Nghiên cứu áp dụng mạng cảm biến không dây sử dụng năng lượng sạch trong mô hình nhà kính

...10 Hình 7: Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây: nốt cảm biến cảm biến, bộ vi điều khiển, bộ gửi dữ liệu không dây và trung tâm theo dõi.. ...11 Hình 8: Cấu trúc cơ bản của

ục lục

Phần mở đầu 4

1 Gi i thiệu đề tài: 4

2 Ý ng ĩa k oa ọc của đề tài 5

3 Mục đíc ng iên cứu 5

4 Gi i hạn đề tài 6

5 Sản phẩm khoa học của đề tài 6

6 Cấu trúc của báo cáo 6

C ương Tổng quan về mạng cảm biến không dây 7

I.1 Mạng máy tính 7

I.2 Mạng cảm biến không dây 11

I.3 Kết luận 11

C ương N ng lượng sạch trong mạng cảm biến không dây 12

II.1 Đặc điểm và cấu trúc của mạng cảm biến không dây 12

II.2 N ng lượng sạch trong mạng cảm biến không dây 14

II.3 Kết luận 16

C ương ạng cảm biến không dây ứng dụng vào nhà kính 17

III.1 ng dụng trong nông nghiệp 17

III.2 ng dụng vào nhà kính 18

III.3 Kết luận 23

C ương Kết luận 24

Tài liệu tham khảo 25

Hình 1: Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cuộc sống 4

Hình 2: Mạng máy tính 7

Hình 3: Mạng không dây 8

Hình 4: Mô hình mạng Ad hoc 9

Hình 5: Mô hình mạng cơ sở .10

Hình 6: Mô hình mạng mở rộng .10

Hình 7: Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây: nốt cảm biến (cảm biến, bộ vi điều khiển, bộ gửi dữ liệu không dây) và trung tâm theo dõi .11

Hình 8: Cấu trúc cơ bản của nốt cảm biến không dây: cảm biến đo thông số môi trường; dữ liệu từ cảm biến về bộ vi điều khiển; dữ liệu thô được xử lý và đóng gói trước khi gửi cho bộ giao tiếp không dây nhằm gửi toàn bộ dữ liệu về trung tâm theo dõi và bộ nguồn .12

Hình 9: Kiến trúc của mạng cảm biến không dây .13

Hình 10: Nguồn năng lượng sạch cho mạng cảm biến không dây .15

Hình 11: Sơ đồ mạch cho cảm biến .18

Hình 12: Bản vẽ linh kiện 19

Hình 13: Sơ đồ bố trí linh kiện 3D .20

Hình 14: Nốt cảm biến sử dụng cảm biến DHT11, BH1750 và bộ cấp nguồn sử dụng năng lượng mặt trời. 21

Hình 15: Mô hình mạng Zigbee .21

Hình 16: Nốt cảm biến sử dụng module CC2530 ZigBee .22

Hình 17: Mạng cảm biến không dây sử dụng module CC2530 ZigBee áp dụng giám sát và điều khiển môi trường nhà kính .23

Bảng 1 Mật độ năng lượng của công nghệ thu hoạch năng lượng thông dụng .16

sự thay đổi của môi trường, khí hậu, nghiên cứu vi sinh vật biển, chuyên chở các chất gây

ô nhiễm, kiểm tra giám sát hệ sinh thái và môi trường sinh vật phức tạp), trong quân sự (giám sát các mặt trận quân sự), trong y tế (theo dõi và giám sát các bác sỹ, bệnh nhân), trong giao thông (theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiện xe cộng) và đặc biệt trong nông nghiệp công nghệ cao (giám sát môi trường nuôi trồng: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, độ pH, nồng độ CO2…)

Hình 1: Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cuộc sống

Hiện tại, Việt Nam có nền nông nghiệp đóng góp không nhỏ cho GDP (18% GDP), trong đó nông nghiệp công nghệ cao đang là một trong những mục tiêu phát triển hàng đầu.Khoa học công nghệ đã thúc đẩy nông nghiệp giúp Việt Nam gia tăng giá trị sản lượng nông nghiệp xuất khẩu đạt xấp xỉ 31 tỷ USD năm 2014, tăng 1.5 lần so với bình

quân các năm từ 2010 đến 2012 Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn đã có định hướng đến năm 2020 thành tựu khoa học công nghệ đóng góp 50% GDP ngành nông nghiệp Đặc biệt, sản phẩm nông nghiệp công nghệ cao và sản phẩm nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao chiếm tỷ trọng 50% đến năm 2020

