Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát nhiệt độ, độ ẩm không dây ứng dụng trong các kho bảo quản nông sản dạng hạt

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆTNAM NGÔ PHƯƠNG THỦY NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ TH NG ỐNG ĐO VÀ GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM KHÔNG DÂY ỨNG DỤNG TRONG CÁC KHO BẢO QUẢN NÔNG SẢN DẠNG HẠT Chuyên ngành: Kỹ

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT

NAM

NGÔ PHƯƠNG THỦY

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ TH NG ỐNG ĐO VÀ GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM KHÔNG DÂY ỨNG DỤNG TRONG CÁC KHO BẢO QUẢN NÔNG SẢN DẠNG HẠT

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60 52 02 02

Ngư iời hướng dẫn khoa học: TS Bùi Đăng Thảnh

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP - 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là trung thực, khách quan và chưa từng để bảo vệ ở bất

kỳ học vị nào.

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn đã được cám

ơn, các thông tin trích dẫn trong luận văn này đều được chỉ rõ nguồn gốc.

Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Tác giả luận văn

Ngô Phương Thủy

LỜI CẢM ƠN

Với tất cả lòng chân thành, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn:

TS Bùi Đăng Thảnh - Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa đã tận tình động viên, chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ tôi để tôi hoàn thành bản luận văn này.

Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy, cô giáo Khoa Cơ điện - Học viện Nông nghiệp Việt Nam, các thầy cô Đại học Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ về chuyên môn cũng như tạo điều kiện cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các thầy, cô giáo đã trực tiếp giảng dạy tôi trong quá trình học tập cùng gia đình và bạn bè đã giúp đỡ và khích lệ tôi hoàn thành luận văn.

Xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Tác giả luận văn

Ngô Phương Thủy

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục chữ viết tắt v

Danh mục bảng vi

Danh mục hình vii

Trích yếu luận văn viii

Thesis abstract ix

Phần 1 Mở đầu 1

Phần 2 Tổng quan 2

2.1 Tổng quan về nông sản và kho bảo quản dạng hạt 2

2.1.1 Đặc điểm nông sản dạng hạt: 2

2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hạt trong bảo quản 5

2.1.3 Kho bảo quản nông sản dạng hạt 6

2.2 Tổng quan về truyền thông không dây 14

2.2.1 Khái quát chung 14

2.2.2 Chế độ truyền tải thông tin trong truyền thông 14

2.2.3 Cấu trúc mạng truyền thông 18

2.2.4 Các công nghệ không dây 20

Phần 3 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 25

3.1 Đối tượng và nội dung nghiên cứu 25

3.1.1 Đối tượng nghiên cứu 25

3.1.2 Nội dung nghiên cứu 25

3.2 Phương pháp nghiên cứu 25

3.2.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 25

3.2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 25

Phần 4 Kết quả và thảo luận .49

4.1 Phần cứng 49

4.2 Phần mềm 51

Phần 5 Kết luận và đề nghị .53

5.1 Kết luận 53

5.2 Đề nghị 53

Danh mục công trình đã công bố liên quan đến luận văn 54

Tài liệu tham khảo 55 Phụ lục 56

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Nghĩa đầy đủ

ADSL Asymmetric Digital Subscriber LineĐường dây thuê bao số bất đối xứng

Automated Manifest System Basic Transceiver Station AMS - BTS

Hệ thống trạm thu phát gốc tự động DSL Digital Subcriber LineKênh thuê bao số

IEEE Institute of Electrical and Electronics EngineersViện kỹ nghệ Điện và Điện tử

Infraed remote IR

Tia hồng ngoại LAN Local Area Network/ Mạng máy tính cục bộ

M2M Máy tới máy

MEMS Micro-Electro-Mechanical SystemsVi hệ thống cơ điện tử

Optic Fiber Cáp quang

PC Máy tính

PDA Personal Digital AssistantThiết bị kỹ thuật số hỗ trợ cá nhân

PLC Programmable Logic ControllerBộ điều khiển lập trình được

Router Thiết bị định tuyến

SCADA Supervisory Control And Data AcquisitionHệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệuWifi Chuẩn giao thức truyền thông không dây

WLAN Wireless Local Area Networks/Mạng cục bộ không dây

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Độ ẩm tương quan giữa ngô và không khí ở 20˚C 5

Bảng 2.2 Độ ẩm an toàn của một số loại hạt 5

Bảng 3.1 Chức năng các chân bộ thu phát không dây 29

Bảng 3.2 Chọn kiểm tra parity 38

Bảng 3.3 Độ dài dữ liệu truyền .39

Bảng 3.4 Tính tốc độ baud 40

Bảng 3.5 Chức năng các chân của LCD 41

Bảng 3.6 Chức năng các chân của PL2303 43

Bảng 4.1 Giá trị đo 49

Bảng 4.2: Khảo nghiệm không vật cản 50

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo kho cơ giới không có thiết bị sơ chế .9

Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo kho cơ giới có thiết bị sơ chế 10

Hình 2.3 Sơ đồ cấu tạo kho silô 11

Hình 2.4 Hệ thống giám sát nhiệt độ Agrolog PC2500 11

Hình 2.5 Hệ thống giám sát nhiệt độ Agrolog PC5000 12

Hình 2.7 Truyền thông song song và nối tiếp 14

Hình 2.8 Truyền một chiều và hai chiều 16

Hình 2.9 Mô hình hệ SCADA dùng sóng Radio cấu trúc mạng sao 18

Hình 2.10 Cấu trúc mạng kiểu mắt lưới 20

Hình 2.11 Điều khiển bằng hồng ngoại 21

Hình 2.12 Bộ thu phát không dây của Phonic 24

Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ đo và giám sát nhiệt độ, độ ẩm không dây 26

Hình 3.2 Sơ đồ khối của Mạch thu thập từ xa 26

Hình 3.3 Sơ đồ khối của Mạch thu thập trung tâm 27

Hình 3.4 Sơ đồ khối bộ truyền thông không dây 28

Hình 3.5 Các chân bộ thu phát không dây nRF24L01 28

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý bộ thu phát nRF24L01 30

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý phần mạch thu thập tín hiệu từ xa 32

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý phần mạch thu thập trung tâm 33

Hình 3.9 Cảm biến DHT11 33

Hình 3.10 Sơ đồ chân DHT11 34

Hình 3.11 Thanh ghi UDR 36

Hình 3.12 Thanh ghi UCSRA 36

Hình 3.13 Thanh ghi UCSRB 37

Hình 3.14 Thanh ghi UCSRC 38

Hình 3.15 Thanh ghi UBRR 39

Hình 3.16 Sơ đồ chân của LCD 41

Hình 3.17 Ký hiệu các chân PL2303 43

Hình 3.18 Lưu đồ thuật toán lập trình bộ thu thập từ xa 46

Hình 3.19 Lưu đồ thuật toán lập trình bộ thu thập không dây trung tâm 47

Hình 3.20 Lưu đồ thuật toán trên màn hình máy tính 48

Hình 4.1 Phần cứng mạch thu thập từ xa không dây 49

Hình 4.2 Phần cứng mạch thu thập trung tâm 50

Hình 4.3 Mạch thu thập trung tâm khi có vật cản 51

Hình 4.4 Đồ thị nhiệt độ, độ ẩm thông qua mạch thu phát không dây 52

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN

Tên tác giả: Ngô Phương Thủy

Tên Luận văn: Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát nhiệt độ, độ ẩm không dây ứng dụng trong kho bảo quản nông sản dạng hạt.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết về các đặc tính nông sản và kho bảo quản nông sản dạng hạt; mạng truyền thông không dây, các kiến thức về vi điều khiển và phần mềm lập trình giao diện giám sát Sử dụng phương pháp thực nghiệm xây dựng mô hình điểm đo nhiệt độ,

độ ẩm và đánh giá kết quả khảo nghiệm.

Kết quả chính và kết luận

Đề tài đã xây dựng được phần cứng mạch thu thập tín hiệu từ xa và mạch thu thập trung tâm hoạt động theo đúng thiết kế Kết quả đo trên mạch thu thập từ xa được so sánh với nhiệt kế ẩm TH101E cho kết quả tương đương nhau Phần mềm giao diện giám sát thể hiện kết quả trực quan dưới dạng đồ thị và bảng số liệu Việc truyền nhận không dây được thực hiện trong phạm vi 30m cho kết quả tin cậy Đây chính là cơ sở để học viên có thể mở rộng, phát triển đề tài ứng dụng trong kho bảo quản nông sản dạng hạt ngoài thực

tế với bài toán tối ưu về vị trí đặt cảm biến trong kho trong nghiên cứu tiếp theo.

THESIS ABSTRACT

Master candidate: Ngo Phuong Thuy

Thesis title: Study and design the model of the temperature and humidity monitoring system using wireless communication for agricultural warehouses.

