẻ nhớ, thời gian thực nên giảm thiểu được hầu hết các tác vụ về xử lý hình cho mạch điều khiển trung tâm, chỉ truyền về trung tâm các dữ liệu thao tác cảm ứng;
- Thiết kế cảm ứng điện trở giúp dễ dàng thao tác khi mang găng tay trong mơi trường bụi bẩn;
- Mạch có chất lượng gia cơng tốt, hồn thiện và độ bền cao.
- Màn hình HMI cảm ứng điện trở;
- Giao tiếp UART mức TTL (3 - 5VDC);
- Cấp nguồn 5VDC;
- Có phần mềm thiết kế giao diện đi kèm;
- MCU chính là STM32F03;
- Có bộ nhớ lưu trữ và xử lý hình ảnh.
Nhờ được lập trình giao diện trên một phần mềm chun biệt và có MCU xử lý tín hiệu nên độ tin cậy, chính xác và việc kết nối cũng như lập trình với mạch điều khiển trở nên đơn giản, hạn chế nhiều ngõ vào/ ra hơn nếu so sánh với nhiều loại màn hình cảm ứng khác.
Mạch chuyển giao tiếp USB UART SX1278 được sử dụng với Mạch thu phát RF UART LoRa SX1278 để có thể giao tiếp giữa mạch và máy tính thơng qua cổng USB, giúp cấu hình với Software hoặc truyền nhận dữ liệu trực tiếp với máy tính dễ dàng.
Mạch chuyển giao tiếp USB UART LoRa SX1278 có thiết kế nhỏ gọn bao gồm IC chuyển USB UART CP2102 có khả năng nhận Driver trên hầu hết các hệ điều hành, mạch được thiết kế thêm Jumper M0, M1 để thiết lập các chế độ truyền nhận, cấu hình cho mạch thu phát RF UART LoRa SX1278, mạch cịn có Led hiển thị trạng thái truyền nhận.
Hình 2.13: Module chuyển đổi USB - UART
- MCU STM32F103RCT6:
Hình 2.14: MCU STM32F103RCT6
STM32F103RCT6 là dịng hiệu suất mật độ cao, vi điều khiển ARM Cortex-M3 32 bit trong gói LQFP 64 pin. Nó kết hợp lõi RISC hiệu suất cao với tần số hoạt động
72 MHz, bộ nhớ nhúng tốc độ cao, phạm vi I/O nâng cao và các thiết bị ngoại vi được kết nối với hai bus APB. STM32F103RCT6 có ADC 12 bit, bộ hẹn giờ, bộ đếm thời gian PWM, giao diện truyền thông tiêu chuẩn và nâng cao. Một bộ chế độ tiết kiệm năng lượng toàn diện cho phép thiết kế các ứng dụng năng lượng thấp.
Hình 2.15: Datasheet STM32F103RCT6Thơng số kỹ thuật: Thơng số kỹ thuật:
- Dải điện áp hoạt động từ 2V đến 3,6V;
- Bộ nhớ flash 512Kbyte;
- 64 Kbyte SRAM;
- Đơn vị tính CRC, ID duy nhất 96 bit;
- Hai bộ chuyển đổi A/D 12 bit, 1µs (tối đa 21 kênh);
- Bộ điều khiển DMA 12 kênh, 11 bộ hẹn giờ đa năng và 1 bộ điều khiển nâng
cao;
- 112 cổng I/O nhanh;
- Giao diện gỡ lỗi nối tiếp (SWD) và giao diện JTAG;
- Ba SPI, hai I2C, năm USART, một USB, một SDIO và một giao diện CAN;
- Nhiệt độ hoạt động xung quanh từ - 40°C đến 105°C.
STM32F103 giao tiếp với LoRa Ra02 qua chuẩn SPI (Serial Peripheral Bus) của hãng Motorola. SPI là chuẩn truyền dữ liệu song công (full duplex) tại cùng một thời điểm quá trình truyền và nhận dữ liệu có thể xảy ra đồng thời ở cả Master và Slaves.
Đồng thời STM32F103 giao tiếp với module SIM qua chuẩn kết nối UART để SIM kết nối điện thoại đưa dữ liệu thu thập được từ các node LoRa lên điện thoại.
- SX1278 LoRa Ra-02:
LoRa Ra-01 SX1278 sử dụng IC SX1278, hoạt động trên tần số 433MHz. Là module có chất lượng cao, kích thước rất nhỏ gọn (chỉ có 17x16 mm), truyền phổ phạm vi rộng với khả năng chống nhiễu cao và phạm vi hoạt động có thể lên đến 10Km.