Trong nông nghiệp công nghệ cao, việc áp dụng các cảm biến để giám sát điều kiện môi trường trong một không gian rộng lớn sử dụng các kết nối dây dẫn là bất tiện, khó khăn trong việc triển khai ở những vị trí rộng lớn, gập gềnh Do đó, việc sử dụng các cảm biến không dây thuận lợi triển khai ở những vị trí rộng lớn, những lơi mà kết nối dây dẫn khó khăn trong việc triển khai

Nhà kính tự động giúp chúng ta có thể tiết kiệm nhân lực, tăng độ chính xác trong giám sát và điều khiển môi trường Đặc biệt có thể giám sát và điều khiển 24/7 Vì vậy,

xu hướng phát triển của nông nghiệp công nghệ cao là sử dụng các nhà kính tự động giúp giám sát và điều khiển môi trường sống của cây trồng, vật nuôi

Từ những yêu cầu thực tế trên, những đòi hỏi ngày càng cao của phát triển nông nghiệp công nghệ cao, cộng với sự phát triển mạnh của khoa học công nghệ, đặc biệt là công nghệ thông tin, kỹ thuật điện-điện tử Phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trong nông nghiệp đang là xu thế phát triển nông nghiệp cao nói chung và nhà kính tự

động nói riêng Từ đó, tôi đề xuấtđềtài “Nghiên cứu áp dụng mạng cảm biến không dây sử dụng n ng lượng sạch trong mô hình nhà kính”

2 Ý ng ĩa k oa ọc của đề tài

Quảng Bình nằm ở phía Đông Trường Sơn, giáp biển, ảnh hưởng bởi khí hậu khô hạn gió Lào, điều kiện thời tiết nói chung là ít thuận lợi Đặc biêt những năm gần đây, thời tiết biến đổi thất thường, khí hậu thay đổi ( bão, lũ lụt, hạn hán ) gây ra những ảnh hưởng xấu đến năng suất nông nghiệp Do đó để hạn chế ảnh hưởng của khí hậu thì việc ứng dụng các cảm biến không dây vào giám sát thông số môi trường trên một không gian rộng lớn nói chung và nhà kính tự động nói riêng giảm chi phí nhân công, vật tư dây dẫn, giám sát trên một không gian rộng lớn Hơn nữa, một cách thông thường người nông dân canh tác dựa vào cảm nhận điều kiện môi trường, bằng cách sử dụng hệ thống cảm biến người nông dân biết một cách chính xác điều kiện môi trường, từ đó chủ động hơn trong việc nuôi trồng

Việc áp dụng mạng cảm biến không dây sử dụng năng lượng sạch giúp kéo dài tuổi thọ của mạng cảm biến đến khi phần cứng ngừng hoạt động Đây là một trong những giải pháp quan trọng trong việc cấp nguồn cho mạng cảm biến

3 ục đíc ng iên cứu

Đề tài nghiên cứu, khảo sát và thực hiện với mục đích áp dụng các mạng cảm biến không dây sử dụng năng lượng sạch để thu thập thông tin về môi trường, từ những số liệu thu thập được chúng ta có thể thiết kế một hệ thống ổn định điều kiện môi trường sao cho phù hợp với yêu cầu sinh trưởng của cây trồng vật nuôi Hệ thống gồm các cảm biến như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí, ánh sáng, CO2… tích hợp trong mạng không dây

Nghiên cứu nguồn năng lượng sạch để tăng tuổi thọ mạng cảm biến và giải quyết vấn đề cấp nguồn cho mạng hoạt động

4 i i ạn đề tài

Để đáp ứng ứng dụng mạng cảm biến không dây và trong nhà kính tự động đòi hỏi phải có một lượng thời gian, kiến thức nhất định, bên cạnh đó còn là vấn đề tài chính Với lượng thời gian và kiến thức có hạn, trong đề tài này tôi đưa ra những nghiên cứu cơ bản nhất của hệ thống hoàn chỉnh đó.Tôi tập trung vào những vấn đề chính (lý thuyết và thực nghiệm):