Major: Electrical Engineering Code: 60 52 02 02

Educational organization: Vietnam National University of Agriculture (VNUA)

Research Objectives

Study and design the model of the temperature and humidity monitoring system using wireless communication RF for agricultural warehouses Design monitoring interfaces on the computer, saving datas and export as table and graph, evaluate the possibility of collecting and receiving wireless communications.

Materials and Methods

Study the characteristics of agricultural products and agricultural warehouse; wireless communication, the knowledge of microcontroller programming software and monitoring interface Using experimental method, design the model of the temperature and humidity monitoring system and evaluate testing results.

Main findings and conclusions

Measurement device and acquisition device have been correctly operated (compared the obtained results with thermometer TH101E) Data of temperature and moisture are displayed on LCD and the central computer Experiments on wireless communication were carried out, and equipment system works well at the transferring speed of 1Mbps while the distances among devices are up to 30m.

The next step of the research will consist of actual experiments in the agricultural warehouses to further assessing the stability of designed system and also completing our design before it is actually applied to practical applications.

PHẦN 1 MỞ ĐẦU

Nước ta là một nước nông nghiệp, xuất khẩu nhiều sản phẩm nổi tiếng nhưgạo, hạt tiêu, cà phê,… Vì vậy việc đo, kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm của các khobảo quản nông sản ngày càng trở nên quan trọng Hiện đã có một số nghiên cứutrong nước triển khai về vấn đề này trong đó có thể kể đến là nhóm nghiên cứu củaViện Công nghệ thông tin (Phạm Minh Tuấn và cs., 2009), tuy nhiên nhóm nghiêncứu mới dừng lại ở thử nghiệm với hệ thống truyền có dây dẫn điều này làm tăngchi phí phí của hệ thống về dây dẫn, công lắp đặt, bảo trì ngoài ra khi muốn thayđổi vị trí đặt cảm biến thì hệ thống này là khá khó để thực hiện Ngoài ra còn một

số sản phẩm nghiên cứu khác sử dụng công nghệ nước ngoài đưa vào nước ta chobài toán đo và giám sát nhiệt độ, có thể kể đến là hệ thống cảnh báo nhiệt độ, độ

ẩm từ xa ECA-GPIs4.xE của 3CElectric, hệ thống AMS-BTS trong quản lý giámsát các thông số môi trường Ngoài các nghiên cứu và sản phẩm nêu trên, trong(Zhao Xiaoshun and Lui Shuxia, 2015) Đề xuất xây dựng hệ thống thông minhdựa trên vi điều khiển AT89C52 dùng truyền thông USB Rõ ràng đây là hướngnghiên cứu truyền thống nhưng vẫn đang được triển khai cả trong nước và quốc

tế Các hệ thống nhập ngoại đưa vào nước ta có giá thành cao, khó khăn trong làmchủ công nghệ, đặc biệt khi áp dụng trong các kho nông sản có đặc thù riêng ở ViệtNam Rõ ràng một nhu cầu cấp thiết hiện nay là cần thiết phải có một hệ thống đogiám sát nhiệt độ và độ ẩm ứng dụng vào kho nông sản, hệ thống này phải đượcnghiên cứu, thiết kế triển khai trong nước, giá thành rẻ nhưng vẫn mang nhiều cáctính năng ưu việt trong hệ thống như: hỗ trợ truyền thông không dây, tích hợp cácthuật toán về loại bỏ nhiễu dùng công nghệ nhúng,…

Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó, dưới sự hướng dẫn của TS Bùi ĐăngThảnh, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát nhiệt độ,

độ ẩm không dây ứng dụng trong các kho bảo quản nông sản dạng hạt” choluận văn Cao học của mình Nội dung đề tài là nghiên cứu và thiết kế hệ đo vàgiám sát nhiệt độ, độ ẩm trong kho bảo quản nông sản dạng hạt

ố ạ ạ

S = x 100%

ố ạ

Độ hổng và độ chặt của hạt luôn tỉ lệ nghịch với nhau Nếu độ hổng lớn thì

độ chặt nhỏ và ngược lại Độ hổng và độ chặt phụ thuộc vào hình dạng, kích thước,

độ đàn hồi và trạng thái bề mặt hạt

Hình dạng, kích thước kho và phương pháp đổ hạt vào kho cũng ảnh hưởngnhiều tới độ hổng Độ hổng ở các khu vực khác nhau cũng khác nhau do tính tựphân loại gây nên Trong quá trình bảo quản, độ hổng của hạt luôn thay đổi, phụthuộc vào độ ẩm, thời gian bảo quản Nếu hạt ẩm và bảo quản lâu thì độ hổnggiảm Đối với công tác bảo quản, độ hổng và độ chặt của hạt là các yếu tố rất quantrọng Nếu khối hạt có độ hổng cao, không khí dễ dàng chuyển dịch gây nên hiệntượng truyền nhiệt đối lưu và chuyển dịch ẩm Như vậy nếu bảo quản không tốttrong điều kiện độ ẩm và nhiệt độ không khí cao dễ ảnh hưởng đến chất lượngkhối hạt (độ ẩm càng cao thì sự bám dính càng tăng và độ hổng sẽ càng giảm).Tuy nhiên lợi dụng độ hổng có thề áp dụng phương pháp thông hơi tự nhiên haythông gió cưỡng bức để giảm nhiệt độ và độ ẩm của khối hạt hay xả khí để diệtsâu mọt

Trong quá trình bảo quản, nhờ có không khí trong khối hạt mà hạt hô hấpbình thường, duy trì sự sống Vậy việc duy trì một độ hổng phù hợp là điều kiệntối cần thiết, tạo môi trường cho khối hạt được thông thoáng, tạo điều kiện chokhối hạt truyền và trao đổi nhiệt, ẩm với môi trường được dễ dàng Muốn vậy hạtphải khô sạch, không đổ hạt cao quá mức (đống hạt càng cao, dưới tác dụng củatrọng lực, vùng phía đáy đống hạt sẽ bị nén làm giảm độ hổng), không đè nặng lênkhối hạt, trường hợp bảo quản lâu phải đảo hay chuyển kho theo định kỳ, thời gianbảo quản càng dài thì tác dụng của trọng lực càng tăng và độ rỗng sẽ càng giảm

b Độ rời

Tính tảng rời là đặc tính khi đổ hạt từ trên cao xuống, hạt tự chuyển dịch

để tạo thành khối hạt có hình chóp nón, nhọn đỉnh và không có hạt nào dính hạtnào Khi đó sẽ tạo thành góc nghiêng tự nhiên α (đại lượng đặc trưng cho tính tảnrời) là góc nhỏ nhất tạo bởi một mặt phẳng ngang và mặt phẳng nghiêng của chóp.Khối hạt có góc nghiêng càng nhỏ tính tảng rời càng lớn

Dựa vào độ tảng rời sơ bộ có thể xác định được chất lượng và sự thay đổichất lượng của đống hạt Hạt có độ rời càng cao thì càng dễ dàng trong di chuyển.Dựa vào khả năng tự chảy của khối hạt Trong kỹ thuật, độ rời có ảnh hưởng lênlực ép của khối hạt lên tường kho hay lên các thiết bị vận chuyển Độ rời càng lớnthì thiết bị và thành kho phải càng bền vững

c Tính hấp thụ của khối hạt:

Do trong khối hạt có độ hổng và do cấu tạo của hạt nên tất cả các chất khí

có trong khối hạt đều có thể hấp thụ vào từng hạt tuỳ theo tỉ trọng, khả năng thẩmthấu và tính chất hoá học của từng chất mà quá trình nhả ra mạnh hay yếu Thôngthường bao giờ quá trình hấp thụ cũng xảy ra dễ dàng hơn quá trình nhả ra

Lượng nước tự do chứa trong hạt phụ thuộc vào độ ẩm của không khíbao quanh khối hạt Độ ẩm của không khí bao quanh lớn thì hạt sẽ hút thêm ẩm

và thuỷ phần tăng lên, ngược lại độ ẩm của không khí nhỏ thì hạt nhả bớt hơi

ẩm và thuỷ phần giảm Hạt nhả ẩm khi áp suất riêng phần của hơi nước trên bềmặt hạt lớn hơn áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí Hạt hút ẩm ởtrường hợp ngược lại Hai quá trình hút và nhả hơi ẩm tiến hành song song vớinhau cho tới khi đạt tới trạng thái cân bằng (thuỷ phần của hạt không tăng vàkhông giảm) ở một điều kiện nhiệt độ và độ ẩm nhất định Độ ẩm cân bằng củahạt thường từ 10% - 35%

Thuỷ phần cân bằng của hạt phụ thuộc vào độ ẩm và độ nhiệt của khôngkhí bao quanh khối hạt, phụ thuộc vào cấu tạo và nhiệt độ của bản thân khối hạt:

- Ở một điều kiện nhiệt độ và độ ẩm xác định, mỗi loại hạt có một thuỷ phầncân bằng xác định Khi nhiệt độ độ ẩm tương đối của không khí tăng lên thì thuỷphần cân bằng của hạt càng tăng

- Thành phần hoá học của hạt cũng ảnh hưởng tới độ ẩm cân bằng Trongnhững điều kiện như nhau độ ẩm cân bằng của hạt ngô so với các hạt chứa nhiềuchất béo thì độ ẩm của ngô cao hơn Lí do là chất béo càng cao thì độ ẩm cân bằngcàng thấp

- Trong bản thân mỗi hạt, thuỷ phần phân bố không đều vì do thành phầncấu tạo và hoạt động sinh lí ở các phần khác nhau trong cùng một hạt khônggiống nhau.

