Nội dung nghiên cứu: Các chỉ tiêu chất lượng nước nói chung và ao nuôi tôm nói riêng Nghiên cứu về cấu trúc, chức năng và khả năng ứng dụng của hệ thống mạng cảm biến không dây nói chung và mạng cảm biến không dây dưới nước nói riêng.Mô phỏng hoặc dùng cảm biến để đo một số thông số chất lượng nước .Nghiên cứu việc thu nhận dữ liệu thông qua Internet trên điện thoại thông minh.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM HUẾ Khoa Cơ Khí và Công nghệ
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Quang Lịch
Bộ môn: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hoá
HUẾ, NĂM 2020
Trang 2TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM HUẾ Khoa Cơ Khí và Công nghệ
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Bộ môn: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hoá
HUẾ, NĂM 2020
Trang 3LỜI CÁM ƠN
Để hoàn thành khoá luận tốt nghiệp này, trước hết em xin chân thành gửi lời
cảm ơn đến Ban giám hiệu trường Đại học Nông Lâm, Đại học Huế cùng quý thầy
cô giáo phòng Đào tạo đại học và quý thầy cô giáo khoa Cơ khí và Công nghệ đã
giảng dạy, tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu để tôi
hoàn thành khóa luận tốt nghiệp
Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Quang Lịch đã
dành nhiều thời gian tâm huyết, hướng dẫn tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi
cho em trong quá trình thực hiện nghiên cứu đề tài và hoàn chỉnh khóa luận tốt
nghiệp đại học chuyên ngành Kỹ thuật Cơ - điện tử
Để hoàn thành khoá luận này bản thân tôi luôn nhận được sự giúp đỡ tận tình
từ các bạn sinh viên lớp Kỹ thuật Cơ - điện tử 49 và các bạn sinh viện thuộc Khoa
Cơ khí và Công nghệ, xin chân thành cảm ơn các bạn
Do giới hạn về thời gian nghiên cứu cũng như lượng kiến thức, thông tin thu
thập còn hạn chế nên bài luận văn không tránh khỏi những thiếu sót trong quá
trình nghiên cứu và thực hiện Vì vậy, kính mong nhận được sự góp ý và đánh giá
chân thành từ các quý thầy cô cùng các bạn để khoá luận được hoàn thiện hơn
Em xin chân thành cảm ơn
Thừa Thiên Huế, ngày 16 tháng 04 năm 2020
Sinh viên thực hiện
Lê Viết Tâm Đức
Trang 4DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Giá trị thích hợp chất lượng nước trong ao nuôi tôm 5 Bảng 2.2 Một số chỉ tiêu cần đo trong thí nghiệm xử lý nước thải nuôi tôm 6 Bảng 4.2 Một vài thông số của Arduino UNO 37 Bảng 4.3 Các chân của module LoRa Ra-02 SX1278 40 Bảng 4.4 Bảng đấu nối Arduino UNO R3 với Module Ra-02 SX1278 46 Bảng 4.5 Bảng đấu nối chân Raspberry Pi 3 Model B+ với Module Ra-02 SX1278 55 Bảng 4.6 Dữ liệu thu thập được sau quá trình khảo nghiệm trong vòng 24 giờ 73
Trang 5DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển của hệ thống giám sát ao
nuôi tôm sử dụng mức năng lượng thấp thông qua Zigbee 8
Hình 2.2 Một mô hình mạng cảm biến không dây sử dụng nguồn điện từ năng lượng mặt trời 9
Hình 2.3 Sơ đồ của một hệ thống giám sát ao nuôi thủy sản 10
Hình 2.4 Một thiết bị giám sát chất lượng nước ao nuôi cá được lắp đặt tại Mỹ An – Vĩnh Long cùa Eplusi 10
Hình 4.1 Sơ đồ mô hình hệ thống đề xuất 13
Hình 4.2 Sơ đồ khối của một nút cảm biến 15
Hình 4.3 Nút thu thập dữ liệu (Sink Node) là nơi tiếp nhận dữ liệu từ các nút cảm biến trọng mạng cảm biến khôndây rồi gửi về các thiết bị giám sát thông qua mạng Internet 16
Hình 4.5 Lập trình giao diện người dùng thông qua MIT App Inventor 18
Hình 4.6 Lập trình đổ dữ liệu cho giao diện người dùng trên nền tàng Android 19
Hình 4.7 Lập trình giao diện người dùng trên nền tảng Website bằng Javascript 20
Hình 4.9 Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây 21
Hình 4.10 Một mô hình IoT sử dụng mạng không dây LoRa 27
Hình 4.11 Bốn dây kết nối của giao tiếp SPI 29
Hình 4.12 Truyền và nhận dữ liệu thông qua SPI 30
Hình 4.13 Kết nối thiết bị vào bus I2C ở chế độ chuẩn (Standard mode) và chế độ nhanh (Fast mode) 31
Hình 4.14 Truyền nhận dữ liệu thông qua I2C 31
Hình 4.15 Quá trình truyền 1 bít dữ liệu qua I2C 32
Hình 4.16 Các thế hệ Raspberry Pi [12] 34
Hình 4.17 Raspberry Pi 3 Model B+ và các chân I/O 35
Trang 6Hình 4.18 Thông số kỹ thuật của Raspberry Pi 3 Model B+ 36
Hình 4.19 Vi điều khiển Atmega328 38
Hình 4.20 Module Lora Ra-02 SX1278 39
Hình 4.21 Các chân của module LoRa Ra-02 SX1278 41
Hình 4.22 LCD 2004 42
Hình 4.23 Module I2C thực tế 43
Hình 4.26 Thiết kế sơ đồ nguyên lí cho nút cảm biến 45
Hình 4.27 Sơ đồ đi dây giữa Arduino UNO R3 và Ra-02 SX1278 46
Hình 4.28 Sơ đồ mạch nguồn cho nút cảm biến 47
Hình 4.29 Vẽ mạch nguyên lí của nút cảm biến trên Eagle 48
Hình 4.30 Thiết kế mạch in (PCB) cho nút cảm biến 48
Hình 4.31 Mạch in đã được rửa 49
Hình 4.32 Lắp ráp các linh kiện để hoàn thiện nút cảm biến 49
Hình 4.33 Bản vẽ lắp cho nút cảm biến 50
Hình 4.34 Nút cảm biến được thiết kế trên Solidworks 50
Hình 4.35 Lắp ráp các linh kiện điện tử, Module Lora Ra-02 và Arduino UNO trên mạch in 53
Hình 4.36 Nút cảm biến sau khi hoàn thiện lắp ráp đang được đặt ở ao nuôi giả định 53
Hình 4.37 Nút cảm biến được lắp đặt ở ao nuôi giả định với các cảm biến đã được lắp vào để đo khảo nghiệm 54
Hình 4.38 Sơ đồ minh hoạ đấu nối giữa Raspberry Pi 3 Model B+ với Module Ra-02 SX1278 56
Hình 4.39 Đấu nối Raspberry Pi 3 Model B+ với Module Ra-02 SX1278 để tiến hành thử nghiệm 56
Hình 4.41 Thiết kế hộp cho nút thu thập dữ liệu 58
Hình 4.42 Nút thu thập dữ liệu được thiết kế với thêm một LCD 20x4 hiển thị các thông số đo được 58
Trang 7Hình 4.43 Đấu nối Module Lora Ra-02 (đã gắn vào bo mạch) với Raspberry Pi
59
Hình 4.44 Đấu nối Module I2C với LCD 2004 59
Hình 4.45 Hoàn thiện đấu nối các linh kiện điện tử của nút thu thập dữ liệu 60
Hình 4.46 Lắp ráp nút thu phát dữ liệu hoàn thiện - mặt trước 61
Hình 4.47 Nút thu phát dữ liệu được lắp ráp hoàn thiện 61
Hình 4.48 Khởi tạo dự án và đặt tên cho dự án 62
Hình 4.49 Kho dữ liệu được khởi tạo thành công 62
Hình 4.50 Thiết kế giao diện của phầm mềm giám sát trên smartphone bằng công cụ MIT App Inventor 63
Hình 4.51 Giao diện phần mềm giám sát trên smartphone 63
Hình 4.52 Giao diện phần mềm giám sát trên nền tảng website 64
Hình 4.54 Gửi tín hiệu từ nút cảm biến 66
Hình 4.56 Raspberry Pi trên nút thu phát dữ liệu nhận được tín hiệu từ nút cảm biến 68
Hình 4.57 Lập trình trên ứng dụng MIT App Inventor 69
Hình 4.58 Lập trình Javascript bằng Notepad++ 69
Hình 4.59 Tiến hành lắp đặt nút cảm biến vào ao khảo nghiệm 70
Hình 4.60 Lắp đặt nút thu thập dữ liệu 71
Hình 4.61 Dữ liệu được cập nhật liên tục trên kho dữ liệu Firebase 71
Hình 4.62 Dữ liệu tức thời được cập nhập trên Website 72
