STT Tên hình minh họa Các thơng số Giá
1
Ezdo ID4522T30K
- Hãng sản xuất: Ezdo - Xuất xứ: Đài Loan
- Cảm biến: Tấm Pt - Phạm vi: 0-80‰
- Cảm biến nhiệt: 30K
28
- Thân đầu đo: GFRPP
- Đầu nối: Spade Lug
Kích cỡ(mm): 170x31
2
Cảm biến của Farmtech
- Xuất xứ: Châu Âu - Cảm biến: Tấm Pt
- Phạm vi: 0-20.000 μS/cm
- Thân đầu đo: ABS
- Đầu nối: RS485 - Kích cỡ(mm): 120x12
3.600.000Đ
3
Cảm biến của ATlas-Scientific
- Hãng sản xuất: ATlas- Scientific - Xuất xứ: Mỹ - Cảm biến: Pt - Phạm vi: 5 − 200,000μS/cm - Cảm biến nhiệt: PT1000 - Thân đầu đo: CPVC - Kích cỡ(mm): 220x51 7.760.000Đ 4 Conductivity Probe - Hãng sản xuất: ATlas- Scientific - Xuất xứ: Mỹ - Cảm biến: kim loại
- Phạm vi: 0.07 − 50,000μS/cm
- Thân đầu đo: PVC - Kích cỡ(mm): 220x15
4.500.000Đ
Đặc điểm chung là hầu hết các cảm biến này đều dùng điện cực màng phủ vật liệu kim loai
bạch kim. Vậy xét về góc độ hiệu quả kinh tế nhóm tác giả chọn điện cực độ dẫn Atlas-
scientific [20] có chi phí phù hợp với ngõ ra tích hợp số, sẽ sử dụng tốt cho đề tài nàỵ
2.2.4. Cảm biến độ đục
Độ đục tạo nên do phiêu sinh vật, các hạt đất sét lơ lửng. Độ đục phản ánh khả năng khuếch
tán của ánh sáng xuống ao hồ. Độ đục cao sẽ ngăn cản ánh sáng truyền đến lớp nước bên dưới, làm giảm cường độ quang hợp của thực vật phù du, tức giảm lượng Oxy, do đó cá khó
hơ hấp cũng như bắt mồị Nhìn chung, nếu ao có độ đục cao thì khả năng tự làm sạch của ao
sẽ giảm. Có 2 loại phương pháp đo độ đục cơ bản là phương pháp dùng đĩa quan sát và phương pháp đo suy hao quang học của sóng ánh sáng truyền qua mơi trường nước.
29 Theo phương pháp này, một đĩa Hình 2.15 được sử dụng nhúng chìm xuống bể nước. Độ đục
được định nghĩa là khoảng cách xa nhất mà người có thể nhìn thấy được màu sắc của đĩạ Độ đục là của nước thích hợp cho ni thủy sản là từ 20-30cm.
Hình 2. 20. Đĩa Secchi được thả xuống ao nuôi để đo độ đục
Người ta thường dùng đĩa secchi để đo độ đục. Đĩa secchi có thể tự thiết kế: Dùng miếng
nhơm có đường kính 20cm, từ tâm của miếng nhôm chia ra 6 ô bằng nhau và sơn màu trắng
đen xen kẽ. Xuyên sợi dây vào tâm đĩạ Khi đo độ đục, đưa đĩa xuống nước đến khi khơng
cịn phân biệt được màu đen và màu trắng của đĩa, độ chìm của đĩa có thể đánh giá độ đục của
nước.
Khi nguyên cứu độ đục ta đánh giá được các thành phần lơ lửng trong nước (chủng loại, số lượng …) từ đó ta đánh giá được mức độ ô nhiễm của nước, xác định được mức độ ảnh hưởng đến sự sống của sinh vật. Tìm hiểu về độ đục kết hợp với các nguyên nhân gây nên độ đục và ô nhiễm nguồn nước ta sẽ đưa ra những biện pháp xử lý để giảm mức độ ô
nhiễm.
b) Đo độ đục dùng phương pháp đo suy hao cơng suất sóng ánh sáng khi truyền qua mơi trường nước.
