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 ni tơm, ở cánh đồng. Do vậy, nhóm nghiên cứu nhận thấy không 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 không 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 tồn 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 thông 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 thông 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 thơng 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 thơng 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 mặt nước. Can nhựa đựng nước sạch được dùng để rửa đầu dò
- Hệ thống truyền động gồm: một bộ cảm biến tích hợp được chuyển động lên xuống
theo phương A bởi một động cơ DC. Hệ động bộ cảm biến tích hợp và động cơ DC được chuyển động xoay bởi trục xoay B và RC servo motor.
- Nguyên lý hoạt động của hệ thống như sau:
40
o RC Servo motor sẽ xoay trục B đưa đầu dò sang vùng đo o Động cơ DC cuộn thả đầu dị xuống nước ao ni
o Thực hiện hiện đo đạc 5 thông số DO, PH, Độ mặn, độ đục và nhiệt độ. o Động cơ DC cuộn đưa đầu dò lên cao
o SR Servo motor xoay trục đưa đầu dò trở về can nhựa
o Động cơ DC cuộn thả đầu dò xuống nước ở can nhựa để rửa sạch đầu dò. o Động cơ DC cuộn thả kéo đầu dò lên treo trên mặt nước.
b) Thiết kế hệ thống điều khiển
ị Thiết kế sơ đồ khối hệ thống điều khiển
Hình 4. 2. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cho trạm tích hợp đa cảm biến
Nguồn 12V được cung cấp từ PIN mặt trời sẽ cấp cho khối nguồn +5V, đây là nguồn nuơi
chính cho tồn hệ thống hoạt động. Các nguồn +12V/+5V được đưa đến khối chuyển mạch và
đẩy kéo để truyền tải cơng suất cho tồn mạch. Khối Switch/driver 1 truyền tải cơng suất và tín hiệu điều khiển cho RC servo, DC motor và modun SIM900. Khối Switch/driver 2 truyền tải cơng suất và tín hiệu điều khiển cho 5 cảm biến. Microcontroller được sử dụng mô đun Arduino UNO, và mô đun vi điều khiển khá mạnh, rẻ tiền, được tích hợp trên nền tảng platform của Arduino, cho phép hỗ trợ nhiều tính năng trong lập trình điều khiển.
41
Hình 4. 3. Sơ đồ nguyên lý khối Switch/driver
Giải tích mạch cho sơ đồ nguyên lý:
- S_PH là ngõ ra đầu dị cảm biến PH, U_PH mơ đun đo độ PH sử dụng của hãng Atlas-
Scientifics. D4 và D5 và chân TX và RX cho kết nối RS232 với CPỤ
- S_DO là ngõ ra đầu dò cảm biến DO, U_DO mô đun đo độ DO sử dụng của hãng
Atlas-Scientifics. D4 và D5 và chân TX và RX cho kết nối RS232 với CPỤ
- S_T là ngõ ra cảm biến nhiệt độ, relay K1 có chức năng cấp nguồn cho mô đun cảm biến nhiệt độ DS18B20. Trở R21 là 4K7 được nối lên nguồn để phù hợp với chuẩn
42
giao tiếp one wire của mô đun DS18B20 với vi điều khiển. Chân S_T2 được nối với chân D2 của vi điều khiển.
- S_A là ngõ ra cảm biến độ mặn, dùng đầu dò TDS 130CM. Trở R5 là 10K được nối với chân mass của relay K2. Chân S_T2 được nối với chân A2 của vi điều khiển để đo giá trị analog độ dẫn điện. Relay K2 có chức năng cấp nguồn cho mơ đun.
- S_TU là ngõ ra cảm biến độ đục, relay K3 có chức năng cấp nguồn cho mơ đun đo độ
đục Turbidity Sensor của hãng DFRobot. Chân S_TU2 được nối với chân A1 của vi
điều khiển, để đọc giá trị analog tương ứng với độ đục của nước.
- Mođun C_V có chức năng dự phòng, chưa được sử dụng.
- R1, R2, R3 và R4 là trở phân cực on/off cho transistor ở chế độ bão hịa để đóng ngắt các relay K1, K2, K3 và K5.
- Các Diode D1, D2, D3 và D5 được sử dụng để bảo vệ nguồn, loại bỏ dòng ngược tạo
ra khi đóng ngắt các relaỵ
Hình 4. 4. Sơ đồ mạch in PCB của mơ đun Switch/driver
43
Hình 4. 5. Giải thuật điều khiển trung tâm
Giải thuật điều khiển trung tâm thể hiện ở Hình 4.4. Các khối chức năng được giải thích như
sau:
- Khai báo các thông số hệ thống: khai báo thời gian đo trong ngày, khai báo góc quay
tối đa của RC servo motor, khai báo thời gian cuộn tối đa cho động cơ DC.