- Trong khối hạt bao gồm các hạt khô và chắc, đồng thời có những hạt cònxanh non, chưa hoàn thiện Do đó tạo nên những thành phần và khu vực có thuỷphần không đồng đều

- Do ảnh hưởng độ ẩm tương đối của không khí tới khối hạt không đều nhau,lớp hạt ở trên mặt và xung quanh tường kho, gần cửa nhà chẳng hạn thì do tiếp xúcnhiều với không khí nên thường có độ thuỷ phân cao hơn

Như vậy có nhiều nguyên nhân khác nhau làm cho sự thuỷ phần trong khốihạt không đều gây khó khăn cho công tác bảo quản Trong các nguyên nhân đó thì

độ ẩm và nhiệt độ của không khí là nguyên nhân chủ yếu Vì vậy muốn khắc phụctình trạng phân bố ẩm không đều trong khối hạt điều quan trọng là phải ngăn ngừaảnh hưởng của nhiệt độ cao và độ ẩm lớn của không khí

2.1.1.2 Tính chất hóa sinh của khối hạt

a Quá trình hô hấp của khối hạt

Mặc dù đã tách khỏi cây, khi bảo quản trong kho nó không quang hợp nữanhưng hạt vẫn là vật thể sống và thường xuyên trao đổi chất với môi trường bênngoài Bất kì một cơ thể sống nào muốn duy trì được sự sống đều phải có nănglượng Hô hấp là quá trình trao đổi chất quan trọng nhất của hạt khi bảo quản.Trong quá trình hô hấp đó chất dinh dưỡng chủ yếu là tinh bột trong hạt bị oxyhoá, phân hóa sinh ra năng lượng cung cấp cho tế bào trong hạt để duy trì sự sống

Số lượng chất dinh dưỡng của hạt bị tiêu hao trong hô hấp nhiều hay ít phụ thuộcvào nhiều yếu tố sau: thành phần hoá học của hạt, mức độ hoàn thiện của hạt, thuỷphần của hạt, độ ẩm và độ nhiệt của không khí

Khi chưa tách khỏi cây, hạt vẫn hô hấp, tổng hợp chất dinh dưỡng nhưng

do quá trình tổng hợp lớn hơn tiêu tốn, do đó chất dinh dưỡng trong hạt vẫn tăngdần Ngược lại, khi hạt được tách ra khỏi cây thì chất dinh dưỡng do hô hấp không

bù đắp được nữa nên trong bảo quản, khối lượng chất khô của hạt chỉ có giảm đi

b Cường độ hô hấp của khối hạt:

Để xác dịnh cường độ hô hấp mạnh hay yếu của hạt người ta thườngdùng khái niệm cường độ hô hấp Theo quy định thì cường độ hô hấp là sốmiligam CO2 thoát ra trong 24h do 100g vật chất khô của hạt hô hấp Cũng cóthể xác định cường độ hô hấp bằng cách xác định lượng vật chất khô hao hụt

trong một đơn vị thời gian (1h hoặc 24h) của 1 khối lượng vật chất khô xácđịnh (thường thì tính theo 100g); cũng có thể xác định cường độ hô hấp theonhiệt lượng sinh ra theo một đơn vị thời gian của một khối lượng nhất địnhcủa vật chất khô của hạt.

Như vậy, cường độ hô hấp càng lớn khi lượng khí CO2 thoát ra càng nhiều,lượng nhiệt thoát ra càng lớn, lượng oxi hấp thụ lớn và lượng vật chất khô tiêuhao nhiều

2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hạt trong bảo quản

- Độ ẩm không khí

Nông sản dạng hạt có khả năng hút ẩm từ môi trường không khí xung quanhlàm tăng hàm ẩm của bản thân nông sản và ngược lại cũng có thể bốc hơi ẩm vàomôi trường làm cho hàm ẩm của bản thân nông sản giảm đi Tính chất này có ýnghĩa quan trọng trong quá trình bảo quản và chế biến

Tính chất hút ẩm của nông sản phụ thuộc vào cấu tạo mao quản và thànhphần hóa học của nông sản trong đó đặc biệt quan trọng là hàm lượng các chất háonước như protein

Quá trình hút ẩm và nhả ẩm của nông sản tùy thuộc vào tương quan giữahàm ẩm của nông sản và độ ẩm tương đối của không khí xung quanh, tức là tươngquan giữa áp suất hơi của không khí lớn hơn áp suất hơi riêng trên bề mặt nôngsản thì sẽ xảy ra tình trạng hút hơi ẩm vào và ngược lại

Quá trình trao đổi ẩm đó sẽ đạt tới trạng thái cân bằng động khi áp suất hơitrên bề mặt của nông sản bằng áp suất của không khí và được gọi là hàm ẩm cânbằng hay hàm ẩm tới hạn

Bảng 2.1 Độ ẩm tương quan giữa ngô và không khí ở 20˚C

(%)

K hông khí 20 30 40 50 60 70 80 90 (% )

Ngô hạt 8,2 9,5 10,7 8,0 9,5 11,6 15,3 20,9

Bảng 2.2 Độ ẩm an toàn của một số loại hạtLoại hạt Độ ẩm an toàn (%)Hạt đậu 15 - 16Ngô 12,5 - 14Thóc 12 - 13

- Nhiệt độ của không khí

Nhìn chung trên lãnh thổ nước ta, nhiệt độ tương đối cao Đó là một trongnhững yếu tố ngoại cảnh có tác động thúc đẩy các hoạt động sống của nông sảnphẩm, đồng thời tạo điều kiện phát sinh các sinh vật gây hại trong kho.Nhiệt độ trung bình ở nước ta vào mùa rét là 15 – 20˚C, mùa nóng 30 – 32˚C, cólúc lên đến 41˚C , trong lúc đó nhiệt độ trong kho có khi cao nhất 38˚C Khi nhiệt

độ tăng lên thì các quá trình lý học, hóa học, sinh học đều tăng lên làm hư hại nôngsản

2.1.3 Kho bảo quản nông sản dạng hạt

2.1.3.1 Tầm quan trọng của việc bảo quản nông sản

Trong quá trình sản xuất chất lượng nông sản chịu ảnh hưởng của nhiều yếu

tố môi trường, điều kiện kỹ thuật canh tác, kỹ thuật thu hái vận chuyển Trong quátrình bảo quản cất giữ sơ chế, nông sản phẩm lại luôn chịu ảnh hưởng các yếu tốmôi trường mà biến đổi chất lượng gây ra tổn thất không nhỏ Trong quá trình bảoquản sự hao hụt của nông sản được biểu hiện ở 2 dạng chính:

- Sự hao hụt về trọng lượng của nông sản có thể xảy ra do hậu quả của cáchiện tượng vật lí và sinh học Ví dụ về sự hao hụt lý học như hiện tượng thoát hơinước từ nông sản ra ngoài, sự xáo trộn khi vận chuyển, sắp xếp, bảo quản bị vỡ nát

do quá trình hô hấp làm cho chất khô trong nông sản bị hao hụt lớn

- Sự hao hụt về chất lượng biểu hiện bằng sự giảm chất lượng cảm quan,chất lượng dinh dưỡng, chất lượng chế biến …

Với những tổn thất này sẽ làm giảm giá trị kinh tế của nông sản, giảm thunhập của người sản xuất

2.1.3.2 Nhiệm vụ kho bảo quản

Kho bảo quản có nhiệm vụ bảo quản và tồn trữ các sản phẩm nông nghiệptrước và sau khi chế biến Kho đóng vai trò quan trọng trong bảo quản nông sản.Nhà kho là cơ sở vật chất kỹ thuật để tiến hành các quá trình bảo quản nông sản,

là yếu tố đầu tiên và quan trọng quyết định tới chất lượng bảo quản nông sản Đốivới mỗi loại sản phẩm khác nhau, cần phải có loại kho tương ứng thích hợp, nhất

là các trang bị cần thiết phục vụ cho việc sơ chế, kiểm tra theo dõi, phát hiện và xử

lý kịp thời các sự cố không bình thường trong kho Tuy nhiên để giữ cho sản phẩm

ở trạng thái an toàn được lâu dài, ngoài việc xây dựng kho theo đúng tiêu chuẩn,thì cũng cần phải quản lý tốt các tiêu chuẩn về chất lượng từ khi thu hoạch cho tớikhi nhập kho Muốn đảm bảo yêu cầu chất lượng, nông sản phải được thu hoạch

