CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG IOT TRONG NÔNG NGHIỆP
2.1. HỆ THỐNG CẢM BIẾN
2.1.1. Thiết kế hệ thống cảm biến
Hình 2.1. Sơ đồ khối cảm biến
Các khối cảm biến được thiết kế và chế tạo theo sơ đồ trong Hình 2.1. Các khối cảm biến hoạt động độc lập, sử dụng nguồn pin sạc giúp đảm bảo hoạt động liên tục. Mỗi khối cảm biến sẽ đảm nhận việc thu thập một số loại thông số môi trường. Mạng cảm biến không dây được hình thành dựa trên sự phối hợp tổ chức của các khối cảm biến đơn lẻ.
2.1.1.1. Trung tâm cảm biến (khối số 1)
Khối trung tâm cảm biến có vị trí số 1 như trong Hình 2.1 là bộ não của khối cảm biến, có nhiệm vụ thu thập thông tin từ các cảm biến. Xử lý thông tin thu được và gửi về khối điều khiển trung tâm của cả hệ thống. Khối trung tâm cảm biến thực hiện giao tiếp truyền thông với khối điều khiển trung tâm thông qua truyền dẫn không dây.
Khối trung tâm cảm biến cần đạt các yêu cầu cơ bản như sau:
+ Chi phí thấp để có thể triển khai với số lượng lớn.
+ Có khả năng kết nối đến các thiết bị ngoại vi, giao tiếp với các loại cảm biến một cách dễ dàng.
+ Tiêu thụ năng lượng thấp, phù hợp với hoạt động dài ngày trong điều kiện sử dụng nguồn điện dung lượng thấp, nhỏ gọn.
+ Linh kiện phổ biến để có thể thay thế, lập trình một cách thuận tiện.
Trung tâm cảm biến sử dụng Arduino Nano V3.0 ATmega328P như Hình 2.2 . Phần cứng bao gồm một bo mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit. Những mẫu hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào tương tự, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều bo mở rộng khác nhau [27] .
Hình 2.2. Arduino Nano V3.0 ATmega328P cho khối cảm biến
Bên cạnh phiên bản ATmega328, vi điều khiển ATmega168 cũng có thể được sử dụng trên bo Nano. Sự khác biệt là dung lượng bộ nhớ và màu của mạch.
Trong đề tài, 2 kiểu mạch Arduino Nano V3.0 ATmega328P và Arduino Nano V3.0 Atmega168P đều được sử dụng nhằm đánh giá tính năng. Đây là một mạch vi điều khiển cỡ nhỏ, chi phí thấp. Giao thức truyền thông có thể triển khai trên nền tảng này là một ưu điểm của thiết kế. Điều này không chỉ giảm chi phí đầu tư cho hệ thống mà còn giảm tiêu thụ năng lượng, thu gọn khối nguồn và dễ sửa chữa thay thế thiết bị.
2.1.1.2. Giao tiếp không dây( khối số 2)
Giao tiếp không dây có vị trí số 2 trong Hình 2.1, có nhiệm vụ làm cầu nối truyền thông tin giữa khối cảm biến và khối điều khiển trung tâm. Bằng môi trường không dây, các khối cảm biến có thể được triển khai linh hoạt, dễ dàng.
Ngoài ra truyền thông không dây không những không bị cản trở bởi cây trồng mà còn có khả năng thay đổi chủng loại, tăng giảm số lượng khối cảm biến một cách linh động tùy vào nhu cầu của người sử dụng cần lấy thông tin gì từ môi trường
Giao tiếp không dây cần phải đáp ứng các yêu cầu cơ bản sau:
+ Chi phí thấp để có thể triển khai với số lượng lớn.
+ Có khả năng hoạt động lâu dài, liên tục.
+ Tiêu thụ năng lượng thấp, phù hợp với hoạt động dài ngày trong điều kiện sử dụng nguồn điện dung lượng thấp, nhỏ gọn.
+ Linh kiện phổ biến để có thể thay thế, lập trình một cách thuận tiện.
Giao tiếp không dây trong đề tài sử dụng mạch RF UART SI4463 433Mhz HC-12 như Hình 2.3. có thể đạt khoảng cách 1km với môi trường lý tưởng.
Mạch có thể dễ dàng cài đặt và sử dụng. Với mạch này chúng ta có thể giao tiếp bằng giao thức USART. Dễ dàng ứng dụng vào các thiết bị điều khiển từ xa, thu thập thông tin cảm biến từ khoảng cách xa,... Mạch hoạt động ở tần số 433MHz.