- Di chuyển đầu dò đến vùng đo: RC Servo motor sẽ xoay trục B đưa đầu dò sang vùng
đo
- Hạ đầu dò xuống nước: Động cơ DC cuộn thảo đầu dò xuống nước ao nuôi
- Thực hiện đo các thông số môi trường: Gửi lệnh yêu cầu đo các thơng số mơi trường
44
- Kéo đầu dị lên: Động cơ DC cuộn đưa đầu dò lên cao
- Di chuyển đầu dò đến can nhựa: SR Servo motor xoay trục đưa đầu dò trở về can
nhựạ
- Hạ đầu dò xuống, làm sạch đầu dò: Động cơ DC cuộn thả đầu dò xuống nước ở can
nhựa để rửa sạch đầu dò.
- Kéo đầu dò lên: Động cơ DC cuộn thả kéo đầu dò lên treo trên mặt nước.
c) Thiết kế cơ khí đầu dị tích hợp
Hình 4. 6. Mơ hình cơ khí của đầu do cảm biến tích hợp
Mơ hình thiết kế cơ khí cho đầu dị tích hợp như Hình 4.6. Các cảm biến được bố trí tại các lỗ
định vị a) xung quanh đĩa gá đỡ cảm biến a). Hai trục định vị cảm biến cố định các đĩa gá đỡ. Đĩa gá đở trên cùng được bắt thêm bulon tạo thành trục treo cho tồn bộ đầu dị cảm biến tích hợp. Nắp và vỏ là ống nhựa PVC, được dùng để che phủ cho đầu dò, chống thấm nước và chống va đập khi vận chuyển.
d) Thiết kế cơ khí hệ thống
45
Hình 4. 7. Hệ truyền động cho trạm BTS
Hệ truyền động cho motor DC gồm 2 cơ cấu truyền động xoay của RC Servo motor và truyền
động cuộn lên xuống của động cơ DC như Hình 4.6. Bản vẽ chi tiết thể hiện trong phụ lục đính kèm. Chi tiết thiết kế xem ở Phụ lục Ẹ
iị Thiết kế hệ thống khung bao và phao thuyền
Hình 4. 8. Hệ thống khung bao và phao thuyền
Hệ thống khung bao và phao thuyền như Hình 4.7. Khung bao sử dụng INOX 304 không rỉ chịu được môi trường nước biển. Khung được định vị giữa phao, được thiết kế kết hợp chức năng gá đỡ hộp điều khiển, kết dính phao thuyền và định vị khay chứa can nhựa và vùng đọ Bản vẽ chi tiết trong phụ lục đính kèm.
Phao thuyền sử dụng nhựa HDPE chuyên dụng cho thủy sản, kích thước 160cm x35cm x20cm. Sử dụng 2 phao có thê nâng nổi hồn tồn hệ thơng trạm BTS.
46
Chương 5. Kết quả 5.1. Kết quả mơ hình trạm cảm biến tích hợp giám sát các thông số môi trường nước ao
nuôi tôm
Hệ thống trạm tích hợp đa cảm biến được lặp đặt như Hình 5.1, hình chụp hệ thống đầu dị tích hợp được kiểm tra trước khi đóng vỏ nhựa để bảo vệ chống va đập và chống nước. Các đầu đị cảm biến được bố trí cố định vị trí trên các đĩa Mikạ Board Switch/driver2 được ghép nối với board Arduino UNO để điều khiển tích hợp các đầu dị cảm biến.
Sau khi được đóng vỏ, đầu dị tích hợp sẽ được treo lên pully truyền động lên xuống bởi một
motor DC để có thể hạ xuống mặt nước đo các thông số môi trường và sau đó được kéo lên di chuyển đến can nhựa đựng nước sạch để làm sạch đầu dò.
Hình 5. 1. Hình chụp hệ thống đầu dị tích hợp
Hình 5.2 là hình chụp bộ điều khiển trung tâm nơi ghép tích hợp các mơ đun: nguồn +5V/5A, board Switch/driver 1, board vi điều khiển Arduino UNO, mô đun SIM900 và các mô đun
driver cho động cơ DC. Bên cạnh đó, hệ thống được tích hợp thêm Pannel và mơ đun điều