đúng lúc (độ chín), lựa chọn, phân loại đúng tiêu chuẩn quy định, kiểm tra phẩmchất ban đầu trước khi nhập kho về các chỉ tiêu: độ sạch, độ ẩm, mức độ nhiễmsâu bệnh, thành phần dinh dưỡng Trong vận chuyển phải lưu ý ngăn ngừa nhữngtác động cơ học bên ngoài làm hư hỏng hạt: gẫy vỡ, dập nát,

2.1.3.3 Phân loại kho bảo quản nông sản dạng hạt

a Kho đơn giản

Kho bảo quản hạt theo dạng cót trong gia đình là đơn giản nhất Hiện nayloại kho này không còn vì quá đơn giản và không đảm bảo chất lượng bảo quản,khả năng chống chuột và sâu bọ

Kho dùng dự trữ lương thực quốc gia hiện nay tồn tại dưới ba dạng: KhoA1, kho A2 và kho cuốn

+ Kho A1, A2: Loại kho dùng phổ biến trong ngành lương thực nhữngnăm 60 của thế kỷ trước Kết cấu của kho A1 gồm: Mái ngói, dầm gỗ và nhiềukèo gỗ chịu lực Dưới lớp mái có lớp trần bằng vôi rơm để cách nhiệt Tường xâybằng gạch, có lớp ván gỗ ghép (chiều cao tường gỗ 3 ÷ 3,5m) sàn bằng xi măng,hoặc lát gỗ Sàn thường là loại sàn trệt (thấp và cách ẩm không tốt) hoặc sàn cóvòm cuốn, có lớp không khí đệm, chống ẩm Mỗi ngăn kho A1 thường có sứcchứa 130 ÷ 250 tấn hạt Kích thước phổ biến: dài 23 ÷ 46m, rộng 8 ÷ 12m, cao

từ 4 ÷ 6m

Ưu điểm của kho A1: kiên cố, có khả năng chống được mưa bão, khả năngthoát nhiệt tốt, tường không có máng ở phía trên, tường trước và sau có mái hiênnên chống được mưa hắt Kho A1 thích hợp để bảo quản thóc, gạo và cả bột

Nhược điểm của loại kho này là tốn nhiều gỗ (lát tường và sàn) Tuy nhiênhiện nay vì kèo gỗ đã được thay bằng kim loại Khả năng chống xâm nhập ẩm vàokho kém Khả năng làm kín chưa tốt, do đó cần khử trùng kho bằng hơi sát trùnggặp nhiều khó khăn Sâu mọt và chuột dễ xâm nhập và hoạt động (đặc biệt kho A1thông thoáng) và lan từ khoang này sang khoang khác

Đặc điểm của kho A2 là mái ngói, cột, dầm chịu lực bằng gỗ, sàn và tườngcũng bằng gỗ Sàn cách nền kho từ 50 ÷ 80 cm Loại kho này có nhiều ở trung du

và miền núi Gần đây các loại kho này bị loại bỏ

+ Kho cuốn: Kho cuốn là loại kho phổ biến nhất ở ta hiện nay Nguyênliệu chính để xây dựng là gạch, vôi, cát, ximăng, cần rất ít gỗ Kết cấu chịu lực

là tường chịu lực (đồng thời cũng là tường ngăn giữa hai khoang) và vòm cuốn

mái Kích thước cơ bản của một khoang khô: dài (8 ÷ 15m), rộng (4 ÷ 6,5m) cao(4 ÷ 6m) Mỗi ngăn kho cuốn chứa từ 50 ÷ 140 tấn Kho có nền cao và dưới cóvòm cuốn, dùng lớp không khí đệm để chống thấm ở nền Trên vòm cuốn mái cógắn một lớp ngói lợp ngoài Về phương diện bảo quản kho cuốn có một số ưunhược điểm chính sau:

Ưu điểm:

- Nhà kho chắc chắn, có khả năng chống mưa bão và hoả hoạn

- Mái có khả năng cản nhiệt do bức xạ mặt trời tốt

- Kho khá kín (khi cần kín), chim, chuột rất khó xâm nhập

- Nếu chất lượng nông sản ban đầu tốt, bảo quản trong kho cuốn sẽ an toàn.Nhược điểm:

- Ngăn kho có tiết diện chữ nhật nên sự phân bố nhiệt và ẩm trong đống hạtkhông đều; càng vào giữa gian kho, nhiệt độ đống hạt càng cao; gần tường và cửanhiệt độ thấp hơn

- Khả năng thoát nhiệt của kho cuốn kém hơn kho A1 và kho A2 Trườnghợp hạt nhập kho không đạt chất lượng bảo quản, hạt dễ bị bốc nóng Nhiệt độđống hạt trong mùa hè từ 38 ÷ 42˚C Chính vì thế để tránh đọng sương và menmốc ở lớp mặt, yêu cầu quan trọng là đống hạt phải được cào đảo thường xuyên

- Lớp xi măng chống thấm ở máng trên tường ngăn giữa hai gian kho thì bịrạn nứt Vào mùa mưa kéo dài trong tháng 2 và tháng 3, các máng đều bị thấm ướt,làm ẩm tường ngăn Các hạt gần sát tường ngăn dễ bị mốc

- Do chia nhiều ngăn, diện tích kho hẹp, cửa thấp nên rất khó cơ khí hoáxuất nhập kho Trong bảo quản cũng gặp nhiều khó khăn

Nhìn chung các loại kho phổ biến hiện nay còn tồn tại nhiều vấn đề:

- Các kho chưa đáp ứng được yêu cầu bảo quản là chống ẩm và chống thấm,

do đó lương thực bảo quản thường hay bị mốc (sát tường và nền) Khắc phục hiệntượng này thường phải dùng khung đóng, kê lót ở tường và nền gây lãng phí vàtốn kém bảo dưỡng, thay thế hàng năm

- Mức độ chứa hạt (đổ đống, không đóng bao) còn thấp, chiều cao đống hạtchỉ từ 3 ÷ 3,5m Mức độ chứa hạt mới chỉ 50 ÷ 60% thể tích nhà kho, còn 40% làkhoảng không vô ích Chính khoảng không này là môi trường thuận lợi để khôngkhí ẩm bên ngoài xâm nhập và tác động vào lương thực, làm cho sâu mọt và visinh vật có hại phát triển, phá hoại lương thực

- Những nhà kho để bảo quản lương thực còn thủ công Để bảo quản tốtlương thực cần thiết phải cơ khí hoá các khâu như xuất, nhập, xử lý lương thựctrước khi nhập, xử lý trong bảo quản.

b Kho cơ giới

* Kho cơ giới không có thiết bị sơ chế dùng để bảo quản

Trong kho trang bị bộ phận vận chuyển kiểu gầu tải, đưa nguyên liệu từdưới lên cao và đổ vào băng chuyền đặt trên nóc, chạy suốt chiều dài kho Trêntừng đoạn băng tải có thiết bị gạt hạt xuống từng ô kho một Hạt được lấy ra dướiđáy nghiêng cũng là một băng tải chạy dọc kho

Khối hạt trong kho theo từng giai đoạn được thông gió cưỡng bức khi cầnthiết nhờ hệ thống ống thổi không khí đặt trên mặt nền theo hướng ngang Ốngphân phối khí bằng thép, phía trên bố trí lỗ Trên miệng lỗ lắp tấm chắn để hạtkhông rơi vào ống và không khí tràn ra hai bên Hệ thống thổi không khí cưỡngbức vào ống gồm quạt cao áp

Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo kho cơ giới không có thiết bị sơ chế

Ghi chú : 1 - Băng tải, 2 - ống thổi không khí, 3 - Quạt, 4 - Băng tải nhập, 5 - Tấm chắn.

* Kho cơ giới có thiết bị sơ chế

Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo kho cơ giới có thiết bị sơ chế

Ghi chú : 1 - Xe vận chuyển, 2 - Thùng tiếp nhận, 3- 8 - Băng tải, 4 - Gầu tải, 5 - Thùng phân phối

6 - Sàng làm sạch tạp chất, 7 - Buồng sấy, 9 - Cơ cấu tháo liệu, 10 - Băng tải xuất.

