NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP
Nội dung 1: Nghiên cứu các chuẩn công nghệ và phạm vi ứng dụng của các công nghệ mạng cảm biến không dây thông suốt cho ứng dụng giám sát môi trường
Chuyên đề 1: Khảo sát và so sánh các công nghệ mạng cảm biến không dây có khoảng cách truyền xa để xây dựng mạng UWSN
Trong những năm gần đây, mạng cảm biến không dây thông suốt (UWSN) đã trở thành công nghệ quan trọng trong nhiều ứng dụng giám sát và thu thập thông tin, đặc biệt trong giám sát môi trường và mực nước Công nghệ này giúp cải thiện quyết định trong nông nghiệp và ứng phó với biến đổi khí hậu thông qua việc sử dụng các nút cảm biến để đo đạc thông số thay đổi theo thời gian thực trong một khu vực nhất định Gần đây, các nhà nghiên cứu đã đề xuất ứng dụng UWSN cho mục đích giám sát môi trường, mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực này.
Để xây dựng một mô hình mạng cảm biến không dây hiệu quả, việc kết hợp giữa mạng di động GPRS/3G và cơ sở hạ tầng mạng cảm biến là rất cần thiết Mặc dù mạng cảm biến không dây có khả năng truyền tín hiệu xa, nhưng nó chỉ có thể giám sát trong một khu vực nhất định Nhờ vào sự hỗ trợ của mạng di động GPRS/3G, hệ thống giám sát môi trường có thể hoạt động linh hoạt ở bất kỳ đâu và vào bất kỳ thời điểm nào.
Hiện nay, các nhà sản xuất thiết bị bán dẫn hàng đầu thế giới đang phát triển các chip thu phát vô tuyến chuyên dụng cho ứng dụng thu thập dữ liệu với tần số hoạt động từ 433-868 MHz Nhóm nghiên cứu đã khảo sát và lựa chọn những chip thu phát cùng thiết bị không dây phù hợp nhất cho ứng dụng giám sát môi trường Kết quả khảo sát đã liệt kê các thiết bị phù hợp như sau:
MRF89XA của Microchip là một chip thu phát hoạt động trên dải tần số 863-902-928 MHz ISM và 950-900 MHz, nổi bật với giá thành rẻ và tiêu thụ năng lượng thấp (khoảng 3 mA ở chế độ thu) Chip này hỗ trợ tốc độ phát dữ liệu lên đến 200 kb/s và có tính năng xử lý dữ liệu như 64-byte FIFO và xử lý gói dữ liệu Với khả năng tích hợp cao, MRF89XA giúp tối giản hóa các thiết bị bên ngoài mà vẫn đảm bảo tính linh hoạt trong ứng dụng.
CC1110 (Texas Instrument): Chip thu phát tín hiệu CC1110 của hãng Texas
Chip Instrument (TI) được phát triển cho các ứng dụng không dây tiêu thụ năng lượng thấp dưới 1 GHz, dựa trên nền tảng vi điều khiển 8051 Nó sở hữu bộ nhớ flash lên đến 32 kB và RAM 4 kB, cùng với nhiều tính năng mạnh mẽ khác Kích thước nhỏ gọn 6x6 mm của chip rất lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu tiết kiệm không gian.
MRF24J40MD (Microchip ZigBee): MRF24J40MD là một mô đun thu phát 2.4 GHz
Mô đun MRF24J40MD, dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.15.4, được thiết kế cho các ứng dụng yêu cầu khoảng cách truyền xa Nó tích hợp anten PCB và mạch matching, hỗ trợ các giao thức ZigBee, MiWi và MiWi P2P Mô đun này có khả năng kết nối với nhiều dòng vi điều khiển PIC qua giao tiếp SPI, cung cấp giải pháp hiệu quả cho các ứng dụng như đọc và thu thập dữ liệu, cảm biến không dây, nhà tự động và giảm thiểu tiêu hao năng lượng.
Các chip thu phát và thiết bị hiện đại nhất trên thị trường được thiết kế đặc biệt cho ứng dụng thu thập dữ liệu không dây Nhóm nghiên cứu đã khảo sát nhiều thiết bị dựa trên tiêu chí giá rẻ, tiêu thụ năng lượng thấp, độ tin cậy dữ liệu cao và phù hợp với chuẩn tần số dưới 1 GHz.