Hình 4.63 Dữ liệu tức thời được cập nhật trên ứng dụng trên smartphone 72
Hình 4.64 Đồ thị biểu thị trong vòng 24h trên giao diện người dùng nền tảng website 75
Trang 8DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
IoT Internet of Things – Internet vạn vật
SMEWW Các phương pháp chuẩn xét nghiệm nước và nước thải BNNPTNT Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn
WSN Wireless Sensor Network – Mạng cảm biến không dây MIT Viện Công nghệ Massachusetts (MIT)
ADC Bộ chuyển đổi tương tự/số
LCD Liquid Crystal Display – Màn hình tinh thể lỏng
LPWAN Các công nghệ không dây với các đặc điểm như phủ
sóng lớn, băng thông thấp, kích thước gói tin nhỏ và thời gian sử dụng pin lâu dài
Trang 9MỤC LỤC
PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1
1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1
1.2 Mục tiêu của đề tài 3
1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3
1.3.1 Ý nghĩa khoa học 3
1.3.2 Ý nghĩa thực tiễn 4
PHẦN 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 5
2.1 Cơ sở lý luận 5
2.1.1 Chất lượng nước phù hợp với việc nuôi tôm 5
2.1.2 Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) 7
2.2 Cơ sở thực tiễn 8
2.2.1 Tình hình nghiên cứu về hệ thống giám sát chất lượng nước ao nuôi tôm trên thế giới 8
2.2.2 Tình hình nghiên cứu về hệ thống giám sát chất lượng nước ao nuôi tôm tại Việt Nam 9
PHẦN 3 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 11
3.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 11
3.1.1 Đối tượng nghiên cứu 11
3.1.2 Phạm vi nghiên cứu 11
3.2 Nội dung nghiên cứu: 11
3.3 Phương pháp nghiên cứu: 11
3.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 11
3.3.2 Phương pháp tính toán thiết kế và mô phỏng 11
3.3.3 Phương pháp chế tạo và khảo nghiệm 11
3.3.4 Phương pháp phân tích xử lý số liệu 12
PHẦN 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 13
4.1 Đề xuất mô hình hệ thống 13
4.1.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống và nguyên lý điều khiển 13
4.1.3 Các nút cảm biến (Sensor Nodes) 15
4.1.4 Nút thu phát dữ liệu (Sink Node) 15
4.1.5 Lưu trữ dữ liệu tức thời (Real-time database) 16
4.1.6 Giao diện người dùng (User Interface) 18
4.2 Mạng cảm biến không dây và các kiểu giao tiếp sử dụng trong đề tài 21
4.2.1 Mạng cảm biến không dây 21
4.2.2 LoRa và khả năng ứng dụng LoRa cho mạng cảm biến không dây 25
Trang 104.2.4 Giao tiếp I2C 30
4.3 Lựa chọn các thiết bị phần cứng cho hệ thống 33
4.3.1 Raspberry Pi 3B+ 33
4.3.2 Aduino UNO R3 37
4.3.3 Module Lora Ra-02 SX1278 39
4.3.5 Module giao tiếp I2C cho LCD 43
4.4 Thiết kế, lắp đặt hệ thống 45
4.4.1 Thiết kế, lắp ráp nút cảm biến (Sensor Node) 45
4.4.2 Thiết kế, lắp ráp nút thu thập dữ liệu (Sink Node) 54
4.5 Hoàn thiện phần mềm 62
4.5.1 Khởi tạo khu vực lưu trữ dự liệu đám mây trên Google Firebase 62
4.5.2 Thiết kế giao diện phần mềm giám sát trên thiết bị di động 63
4.5.3 Thiết kế giao diện phần mềm giám sát trên nền tảng website 64
4.5.4 Lập trình 65
4.6 Tiến hành khảo nghiệm 70
4.6.1 Tiến hành lắp đặt khảo nghiệm 70
4.6.2 Thực hiện lấy số liệu khảo nghiệm 71
4.6.3 Kết quả 73
PHẦN 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76
5.1 Kết luận 76
5.2 Kiến nghị 76
PHẦN 6 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77
PHẦN 7 PHỤ LỤC 79
Trang 112
PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, nuôi trồng thủy sản (NTTS) ở nước ta nói chung
và nuôi tôm công nghiệp nói riêng đã có những bước phát triển vượt bậc cả về quy mô và sản lượng nuôi Tuy nhiên, ô nhiễm môi trường liên quan đến hoạt động nuôi trồng thuỷ sản nói chung và nuôi tôm nói riêng ngày càng được quan tâm và cần được kiểm soát bởi tính cấp thiết do việc tăng mật độ nuôi cũng như chất lượng nguồn nước cấp
Theo quy hoạch phát triển của ngành NTTS đến năm 2025, tổng diện tích nuôi tôm công nghiệp ở nước ta là 160 nghìn ha với sản lượng dự tính đến năm
2025 sẽ là 800 nghìn tấn Như vậy, lượng chất thải từ thức ăn dư thừa, phân, chất bài tiết, dư lượng thuốc của các cơ sở nuôi tôm công nghiệp tăng lên đáng kể và cần được kiểm soát Bên cạnh đó việc quy hoạch ở một số vùng nuôi tập trung còn nhiều bất cập, cơ sở hạ tầng nhiều vùng nuôi chưa có kênh thoát và kênh cấp nước riêng biệt dẫn đến việc nước thải từ cơ sở nuôi này có thể gây ô nhiễm cho nguồn nước cấp của các trang trại khác
Hiện nay, tình hình dịch bệnh xảy ra thường xuyên ở nhiều khu vực nuôi tôm gây thiệt hại lớn về kinh tế của các cơ sở và các hộ dân nhất là ở khu vực miền Trung và Đồng Bằng Sông Cửu Long Nguyên nhân chính do việc theo dõi, giám sát chất lượng nước trong ao nuôi tôm thực hiện không thường xuyên và thiếu các công nghệ kiểm soát Bên cạnh đó việc xử lý, kiểm soát các chất thải ra ngoài môi trường chưa được đầu tư nghiên cứu đúng mức Các chương trình giám sát và quan trắc môi trường các vùng nuôi mặc dù đã và đang được triển khai nhưng hiện vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu thực tế, kinh phí hàng năm chưa đảm bảo cho các hoạt động giám sát quan trắc môi trường tại các vùng nuôi tôm tập trung Nhiều vùng nuôi tôm công nghiệp chưa được giám sát, quan trắc về chất lượng môi trường, đặc biệt là chất lượng nước và bùn đáy thải ra môi trường không qua
xử lý gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái và cuộc sống người dân quanh vùng nuôi tôm Công tác đánh giá tác động môi trường và sức tải môi trường ở nhiều vùng nuôi hầu như chưa được thực hiện, đặc biệt là những vùng nuôi với nhiều nông hộ nuôi nhỏ lẻ, tự phát Việc ứng dụng công nghệ tự động hóa để giám sát chất lượng nước trong các ao nuôi cũng như lượng chất thải từ các trang trại nuôi ra môi trường xung quanh chưa được nghiên cứu và ứng dụng Một số quy chuẩn, tiêu chuẩn quy định về tiêu chuẩn chất lượng nước xả thải từ các trang trại
Trang 12và bền vững, trên cơ sở giải quyết hài hòa mối quan hệ giữ nâng cao giá trị sản xuất với đảm bảo chất lượng, vệ sinh an toàn thực phẩm, bảo vệ môi trường, bảo
vệ và phát triển nguồn lợi thủy sản cho phát triển bền vững Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu triển khai đã được ứng dụng nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường, nâng cao hiệu quả sản xuất cho mô hình nuôi tôm công nghiệp Tuy nhiên việc nghiên cứu phát triển đồng bộ hệ thống giám sát điều khiển chất lượng nước trong các ao nuôi tôm thâm canh đến nay vẫn chưa được thực hiện
Để giải quyết các vấn đề cần thiết chưa được giải quyết tại các nghiên cứu trước đó, em đã tiến hành chọn đề tài: “Thiết kế chế tạo hệ thống giám sát chất lượng nước ao nuôi tôm bằng mạng cảm biến không dây (WSN).”