Thiết bị sơ chế gồm buồng sấy, sàng làm sạch hạt và một số thiết bị khác

để thực hiện việc bốc dỡ, vận chuyển, xuất nhập kho hoặc xử lý những sự cố nguyhiểm (bốc nóng, côn trùng phá hoại, ) Loại kho này có thể hoàn thành các quátrình cần thiết trong quá trình bảo quản

Trên từng silô, theo chiều cao có các ống dẫn không khí thổi gió ngoài trờivào hạt nhằm điều chỉnh nhiệt dộ và ẩm độ của khối hạt Việc theo dõi được tựđộng hoá nhờ các cảm biến đặt trong silô ở các độ cao khác nhau của silô (5 ÷ 7mđặt một chiếc) Các tín hiệu nhận được qua bộ chuyển đổi đo, bộ khuếch đại tớichỉ thị đo,

Ngoài hệ thống điều khiển, điều chỉnh kể trên, người ta còn trang bị buồngsấy hạt, quạt gió, hệ thống vận chuyển xuất nhập kho, đảo hạt, Nhờ thiết bị điện

tử và hệ thống máy tính chương trình, công việc của kho được tự động hoá hoàntoàn Kho có sức chứa 20.000 tấn chỉ cần 1 ÷ 2 người phục vụ Kho silô vốn đầu

tư lớn, nhưng hiệu quả kinh tế lại rất cao, do giảm được hư hỏng sản phẩm và giảmchi phí lao động

Hình 2.3 Sơ đồ cấu tạo kho silôGhi chú : 1 - Gầu tải; 2, 5 - Băng tải; 3 - Bộ phận tháo liệu; 4 - ống dẫn không; khí 6 - Silô2.1.4 Hệ thống đo và giám sát nhiệt độ, độ ẩm trong các kho bảo quản nôngsản dạng hạt

2.1.4.1 Hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm nông sản dạng hạt ngoài nước

Mô hình bảo quản nông sản bằng silo là công nghệ đang được các nước tiếntiến áp dụng và rất phổ biến, có thể kể đến ở đây là hệ thống Agrolog PC2500 thểhiện trên hình 2.4

Hình 2.4 Hệ thống giám sát nhiệt độ Agrolog PC2500

Agrolog TMS – đo nhiệt độ và giám sát là một hệ thống đáng tin cậy, phổbiến được nhiều nước trên thế giới dùng theo dõi các silo chứa ngũ cốc Tất cả hệthống giám sát nhiệt độ cho phép điều chỉnh nhiệt độ dễ dàng Mạng cảm biếnđược triển khai trong các silo cho phép người dùng nhận thấy những thay đổi vềnhiệt độ và đưa giải pháp xử lý trước khi hạt bắt đầu hư hỏng Các cảm biến đượckết nối trong mạng và sẽ truyền dữ liệu đến trạm trung tâm.

Hệ thống giám sát Agrolog TMS sử dụng Agrolog TMS2500 làm việc nhưmột thiết bị đầu cuối - đây là trung tâm của hệ thống giám sát Hệ thống cho phépkết nối các cảm biến nhiệt độ vào một mạng kỹ thuật số và truy nhập đến các cảmbiến này từ một máy chủ trung tâm Agrolog TMS2500 là thiết bị đầu cuối cầmtay di động có đơn vị nhỏ gọn với chức năng bộ nhớ và giao diện USB máy tính.Đơn giản chỉ cần kết nối thiết bị đầu cuối cầm tay đến điểm đấu nối và bắt đầu đo.Tất cả các phép đo nhiệt độ từ mỗi silo và cảm biến sẽ được lưu trữ trong bộ nhớcủa hệ thống và xuất hiện trong một hiển thị đầu cuối cầm tay di động Dữ liệu cóthể được chuyển giao cho các phần mềm Agrolog PC2500

Agrolog TMS5000 là một hệ thống giám sát phát triển dựa trên AgrologTMS2500 Đây là hệ thống giám sát chuyên nghiệp, hoàn toàn tự động Các cảmbiến nhiệt độ được kết nối với mạng lưới kĩ thuật số và máy tính sử dụng phầnmềm Agrolog TMS5000 Hiện nay hệ thống Agrolog TMS5000 đã được cải tiếnlinh hoạt với việc có thể lựa chọn chế độ mạng cảm biến kết nối có dây hoặckhông dây

Hình 2.5 Hệ thống giám sát nhiệt độ Agrolog PC5000

Agrolog TMS2500 và Agrolog TMS5000 là hệ thống đo giám sát nhiệt độhiện đại, ưu điểm về tính đồng bộ, hoạt động tốt Tuy nhiên các hệ thống nhậpngoại này có giá thành khá cao, công tác bảo trì bảo dưỡng khó khăn do khônglàm chủ được công nghệ, phải phụ thuộc vào đối tác nước ngoài.

2.1.4.2 Hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm nông sản dạng hạt trong nướcHiện nay ở nước ta, việc giám sát nhiệt độ, độ ẩm trong các kho chứa nôngsản ngày càng được chú trọng do yêu cầu về chất lượng bảo quản rất nghiêm ngặt.Nhóm tác giả Phạm Minh Tuấn, Phạm Thượng Cát, Trần Đức Minh của ViệnCông nghệ Thông Tin, viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã nghiên cứu,chế tạo và triển khai thí nghiệm hệ đo và giám sát nhiệt ẩm cho các kho nông lâmsản ứng dụng trong môi trường khắc nghiệt Mô tả về hệ thống này thể hiện trênhình 1.6

Hệ thống đo, giám nhiệt độ và độ ẩm trong kho nông sản của nhóm nghiêncứu nêu trên gồm 48 đầu đo được phân đều trong lòng kho nông sản và được đặt

ở 3 độ cao khác nhau Dữ liệu được truyền qua mạng RS485 đưa về máy tính giámsát thông số nhiệt ẩm tại phòng kỹ thuật cách kho 200m

Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ thốngNghiên cứu của nhóm tác giả nêu trên cho kết quả tin cậy, xong cùng tồntại một số nhược điểm như: chi phí về giá thành cho đường dây cao, công tác bảo

trì bảo dưỡng khó khăn, rất khó thay đổi vị trí cảm biến do liên quan đến việc thay đổi hệ thống cáp truyền tín hiện,….

Dựa trên những phân tích hệ thống đo và giám sát nhiệt độ nêu trên họcviên tiến hành nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống đo và giám sát nhiệt độ, độ

ẩm không dây dụng trong kho nông sản bảo quản ngô hạt với yêu cầu nhiệt độ từ18-20˚C, độ ẩm từ 12,5 – 14% Phương thức truyền không dây được lựa chọn bởicác ưu thế: khả năng kết nối tự do, không tốn chi phí dây cáp, có tính linh hoạtcao, tiết kiệm thời gian và công lắp đặt, dễ dàng mở rộng,

2.2 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY

2.2.1 Khái quát chung

Mạng không dây là 1 tập hợp của các đối tác truyền thông (như thiết bị đothông minh, các trạm thu thập dùng laptop, …) sử dụng truyền thông không dây

để kết nối với nhau nhằm mục đích cơ bản là giao tiếp và trao đổi dữ liệu Mạngkhông dây không dùng cáp cho các kết nối, thay vào đó, chúng sử dụng sóngRadio, cũng tương tự như điện thoại không dây Ưu thế của mạng không dây làkhả năng di động và sự tự do, người dùng không bị hạn chế về không gian và vịtrí kết nối

2.2.2 Chế độ truyền tải thông tin trong truyền thông

Chế độ truyền tải được hiểu là phương thức các bit dữ liệu được chuyểngiữa các đối tác truyền thông Nhìn nhận từ các góc độ khác nhau ta có thể phânbiệt các chế độ truyền tải như sau:

- Truyền bit song song hoặc truyền bit nối tiếp

- Truyền đồng bộ hoặc không đồng bộ

- Truyền một chiều hay đơn công

- Truyền tải dải cơ sở, truyền tải dải mang và truyền tải dải rộng

2.2.2.1 Truyền bit song song và truyền bit nối tiếp

Hình 2.7 Truyền thông song song và nối tiếp

Phương pháp truyền bit song song (Hình 2.7a) được dùng phổ biến trongcác bus nội bộ của máy tính như bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển Tốc độtruyền tải phụ thuộc vào số các kênh dẫn, hay cũng chính là độ rộng của một bussong song, ví dụ 8 bit, 16 bit, 32 bit hay 64 bit Chính vì nhiều bit được truyền điđồng thời, vấn đề đồng bộ hóa tại nơi phát và nơi nhận tín hiệu phải được giảiquyết Điều này gây trở ngại lớn khi khoảng cách giữa các đối tác truyền thôngtăng lên Ngoài ra, giá thành cho các bus song song cũng là một yếu tố dẫn đếnphạm vi ứng dụng của phương pháp truyền này chỉ hạn chế ở khoảng cách nhỏ, cóyêu cầu rất cao về thời gian và tốc độ truyền Với phương pháp truyền bit nối tiếp,từng bit được chuyển đi một cách tuần tự qua một đường truyền duy nhất (Hình2.7b) Tuy tốc độ bit vì thế bị hạn chế, nhưng cách thực hiện lại đơn giản, độ tincậy của dữ liệu cao Tất cả các mạng truyền thông công nghiệp đều sử dụngphương pháp truyền này.