Chuyên đề 2 & 3: Đánh giá khoảng cách truyền sóng và các thông số kỹ thuật của các thiết bị cảm biến không dây
Sau khi khảo sát và đánh giá các thiết bị phù hợp, nhóm nghiên cứu đã tiến hành so sánh chúng để lựa chọn thiết bị tối ưu cho ứng dụng giám sát môi trường Bảng I trình bày kết quả so sánh giữa các thiết bị này.
BẢNG I Bảng so sánh các thiết bị thu phát
TI Proprietary Sub-GHz IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4
Tốc độ 200 kbps Lên đến 500 kbps 250 kbps 250 kbps
Công suất phát +12.5 dBm -6 đến 10 dBm 0 dBm 20 dBm Độ nhạy máy thu
2 kbps (với xác suất lỗi BER= 10 -
-110 dBm ở 50 kbps (với xác suất lỗi PER -2 )
-104 dBm (với xác suất lỗi BER= 10 -3 )
-94 dBm (với xác suất lỗi BER= 10 -3 )
Khoảng cách truyền trong nhà
Có thể xuyên qua 2 bức tường (20m
Có thể xuyên qua 7 bức tường
Có thể xuyên qua 3 bức tường (25m trong nhà)
Có thể xuyên qua 5 bức tường trong nhà) Khoảng cách truyền trong môi trường ngoài
550m với một vài vật cản 1.2 Km trong môi trường không vật cản
RX: 3mA TX: 25 mA Sleep: 0.3 àA
RX: 16.2 mA TX: 15.2 mA Sleep: 0.5 àA
RX: 19mA TX: 23 mA Sleep : 2 àA
RX: 32 mA TX: 140 mA Sleep : 10 àA
Theo Bảng I, thiết bị CC1110 của Texas Instrument nổi bật với khả năng tích hợp vi điều khiển, giúp tiết kiệm chi phí cho các thiết bị không dây.
Năng lượng tiêu hao của CC1110 và các thiết bị tương tự gần như bằng nhau, nhưng CC1110 vượt trội về độ tin cậy trong truyền dữ liệu không dây Tại tốc độ 1.2 kbps, CC1110 có độ nhạy máy thu đạt -110 dBm với xác suất lỗi gói tin (PER) là 10^-2, trong khi các thiết bị Zigbee có cùng độ nhạy nhưng lại có xác suất lỗi từng bit (BER) là 10^-3 Đặc biệt, thiết bị MRF24J40MD, với bộ khuếch đại công suất tích hợp, tiêu tốn năng lượng cao hơn.
Thiết bị CC1110 có khả năng truyền sóng xa nhất lên đến 1.2 Km trong môi trường không vật cản và hướng truyền thẳng (Line of Sight), trong khi đó, khoảng cách truyền giảm xuống còn 550 m khi có vật cản Ngoài ra, thiết bị MRF24J40MD cũng được đề cập.
MRF24J40 có khoảng cách truyền thấp hơn so với thiết bị CC1110 do hoạt động trên băng tần 2.4 GHz, nơi có độ nhiễu cao từ nhiều ứng dụng khác Tần số 2.4 GHz cũng dễ bị suy giảm trong môi trường có vật cản và phản xạ kém hơn so với 800-900 MHz Đặc biệt, tần số này bị hấp thụ mạnh bởi nước, lý do khiến nó được sử dụng cho lò vi ba Do đó, băng tần 2.4 GHz không phù hợp cho các ứng dụng giám sát môi trường nước.
Nhóm nghiên cứu đã quyết định chọn KIT phát triển CC1110 làm phần cứng thu phát cho đề tài giám sát mực nước, dựa trên kết quả đo kiểm thực tế và bảng so sánh Hình 2 minh họa KIT phát triển CC1110 cùng với sơ đồ khối của nó.
Hình 2: Thiết bị thu phát CC1110 và sơ đồ khối
Hình 3: Kết quả đo kiểm thực tế với đương truyền LOS.
Nội dung 2: Nghiên cứu kỹ thuật giám sát mực nước sử dụng các công nghệ cảm biến đo mực nước khác nhau
Chuyên đề 1 tập trung vào nghiên cứu nguyên lý kỹ thuật cảm biến đo mực nước, với hai công nghệ chính là đo áp suất và phản xạ laser Đầu tiên, công nghệ đo mực nước bằng áp suất được phân tích nhằm xác định ưu điểm và nhược điểm của nó Dựa trên những phân tích này, chúng ta sẽ lựa chọn cảm biến phù hợp nhất cho ứng dụng đo mực nước.