Hình 2.3. Mạch RF UART SI4463 433Mhz HC-12
Giới thiệu về SI4463
Các thiết bị SI446x là bộ thu phát ISM không dây, hiệu suất cao, dòng điện thấp, bao phủ các băng tầng từ 433 MHz đến 473 MHz. Dải điện áp hoạt động rộng 3,2–5,5 V và mức tiêu thụ dòng điện thấp làm cho SI446x trở thành giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng chạy bằng pin. SI446x hoạt động như một bộ thu phát song song phân chia thời gian trong đó thiết bị luân phiên truyền và nhận các gói dữ liệu. Thiết bị sử dụng bộ trộn chuyển đổi đơn để chuyển đổi xuống tín hiệu nhận được điều chế 2/4 mức FSK / GFSK hoặc OOK đến tần số IF thấp. Theo sau mức tăng có thể lập trình bộ khuếch đại tín hiệu được chuyển đổi sang miền kỹ thuật số bằng ∆Σ ADC hiệu suất cao cho phép lọc, giải điều chế, cắt lát và xử lý gói tin được thực hiện trong DSP tích hợp làm tăng khả năng thu hiệu suất và tính linh hoạt so với kiến trúc dựa trên kỹ thuật tương tự. Tín hiệu giải điều chế được xuất ra hệ thống MCU thông qua GPIO có thể lập trình hoặc qua cổng SPI tiêu chuẩn.
Bảng. 2.1. Thông số kĩ thuật Mạch RF UART SI4463 433Mhz HC-12
Tính năng Thông số
Điện áp hoạt động 3.2~5.5VDC
Dòng chờ 16mA
Tần số hoạt động 433~473Mhz
Khoảng cách hoạt động khoảng 600m, có thể đạt 1000m Giao tiếp chuẩn USART TTL 3.2~5.5VDC
Cài đặt mặc định chế độ FU3, tốc độ 9600bps, kênh CH001 (433.4MHz)
2.1.1.3. Cảm biến( vị trí số 3)
a. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và áp suất không khí BME280
Cảm biến BME280 được sử dụng như một áp kế điện tử để đo áp suất, nhiệt độ và độ ẩm khộng khí, cảm biến có thiết kế nhỏ gọn, có độ bền cao có giá thành rẻ, có thể sử dụng cả trong nhà và ngoài trời trong các hệ thống IoT. Cảm biến BME280 có dải đo rộng, thời gian đo nhanh và độ chính xác cao. Cảm biến sử dụng chuẩn giao tiếp I2C rất dễ kết nối và điều khiển với thư viện Arduino
Hình 2.4. Cảm biến nhiệt độ độ ẩm và áp suất không khí BME280 b. Cảm biến cường độ sáng BH1750
Đề tài này sử dụng cảm biến BH1750 để xác định thông số về cường độ sáng theo đơn vị lux, chỉ số này biểu đạt mức độ ánh sáng trên bề mặt mà con người cảm nhận được mạnh hay yếu. Các bo mạch gắn sẵn BH1750 như trên Hình 2.5 có giá thành rẻ, dễ kết nối giúp việc tiếp cận và sử dụng cảm biến này ngày càng trở nên dễ dàng và phổ biến hơn. Cảm biến BH1750 có dải đo rộng, thời gian đo nhanh và độ chính xác cao. Các thông số này có thể điều chỉnh được.
Hình 2.5. Cảm biến cường độ sáng BH1750 c. Cảm biến nhiệt độ DS18B20
Đề tài sử dụng cảm biến nhiệt độ DS18B20 dây mềm là phiên bản chống nước chống ẩm của cảm biến nhiệt độ DS18B20. Cảm biến nhiệt độ DS18B20 là cảm biến kĩ thuật số của hãng Maxim với độ phân giải cao, sử dụng giao tiếp IC một dây rất gọn gàng, dễ lập trình. IC còn có chức năng cảnh báo nhiệt độ khi vượt ngưỡng và cấp nguồn từ chân dữ liệu. Đây là cảm biến kĩ thuật số nên không bị suy hao tín hiệu trên đường dây.
Hình 2.6. Cảm biến nhiệt độ DS18B20
d. Cảm biến điện dung đất
Hình 2.7. Cảm biến điện dung đất
Cảm biến có giá thành rẻ, dễ thay thế khi cần thiết. Cảm biến hoạt động dựa trên nguyên tắc thay đổi điện dung giữa các bản cực. Các bản cực này đã được thiết kế trên mạch in và được phủ chống ăn mòn. Điều này giúp giảm ăn mòn, tăng thời gian sử dụng so với loại cảm biến điện trở.
2.1.1.4. Khối nguồn
Khối nguồn được thiết kế trên yêu cầu hỗ trợ cảm biến hoạt động liên tục không gián đoạn trong mọi điều kiện thời tiết. Khối này sử dụng pin năng lượng mặt trời kết hợp pin dự phòng nhằm thỏa mãn yêu cầu về thiết kế. Khối nguồn được xây dựng bởi đề tài “HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ KÍNH TỰ ĐỘNG DÙNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO” của tác giả Nguyễn Thị Phương Trà.