2.2.2.2 Truyền đồng bộ và không đồng bộ

Sự phân biệt giữa chế độ truyền đồng bộ và không đồng bộ chỉ liên quantới phương thức truyền bit nối tiếp Vấn đề đặt ra ở đây là việc đồng bộ hóa giữabên gửi và bên nhận dữ liệu, tức là vấn đề làm thế nào để bên nhận biết khi nàomột tín hiệu trên đường truyền mang dữ liệu gửi và khi nào không Trong chế độtruyền đồng bộ, các đối tác truyền thông làm việc theo cùng một nhịp, tức với cùngtần số và độ lệch pha cố định Có thể qui định một trạm có vai trò tạo nhịp và dùngmột đường dây riêng mang nhịp đồng bộ cho các trạm khác Biện pháp kinh tế hơn

là dùng một phương pháp mã hóa bit thích hợp để bên nhận có thể tái tạo nhịpđồng bộ từ chính tín hiệu mang dữ liệu Nếu phương pháp mã hóa bit không chophép như vậy, thì có thể dùng kỹ thuật đóng gói dữ liệu và bổ sung một dãy bitmang thông tin đồng bộ hóa vào phần đầu mỗi gói dữ liệu Lưu ý rằng, bên gửi vàbên nhận chỉ cần hoạt động đồng bộ trong khi trao đổi dữ liệu Với chế độ truyềnkhông đồng bộ, bên gửi và bên nhận không làm việc theo một nhịp chung Dữ liệutrao đổi thường được chia thành từng nhóm 7 hoặc 8 bit, gọi là ký tự Các ký tựđược chuyển đi vào những thời điểm không đồng đều, vì vậy cần thêm hai bit đểđánh dấu khởi đầu và kết thúc cho mỗi ký tự Việc đồng bộ hóa được thực hiện vớitừng ký tự

2.2.2.3 Truyền một chiều và truyền hai chiều

Hình 2.8 Truyền một chiều và hai chiềuTương tự như các đường giao thông, một đường truyền dữ liệu có khả nănglàm việc dưới chế độ một chiều, hai chiều toàn phần hoặc hai chiều gián đoạn Chế

độ truyền này ít phụ thuộc vào tính chất vật lý của môi trường truyền dẫn, mà phụthuộc vào phương pháp truyền dẫn tín hiệu, chuẩn truyền dẫn (RS-232, RS-422,RS-485, .) và vào cấu hình của hệ thống truyền dẫn Trong chế độ truyền mộtchiều, thông tin chỉ được chuyển đi theo một chiều, một trạm chỉ có thể đóng vaitrò hoặc bên phát (transmitter) hoặc bên nhận thông tin (receiver) trong suốt quátrình giao tiếp Chế độ truyền hai chiều gián đoạn cho phép mỗi trạm có thể thamgia gửi hoặc nhận thông tin, nhưng không cùng một lúc Nhờ vậy thông tin đượctrao đổi theo cả hai chiều luân phiên trên cùng một đường truyền vật lý Một ưuđiểm của chế độ này là không đòi hỏi cấu hình hệ thống phức tạp lắm, trong khi

có thể đạt được tốc độ truyền tương đối cao Với chế độ truyền hai chiều toàn phầnmỗi trạm đều có thể gửi và nhận thông tin cùng một lúc Thực chất, chế độ này chỉkhác với chế độ hai chiều gián đoạn ở chỗ phải sử dụng hai đường truyền riêngbiệt cho thu và phát, tức là khác ở cấu hình hệ thống truyền thông Dễ dàng nhậnthấy, chế độ truyền hai chiều toàn phần chỉ thích hợp với kiểu liên kết điểm-điểm,hay nói cách khác là phù hợp với cấu trúc mạch vòng và cấu trúc hình sao

2.2.2.4 Truyền tải dải cơ sở, dải mang và dải rộng

a Truyền tải dải cơ sở

Một tín hiệu mang một nguồn thông tin có thể biểu diễn bằng tổng củanhiều dao động có tần số khác nhau nằm trong một phạm vi hẹp, được gọi là dảitần cơ sở hay dải hẹp Tín hiệu được truyền đi cũng chính là tín hiệu được tạo rasau khi mã hóa bit, nên có tần số cố định hoặc nằm trong một khoảng hẹp nào đó,tùy thuộc vào

phương pháp mã hóa bit Ví dụ có thể qui định mức tín hiệu cao ứng với bit 0 vàmức tín hiệu thấp ứng với bit 1 Tần số của tín hiệu thường nhỏ hơn, hoặc cùnglắm là tương đương với tần số nhịp bus Tuy nhiên, trong một nhịp (có thể tươngđương hoặc không tương đương với chu kỳ của tín hiệu), chỉ có thể truyền đi mộtbit duy nhất Có nghĩa là, đường truyền chỉ có thể mang một kênh thông tin duynhất, mọi thành viên trong mạng phải phân chia thời gian để sử dụng đườngtruyền Tốc độ truyền tải vì thế tuy có bị hạn chế, nhưng phương pháp này dễ thựchiện và tin cậy, được dùng chủ yếu trong các hệ thống mạng truyền thông côngnghiệp.

b Truyền tải dải mang

Trong một số trường hợp, dải tần cơ sở không tương thích trong môi trườnglàm việc Ví dụ, tín hiệu có các tần số này có thể bức xạ nhiễu ảnh hưởng tới hoạtđộng của các thiết bị điện tử khác, hoặc ngược lại, bị các thiết bị khác gây nhiễu

Để khắc phục tình trạng này, người ta sử một tín hiệu khác - gọi là tín hiệu mang,

có tần số nằm trong một dải tần thích hợp - gọi là dải mang Dải tần này thườnglớn hơn nhiều so với tần số nhịp Dữ liệu cần truyền tải sẽ dùng để điều chế tần số,biên độ hoặc pha của tín hiệu mang Bên nhận sẽ thực hiện quá trình giải điều chế

để hồi phục thông tin nguồn Khác với truyền tải dải rộng nêu dưới đây, phươngthức truyền tải dải mang chỉ áp dụng cho một kênh truyền tin duy nhất, giống nhưtruyền tải dải cơ sở

c Truyền tải dải rộng

Một tín hiệu có thể chứa đựng nhiều nguồn thông tin khác nhau bằng cách

sử dụng kết hợp một cách thông minh nhiều thông số thông tin Ví dụ một tín hiệuphức tạp có thể là tổng hợp bằng phương pháp xếp chồng từ nhiều tín hiệu thànhphần có tần số khác nhau mang các nguồn thông tin khác nhau Sau khi nhiềunguồn thông tin khác nhau đã được mã hoá bit, mỗi tín hiệu được tạo ra sẽ dùng

để điều biến một tín hiệu khác, thường có tần số lớn hơn nhiều, gọi là tín hiệumang Các tín hiệu mang đã được điều biến có tần số khác nhau, nên có thể phatrộn, xếp chồng thành một tín hiệu duy nhất có phổ tần trải rộng Tín hiệu này cuốicùng lại được dùng để điều biến một tín hiệu mang khác Tín hiệu thu được từkhâu này mới được truyền đi Đây chính là kỹ thuật dồn kênh phân tần trongtruyền tải thông tin, nhằm mục đích sử dụng hiệu quả hơn đường truyền Phía bênnhận sẽ thực hiện việc giải điều biến và phân kênh, hồi phục các tín hiệu mang cácnguồn thông tin khác nhau Phương thức truyền tải dải rộng và kỹ thuật dồn kênhđược dùng rộng rãi trong các mạng viễn thông bởi tốc độ cao và khả năng truyềnsong song nhiều nguồn thông tin

2.2.3 Cấu trúc mạng truyền thông

Mạng truyền thông nói chung và mạng không dây nói riêng có cấu trúctương tự nhau Cấu trúc mạng không dây quyết định khả năng logic của mạng vàcách nó được sử dụng trong ứng dụng Người sử dụng phải quyết định được cấutrúc mạng và thiết kế mạng trước khi chọn sản phẩm cần thiết để xây dựng mạngđó

2.2.3.1 Cấu trúc mạng điểm-đa điểm

Còn được gọi là cấu trục mạng “Sao”, đây là kiểu mạng thông dụng nhấtđược sử dụng trong các hệ SCADA, các ứng dụng từ xa và tự động hóa côngnghiệp Kiểu mạng gồm một điểm truy cập trung tâm (hay còn gọi là trạm Master)

và các thiết bị không dây từ xa (Slave) kết nối tới các nguồn dữ liệu như PLC, cảmbiến, PC Mỗi thiết bị không dây từ xa liên lạc với điểm truy cập trung tâm(Master) Thường thì Master được kết nối với server xử lý dữ liệu chính bằngmạng nối dây Master điều khiển tín hiệu truyền của các thiết bị không dây từ xa

Hình 2.9 Mô hình hệ SCADA dùng sóng Radio cấu trúc mạng saoKiểu cấu trúc mạng này phù hợp cho việc giám sát những khu vực cố định,

và di động trong một khu vực định sẵn

Lợi ích của cấu trúc mạng “Sao”:

- Cấu hình và triển khai đơn giản

- Dễ mở rộng

- Thông dụng với nhiều người

- Phù hợp cho kiến trúc điều khiển & lệnh

- Nhiều nhà cung cấp hỗ trợ tín hiệu radio

Bất lợi:

- Dựa trên một điểm mạng (điểm truy cập trung tâm — Master)