Cảm biến đo mực nước hoạt động dựa trên nguyên lý đo áp suất và sử dụng bộ chuyển đổi ADC để xác định chính xác mực nước Mực nước của chất lỏng được xác định từ áp lực thủy tĩnh tại đáy nơi chứa nước và đo tại đầu ống cảm biến Cảm biến áp suất bao gồm áp suất khí quyển ở một đầu và áp suất của chất lỏng ở đầu còn lại Dưới giả định mật độ chất lỏng không thay đổi và gia tốc trọng trường ổn định, áp lực nước có thể được tính toán bằng một công thức đơn giản.
P là áp suất thủy tĩnh (Pa);
G là gia tốc trọng trường (9.8066 m / s²);
D là mật độ chất lỏng (kg/m³);
H là chiều cao của cột chất lỏng (m) Để tính được độ cao H:
Mật độ chất lỏng, đặc biệt là nước, thay đổi theo nhiệt độ, với giá trị tối đa đạt 999,972 kg/m³ tại 4°C và giảm xuống còn 997,774 kg/m³ ở nhiệt độ phòng 22°C Các phép đo trong bài viết được thực hiện ở nhiệt độ phòng khoảng 22°C, ± 3°C, với sự thay đổi mật độ nước khoảng ± 0,1% Trong điều kiện áp suất 10 kPa, chiều cao nước tương đương là 1.022m Công nghệ đo mực nước bằng laser đang được áp dụng để cải thiện độ chính xác trong các phép đo này.
Công nghệ này sử dụng xung laser tốc độ cao để đo khoảng cách bằng cách phát tia laser hướng về bề mặt vật thể Tia laser sẽ bị phản xạ trở lại thiết bị cảm biến qua một đầu thu quang học Thời gian tia laser di chuyển đến bề mặt và phản xạ trở lại tỉ lệ thuận với khoảng cách giữa thiết bị và vật thể, cho phép chúng ta ước lượng chính xác khoảng cách thông qua phương pháp tính toán thời gian phản xạ.
M ự c n ướ c = Độ cao – Khoảng cách c Lựa chọn cảm biến phù hợp
Trên thị trường hiện nay có nhiều loại cảm biến mực nước dựa trên công nghệ áp suất và laser Để tìm ra cảm biến có độ chính xác cao và giá cả phù hợp với yêu cầu của đề tài, nhóm nghiên cứu sẽ khảo sát các loại cảm biến hiện có Cuối cùng, nhóm quyết định lựa chọn ba cảm biến: cảm biến đo áp suất KL76-S36 từ Nhật Bản, cảm biến laser LM200 của KCControls ở Anh, và cảm biến đo áp suất WL400 của GlobalWater Mỹ.
Nhóm nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm cảm biến đo laser, được lắp đặt trong một ống có đường kính 5cm Cảm biến được gắn ở đầu trên của ống, trong khi đầu dưới cắm thẳng xuống mặt nước Bên trong đầu dưới của ống có một phao nổi tích hợp, giúp cảm biến laser đo khoảng cách từ phao đến đầu cảm biến nhằm ước lượng mực nước chính xác.
Hình 6: Khảo sát cảm biến laser đo khoảng cách mực nước
Hình 7 minh họa phương pháp khảo sát khả năng hoạt động của cảm biến áp suất Cảm biến áp suất được thả vào một ống hình trụ đầy nước, với tín hiệu ngõ ra là 4-20 mA Tín hiệu ngõ ra sẽ gia tăng khi cảm biến được thả xuống sâu hơn so với mực nước.
Hình 7: Khảo sát cảm biến đo áp suất để tính khoảng cách mực nước
Sau khi khảo sát, nhóm nghiên cứu đã đánh giá các công nghệ cảm biến và laser, nhận thấy rằng giá trị đo được có thể thay đổi do sự dao động của phao nổi Sự lệch của phao nổi không chỉ ảnh hưởng đến kết quả đo mực nước mà còn làm giảm tính ổn định trong thời gian dài Điều này gây khó khăn trong việc hiệu chỉnh cảm biến, như thể hiện trong hình vẽ dưới đây, nơi cho thấy sự lệch của phao nổi dẫn đến kết quả đo không chính xác.