Hình 2. 21. Máy đo độ đục dùng phương pháp suy hao tán xạ
Với phương pháp này, sóng ánh sáng được phát ra từ led phát sáng truyền vào môi trường nước. Thành phần sóng tán xạ được thu về từ các photosensor đặt xung quang led phát sáng. Đơn vị đo độ đục của nước là NTU (Nephelometric Turbidity Units).
30 Bảng 2. 5. Khảo sát một số loại cảm biến độ đục online tiêu biểu có trên thị trường
STT Tên hình minh họa Các thơng số Giá
1
- Xuất xứ: Trung Quốc
- Cảm biến: Quang học - Phạm vi: 0-1000 NTU - Chính xác: 5% - Vật liệu: nhựa 316L - Phạm vi nhiệt độ: -5..50oC - Kích cỡ(mm): 250x35 9.300.000Đ 2
Cảm biến Wide-Range Water Turbidity Sensor - Xuất xứ: Mỹ - Cảm biến: Quang học - Phạm vi: 0-4000 NTU - Chính xác: 1% - Vật liệu: Polycarbonate - Phạm vi nhiệt độ: -5..50oC - Kích cỡ(mm): 250x35 16.200.000Đ 3 Cảm biến TS7
- Xuất xứ: Trung Quốc - Cảm biến: Quang học - Phạm vi: 0-4000 NTU - Chính xác: 1% - Vật liệu: Polycarbonate - Phạm vi nhiệt độ: -5..50oC - Kích cỡ(mm): 150x48 7.760.000Đ 4 Cảm biến SEN0189 - Hãng sản xuất: DFROBOT - Xuất xứ: Mỹ - Cảm biến: quang học - Phạm vi: 0-4000 NTU
- Thân đầu đo: PVC - Kích cỡ(mm): 35x35
1.200.000Đ
Do vậy tác giả nhận thấy, nếu ta xử lý được yếu tố điện cực không phải ngâm lâu dưới nước bằng cách khi đo xong dùng hệ truyền động đưa điện cực lên trên mặn nước và rửa sạch đầu do là có thể sử dụng tốt cho tất cả các loạị Do đó xét về góc độ hiệu quả kinh tế nhóm tác giả
31
chọn loại điện cực của hảng DFROBOT [21] có chi phí rẽ với ngõ ra analog tiện việc sử dụng
cho đề tài nàỵ
2.2.5. Cảm biến nhiệt độ
Có 3 phương pháp cơ bản để đo nhiệt độ là phương pháp cặp nhiệt độ, phương pháp điện trở nhiệt và phương pháp hồng ngoạị
a) Phương pháp cặp nhiệt độ:
Hình 2. 22. Minh họa cặp nhiệt độ
Cảm biến nhiệt được cấu tạo gồm hai dây kim loại khác nhau được gắn vào một đầu gọi là đầu nóng (đầu đo) và đầu lạnh( đầu chuẩn). Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu thì sẽ phát sinh một nhiệt điện động tại đầu lạnh. Vì thế cần kiểm soát nhiệt độ đầu lạnh( tùy thuộc vào loại chất liệu).
b) Phương pháp điện trở nhiệt:
Nguyên lý làm việc đối với nhiệt kế điện trở, thường được gọi là cảm biến nhiệt, là cơ sở dựa trên sự thay đổi điện trở của kim loại với sự thay đổi nhiệt độ.
Hình 2. 23. Minh họa điện trở nhiệt
c) Phương pháp hồng ngoại:
Phương pháp này sử dụng camera hồng ngoại, đo bức xạ nhiệt của vật thể từ đó nội suy ra nhiệt độ của vật thể.