 Tổng quan mạng cảm biến không dây;

 Năng lượng sạch trong mạng cảm biến không dây;

 Mạng cảm biến không dây ứng dụng trong nhà kính tự động

5 ản p ẩm k oa ọc của đề tài

Đề tài được xuất bản trong những công trình khoa học

[1] Đào Xuân Quy, Từ Ngọc Thịnh, Trần Tiến Đạt, Vĩnh Thái Cường Ứng dụng mạng cảm biến không dây sử dụng năng lượng sạch vào nông nghiệp

(đang chuẩn bị)

[2] Đào Xuân Quy, Lê Trọng Nhân, Từ Ngọc Thịnh, Trần Tiến Đạt Năng lượng sạch trong mạng cảm biến không dây Tạp chí Thông tin Khoa học

và Công nghệ, Sở Khoa học và Công nghệ Quảng Bình, 2016 (đã gửi bài)

[3] Đào Xuân Quy, Lê Ngọc Phong, Lê Văn Hùng, Từ Ngọc Thịnh Giám sát

và điều khiển môi trường nhà kính bằng điện thoại smartphone Hội thảo

khoa học Khoa Kỹ thuật-Công nghệ, Trường Đại học Quảng Bình, tháng 4, năm 2016

6 Cấu trúc của báo cáo

Báo cáo được trình bày như sau

C ương : Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Giới thiệu tổng quan về mạng máy tính, tổng quan về mạng không dây và một cách

sơ lược về mạng cảm biến khôngdây

C ương N ng lượng sạch trong mạng cảm biến không dây

Giới thiệu một cách sơ lược về đặc điểm và cấu trúc của một nốt cảm biến, cấu trúc của mạng cảm biến, ứng dụng năng lượng sạch (năng lượng mặt trời) vào cung cấp nguồn

cho hệ thống cảm biến

C ương : Mạng cảm biến không dây ứng dụng vào nhà kính

Giới thiệu về hệ thống cảm biến được sử dụng trong nông nghiêp, ứng dụng mạng cảm biến không dây trong mô hình nhà kính tự động

C ương : Kết luận

Nêu lên những kết luận chính của đề tài và định hướng nghiên cứu trong tương lại

C ương Tổng quan về mạng cảm biến k ông dây

I.1 ạng m y tín

a Định nghĩa

Mạng máy tính có thể được định nghĩa là tập hợp các máy tính và những thiết bị khác được kết nối với nhau bởi các đường truyền vật lý theo một kiến trúc nào đó (kết nối dây dẫn hoặc không dây dùng wifi/internet) Mục đích của mạng máy tính là trao đổi

thông tin và chia sẻ tài nguyên giữa các thiết bị và các máy tính kết nối trong mạng (Hình 2) Ví dụ mạng LAN (Local Area Networks), các máy tính kết nối với nhau và các thiết bị

như máy in, máy fax, điện thoại và các thiết bị hỗ trợ thiết lập mạng như hub, modem, repeater, router…

Hình 2: Mạng máy tính

b Phân loại mạng máy tính

Mạng máy tính có thể phân loại theo một số tiêu chí như sau

 Phân loại theo khoảng cách địa lý: mạng cục bộ LAN cài đặt trong phạm vi tương đối hẹp khoảng cách lớn nhất giữa các máy tính nối mạng là vài chục

km, mạng đô thị MAN (Metropolian Area Networks) cài đặt trong phạm vi một đô thị có bán kính nhỏ hơn 100km, mạng diện rộng WAN (Wide Area Networks) phạm vi toàn quốc gia và cả lục địa, mạng toàn cầu GAN (Global Area Networks) phạm vị toàn lục địa;

 Phân loại theo kiến trúc mạng: theo topo và giao thức sử dụng Các mạng thông dụng: mạng SNA của IBM, mạng ISO và mạng TCP/IP;

 Phân loại theo kỹ thuật chuyển mạch: mạng chuyển mạch kênh, mạng chuyển mạch; thông báo, mạng chuyển mạch gói;