1.2 Mục tiêu của đề tài
- Mục tiêu chung: Thiết kế chế tạo được mô hình cho hệ thống giám sát chất lượng nước ao nuôi tôm sử dụng mạng lưới cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks-WSN)
ao nuôi tôm mọi lúc, mọi nơi
+ Lưu trữ dữ liệu về các chỉ tiêu chất lượng nước để phục vụ công tác nghiên cứu, phân tích nhằm cải thiện năng suất cho những vụ nuôi tôm sau này
+ Nghiên cứu về khả năng ứng dụng của đề tài trên điều kiện thực tiễn
1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
1.3.1 Ý nghĩa khoa học
Trang 131.3.2 Ý nghĩa thực tiễn
- Giúp người nuôi tôm có thể nắm bắt được tình hình của ao nuôi mọi lúc mọi nơi, từ đó có thể đưa ra các phương pháp ứng phó kịp thời khi xảy ra các trường hợp xấu do ảnh hưởng của môi trường nước gây ra
- Dựa vào dữ liệu thu thập được từ cả vụ nuôi tôm trước để giúp nông dân có thể lên kế hoạch cho vụ nuôi tôm tiếp theo
- Góp phần giúp việc ứng dụng IoT (Internet of Things) vào thực tế để hỗ trợ con người trong việc quản lý giám sát quá trình sản xuất
Trang 14di động một cách dễ dàng, nắm bắt các trạng thái thực tế của hồ nuôi để kịp thời
có giải pháp phù hợp cho quản lý ao nuôi
Việc giám sát môi trường ao nuôi thông qua các hệ thống cũ đòi hỏi các thiết
bị cồng kềnh và việc lắp đặt phải cố định trong thời gian dài Vì thế, việc kết hợp mạng cảm biến không dây vào mô hình giám sát trên sẽ tạo điều kiện cho các hệ thống giám sát mà cụ thể ở đây là hệ thống giám sát chất lượng nước áo nuôi tôm được dễ dàng và linh động hơn cho người sử dụng
2.1.1 Chất lượng nước phù hợp với việc nuôi tôm
Chất lượng nước là yếu tố cực kỳ quan trọng trong nuôi trồng thủy sản, nhưng khó dự đoán và khó kiểm soát Chất lượng nước quyết định hiệu quả của việc sử dụng thức ăn, tốc độ sinh trưởng và tỉ lệ sống của tôm Tôm chết, bệnh, chậm lớn, hay hiệu quả sử dụng thức ăn kém đều do các yếu tố trong ao mà chất chất lượng nước là nguyên nhân chính Để tôm phát triển bình thường thì nước phải đảm bảo chất lượng không bị ô nhiễm Chất lượng nước phụ thuộc vào nhiều yếu tố như chất lượng nguồn nước, hàm lượng và chế độ cho ăn, thời tiết cũng như quy trình nuôi trồng của các trang trại, ao nuôi tôm Chất lượng nước được đánh giá bằng nhiều thông số khác nhau như vật lý, hóa học và sinh học, giá trị thích hợp các thông số về chất lượng nước phù hợp cho các ao nuôi tôm như trong Bảng 2.1 và một số thông số yêu cầu về nước thải ao nuôi tôm như trong Bảng 2.2 [1]
Bảng 2.1 Giá trị thích hợp chất lượng nước trong ao nuôi tôm
Trang 15Bảng 2.2 Một số chỉ tiêu cần đo trong thí nghiệm xử lý nước thải nuôi tôm
dụng Nhiệt độ (T )
Thông tư 44/2010/TT-BNNPTNT ngày 22/7/2010
Tổng chất rắn lơ lững Clesceri Greenberg và Trusell
1989 Nhu cầu ô xy sinh học (BOD) SMEWW-2005
Trang 162.1.2 Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network)
2.1.2.1 Sơ lược về mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) bao gồm một tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào Mạng cảm biến không dây có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông qua một điểm thu phát (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh Các nút cảm biến không dây có thể được triển khai cho các mục đích chuyên dụng như điều khiển giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; tạo ra không gian sống thông minh; khảo sát đánh giá chính xác trong nông nghiệp; trong lĩnh vực y tế, Lợi thế chủ yếu của chúng là khả năng triển khai hầu như trong bất kì loại hình địa lý nào kể cả các môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống
Các thiết bị cảm biến không dây liên kết thành một mạng đã tạo ra nhiều khả năng mới cho con người Các đầu đo với bộ vi xử lý và các thiết bị vô tuyến rất nhỏ gọn tạo nên một thiết bị cảm biến không dây có kích thước rất nhỏ, tiết kiệm về không gian Chúng có thể hoạt động trong môi trường dày đặc với khả năng xử lý tốc độ cao Ngày nay, các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở các chất gây ô nhiễm, kiểm tra giám sát hệ sinh thái và môi trường sinh vật phức tạp, điều khiển giám sát trong công nghiệp và trong lĩnh vực quân sự, an ninh quốc phòng hay các ứng dụng trong đời sống hàng ngày [2]
2.1.2.2 Những ứng dụng của mạng cảm biến không dây
Với chức năng linh hoạt, mạng cảm biến không dây ngày càng được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực khác nhau như:
Trang 178
- Giám sát các khu vực đặc biệt
- Theo dõi chăm sóc sức khỏe
- Giám sát công nghiệp trong nhiều lĩnh vực sản xuất
- Tình trạng, tuổi thọ máy móc và thiết bị trong dây chuyền
- Lưu trữ dữ liệu
- Giám sát nước sản xuất và nước thải
- Giám sát sản xuất trong chế biến rượu
- Phát hiện các mối đe doạ hay thảm họa từ môi trường hay từ sự cố như cháy nổ
Lĩnh vực giám sát môi trường hầu hết được ứng dụng cụ thể như:
- Giám sát ô nhiễm không khí
Trên thế giới hiện này, người ta đang dần có xu hướng chuyển sang thiết
kế và chế tạo những hệ thống giám sát sử dụng mức năng lượng thấp Level Power Monitoring) để ứng dụng vào thực tiễn Những thiết bị này có ưu điểm là gọn nhẹ, tiệu thụ ít điện năng nhưng những hiệu quả giám sát mang lại
(Low-là tương đương với các hệ thống truyền thống [3]
Mô hình này có nguyên lý hoạt động theo sơ đồ khối sau:
Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển của hệ thống giám sát
ao nuôi tôm sử dụng mức năng lượng thấp thông qua Zigbee
Trang 189
Từ việc thu thập dữ liệu rồi đưa lên các nền tảng lưu trữ đám mây thông
qua wifi, người nuôi tôm sẽ có thể quan sát mô hình của mình thông qua các thiết
bị có kết nối Internet như Smartphone hay máy tính thông qua nên tảng website
Ngoài ra, người ta cũng bắt đầu ứng dụng nguồn điện từ năng lượng mặt trời để cung cấp cho mạng cảm biến không dây
Hình 2.2 Một mô hình mạng cảm biến không dây sử dụng nguồn điện từ năng
Trang 1910
Hình 2.3 Sơ đồ của một hệ thống giám sát ao nuôi thủy sản
Hình 2.4 Một thiết bị giám sát chất lượng nước ao nuôi cá được lắp đặt tại Mỹ
An – Vĩnh Long cùa Eplusi [4].