- Cần khả năng truyền đủ mạnh để bao phủ toàn bộ các điểm trong mạng.2.2.3.2 Cấu trúc mạng hình cây

Kiểu mạng này gồm đa điểm truy cập liên lạc với thiết bị từ xa và báo cáo

về Master Cấu trúc mạng hình cây phù hợp trong các ứng dụng trong đó thiết

bị từ xa và Master không kết nối trực tiếp với nhau mà phải thông qua thiết bịkhác được gọi là bộ lặp Cấu trúc mạng này cho phép người sử dụng triển khaimạng trên vùng địa lý rộng hơn Điểm truy cập cấp 2 của mạng cũng có thể kếtnối tới Master bằng các mạng không dây hoặc nối dây băng thông rộng nhưOptic Fiber, DSL

Lợi thế:

 Cung cấp khả năng triển khai mạng trên vùng địa lý rộng hơn

 Có thể tách mạng theo vùng để truy cập tốt hơn

 Tiêu hao ít năng lượng để truyền dữ liệu, đặc biệt nếu lớp điểm truy cập 2được triển khai gần với khu vực ứng dụng xa

 Kiểu mạng này mang rất khỏe nhờ kiến trúc phi tập trung

Lợi ích:

Hình 2.10 Cấu trúc mạng kiểu mắt lưới

 Mỗi nút mạng có thể liên lạc trực tiếp với các nút khác, do vậy nền tảngđiều khiển mạng được rút gọn

 Tiêu thụ điện năng thấp

 Không cần nhiều thời gian cấu hình để các nút mạng liên lạc được với nhauBất lợi:

 Không phù hợp với nhiều ứng dụng trong công nghiệp

2.2.4 Các công nghệ không dây

2.2.4.1 Công nghệ không dây sử dụng tia hồng ngoại

Chuẩn hồng ngoại IR từ lâu đã được dùng để phát triển các kết nối không dâyvới khoảng cách ngắn và chi phí thấp Công nghệ này được sử dụng nhiều trongđiều khiển từ xa vô tuyến, điều hòa nhiệt độ, máy tính cầm tay,

- Hoạt động:

Nguyên lý cơ bản của loại điều khiển từ xa này là sử dụng ánh sáng hồngngoại của quang phổ điện từ mà mắt thường không nhìn thấy được để chuyển tínhiệu đến thiết bị cần điều khiển Nó có vai trò như một bộ phát tín hiệu, sẽ phát racác xung ánh sáng hồng ngoại mang một mã số nhị phân cụ thể Khi ta ấn một nútphía bên ngoài thì sẽ vận hành một chuỗi các hoạt động khiến các thiết bị cần điềukhiển sẽ thực hiện lệnh của nút bấm đó

Hình 2.11 Điều khiển bằng hồng ngoại

- Ưu điểm và nhược điểm :

2.2.4.2 Công nghệ không dây sử dụng bluetooth

- Khái niệm bluetooth

Bluetooth là công nghệ không dây cho phép các thiết bị điện , điện tử giaotiếp với nhau trong khoảng cách ngắn, bằng sóng vô tuyến qua băng tần chungISM (Industrial, Scientific, Medical) trong dãy tầng 2.40 - 2.48 GHz Đây là dãybăng tần không cần đăng ký được dành riêng để dùng cho các thiết bị không dâytrong công nghiệp, khoa học, y tế

Bluetooth được thiết kế nhằm mục đích thay thế dây cable giữa máy tính vàcác thiết bị truyền thông cá nhân, kết nối vô tuyến giữa các thiết bị điện tử lại vớinhau một cách thuận lợi với giá thành rẻ

Khi được kích hoạt, Bluetooth có thể tự động định vị những thiết bị khác

có chung công nghệ trong vùng xung quanh và bắt đầu kết nối với chúng Nó đượcđịnh hướng sử dụng cho việc truyền dữ liệu lẫn tiếng nói

- Các đặc điểm của bluetooth

Tiêu thụ năng lượng thấp, cho phép ứng dụng được trong nhiều loại thiết

bị, bao gồm cả các thiết bị cầm tay và điện thoại di động

Giá thành hạ: giá một chip Bluetooth đang giảm dần, và có thể xuống dướimức 5$ một đơn vị.

Khoảng cách giao tiếp cho phép:

Khoảng cách giữa hai thiết bị đầu cuối có thể lên đến 10m ngoài trời, và5m trong tòa nhà

Khoảng cách thiết bị đầu cuối và Acess point có thể lên tới 100m ngoàitrời và 30m trong tòa nhà

Bluetooth sử dụng băng tần không đăng ký 2.4 GHz trên dãy băng tần ISM(Industrial, Scientific, Medical) Tốc độ truyền dữ liệu có thể đạt tới mức tối đa 1Mbps (do sử dụng tần số cao) mà các thiết bị không cần phải thấy trực tiếp nhau

- Ưu điểm

Dễ dàng trong việc phát triển ứng dụng: Bluetooth kết nối một ứng dụngnày với một ứng dụng khác thông qua các chuẩn “ Bluetooth Profiles ”, do đó cóthể độc lập về phần cứng cũng như hệ điều hành sử dụng

An toàn và bảo mật: được tích hợp với sự xác nhận và mã hóa, tính tươngthích cao, được nhiều nhà sản xuất phần cứng cũng như phần mềm hỗ trợ

- Nhược điểm

Khoảng cách điều khiển không lớn

Bị gián đoạn khi gặp vật cản

2.2.4.3 Công nghệ không dây sử dụng sóng vô tuyến (RF)

- Khái niệm:

Là loại điều khiển từ xa đầu tiên và hiện nay vẫn là một dạng điều khiển từ

xa phổ biến trong đời sống

- Hoạt động:

Nguyên lí hoạt động tương tự như điều khiển bằng tia hồng ngoại nhưngthay vì gửi đi các tín hiệu ánh sáng thì nó truyền đi sóng vô tuyến tương ứng vớicác mã nhị phân Bộ phận thu sóng sẽ nhận tín hiệu và giải mã nó thành các dãynhị phân tương ứng

- Ưu điểm:

Truyền xa hơn so với sóng hồng ngoại

Truyền được xuyên qua các vật cản như tường, gỗ, kính…

- Nhược điểm:

Bị nhiễu do có nhiều thiết bị máy móc tạo ra các sóng có cùng tần số với bộthu phát sóng

Để khắc phục ta sử dụng bộ thu phát có tần số đặc biệt và nhúng mã kĩ thuật

số địa chỉ của thiết bị nhận trong các tín hiệu vô tuyến

2.2.4.4 Wi-Fi

Chuẩn IEEE 802.11 đặc tả cho mạng nối tiếng WLAN, hay còn được biếtđến với cái tên Wi-Fi Chuẩn có dải tần 2,4GHz Đây là dải tần phổ biến ở mọiquốc gia trên thế giới Tốc độ truyền dữ liệu của nó từ 1Mbit/sec lên đến 100Mbit/sec Tốc độ truyền dữ liệu còn phụ thuộc vào độ nhiễu của môi trường ứngdụng và khoảng cách giữa điểm nhận và điểm gửi Wi-Fi được thiết kế sử dụngcho môi trường trong nhà và ngoài trời ở khoảng cách gần Nó cung cấp khả năngtrao đổi dữ liệu và kết nối internet tới các thiết bị như PDA, PC, bộ điều khiển.Trong mạng Wi-Fi, thiết bị có thể liên lạc đa hướng

Mặc dù rất thông dụng trong các ứng dụng thương mại như mạng LANkhông dây gia đình, doanh nghiệp, nhà kho, nhưng Wi-Fi không được ưu ái nhiềutrong ứng dụng điều khiển và giám sát từ xa do khả năng truyền tín hiệu và anninh hạn chế Tuy nhiên, nó đã được ứng dụng trong môi trường công nghiệpvới vai trò làm dải tần xương sống kết nối các mạng phân tán nhỏ hơn ở khoảngcách hẹp

2.2.4.5 WiMax

WiMax ra đời là sự thay thế không dây cho cấu trúc mạng nối dây dải tầnrộng như DSL/ADSL, cáp quang Nó được đặc tả bởi chuẩn IEEE 802.16, và cótốc độ truyền dữ liệu lên đến 100 Mbits/sec Khác biệt với Wi-Fi (thiết bị cónhiệm vụ giám sát giao thông mạng và ngưng truyền tín hiệu nếu mạng bận),WiMax điều khiển giao thức ra lệnh cho thiết bị chỉ truyền tín hiệu khi có yêucầu từ điểm truy cập

Công nghệ này hỗ trợ đường truyền ở khoảng cách lên đến 50 km Sự khácbiệt này làm cho WiMax trở thành giải pháp lý tưởng cho mạng kiểu điểm-đa điểmcho phép hàng trăm, thậm chí hàng nghìn thiết bị kết nối với mạng dữ liệu doanhnghiệp hoặc Internet từ một điểm truy cập trung tâm