Hình 8 cho thấy rằng việc lệch bề mặt vật thể cần đo có thể dẫn đến kết quả không chính xác trong công nghệ đo áp suất Kết quả đo bị ảnh hưởng bởi khối lượng riêng của nước, do đó nhóm nghiên cứu đã khảo sát trong nhiều môi trường nước khác nhau Qua thực nghiệm đo đạc tại các nguồn nước như sông suối, kênh rạch và nước mưa, nhóm nhận thấy rằng mặc dù có sự ảnh hưởng đến kết quả đo, nhưng sự thay đổi không lớn và vẫn nằm trong giới hạn sai số cho phép đã được đề ra trong thuyết minh đề tài.
Dựa trên kết quả khảo sát, nhóm nghiên cứu đã quyết định sử dụng công nghệ áp suất và cảm biến áp suất để thiết kế trạm giám sát mực nước cho sông và kênh rạch, nhằm đảm bảo tính ổn định lâu dài của hệ thống.
Khi so sánh cảm biến đo áp suất WL400 của GlobalWater Mỹ và KL76-S36 của Nhật Bản, nhóm nghiên cứu nhận thấy độ chính xác và độ bền của hai cảm biến tương đương Tuy nhiên, cảm biến KL76-S36 có giá thành rẻ hơn và phù hợp với tiêu chí chất lượng cũng như ngân sách của đề tài Do đó, nhóm nghiên cứu quyết định lựa chọn cảm biến KL76-S36 của Nhật Bản, vì nó cung cấp kết quả đo mực nước chính xác Hình 9 minh họa sản phẩm cảm biến KL76-S36.
Hình 9: Sản phẩm cảm biến mực nước KL76-S36
Chuyên đề 2: Nghiên cứu kỹ thuật và tiêu chuẩn giao tiếp của cảm biến đo mực nước
Cảm biến đo mực nước KL76-S36 sử dụng giao tiếp 4-20 mA, chuyển đổi tín hiệu sang điện áp liên tục 0-5 V và sau đó thành tín hiệu số qua bộ chuyển ADC Mức dòng 4 mA tương ứng với 0V đầu ra, trong khi 20 mA tương ứng với 5V Để đảm bảo tính chính xác cho các thiết bị giám sát, đầu ra 4-20 mA cần được chuyển đổi thành các mức điện áp phù hợp cho bộ chuyển đổi ADC, với 4 mA được hiệu chỉnh thành mức 0 của kết quả giám sát và tương ứng với 0 V tại đầu vào của bộ chuyển đổi.
Chuyên đề 3: Nghiên cứu thuật toán tính toán từ giá trị dòng điện (hoặc điện áp) thu được từ cảm biến sang giá trị mực nước
Hình 10 là schematic mạch ngõ ra của cảm biến để thu được giá trị điện áp tương ứng
Hình 10: Mạch ngõ ra của cảm biến
BẢNG II ghi lại các giá trị thu được từ cảm biến và mực nước tương ứng
BẢNG II Các giá trị thu được từ cảm biến và mực nước tương ứng
Mực nước (cm) Ampere (mA) Voltage (V)
Chuyên đề 4: Kiểm tra và hiệu chỉnh giá trị đo của cảm biến mực nước
Cảm biến đo mực nước được hiệu chỉnh nhiều lần theo hướng dẫn kỹ thuật từ nhà sản xuất Nhật Bản Giá trị đo sau đó được xác minh bằng các dung dịch thử nghiệm nhằm đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của cảm biến cũng như máy đo.
Giá trị sau khi được cân chỉnh sẽ được chuyển đổi thành giá trị số tương ứng với ngõ vào chân ADC của vi xử lý, như được trình bày trong Bảng III.
BẢNG III: Giá trị tương ứng của điện áp sang ADC
Mực nước (cm) Voltage (V) ADC
NỘI DUNG 3: Nghiên cứu thiết kế và sản xuất trạm giám sát mực nước sông, kênh rạch
Chuyên đề 1: Thiết kế phần cứng tổng quát cho trạm giám sát mực nước
Cấu trúc phần cứng của trạm giám sát mực nước tự động bao gồm bốn mô đun chính: mạch đọc dữ liệu (data-logger), mô đun gateway (có dây và không dây), mô đun cấp nguồn và cảm biến mực nước, với khả năng tích hợp thêm các cảm biến khác khi cần thiết Vi điều khiển trung tâm điều khiển tất cả các chức năng của nút trạm, trong khi các thông số môi trường được thu thập bởi data-logger sẽ được gửi đến mô đun gateway để truyền tải thông tin về trung tâm giám sát từ xa qua mạng GPRS/3G hoặc thông qua giao tiếp có dây như Ethernet hoặc USB.