Trang 2011
PHẦN 3 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU 3.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1.1 Đối tượng nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là chất lượng nước trong các ao nuôi tôm thâm canh
3.1.2 Phạm vi nghiên cứu
- Thời gian nghiên cứu: từ tháng 9 năm 2019 đến tháng 4 năm 2020
- Khu vực nghiên cứu: Các khu vực nuôi tôm trên địa bàn tinh Thừa Huế
Thiên Các thông số cơ bản của chất lượng nước như oxy hòa tan (DO), độ mặn, nồng độ pH và nhiệt độ
3.2 Nội dung nghiên cứu:
- Các chỉ tiêu chất lượng nước nói chung và ao nuôi tôm nói riêng
- Nghiên cứu về cấu trúc, chức năng và khả năng ứng dụng của hệ thống mạng cảm biến không dây nói chung và mạng cảm biến không dây dưới nước nói riêng
- Mô phỏng hoặc dùng cảm biến để đo một số thông số chất lượng nước
- Nghiên cứu việc thu nhận dữ liệu thông qua Internet trên điện thoại thông minh
3.3 Phương pháp nghiên cứu:
3.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
Tìm hiểu các vấn đề liên quan đến vấn đề nghiên cứu như: Mạng cảm biến không dây, cảm biến, các kiểu kết nối, các phương pháp truyền dữ liệu, mobile app, thông qua sách, báo, bài nghiên cứu có sẵn và trên các nguồn uy tín trên Internet
3.3.2 Phương pháp tính toán thiết kế và mô phỏng
- Thiết kế, mô phỏng mạch trên máy tính
- Thiết kế các bộ phận của mô hình hệ thống, thiết kế mạch in, lắp ráp mạch vào mô hình, viết chương trình điều khiển cho hệ thống
3.3.3 Phương pháp chế tạo và khảo nghiệm
Trang 2112
Dựa trên bản thiết kế của hệ thống, một số thiết bị điện tử được mua sẵn còn các thiết bị khung hệ thống, thiết bi mô phỏng ao nuôi sử dụng vật liệu và thiết bị phù hợp cho chế tạo
Sau quá trình chế tạo, lắp đặt hoàn thành hệ thống sẽ tiến hành khảo
nghiệm trong phòng thí nghiệm để đánh giá khả năng hoạt động của hệ thống trên các thông số chính như sau:
Đánh giá thời gian thu, nhận tín hiệu với thời gian thực của hệ thống Đánh giá độ chính xác dựa trên thời gian thực trên từng thông số của chất lượng nước (phạm vi nghiên cứu chỉ đánh giá các thông số chính như nhiệt độ (T), pH và hàm lượng oxy hào tan (DO)
3.3.4 Phương pháp phân tích xử lý số liệu
Số liệu được thực nghiệm sau đó thu thập xử lý phân tích so sánh tối ưu hóa các thông số cho hệ thống điều khiển chất lượng nước ao nuôi tôm
Thực hiện thí nghiệm trong 24 giờ với 3 lần lặp để lấy số liệu Nhằm đánh giá khả năng và hiệu quả làm việc
Trang 2213
PHẦN 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 4.1 Đề xuất mô hình hệ thống
4.1.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống và nguyên lý điều khiển
Dựa trên những cơ sở lý thuyết và thực tiễn, nghiên cứu đề xuất sơ đồ khối cho hệ thống giám sát ao nuôi tôm sử dụng mạng cảm biến không dây (WSN) như sau:
Hình 4.1 Sơ đồ mô hình hệ thống đề xuất
Trang 2314
Mô hình hệ thống đề xuất ở sơ đồ khối trên gồm:
- Khối các nút cảm biến (Sensor Nodes): Gồm các cụm cảm biến đặt ở
các vị trí thích hợp để giám sát chất lượng nước ao nuôi tôm đồng thời gửi tín hiệu về khối thu phát dữ liệu thông qua LoRa ở tần số 433 Mhz
- Khối nút Sever thu phát dữ liệu (Sink Node): Gồm các thiết bị thu phát
dữ liệu bao gồm thiết bị thu phát dữ liệu LoRa và thiết bị thu phát dữ liệu WiFi Khối này có chức này thu thập dữ liệu từ các nút cảm biến thông qua LoRa rồi gửi lên đám mây thông qua kết nối mạng WiFi hoặc mạng
di động
- Khối lưu trữ dữ liệu đám mây (Cloud Sever): Cụ thể ở đây sử dụng
Firebase cho mục đích lưu trữ và xử lí dữ liệu tức thời
- Khối giao diện người dùng (User Interface): Gồm các ứng dụng giám
sát trên điện thoại thông minh và máy tính có kết nối mạng internet Tại đây, người dùng có thể giám sát được chất lượng nước thời điểm hiện tại hoặc trong một khoảng thời gian nhất định của ao nuôi tôm
Trang 2415
4.1.3 Các nút cảm biến (Sensor Nodes)
Với đề tài này, để thuận cho việc mô phỏng các dữ liệu chỉ tiêu chất lượng nước ao nuôi tôm, các nút cảm biến được thiết kế gồm 1 mạch Arduino Uno kết hợp với module LoRa Ra-02 SX1278
Dựa vào các nút cảm biến này, dữ liệu của các thông số chất lượng nước
sẽ được Arduino mô phỏng sau đó gửi về nút thu phát dữ liệu (Sink Node) bằng sóng Lora ở tần số 433 Mhz
Bộ phận thu/
phát tín hiệu
Bộ nhớ mở rộng
Bộ chuyển đổi ADC
Cảm biến
Hình 4.2 Sơ đồ khối của một nút cảm biến
Một khối cảm biến cơ bản sẽ bao gồm:
- Nguồn năng lượng: Pin Lithium
4.1.4 Nút thu phát dữ liệu (Sink Node)
Nút thu phát dữ liệu (Sink Node) sẽ là điểm trung tâm và tối quan trọng của hệ thống giám sát ao nuôi tôm sử dụng mạng cảm biến không dây này Trong một hệ thống WSN luôn phải có một nút thu phát dữ liệu nhằm thu thập dữ liệu
từ các nút cảm biến và được đưa trên trung tâm xử lý dữ liệu vào những mục đích khác nhau hoặc được gửi lên đám mây thông qua mạng internet
Trang 2516
Trong đề tài hiện tại, nút thu phát dữ liệu của hệ thống sẽ bao gồm một Raspberry Pi 3B+ với chức năng của một vi xử lí để điều khiển nút Ngoài ra, Raspberry Pi còn có khả năng truy xuất dữ liệu thông qua mạng Wi-Fi Về phần thu sóng từ mạng không dây LoRa, chúng ta cũng sẽ sử dụng một module LoRa Ra-02 SX1278 có tần số 433 MHz tương tự như các nút cảm biến Việc giao tiếp giữa các nút thông qua LoRa bắt buộc phải chúng phải hoạt động ở cùng một tần
số để đảm bảo việc truyền tín hiệu
Ngoài ra, chúng ta còn sử dụng một hệ thống năng lượng mặt trời công suất nhỏ đủ để đáp ứng cho nút hoạt động 24/24 mà không cần nguồn điện lưới nhằm đảm bảo hệ thống giám sát có thể hoạt động ở những nơi xa khu vực dân
cư không có điện lưới
Hình 4.3 Nút thu thập dữ liệu (Sink Node) là nơi tiếp nhận dữ liệu từ các nút
cảm biến trọng mạng cảm biến khôndây rồi gửi về các thiết bị giám sát thông
qua mạng Internet
4.1.5 Lưu trữ dữ liệu tức thời (Real-time database)
Nguồn lưu trữ dữ liệu đám mây là một phần quan trọng trong các dự án IoT nói chung và trong hệ thống WSN nói riêng Trong đề tài lần này, chúng ta
sẽ sử dụng Google Firebase nhằm để lưu trữ dữ liệu tức thời (Realtime Database) nhằm để làm trung gian giao tiếp giữa phần cứng (các nút cảm biến và nút thu thập dữ liệu) và phần mềm (giao diện người dùng)