2.2.4.6 Radio công nghiệp

Công nghệ tín hiệu radio không dây đã có cách đây từ nhiều thập kỷ Nhiềucông ty cung cấp dịch vụ radio công nghiệp 900 MHz và 2,4 GHz Nó cung cấp

tốc độ đường truyền thấp, ở giữa khoảng 9,600 bits/sec và 1,5Mbits/sec sử dụng

kỹ thuật truyền radio FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) FHSS chophép nhiều mạng cùng tồn tại trên cùng khu vực bằng cách tách biệt các mạng sửdụng tần khác nhau

Radio công nghiệp cung cấp nền tảng công nghệ mạnh mẽ và có mức độ antoàn cao trong quá trình truyền dữ liệu Mặc dù có hạn chế về tốc độ truyền dữliệu, song do đặc tính của những ứng dụng điều khiển và giám sát từ xa trong côngnghiệp nên làm cho công nghệ này trở thành giải pháp lý tưởng

2.2.4.7 Radio modems

- Radio modem hoạt động ở tần số 400Mhz đến 900Mhz, bán kính phủ sóng

25 -100 km

- Chúng có thể hoạt động trong một mạng nhưng phải có phương thức quản

lý mạng để xử lý và sửa lỗi truyền thông

- Radio modems có các chuẩn giao tiếp chuẩn RS-232, RS-422 và RS-485

- Tín hiệu số đưa vào modem, được điều chế thành sóng vô tuyến và phát đitrong không gian

Ví dụ radio modems có trên thị trường:

- Bộ thu phát không dây của Phonic: Hai chiều, hệ thống truyền 2,4GHz, baogồm 2 bộ thu phát và hai ăng-ten với cáp kết nối

Hình 2.12 Bộ thu phát không dây của Phonic

PHẦN 3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 ĐỐI TƯỢNG VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

3.1.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là thiết kế, chế tạo được hệ thống đo nhiệt

độ, độ ẩm không dây ứng dụng trong kho bảo quản nông sản dạng hạt, xây dựngđược phần mềm giám sát trên máy tính

3.1.2 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu về các đặc tính nông sản và kho bảo quản nông sản ở nước ta

- Tìm hiểu về hệ đo và giám nhiệt độ, độ ẩm nông sản dạng hạt trong và ngoài nước

- Nghiên cứu cơ bản về truyền thông không dây, chế độ truyền tin, các côngnghệ không dây và mạng không dây

3.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.2.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết về kho nông sản dạng hạt, mạngtruyền thông không dây, nghiên cứu tổng hợp kiến thức về vi điều khiển, ngôn ngữlập trình Visual Studio cho phần giao diện giám sát

3.2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Nội dung chính của luận văn này tập trung vào thiết kế và thử nghiệmphần truyền thông không dây RF để ứng dụng trong kho bảo quản nông sảndạng hạt Do truyền thông không dây thể hiện hàng loạt các ưu điểm vượt trội vềtính năng và giá thành hợp lý so với các truyền thông dùng dây dẫn (cáp đồngtrục, cáp đôi dây xoắn, …) nên đã được học viên lựa chọn cho nghiên cứu củamình Bài toán thiết kế phần truyền thông không dây, thử nghiệm được đặt ra là:

 Thiết kế thử nghiệm một bộ thu thập tín hiện kết nối với cảm biến

o Bộ thu thập phải dùng vi điều khiển, cho phép lập trình thay đổi các tínhtoán dùng phần mềm

o Có khả năng giao tiếp với bộ thu thập ở xa thông qua truyền thông khôngdây Do phạm vi thử nghiệm ban đầu nên khoảng cách truyền cho phép đến 100m(có thể truyền xa hơn nếu xử dụng thêm bộ khuếch đại) Giao tiếp điểm-điểm(point to point)

 Thiết kế một bộ thu thập trung tâm:

o Có tích hợp truyền thông không dây RF

o Có dùng vi điều khiển

o Có các chuẩn giao tiếp để kết nối với máy tính giám sát

 Phần mềm thu thập hiển thị thông tin thu thập được trên máy tính

3.2.2.1 Sơ đồ hệ thống

Trong phạm vi nghiên cứu, tôi giả thiết xây dựng một mô hình hệ thống cần

đo và giám sát gồm 5 điểm đo như sau:

từ xa CB

PC RS232/USB

Mạch thu thập

Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ đo và giám sát nhiệt độ, độ ẩm không dâyCác Mạch thu thập từ xa có tích hợp cảm biến đo nhiệt độ độ, độ ẩm đượcđặt tại các khu vực cần đo giám sát trong kho nông sản Thiết bị sau khi đo sẽtruyền số liệu về Mạch thu thập trung tâm thiết bị này hoạt động giống như mộtthiết bị chủ nhằm thu thập số liệu từ các Mạch thu thập từ xa, sau đó truyền lênmáy tính để lưu trữ, hiển thị và có thể đưa ra các cảnh báo

Tín hiệu sau cảm biến được kết nối với vi điều khiển thông qua mạch truyềnthông số Các số liệu về độ ẩm, nhiệt được độ sẽ được tách ra trong bộ vi điềukhiển này, xử lý, đưa ra hiển thị đồng thời các số liệu này cũng được đóng gói đểtruyền về mạch thu thập trung tâm thông qua Modul truyền thông RF.

b Mạch thu thập trung tâm

Mạch thu thập trung tâm được thiết kế dựa trên vi điều khiển ATMEGA16

có chức năng thu thập số liệu từ các mạch thu thập từ xa thông qua truyền thông

RF Các số liệu sau khi thu thập sẽ được chuyển lên máy tính trung tâm để hiểnthị, lưu trữ và đưa ra các cảnh báo nếu vượt quá giá trị đặt Mô tả về Mạch thuthập trung tâm thể hiện trên hình 3.3

- Mô tả:

Trong phạm vi đề tài nghiên cứu chủ yếu là bộ thu thập tín hiệu ở xa và bộthu thập trung tâm có tích hợp truyền thông không dây nên các tín hiệu đo lấy từhiện trường được lấy từ nhiệt độ, độ ẩm môi trường tự nhiên Tín hiệu các thông

số nhiệt độ, độ ẩm được đưa vào bộ vi xử lý của vi điều khiển Bộ vi xử lí sẽ chia

dữ liệu 8 bit thành 2 gói dữ liệu 4 bit và gửi đến bộ mã hoá Bộ mã hoá mỗi lầnthực hiện mã hoá 4 bit dữ liệu để xác định module thu nào được quyền nhận Tínhiệu ngõ ra bộ mã hoá lúc này là tín hiệu số dạng nối tiếp sẽ được đưa vào modulephát Tại đây tín hiệu số được điều chế và được bức xạ ra anten phát đi Phần mạchthu tín hiệu được nhận từ mạch thu RF, truyền tới vi xử lý rồi được truyền lên máytính PC thông qua khối truyền thông PL2303 để giám sát các tham số Trong mạch

thu và mạch phát tín hiệu được hiển thị trên màn LCD để kiểm tra tính chính xác

và ổn định của mạch thu phát không dây

3.2.2.2 Truyền thông không dây

- Sơ đồ khối:

Hình 3.4 Sơ đồ khối bộ truyền thông không dây

Hình 3.5 Các chân bộ thu phát không dây nRF24L01

Bảng 3.1 Chức năng các chân bộ thu phát không dây

- Mô tả:

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý bộ thu phát nRF24L01

Các nRF24L01 là một con chip thu phát 2,4GHz duy nhất với một công cụgiao thức băng tần nhúng, được thiết kế cho các ứng dụng điện năng cực thấpkhông dây Các nRF24L01 được cấu hình và vận hành thông qua một giao diệnngoại vi nối tiếp (SPI) Các sơ đồ thanh ghi có chứa tất cả các thanh ghi cấu hìnhtrong nRF24L01 và có thể truy cập trong tất cả các chế độ hoạt động của chip Cáccông cụ giao thức băng tần nhúng được dựa trên gói truyền thông và hỗ trợ các chế

độ khác nhau từ hoạt động hướng dẫn cho hoạt động giao thức tự trị tiên tiến.FIFOs nội đảm bảo một luồng dữ liệu thông suốt giữa các kết thúc trước bộ phát

và MCU của hệ thống Giao thức băng tần nhúng làm giảm chi phí hệ thống bằngcách xử lý tất cả các hoạt động lớp liên kết tốc độ cao Thông số kỹ thuật cơ bản:

- Điện thế hoạt động: 1.9V - 3.6V Có sẵn anthena sứ 2.4GHz

- Truyền được 100m trong môi trường mở với 250kbps baud

- Tốc độ truyền dữ liệu qua sóng: 250kbps to 2Mbps

- Tự động bắt tay

- Tự động truyền lại khi bị lỗi

- Bộ đệm dữ liệu riêng cho từng kênh truyền nhận: 32 Byte separate TXand RX FIFOs

- Các chân IO đều chịu được điện áp vào 5V