 Phân loại theo hệ điều hành

c Mạng không dây

Mạng không dây là một hệ thống các thiết bị được nhóm lại với nhau, có khả năng giao tiếp thông qua sóng vô tuyến thay vì các đường truyền dẫn bằng dây Nói một cách khác mạng không dây là mạng sử dụng công nghệ mà cho phép hai hay nhiều thiết bị kết nối với nhau bằng cách sử dụng một giao thức chuẩn, nhưng không cần kết nối vật lý hay

chính xác là không cần sử dụng dây mạng (Hình 3)

Hình 3: Mạng không dây

Phân loại mạng không dây: một cách truyền thống như phân loại mạng dây, cách phân chia cơ bản nhất của hệ thống mạng không dây là theo phạm vi phủ sóng Theo đó chúng ta có thể chia mạng không dây thành các mạng:

 WLAN: Wireless Local Area Network hay Wireless LAN - hệ thống mạng cục bộ không dây Ví dụ về mạng không dây của toàn nhà công sở, trường họp, bệnh viện, trung tâm thương mại;

 WMANS: Wireless Metropolitan Area Networks - hệ thống mạng đô thi không dây Ví dụ như Đà Nẵng muốn xây dựng hệ thống không dây cho toàn thành phó

 WWANS: Wireless Wide Area Networks - hệ thống mạng diện rộng không dây Ví dụ hệ thống mạng 3G/4G của các công ty viễn thông Viettel, Mobifone, Vinaphone

Kỹ thuật truyền tín hiệu trong mạng không dây

 Kỹ thuật trải phổ tuần tự trực tiếp (Direct Hopping Spread DHSS), kỹ thuật cho phép tín hiệu truyền đi được trải trên nhiều tần số hoạt động đồng thời nhằm giảm đến mức tối thiểu sự nhiễu và mất mát dữ liệu

Spectrum- Kỹ thuật giảm sóng đa truy cập tránh đụng độ (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance-CSMA/CA), khắc phục tình trạng đụng

độ do các máy trạm cùng truyền tín hiệu tại một thời điểm

 Kỹ thuật yêu cầu để gửi/xóa để gửi (Request To Send/Clear To RTS/CTS)

Send-Mô hình mạng không dây

 Mô hình mạng Ad hoc (Independent Basic Service Sets-IBSS): là công nghệ cho phép các nốt mạng (node) truyền trực tiếp với nhau sử dụng bộ thu phát không dây (wireless transceiver) mà không cần bất cứ cơ sở hạ tầng cố định nào Mạng Ad hoc có đặc điểm là mỗi máy chủ không chỉ đóng vai trò

là một hệ thống cuối mà còn đóng vai trò của hệ thống trung gian, mọi nốt

mạng đều có khả năng di động, topo mạng thay đổi theo thời gian (Hình 4)

Hình 4: Mô hình mạng Ad hoc

 Mô hình mạng cơ sở (Basic Service Sets-BSS) gồm các điểm truy nhập AP (Access Point) đóng vai trò điểu khiển cell và điều khiển lưu lượng tới mạng Trong mạng cơ sở, các thiết bị không dây không giao tiếp trực tiếp

mới nhau và giao tiếp với các điểm truy cập AP (Hình 5)

I.2 ạng cảm biến k ông dây

Mạng cảm biến không dây là một hệ thống bao gồm nhiều nốt cảm biến và một trung tâm theo dõi, như mô tả trong Hình 7

Hình 7: Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây: nốt cảm biến (cảm biến, bộ vi điều

khiển, bộ gửi dữ liệu không dây) và trung tâm theo dõi

Trong mạng cảm biến không dây, mỗi nốt cảm biến là một hệ thống nhỏ bao gồm

ba bộ phận chính: các cảm biến, bộ vi điều khiển và bộ gửi dữ liệu không dây (Hình 7) Các cảm biến sử dụng cho một nốt cảm biến rất đa dạng và tùy thuộc vào từng ứng

dụng như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, âm thanh, pH, độ mặn cho đến các loại cảm biến cấp cao khác như âm thanh hay hình ảnh Các cảm biến này đo thông số cần giám sát và gửi

về bộ vi điều khiển Tại đây, dữ liệu thô được xử lý và đóng gói trước khi gửi cho bộ giao tiếp không dây, nhằm gửi toàn bộ dữ liệu này về trung tâm theo dõi, kịp thời điều chỉnh thông số theo mong muốn