Trang 2617
Hình 4.4 Sơ đồ khối của một mô hình lữu trữ dữ liệu thông qua Firebase và
truyền tín hiệu đến các nền tảng iOS, Android và Web
Firebase là một dịch vụ hệ thống backend được Google cung cấp sẵn cho các ứng dụng mobile và website Với Firebase, chúng ta có thể rút ngắn thời gian phát triển, triển khai và thời gian mở rộng quy mô của ứng dụng mobile hay website mà mình đang phát triển Hỗ trợ cả 2 nền tảng mobile Android và IOS
và nền tảng website, Firebase mạnh mẽ, đa năng, bảo mật và là dịch vụ cần thiết đầu tiên để xây dưng ứng dụng Google Firebase có rất nhiều các công cụ để hỗ trợ người dùng trong việc tạo dựng các ứng dụng trên điện thoại di động hay nền tảng website[7]
Trong phạm vi đề tài nghiên cứu, chúng ta sẽ ứng dụng công cụ Realtime
Database của Firebase nhằm để lưu trữ và đồng bộ dữ chất lượng nước của nuôi tôm theo thời gian thực, các ứng dụng hỗ trợ tính năng này có thể lưu trữ và lấy
dữ liệu từ máy chủ trong tích tắc Các dữ liệu được lưu trữ trong hệ thống cơ sở
dữ liệu hỗ trợ NoSQL và được đặt trên nền tảng máy chủ Cloud, dữ liệu được ghi và đọc với thời gian thấp nhất tính bằng mili giây Nền tảng này hỗ trợ đồng
bộ hóa dữ liệu của người dùng kể cả khi không có kết nối mạng, tạo nên trải nghiệm xuyên suốt bất chấp tình trạng kết nối internet của người sử dụng Reatime Database của Firebase hổ trợ: android, ios, web, c++, unity, và
cả xamarin
Trang 2718
4.1.6 Giao diện người dùng (User Interface)
Giao diện người dùng là thành phần đầu cuối, cũng là mục đích chính để thiết kế của đề tài lần này Chúng ta sẽ có một ứng dụng giám sát trên nền tảng Android và một Website để theo dõi các thông số chất lượng nước ao nuôi tôm được lấy từ các cảm biến không dây ở bất cứ mọi nơi miễn là có kết nối với internet (mạng di động hoặc Wi-Fi)
4.1.6.1 Giao diện người dùng trên nền tảng Android
Trong phạm vi đề tài nghiên cứu ứng dụng MIT App Inventor để tạo ra một ứng dụng trên các thiết bị di động Android nhằm theo dõi và giám sát hoạt động của ao nuôi tôm Kết hợp với các công cụ Realtime Database trên Google Firebase
để lấy dữ liệu theo thời gian thực như trên Hình 4.5
Hình 4.5 Lập trình giao diện người dùng thông qua MIT App Inventor
MIT App Inventor dành cho Android là một ứng dụng web nguồn mở ban đầu được cung cấp bởi Google và hiện tại được duy trì bởi Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) Nền tảng cho phép nhà lập trình tạo ra các ứng dụng phần mềm cho hệ điều hành Android (OS) Bằng cách sử dụng giao diện đồ họa, nền tảng cho phép người dùng kéo và thả các khối mã (blocks) để tạo ra các ứng dụng
có thể chạy trên thiết bị Android Đến thời điểm 07/2017, phiên bản iOS của nền tảng này đã bắt đầu được đưa vào thử nghiệm bởi Thunkable, là một trong các nhà cung cấp ứng dụng web cho ngôn ngữ này [8]
Trang 2819
Mục tiêu cốt lõi của MIT App Inventor là giúp đỡ những người chưa có kiến thức về ngôn ngữ lập trình từ trước có thể tạo ra những ứng dụng có ích trên
hệ điều hành Android Phiên bản mới nhất là MIT App Inventor 2
Ngày nay, MIT đã hoàn thiện App Inventor và nó được chia sẻ ngay trên tài khoản Google Các lập trình viên mới bắt đầu hoặc bất kỳ ai muốn tạo ra ứng dụng Android chỉ cần vào địa chỉ web của MIT, nhập thông tin tài khoản Google,
và từ những mảnh ghép nhỏ, xây dựng những ý tưởng của mình
Hình 4.6 Lập trình đổ dữ liệu cho giao diện người dùng trên nền tàng Android
4.1.6.2 Giao diện người dùng trên nền tảng Website
Ngoài giao diện người dùng trên nền tảng Android, để thuận tiện hơn cho việc giám sát ao nuôi tôm mọi lúc mọi nơi, hệ thống còn được thiết kế thêm một giao diện người dùng trên nền tảng Website Trong đề tài này, sử dụng ngôn ngữ lập trình JavaScript để tận dụng các mã nguồn mở có sẵn để thực hiện lập trình cho hệ thống được thuận lợi Ngoài ra, website cũng là một trong những nền tảng
mà cung cụ lưu trữ dữ liệu được sử dụng trong đề tài lần này (Firebase) hỗ trợ Ngoài việc hỗ trợ lưu trữ dữ liệu thì Google Firebase còn có thể làm hosting và
có sẵn tên miền miễn phí để chúng ta có thể tiết kiệm tối đa chi phí cho một hệ thống
Trang 29Hình 4.8 Javascript là ngôn ngữ lập trình được sử dụng khá phổ biến
Việc sử dụng ngôn ngữ Javascript có thể ứng dụng cho mọi trình duyệt khác nhau, hiện được sử dụng phổ biến như Chrome, hay Firefox,… Hơn nữa, đây còn
là ngôn ngữ lập trình hoạt động hiệu quả, được hỗ trợ đầy đủ trên các trình duyệt của thiết bị di động Bởi thế mà việc sử dụng đa dạng, có thể đáp ứng tốt cho nhiều nhu cầu, những đòi hỏi khác nhau của người dùng
Trang 3021
Nhìn chung, ngôn ngữ lập trình Javascript khi sử dụng được đánh giá dễ học, được phát triển bởi Netscape và sử dụng trong hơn 92% các website ngày nay Việc sử dụng Javascript có thể gắn trong một element trong website, hoặc có thể trong một sự kiện của trang web tiện lợi và hiệu quả Chính việc có thể hoạt động nhanh, nhẹ và mượt mà,… nên ngôn ngữ lập trình này càng được tin tưởng
và ứng dụng nhiều hơn cho nhu cầu của người dùng Chúng ta có thể thêm trực tiếp Javascript trực tiếp với HTML, cũng có thể lưu lại trên một files hoàn toàn riêng biệt và sử dụng khi cần thiết
4.2 Mạng cảm biến không dây và các kiểu giao tiếp sử dụng trong đề tài
4.2.1 Mạng cảm biến không dây
4.2.1.1 Cấu trúc và nền tảng của mạng cảm biến không dây
Hình 4.9 Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây
Một mạng cảm biến không dây bao gồm số lượng lớn các nút được triển khai dầy đặc bên trong hoặc ở rất gần đối tượng cần thăm dò, thu thập thông tin
dữ liệu Vị trí các cảm biến không cần định trước vì vậy nó cho phép triển khai ngẫu nhiên trong các vùng không thể tiếp cận hoặc các khu vực nguy hiểm Khả năng tự tổ chức mạng và cộng tác làm việc của các cảm biến không dây là những đặc trưng rất cơ bản của mạng này Với số lượng lớn các cảm biến không dây được triển khai gần nhau thì truyền thông đa liên kết được lựa chọn để công suất tiêu thụ là nhỏ nhất (so với truyền thông đơn liên kết) và mang lại hiệu quả truyền tín hiệu tốt hơn so với truyền khoảng cách xa
Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây được thể hiện trên hình 2.1 Các nút cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến (sensor field) Mỗi nút cảm biến được phát tán trong mạng có khả năng thu thập thông số liệu, định tuyến số liệu về bộ thu nhận (Sink) để chuyển tới người dùng (User) và định tuyến
Trang 3122
các bản tin mang theo yêu cầu từ nút Sink đến các nút cảm biến Số liệu được định tuyến về phía bộ thu nhận (Sink) theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng nền tảng (Multihop Infrastructureless Architecture), tức là không có các trạm thu phát gốc hay các trung tâm điều khiển Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với trạm điều hành (Task Manager Node) của người dùng hoặc gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh (Satellite)
Mỗi nút cảm biến bao gồm bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến, bộ xử
lý, bộ thu phát không dây và nguồn điện Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, nút cảm biến còn có thể có các thành phần bổ sung như hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lượng
và thiết bị di động Các thành phần trong một nút cảm biến được thể hiện trên hình 2 Bộ cảm biến thường gồm hai đơn vị thành phần là đầu đo cảm biến (Sensor) và bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC) Các tín hiệu tương tự được thu nhận từ đầu đo, sau đó được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi ADC, rồi mới được đưa tới bộ xử lý Bộ xử lý, thường kết hợp với một bộ nhớ nhỏ, phân tích thông tin cảm biến và quản lý các thủ tục cộng tác với các nút khác để phối hợp thực hiện nhiệm vụ Bộ thu phát đảm bảo thông tin giữa nút cảm biến và mạng bằng kết nối không dây, có thể là vô tuyến, hồng ngoại hoặc bằng tín hiệu quang Một thành phần quan trọng của nút cảm biến là bộ nguồn Bộ nguồn, có thể là pin hoặc ắcquy, cung cấp năng lượng cho nút cảm biến và không thay thế được nên nguồn năng lượng của nút thường là giới hạn Bộ nguồn có thể được hỗ trợ bởi các thiết bị sinh điện, ví dụ như các tấm pin mặt trời nhỏ
Hầu hết các công nghệ định tuyến trong mạng cảm biến và các nhiệm vụ cảm biến yêu cầu phải có sự nhận biết về vị trí với độ chính xác cao Do đó, các nút cảm biến thường phải có hệ thống tìm vị trí Các thiết bị di động đôi khi cũng cần thiết để di chuyển các nút cảm biến theo yêu cầu để đảm bảo các nhiệm vụ được phân công
Trong nhiều ứng dụng, WSN giao tiếp với Mạng cục bộ (Local Area Network) hoặc Mạng diện rộng (Wide Area Network) thông qua một cổng
Trang 3223
(Gateway) Gateway hoạt động như một cầu nối giữa WSN và mạng khác Điều này cho phép dữ liệu được lưu trữ và xử lý bởi các thiết bị có nhiều tài nguyên hơn, ví dụ, trong một máy chủ được đặt ở xa Mạng diện rộng không dây được sử dụng chủ yếu cho các thiết bị năng lượng thấp được gọi là Mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN)
b Các giao thức không dây có thể sử dụng cho WSN
Có một số tiêu chuẩn và giải pháp không dây cho kết nối nút cảm biến Thread và ZigBee có thể kết nối các cảm biến hoạt động ở tốc độ 2,4 GHz với tốc
độ dữ liệu 250kbit/s Có thể sử dụng tần số thấp hơn để tăng phạm vi vô tuyến (thường là 1 km), ví dụ sóng Z hoạt động ở mức 915 MHz và ở châu Âu 868 MHz
đã được sử dụng rộng rãi nhưng chúng có tốc độ dữ liệu thấp hơn (thường là 50 kb/s)
Nhóm làm việc của IEEE 802.15.4 cung cấp một tiêu chuẩn cho kết nối thiết bị năng lượng thấp và thông thường các cảm biến và thiết bị đo thông minh
sử dụng một trong những tiêu chuẩn này để kết nối
Với sự xuất hiện của Internet of Things, nhiều đề xuất khác đã được thực hiện để cung cấp kết nối cảm biến LORA là một dạng LPWAN cung cấp kết nối không dây công suất thấp tầm xa cho các thiết bị, được sử dụng trong thiết bị đo thông minh Wi-SUN kết nối các thiết bị tại nhà NarrowBand IOT và LTE-M có thể kết nối tới hàng triệu cảm biến và thiết bị sử dụng công nghệ di động Trên cơ
sở phân tích ưu nhược điểm của các hệ thống mạng giao thức không dây sử dụng phổ biến như bluetooth, Zigbee, Wi-fi và Lora, đề tài sử dụng mạng giao thức không dây Lora cho việc phát triển hệ thông giám sát chất lượng nước của ao nuôi tôm
Bảng 4.1 So sánh giữa một số giao thức không dây có thể sử dụng cho WSN
và IoT
Thiết bị đầu cuối
Trang 33DSSS (Direct Spread Spectrum Sequence)
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
Chirp spread spectrum (CSS)
4.2.1.2 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây
- Kích thước vật lý nhỏ gọn: Kích thước và công suất tiêu thụ luôn chi phối
khả năng xử lý, lưu trữ và tương tác của các thiết bị cơ sở Việc thiết kế các phần cứng cho mạng cảm biến phải chú trọng đến giảm kích cỡ và công suất tiêu thụ với yêu cầu nhất định về khả năng hoạt động Việc sử dụng phần mềm phải tạo ra các hiệu quả để bù lại các hạn chế của phần cứng
- Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao: Hoạt động chính của các thiết bị
trong mạng cảm biến là đo lường và vận chuyển các dòng thông tin với khối lượng
xử lý thấp, gồm các hoạt động nhận lệnh, dừng, phân tích và đáp ứng Vì dung lượng bộ nhớ trong nhỏ nên cần tính toán rất kỹ về khối lượng công việc cần xử
lý và các sự kiện mức thấp xen vào hoạt động xử lý mức cao Một số hoạt động
xử lý mức cao sẽ khá lâu và khó đáp ứng tính năng thời gian thực Do đó, các nút mạng phải thực hiện nhiều công việc đồng thời và cần phải có sự tập trung xử lý cao độ
- Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế: Tính năng điều
khiển ở các nút cảm biến không dây cũng như sự tinh vi của liên kết xử lý - lưu trữ - chuyển mạch trong mạng cảm biến không dây thấp hơn nhiều trong các hệ thống thông thường Điển hình, bộ cảm biến hay bộ chấp hành (actuator) cung cấp một giao diện đơn giản trực tiếp tới một bộ vi điều khiển chip đơn (đảm bảo tiêu thụ điện thấp nhất) Ngược lại, các hệ thống thông thường, với các hoạt động
xử lý phân tán, đồng thời kết hợp với một loạt các thiết bị trên nhiều mức điều khiển được liên hệ bởi một cấu trúc bus phức tạp
- Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng: Các thiết bị cảm biến được nối