32 Hình 2. 24. Minh họa camera hồng ngoại
Bảng 2. 6. Khảo sát một số loại cảm biến nhiệt độ online tiêu biểu có trên thị trường
STT Tên hình minh họa Các thông số Giá
1
PT100
- Xuất xứ: Trung Quốc - Cảm biến: nhiệt trở - Phạm vi: -50-200 oC - Chính xác: 0.15 oC - Vật liệu: thép không rỉ - Kích cỡ(mm): 4mm đường kính - Ngõ ra analog 155.000Đ 2 DS18B20
- Xuất xứ: Trung Quốc - Cảm biến: nhiệt trở - Phạm vi: -50-200 oC - Chính xác: 0.15 oC - Vật liệu: thép không rỉ - Kích cỡ(mm): 4mm đường kính - Ngõ ra digital 50.000Đ
Đặc điểm chung là hầu hết các cảm biến điện trở nhiệt. Tuy nhiên xét về góc độ hiệu quả kinh tế và độ chính xác, nhóm tác giả chọn loại điện cực DS18B20 [22] của Dallas, có chi phí rẽ
33
Chương 3. Nghiên cứu, lựa chọn công nghệ truyền và xử lý dữ liệu thu được từ các phản hồi của thiết bị đo
3.1. Khảo sát và lựa chọn mô đun truyền thông không dây
a) Kỹ thuật Bluetooth
Bluetooth là công nghệ giao tiếp truyền thông trong khoảng cách ngắn. Hiện nay, bluetooth xuất hiện hầu hết ở các thiết bị như máy tính, điện thoại/ smartphonẹ Nó là một kỹ thuật mạnh cho IoT đặc biệt cho phép giao tiếp thiết bị với các smartphonẹ
Hình 3. 1. Mạch Thu Phát Bluetooth 4.0 UART CC2541 HM-10
Hiện nay, BLE - Bluetooth Low Energy - hoặc Bluethooth Smart là một giao thức được sử dụng đáng kể cho các ứng dụng IoT. Quan trọng hơn, cùng với một khoảng cách truyền tương tự như Bluetooth, BLE được thiết kế để tiêu thụ cơng suất ít hơn rất nhiềụ Các thơng số hoạt động: tần số sóng mang 2.4 GHz, phạm vi thu phát: 50-150m (Smart / BLE), dữ liệu truyền lên đến 1Mbps.
Tuy nhiên, kỹ thuật BLE bị hạn chế đó là phải kết nối với máy tính hoặc smartphone để truyền dữ liệu lên Cloud. Trong đề tài này, hệ thống trạm cảm biến tích hợp được đặt trong các ao nuôi tôm, ở cánh đồng. Do vậy, nhóm nghiên cứu nhận thấy khơng thể sử dụng kỹ thuật BLE cho đề tài.
c) Kỹ thuật Zigbee
Zigbee, giống như Bluetooth, là kỹ thuật truyền thông trong khoảng cách ngắn, hiện được sử dụng với số lượng lớn và thường được sử dụng trong cơng nghiệp. Điển hình, Zigbee Pro và Zigbee remote control (RF4CE) được thiết kế trên nền tảng giao thức IEEE802.15.4 - là một chuẩn giao thức truyền thông vật lý trong công nghiệp hoạt động ở 2.4Ghz thường được sử dụng trong các ứng dụng khoảng cách ngắn và tốc độ dữ liệu truyền tin thấp nhưng thường xuyên. Nó được đánh giá phù hợp với các ứng dụng trong smarthome hoặc trong một khu vực đô thị/khu chung cư.
Zigbee / RF4CE đáp ứng cho các hệ thống yêu cầu tiêu thụ cơng suất thấp, tính bảo mật cao, khả năng mở rộng số lượng các node cao. Điểm nổi bật là sự hợp nhất của các tiêu chuẩn Zigbee khác nhau thành một tiêu chuẩn duy nhất. Các thông số tiêu chuẩn của Zigbee hiện tại là: tần số sóng mang 2.4GHz, phạm vi thu phát 10-100m và tốc độ trao đổi dữ liệu 250kbps.