Hình 2.16: LoRa Ra-02
Những thiết bị này cũng hỗ trợ chế độ FSK hiệu suất cao cho các hệ thống bao gồm WMBus, IEEE802.15.4g. SX1287 chọn lọc, thu tuyến tính và IIP3 cho tiêu thụ điện năng thấp hơn đáng kể so với các thiết bị khác.
Hình 2.17: Sơ đồ chân LoRa Ra-02Thơng số kỹ thuật: Thông số kỹ thuật:
- Chuẩn không dây: LoRaTM - 433MHz.
- Dải tần số: 410 - 525MHz.
- Điện áp hoạt động: 1.8V - 3.7V, mặc định 3.3V.
- 18dBm - 10mW, công suất đầu ra RF ổn định khi điện áp đầu vào thay đổi.
- Hỗ trợ FSK, GFSK, MSK, GMSK, LoRaTM và OOK điều chế chế độ.
- Phạm vi sóng RSSI: 127dB.
- Tự động phát hiện tín hiệu RF, chế độ CAD và AFC tốc độ siêu cao.
- CRC 256 byte dữ liệu động cơ.
- Tốc độ bit lập trình có thể đạt đến 300kbps.
- Nhiệt độ làm việc: -40- 85 độ.
- Mạch nạp ST-Link V2:
Hình 2.18: Mạch nạp ST-Link V2
Mạch nạp ST-Link V2 được dùng để nạp code và thực hiện debug cho các dòng STM8 và STM32 theo chuẩn SWD. Điện áp ngõ ra 3.3VDC, cổng I/O được bảo vệ để ngăn làm hư hại mạch, giao tiếp đơn giản.
2.2.2 Thiết kế phần cứng
2.2.2.1 Cổng chuyển đổi LoRa - GSM
Cổng chuyển đổi có 2 nhiệm vụ. Một là vừa kiểm tra kết nối GSM, Internet như 1 máy chủ LoRa vừa thu thập dữ liệu nhận từ các nút cảm biến thơng qua LoRa. Phân tích đưa ra quyết định điều khiển đến các nút điều khiển. Hai là lưu trữ dữ liệu cục bộ và hiển thị thơng số, cài đặt thơng qua màn hình cảm ứng HMI. Sau đó, dữ liệu được sàng lọc, đóng gói gửi đến người dùng qua tin nhắn và gửi lên máy chủ IoT qua mạng di động.
Antenna GSM Sim Regulator SIM – 4.1VDC UART 3 USB SD SPI 3 Regulator MCU – 3.3VDC Regulator MIC29302 – 5VDC Power 12 - 24V DC
Hình 2.19: Sơ đồ cổng chuyển đổi
Trong sơ đồ hình 2.19, các thiết bị được sử dụng trong cổng chuyển đổi bao gồm bộ điều khiển trung tâm (MCU) dùng vi điều khiển 32bit ARM STM32f103RCT6 chip này sử dụng nhân Cortex-M3, đầy đủ giao tiếp, tiết kiệm năng lượng. Lưu trữ dữ liệu cục bộ qua thẻ nhớ SD. LoRa Ra02 của Semtech chịu trách kết nối truyền tin tầm xa trên dãy tần 433MHz, điều chế và giải điều chế từ xa Frequency shift keying (FSK) [17] nhanh chóng, để giải quyết thay thế có dây truyền thống, chống nhiễu và
tiêu thụ tiết kiệm điện năng, giao tiếp với MCU qua chuẩn Serial Peripheral Interface (SPI). Dữ liệu được truyền đến điện thoại hoặc truyền lên máy chủ đám mây thơng
qua Sim, khối này có thể kết nối Internet thơng qua GPRS hoặc 3G/4G. Hiển thị và giao tiếp với người dùng trực tiếp thông qua màn hình cảm ứng HMI của hãng Nextion, người phát triển hồn tồn có thể thiết kế và tùy biến giao diện cho HMI thông qua phần mềm Nextion editor. Ngồi ra cổng chuyển đổi được tích hợp chức năng truyền thơng RS485, kết nối với với máy tính qua USB CAN để hỗ trợ giao tiếp với thiết bị tự động hóa khi cần thiết.
2.2.2.2 Thiết kế nguyên lý cổng chuyển đổi LoRa - GSM
Hình 2.20: Sơ đồ nguyên lý khối MCU_STM32F1
Tiến hành thiết kế nguyên lý trên phần mềm từ sơ đồ khối, hình 2.20 sơ đồ nguyên lý cho vi điều khiển chính STM32F103RCT6. Sử dụng nguồn cấp 3.3V và thạch anh dao động 8MHz. Chức năng đọc thời gian thực thạch anh 32kHz.
Hình 2.21: Sơ đồ nguyên lý
Hình 2.21 sơ đồ nguyên lý kết nối vi điều khiển chính STM32F103RCT6 và Sim808 qua giao thức UART. Sử dụng nguồn 3.9V – 4.1V cấp nguồn cho Sim.