mạng có khuynh hướng dành riêng cho ứng dụng cụ thể, tức là mỗi loại phần cứng chỉ hỗ trợ riêng cho ứng dụng của nó Vì có một phạm vi ứng dụng cảm biến rất rộng nên cũng có thể có rất nhiều kiểu thiết bị vật lý khác nhau Với mỗi thiết bị
Trang 3425
riêng, điều quan trọng là phải dễ dàng tập hợp phần mềm để có được ứng dụng từ phần cứng Như vậy, các loại thiết bị này cần một sự điều chỉnh phần mềm ở một mức độ nào đó để có được hiệu quả sử dụng phần cứng cao Môi trường phát triển chung là cần thiết để cho phép các ứng dụng riêng có thể xây dựng trên một tập các thiết bị mà không cần giao diện phức tạp Ngoài ra, cũng có thể chuyển đổi giữa phạm vi phần cứng với phần mềm trong khả năng công nghệ
- Hoạt động tin cậy: Các thiết bị có số lượng lớn, được triển khai trong phạm
vi rộng với một ứng dụng cụ thể Việc áp dụng các kỹ thuật mã hóa sửa lỗi truyền thống nhằm tăng độ tin cậy của các đơn vị riêng lẻ bị giới hạn bởi kích thước cảm biến và công suất Việc tăng độ tin cậy của các thiết bị lẻ là điều cốt yếu Thêm vào đó, chúng ta có thể tăng độ tin cậy của ứng dụng bằng khả năng chấp nhận và khắc phục được sự hỏng hóc của thiết bị đơn lẻ Như vậy, hệ thống hoạt động trên từng nút đơn không những mạnh mẽ mà còn dễ dàng phát triển các ứng dụng phân tán tin cậy
- Kiến trúc và giao thức của mạng cảm biến không dây: Kiến trúc giao thức
được sử dụng trong bộ thu nhận (Sink) và tất cả các nút cảm biến được thể hiện trên hình 3 Kiến trúc giao thức này phối hợp các tính toán về định tuyến và năng lượng, kết hợp số liệu với các giao thức mạng, truyền tin với hiệu quả về năng lượng thông qua môi trường không dây và tăng cường sự hợp tác giữa các nút cảm biến Kiến trúc giao thức bao gồm lớp ứng dụng (Application Layer), lớp giao vận (Transport Layer), lớp mạng (Network Layer), lớp liên kết số liệu (Datalink Layer), lớp vật lý (Physical Layer), mặt bằng quản lý năng lượng (Power Management Plane), mặt bằng quản lý di động (Mobility Management Plane) và mặt bằng quản lý nhiệm vụ (Task Management Plane) [10]
4.2.2 LoRa và khả năng ứng dụng LoRa cho mạng cảm biến không dây
4.2.1.1 Khái niệm về LoRa
LoRa (Long Range) là một chuẩn không dây mới trong những năm gần đây, được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN), dùng để kết nối các thiết bị với băng thông thấp, tập trung vào hiệu quả về vùng phủ và điện năng Những đặc điểm này của LoRa rất có tiềm năng cho số lượng lớn các ứng dụng Internet of Things (IoT) hiện nay, đặc biệt rất phù hợp cho các ứng dụng IoT tầm xa Đã có nhiều thí nghiệm thực hiện mô phỏng phân tích giao thức truyền không dây tầm xa LoRa[10]
LoRa là một công nghệ không dây được phát triển để cho phép truyền tốc
độ dữ liệu thấp trên một khoảng cách lớn bởi các cảm biến và bộ truyền động cho
Trang 3526
Machine-to-Machine (M2M) và IoT cũng như các ứng dụng IoT LoRa hướng tới các kết nối M2M ở khoảng cách lớn Nó có thể hỗ trợ liên lạc ở khoảng cách lên tới 15 – 20 km, với hàng triệu nút mạng Nó có thể hoạt động trên băng tần không phải cấp phép, với tốc độ thấp từ 0,3kbps đến khoảng 30kbps Với đặc tính này, mạng LoRa phù hợp với các thiết bị thông minh trao đổi dữ liệu ở mức thấp nhưng duy trì trong một thời gian dài Thực tế các thiết bị LoRa có thể duy trì kết nối và chia sẻ dữ liệu trong thời gian lên đến 10 năm chỉ với năng lượng pin Một mạng LoRa có thể cung cấp vùng phù sóng tương tự như của một mạng di động Trong một số trường hợp, các ăng-ten Lora có thể được kết hợp với ăng-ten di động khi các tần số là gần nhau, do đó giúp tiết kiệm đáng kể chi phí Công nghệ không dây LoRa được đánh giá là lý tưởng để sử dụng trong một loạt các ứng dụng, bao gồm: định lượng thông minh, theo dõi hàng tồn kho, giám sát dữ liệu của máy bán hàng tự động, ngành công nghiệp ô tô, các ứng dụng tiện ích và trong bất cứ lĩnh vực nào mà cần báo cáo và kiểm soát dữ liệu LoRaWAN hoạt động trong dải tần
số vô tuyến (ISM) được cấp miễn phí Chuẩn băng tần ISM được dành cho bằng tần vô tuyến ngành công nghiệp, khoa học và y tế Tại Mỹ sử dụng băng 902-928MHz, Châu Âu là 868 MHz Với những ưu điểm vượt trội LoRa mang lại, trên thế giới đã ứng dụng chuẩn không dây LoRa mới này thay thế cho chuẩn không dây cũ vào rất nhiều ứng dụng outdoor hoặc indoor trước đó như Smart Campus, Smart Home, Smart Parking, Air Pollution Monitoring, Các công ty linh kiện điện tử cũng bắt đầu nhập về các module LoRa để cung cấp cho các ứng dụng về mạng LoRa Xuất hiện nhiều mô hình thành công trong việc áp dụng vào nông nghiệp, cụ thể là các nhà kính, các hệ thống tưới thông minh,… Khảo sát một số nghiên cứu gần đây cho thấy, đã có các bài báo nghiên cứu và đánh giá về LoRa
và LoRaWAN cho mạng cảm biến không dây bằng việc thực hiện những phân tích, mô phỏng và cho ra được kết quả khả quan về việc sử dụng mạng LoRa cho các ứng dụng tầm xa
Về mặt cơ bản, chúng ta có thể thấy các mô hình sử dụng LoRa trên thực
tế đều sử dụng gồm các điểm nút thu thập dữ liệu và một sever để thu thập các dữ liệu rồi xử lí hay lưu trữ tương tự các hệ thống mạng cảm biến không dây Như vậy, việc ứng dụng LoRa vào một hệ thống WSN là điều hoàn toàn khả thi[11]
Trang 3627
Hình 4.10 Một mô hình IoT sử dụng mạng không dây LoRa
4.2.1.1 Cách thức hoạt động của LoRA
LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế gọi là Chirp Spread Spectrum Có thể hiểu nguyên lý này là dữ liệu sẽ được băm bằng các xung cao tần để tạo ra tín hiệu có dải tần số cao hơn tần số của dữ liệu gốc( cái này gọi là chipped); sau đó tín hiệu cao tần này tiếp tục được mã hóa theo các chuỗi Chirp signal (là các tín hiệu hình sin có tần số thay đổi theo thời gian; có 2 loại chirp signal là up-chirp có tần số tăng theo thời gian và down-chirp có tần số giảm theo thời gian; và việc mã hóa theo nguyên tắc bit 1 sẽ sử dụng up-chirp, và bit 0 sẽ sử dụng down – chirp) trước khi truyền ra anten để gửi đi
Theo semtech công bố thì nguyên lý này giúp giảm độ phức tạp và độ chính xác cần thiết của mạch nhận để có thể giải mã và điều chế lại dữ liệu; hơn nữa LoRa không cần công suất phát lớn mà vẫn có thể truyền xa vì tín hiệu LoRa có thể nhận được ở khoảng cách xa ngay cả độ mạnh tín hiệu thấp hơn cả nhiễu môi trường xung quanh