34 Hình 3. 2. Kit RF Thu Phát Zigbee CC2530
Tuy nhiên, cũng giống với kỹ thuật Bluetooth, kỹ thuật Zigbee yêu cầu phải kết nối với máy tính hoặc smartphone để truyền dữ liệu lên cloud. Do vậy kỹ thuật này không phù hợp cho việc sử dụng trong đề tàị
d) Kỹ thuật Wifi
Wifi (Wireless Fidelity) là kỹ thuật truyền dữ liệu khơng dây sử dụng sóng vơ tuyến kết hợp với mơ hình mạng LAN. Các sóng vơ tuyến sử dụng cho WiFi gần giống với các sóng vơ tuyến sử dụng cho thiết bị cầm tay, điện thoại di động và các thiết bị khác. Tần số sóng mang là 2.4 GHz hoặc 5 GHz. Với đặc điểm này, kỹ thuật wifi cho phép truyền dữ liệu với tốc độ lên đến hàng 100MHz.
Hình 3. 3. Mạch Thu Phát Wifi SoC CC3200
Tuy nhiên cũng giống với các kỹ thuật truyền thông không dây trước, kỹ thuật Wifi yêu cầu phải được kết nối với mạng LAN qua các modem wifi, mà điều này thì khơng thể có trong bối cảnh đề tài ứng dụng trên cánh đồng nuôi tôm.
e) Kỹ thuật tuyền dữ liệu qua mạng di động
Kỹ thuật này sử dụng các công nghệ truyền dẫn trên các mạng thông tin di động như GSM/GPRS/EDGE/UMTS/HSPA/4G. Các kỹ thuật này đều cho phép tích hợp kết nối với internet qua server máy chủ của các nhà mạng. Các thông số truyền dẫn: tần số sóng mang 900/1800/1900/2100MHz, tốc độ truyền dữ liệu 35-170kps (GPRS), 120-384kbps (EDGE),
35 384Kbps-2Mbps (UMTS), 600kbps-10Mbps (HSPA), 3-10Mbps (4G). Điểm mạnh của kỹ thuật này là phạm vi trên toàn vùng phủ sóng của các nhà cung cấp dịch vụ mạng di động.
Hình 3. 4. Mạch GSM GPRS A6
Với hiện trạng vùng phủ sóng di động của các nhà mạng gần như phủ kín trên tồn vùng địa lý của Việt Nam. Do vậy, việc ứng dụng kỹ thuật này trong đề tài là rất có tiềm năng.
f) Kỹ thuật LoRa
LoRa là viết tắt của Long Range Radio được nghiên cứu và phát triển bởi Cycleo và sau này được mua lại bởi công ty Semtech năm 2012. LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế trải phổ, dữ liệu được truyền trên các xung tần số với khoảng cách lên hàng km mà không cần các mạch khuếch đại công suất, giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ khi truyền/nhận dữ liệụ Do đó, LoRa có thể được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng thu thập dữ liệu như sensor network trong đó các sensor node có thể gửi giá trị đo đạc về trung tâm cách xa hàng km và có thể hoạt động với battery trong thời gian dài trước khi cần thay pin.
Hình 2. 25. Mạch Thu Phát RF UART Lora SX1278 433Mhz 3000m
Tuy nhiên, cũng giống với các kỹ thuật truyền vô tuyền trước, kỹ thuật Lora yêu cầu phải kết nối với máy tính và máy tính phải nối internet thì mới tải dữ liệu lên cloud được. Do vậy kỹ thuật này không phù hợp cho việc sử dụng trong đề tài nàỵ
3.2. Thiết kế điều khiển lọc nhiễu dữ liệu và xử lý hiệu chỉnh bù nhiệt cho các cảm biến
Nhiễu trong hệ thống thiết kế bao gồm các loại: nhiễu điện lưới 50Hz, nhiễu nhiệt, và nhiễu trắng (Gaussian noise). Để khắc phục các ảnh hưởng trên và làm tăng độ chính xác của phép đo, ta cần thực hiện các biện pháp sau:
a) Nhiễu điện lưới 50Hz và nhiễu trắng:
- Đối với thiết bị cảm biến được sử dụng trong đề tài thì cảm biến DO, PH và cảm biến đục đã được thiết kế để loại bỏ tần số 50Hz.