Hình 2.22: Sơ đồ cổng chuyển đổi
Hình 2.22 sơ đồ nguyên lý kết nối vi điều khiển chính STM32F103RCT6 và LoRa Ra02 qua giao thức SPI. Sử dụng nguồn cấp 3.3V cấp nguồn cho Ra02.
Hình 2.23: Sơ đồ cổng chuyển đổi
Hình 2.23 sơ đồ nguyên lý kết nối vi điều khiển chính STM32F103RCT6 và SP3485 qua giao thức UART. Sử dụng nguồn cấp 3.3V cấp nguồn cho SP3485.
Hình 2.24: Sơ đồ cổng chuyển đổi
Hình 2.24 sơ đồ nguyên lý kết nối vi điều khiển chính STM32F103RCT6 và SD Card qua giao thức SPI. Sử dụng nguồn cấp 3.3V cấp nguồn cho SD Card.
2.2.2.3 Thiết kế mạch cổng chuyển đổi LoRa - GSM
Hình 2.25 sơ đồ nguyên lý được thiết kế kết nối giữa các
Sau khi thiết kế sơ đồ nguyên lý kết nối đảm bảo chính xác các địa chỉ chân và linh kiện, tiến hành thiết kế mạch in. Hình 2.25, mạch bốn lớp được thiết kế trên phần mềm Altium Designer. Bố trí linh kiện trên cổng chuyển đổi tổng thể 2D.
Hình 2.26: Thiết kế 3D mạch
Hình 2.26 mạch được mơ phỏng 3D trên phần mềm Altium Designer. Để việc tính tốn kích thước và bố trí phù hợp với khn mẫu.
Hình 2.27: Cổng chuyển đổi LoRa – GSM hàn lắp hồn thiện
Hình 2.28 cổng chuyển đổi kết nối màn hình cảm ứng HMI giao tiếp tốt với vi điều khiển, có thể tùy biến nhiều trang hiển thị và chức năng điều khiển.
Hình 2.28: Cổng chuyển và HMI hồn thiện
2.2.2.4 Nút cảm biến đầu cuối
Hình thành một hệ thống mạng lưới LoRa và phục vụ thu thập dữ liệu cho cổng chuyển đổi không thể thiếu các nút cảm biến thu thập thông số vật lý như nhiệt độ, độ ẩm, pH...
Hình 2.29: PCB nút cảm biến LoRa dùng pin
Trong hình 2.29 và 2.30 nút cảm biến dùng Pin tiết kiệm năng lượng, dòng vi điều khiển ARM F0 hoặc L0 năng lượng thấp được sử dụng có thể đạt xuống 37µA [18].
Vi điều khiển này tối ưu năng lượng bằng chế độ ngủ, điều khiển tắt mở nguồn cho cảm biến và LoRa. Khối LoRa Ra02 chịu trách nhiệm kết nối truyền nhận với cổng chuyển đổi qua dãy tần 433MHz. Cảm biến dùng loại tương tự chuyển đổi thông số vật lý về điện áp hoặc dòng điện.
2.2.2.5 Nút điều khiển đầu cuối
Một hệ thống mạng lưới LoRa và phục vụ nhận và thực hiện lệnh điều khiển từ cổng chuyển đổi gửi đi cần có các nút điều khiển tải trực tiếp.
Hình 2.31: PCB nút điều khiển qua LoRa
Hình 2.32: Nút điều khiển qua LoRa
Hình 2.31 và 2.32 nút điều khiển tải trực tiếp cách ly cơ khí qua Rơ le. Vi điều khiển dùng dịng ARM 32bit F0 với số lượng chân kết nối tối ưu và giao tiếp phù hợp,
hỗ trợ chuẩn SPI. Tương tự LoRa Ra02 chịu trách nhiệm kết nối nhận lệnh từ cổng chuyển đổi qua dãy tần 433MHz. Khối sử dụng trực tiếp nguồn 1 pha 220V. Điều khiển tải cách ly qua rơ le.
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN3.1. Kết quả thực nghiệm hoạt động của cổng chuyển đổi 3.1. Kết quả thực nghiệm hoạt động của cổng chuyển đổi
3.1.1. Kết quả thực nghiệm truyền - nhận tín hiệu giữa cổng chuyển đổi với cácnút nút
Để thực nghiệm sự ổn định truyền tin giữa cổng chuyển đổi và các nút thông qua LoRa, chúng tôi kiểm tra kết quả được đo ở môi trường đơ thị nhiều cơng trình vật cản và nơng thơn ít cơng trình nhưng nhiều cây xanh dạng thấp. Cổng chuyển đổi cố định nhận thông tin. Phương pháp thực nghiệm đo đạc dựa trên các nghiên cứu trước đây trong các cơng bố ngồi nước [19] và trong nước [20]. Các nút điều khiển và cảm biến không dây di động. Người di chuyển nút dùng định vị GPS để xác định vị trí đồng thời phản hồi trực quan về trạng thái gửi, nhận, mất tín hiệu.