Để giải quyết vấn đề thời gian tồn tại của mạng không dây, đặc biệt là mạng cảm biến không dây, chương tiếp theo chúng tôi nghiên cứu cấu trúc mạng cảm biến không dây và tổng hợp một số phương pháp thu hoạch năng lượng sạch cho mạng cảm biến không dây

C ương N ng lượng sạc trong mạng cảm biến k ông dây

II.1 Đặc điểm và cấu trúc của mạng cảm biến k ông dây

Mạng cảm biến không dây là một mạng không dây bao gồm nhiếu nốt cảm biến hợp thành có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhằm mục đích thu thập, xử lý và đưa

ra các quyết định cần thiết liên quan đến thông số cần cảm nhận Việc sử dụng kết nối không dây giúp mạng cảm biến không dây có thể hoạt động trong những điều kiện và vị trí địa lý rộng lớn, khó khăn tiếp cận và nguy hiểm thông qua một giao thức chuẩn nhất định

Cấu trúc cơ bản của nốt cảm biến được minh họa trong n : các cảm biến để đo

thông số môi trường, bộ truyển đổi tín hiệu A/D, vi điều khiển, bộ gửi dữ liệu không dây

và bộ nguồn

Hình 8: Cấu trúc cơ bản của nốt cảm biến không dây: cảm biến đo thông số môi trường; dữ liệu

từ cảm biến về bộ vi điều khiển; dữ liệu thô được xử lý và đóng gói trước khi gửi cho bộ giao tiếp

không dây nhằmgửi toàn bộ dữ liệu về trung tâm theo dõi và bộ nguồn

 Bộ cảm biến:các cảm biến có nhiệm vụ đo thông số môi trường như nhiệt

độ, độ ẩm, anh sáng độ pH, CO2, âm thanh, hình ảnh…Bộ truyển đổi tính hiệu A/D có nhiệm vụ truyển đổi tín hiệu số và tương tự

 Bộ xử lý: có nhiệm vụ xử lý dữ liệu thô, mã hóa và đóng gói gửi cho bộ gửi

dữ liệu không dây

 Bộ gửi dữ liệu không dây: có nhiệm vụ gửi dữ liệu đến nốt cảm biến khác

và trung tâm theo dõi

Bộ ngu n

i điều khiển

Bộ thu phát Cảm biến

Bộ nh A/D

Bộ xử lý

Bộ cảm biến

Bộ định vị tìm vị trí

 Bộ nguồn: có nhiệm vụ cấp nguồn cho các nốt cảm biến hoạt động, có thể

sử dụng nguồn giới hạn (pin hoặc ắc-quy) hay nguồn từ năng lượng sạch (năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng nhiệt…)

Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến không dây có thể được minh họa như Hình

9 Kiến trúc này bao gồm: lớp vật lý; lớp liên kết dữ liệu; lớp mạng; lớp truyền tải; lớp

ứng dụng; phần quản lý công suất; phần quản lý di động và phần quản lý nhiệm vụ

Hình 9: Kiến trúc của mạng cảm biến không dây

 Lớp ứng dụng: tùy vào nhiêm vụ của mạng cảm biến mà các phần mềm ứng dụng khác nhau được xây dựng và sử dụng trong lớp ứng dụng

 Lớp giao vận: giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu Lớp truyền tải đặc biệt cần thiết khi mạng cảm biến kết nối với mạng bên ngoài, hay kết nối người dung qua internet

 Lớp mạng: quan tâm đến việc định tuyến dũ liệu được cung cấp bởi lớp truyền tải Thiết kế lớp mạng theo nguyên tắc: hiệu quả về năng lượng luôn xem là quan trọng nhất; các mạng cảm biến gần như là tập trung dữ liệu; tích hợp dữ liệu vào giao thức mạng; phải có cơ chế chỉ theo thuộc tính và biết về vị trí

 Lớp kết nối dữ liệu: lớp này chịu trách nhiệm cho việc ghép các luồng dữ liệu, dò khung dữ liệu, điều khiển lỗi và truy cập môi trường

 Lớp vật lý: lớp này chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, phát tần số sóng mang, điều chế, lập mã và tách sóng