36
- Đối với cảm biến độ mặn và nhiệt độ, tác giả dùng phương pháp lọc trung bình, với số 10 mẫu đo được thực hiện trong 20ms.
b) Nhiễu nhiệt
- Ta thực hiện lệnh bù nhiệt cho các sensor DO
- Sensor PH đã được thiết kế tự bù nhiệt.
- Do đặc điểm sinh lý của tơm và cá, thì khoảng độ mặn cho phép trong khoảng từ 5- 40‰, nên giá trị sai số độ mặn do nhiệt độ không ảnh hưởng đáng kể đến sức khỏe tơm. Do đó, đề tài này tác giả bỏ qua bù nhiệt cho cảm biến độ mặn.
- Tương tự như vậy, cảm biến đo độ đục dùng phương pháp suy hao quang học, nên nhiễu nhiệt cũng không làm ảnh hưởng đáng kể đến kết quả đo độ đục.
3.3. Thiết kế giao thức truyền thông không dây BPV1(Biosensor Protocol V1)
Giao thức truyền dữ liệu được sử dụng trong thơng tin di động là HTTP.
Hình 3. 5. Mơ hình truyền thơng khơng dây của hệ thống trạm tích hợp đa cảm biến BTS1
HTTP hoạt động dựa trên mơ hình Client – Server. Trong mơ hình này, các máy tính của người dùng sẽ đóng vai trị làm máy khách (Client). Sau một thao tác nào đó của người dùng, các máy khách sẽ gửi yêu cầu đến máy chủ (Server) và chờ đợi câu trả lời từ những máy chủ này, như Hình 3.6.
Protocol này trên mạng di động sử dụng 03 phương thức truy xuất chính:
- GET: được sử dụng để lấy lại thông tin từ Server đã cung cấp bởi sử dụng một URI đã cung cấp. Các yêu cầu sử dụng GET chỉ nhận dữ liệu và khơng có ảnh hưởng gì tới dữ liệụ
- HEAD: tương tự như GET, nhưng nó truyền tải dịng trạng thái và khu vực Header.
37 Hình 3. 6. Mơ hình truy xuất của protocol HTTP
Trong phạm vi đề tài này, dữ liệu từ trạm cảm biến tích hợp BTS1 gửi trực tiếp lên cloud server, nên dùng phương thức post là phù hợp.
Hình 3. 7. Giải thuật truyền thơng không dây sử dụng protocol HTTP.
Nội dung hay dữ liệu POST được thiết kế theo chuẩn JSON để phù hợp với yêu cầu của protocol HTTP, như sau:
“{\"Temp\": <value>, \"PH\":<value>, \"DO\":<value>, \"TU\":<>value, \"Sa\":<value>}” Dựa trên datasheet của modun SIM900, nhóm tác thiết kế giải thuật truyền thông qua giao thức HTTP như Hình 3.7. Chi tiết của giải thuật cài đặt kết nối IP như Hình 3.8 và chi tiết của giải thuật cài đặt protocol HTTP như Hình 3.9.
38 Hình 3. 8. Giải thuật cài đặt kết nối IP
39
Chương 4. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống trạm
tích hợp đa cảm biến
4.1 Thiết kế hệ thống tích hợp đa cảm biến
a) Mơ hình hệ thống trạm tích hợp đa cảm biến
Hình 4. 1. Mơ hình hệ thống tích hợp đa cảm biến thông số môi trường nước BTS1 (Base station system 1)
Ý tưởng thiết kế mơ hình hệ thống trạm tích hợp đa cảm biến như Hình 4.1.
- Hai phao thuyền nổi được sử dụng ghép khung với nhau để nâng toàn bộ hệ thống lên