Để đảm bảo các thơng số giống nhau ở các môi trường thử nghiệm chúng tôi chọn các thơng số trung bình trong cài đặt để đảm bảo khách quan trong thử nghiệm.
Thông số cài đặt thực nghiệm:
SX1278_begin(&SX1278,SX1278_433MHZ,SX1278_POWER_17DBM, SX1278 _LORA_SF_8,SX1278_LORA_BW_20_8KHZ, 16);
Tần số hoạt động: 433MHz. Công suất 17dBm.
SF: 8.
Băng thông LoRa BW 20.8KHz,
Độ dài gói tin: 16 byte.
CR cố định 4/8.
Antenna loại 433MHz, 3DBi, chiều dài 52mm, trở kháng 50 Ohm.
Trong các kịch bản thử nghiệm chúng tôi cho nút truyền tin về cổng chuyển đổi sau mỗi 10 giây, số lượng mẫu lớn hơn 500 mẫu. Chúng tôi sẽ tiến hành định vị ở những khoảng cách đặt trưng hoặc khi thấy có sự thay đổi về sự ổn định tín hiệu.
Kịch bản thực nghiệm trong môi trường đô thị: chúng tôi thực nghiệm ở quận
12thành phố Hồ Chí Minh, cổng chuyển đổi được đặt cố định ở tầng 6 độ cao khoảng 22m, nút cảm biến dùng pin di chuyển. Người di chuyển sẽ định vị báo vị trí, trạng thái truyền tin.
Bảng 3.1: Kết quả thực nghiệm đo đạc Gateway LoRa môi trường đơ thị Vị trí A B C D E
Hình 3.1: Đo đạc khoảng cách truyền trong đơ thị
Kết quả trong hình 3.1, vị trí nút truyền tin tăng dần khoảng cách so với cổng chuyển đổi nhận, ở khoảng cách thứ nhất điểm A và thứ 2 điểm B dưới 520m tin truyền liên tục, độ trễ dưới 1 giây. Người di chuyển nút sẽ dừng lại định vị ở những khoảng cách cảm nhận sự thay đổi thời gian truyền tin. Ở khoảng cách điểm C 700m tin vẫn truyền tốt, độ trễ 2 – 3 giây, trong môi trường đô thị nhiều vật cản ở khoảng
chúng tôi vẫn có thể tối ưu khoảng cách tốt hơn bằng thay đổi thông số SF tối đa và Antenna.
Kịch bản thực nghiệm môi trường nông thôn: chúng tôi thực nghiệm ở đồng
bằng tại Vĩnh Long với điều kiện bằng phẳng, cây chủ yếu dạng thấp như cam và lúa nước. Cổng chuyển đổi được đặt cố định độ cao khoảng 4m, nút cảm biến dùng pin di chuyển. Người di chuyển sẽ định vị báo vị trí, trạng thái truyền tin.
Bảng 3.2: Kết quả thực nghiệm đo đạc Gateway LoRa môi trường nông thôn
Vị trí A B C D
Hình 3.2: Đo đạc khoảng cách truyền ở nơng thơn
Trong kết quả hình 3.2 với cùng thơng số cài đặt ban đầu, khoảng cách truyền ở mơi trường nơng thơn vật cản thấp và ít thì khoảng cách truyền được tốt hơn dưới 700m tin truyền liên tục khơng mất gói tin và thời gian dưới 1s tại các điểm A, B. Người di chuyển nút sẽ dừng lại định vị ở những khoảng cách cảm nhận sự thay đổi thời gian truyền tin. Khoảng cách 900m – 1100m tại điểm C tin vẫn truyền độ tin cậy
chuyển đổi có thể kiểm sốt và điều khiển trực tiếp khu vực có đường kính hơn 3000m. Rất phù hợp cho việc giám sát mạng cảm biến diện rộng, điều khiển tưới tiêu trong nông nghiệp.
Trong những kịch bản thực nghiệm này, chúng tôi không hướng tới việc điều chỉnh các thông số để khoảng cách truyền tin xa nhất bằng cách tối ưu SF lên tối đa SF = 12, BW = 250kHz, công suất truyền lớn nhất và Antenna có thể lên tới khoảng cách 3900m. Trong thực tế chúng tôi chú trọng phạm vi đảm bảo sự tin cậy và ổn định