Băng tần làm việc của LoRa từ 430MHz đến 915MHz cho từng khu vực khác nhau trên thế giới:
- 430MHz cho châu Á
Trang 3728
- 780MHZ cho Trung Quốc
- 433MHZ hoặc 866MHZ cho Châu Âu
- 915MHZ cho Mỹ,
Tại Việt Nam, theo Thông tư số 46/2016/TT-BTTTT ngày 26/12/2016 của
Bộ Thông tin và truyền thông thì LoRa sử dụng theo tần số 433MHz và công suất dưới 10mW thì không phải xin giấy phép
Nhờ sử dụng Chirp signal mà các tín hiệu LoRa với các Chirp rate khác nhau có thể hoạt động trong cùng 1 khu vực mà không gây nhiễu cho nhau Điều này cho phép nhiều thiết bị LoRa có thể trao đổi dữ liệu trên nhiều kênh đồng thời (mỗi kênh cho 1 chirprate)
Gói tin truyền qua LoRa (radio packet) có dạng:
- Preamble: Là chuỗi binary để bộ phận detect được tín hiệu của LoRa trong không khí
- Payload: là dữ liệu ứng dụng truyền qua LoRa CRC (cyclic
redundancy check – mã dự phòng kiểm tra lỗi)
- Header: chứa thông tin về kích thước của Payload cũng như có Payload CRC hay không Giá trị của Header cũng được check CRC kèm theo
- Các bộ thu phát sóng của LoRa được triển khai thành node –
gateway và kết nối với nhau thông qua các giao thức mạng trở thành mạng LoRaWan
4.2.3 Giao tiếp SPI (Serial Peripheral Interface)
Trong đề tài lần này, giao tiếp SPI được sử dụng để kết nối giữa các module Lora Ra-02 với các vi điều khiển (Arduino Uno và Raspberry Pi 3B+)
SPI (tiếng Anh: Serial Peripheral Interface, SPI bus - Giao diện Ngoại vi Nối tiếp, bus SPI) là một chuẩn đồng bộ nối tiếp để truyền dữ liệu ở chế độ song công toàn phần (full-duplex), do công ty Motorola thiết kế nhằm đảm bảo sự liên hợp giữa các vi điều khiển và thiết bị ngoại vi một cách đơn giản và giá rẻ Đôi khi SPI còn được gọi là giao diện bốn dây (four wire)
Trang 3829
Hình 4.11 Bốn dây kết nối của giao tiếp SPI
Khác với cổng nối tiếp chuẩn (standard serial port), SPI là giao diện đồng
bộ, trong đó bất cứ quá trình truyền nào cũng được đồng bộ hóa với tín hiệu xung clock, tín hiệu này sinh ra bởi thiết bị master (thiết bị chủ động) Thiết bị ngoại vi bên phía nhận (bị động) làm đồng bộ quá trình nhận chuỗi bit với tín hiệu xung clock Có thể kết nối một số vi mạch vào mỗi giao diện ngoại vi nối tiếp của vi mạch-thiết bị master Thiết bị master chọn thiết bị động để truyền dữ liệu bằng cách kích hoạt tín hiệu "chọn chip" (chip select) trên vi mạch bị động Thiết bị ngoại vi nếu không được chọn bởi bộ vi xử lý sẽ không tham gia vào quá trình truyền theo giao diện SPI
Trong giao diện SPI có sử dụng bốn tín hiệu số:
- MOSI (Master Out Slave In) hay SI - cổng ra của bên master, cổng vào của bên bị động, dành cho việc truyền dữ liệu từ thiết bị master đến thiết
bị slave
- MISO (Master In Slave Out) hay SO — cổng vào của bên master, cổng
ra của bên bị động, dành cho việc truyền dữ liệu từ thiết bị slave đến thiết bị master
- SCLK (Serial Clock) hay SCK — tín hiệu xung clock nối tiếp, dành cho việc truyền tín hiệu dành cho thiết bị slave
- CS hay SS (Chip Select, Slave Select): chọn vi mạch, chọn thiết bị slave SPI là một kiểu truyền thông nối tiếp kiểu đồng bộ tức là nó sử dụng tín hiệu đồng hồ chuyên dụng để đồng bộ hóa bộ phát và bộ thu hoặc Master và Slave Bộ phát và bộ thu được kết nối với dữ liệu riêng biệt và tín hiệu đồng hồ sẽ giúp bộ thu khi tìm kiếm dữ liệu trên bus
Trang 3930
Hình 4.12 Truyền và nhận dữ liệu thông qua SPI
Tín hiệu đồng hồ phải được cung cấp bởi Master tới Slave (hoặc tất cả các Slave trong trường hợp thiết lập nhiều Slave) Có hai loại cơ chế kích hoạt trên tín hiệu đồng hồ được sử dụng để báo cho bên nhận biết về dữ liệu: Kích hoạt cạnh và kích hoạt mức
Kích hoạt thường được sử dụng nhất là kích hoạt cạnh và có hai loại: cạnh lên (chuyển đổi từ thấp lên cao trên đồng hồ) và cạnh xuống (chuyển đổi từ cao xuống thấp) Tùy thuộc vào cách bộ thu được cấu hình, lên trên phát hiện các cạnh, bộ thu sẽ tìm kiếm dữ liệu trên bus dữ liệu từ bit tiếp theo
Bởi vì cả tín hiệu đồng hồ và dữ liệu được gửi bởi Master (hoặc bộ phát), chúng ta không cần phải lo lắng về tốc độ truyền dữ liệu
Điều làm cho SPI trở nên phổ biến trong các giao thức truyền thông đồng
bộ nối tiếp khác (hoặc bất kỳ giao tiếp nối tiếp nào) là nó cung cấp tốc độ truyền
dữ liệu bảo mật cao với phần cứng khá đơn giản giống như thanh ghi dịch với chi phí tương đối thấp
4.2.4 Giao tiếp I2C
I2C là tên viết tắt của cụm từ Inter-Intergrated Circuit Đây là đường Bus giao tiếp giữa các IC với nhau I2C mặc dù được phát triển bới Philips, nhưng nó
đã được rất nhiều nhà sản xuất IC trên thế giới sử dụng I2C trở thành một chuẩn công nghiệp cho các giao tiếp điều khiển, có thể kể ra đây một vài tên tuổi ngoài Philips như: Texas Intrument(TI), MaximDallas, analog Device,…
Trang 4031
Bus I2C được sử dụng làm bus giao tiếp ngoại vi cho rất nhiều loại IC khác nhau như các loại Vi điều khiển 8051, PIC, AVR, ARM chip nhớ như: RAM tĩnh (Static Ram), EEPROM, bộ chuyển đổi tương tự số (ADC), số tương tự(DAC), IC điểu khiển LCD, LED,…
Một giao tiếp I2C gồm có 2 dây: Serial Data (SDA) và Serial Clock (SCL) SDA là đường truyền dữ liệu 2 hướng, còn SCL là đường truyền xung đồng hồ để đồng bộ và chỉ theo một hướng Như ta thấy trên hình vẽ trên, khi một thiết bị ngoại vi kết nối vào đường bus I2C thì chân SDA của nó sẽ nối với dây SDA của bus, chân SCL sẽ nối với dây SCL
Hình 4.13 Kết nối thiết bị vào bus I2C ở chế độ chuẩn (Standard mode) và chế
độ nhanh (Fast mode)
Mỗi dây SDA hãy SCL đều được nối với điện áp dương của nguồn cấp thông qua một điện trở kéo lên (pullup resistor) Sự cần thiết của các điện trở kéo này là vì chân giao tiếp I2C của các thiết bị ngoại vi thường là dạng cực máng hở (opendrain hay opencollector) Giá trị của các điện trở này khác nhau tùy vào từng thiết bị và chuẩn giao tiếp, thường dao động trong khoảng 1K đến 4.7k
Một thiết bị hay một IC khi kết nối với bus I2C, ngoài một địa chỉ (duy nhất) để phân biệt, nó còn được cấu hình là thiết bị chủ hay tớ
Hình 4.14 Truyền nhận dữ liệu thông qua I2C