Nghiên cứu xây dựng mô hình hệ thống tự động chăm sóc cây trồng trong nhà có ứng dụng công nghệ kết nối không dây để điều khiển và giám sát từ xa

Nghiên cứu khoa học
MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH.......................................................................................................4
DANH MỤC BẢNG.....................................................................................................6
DANH MỤC VIẾT TẮT...............................................................................................7
PHẦN MỞ ĐẦU...........................................................................................................8
1. Lý do lựa chọn đề tài.................................................................................................8
2. Mục tiêu của đề tài....................................................................................................9
3. Phương pháp nghiên cứu...........................................................................................9
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu...........................................................................10
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.............................................................................11
1.1 Những yếu tố cơ bản ảnh hưởng tới cây trồng.......................................................11
1.1.1 Ảnh hưởng của ánh sáng.....................................................................................11
1.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ......................................................................................14
1.1.3 Ảnh hưởng của độ ẩm.........................................................................................15
1.2 Hệ thống điều khiển...............................................................................................16
1.2.1 Định nghĩa hệ thống điều khiển..........................................................................16
1.3 Năng lượng mặt trời...............................................................................................18
1.3.1 Năng lượng mặt trời là gì ?.................................................................................18
1.3.2 Điện mặt trời.......................................................................................................18
1.3.3 Nhiệt điện mặt trời..............................................................................................19
1.3.4 Quang điện mặt trời............................................................................................19
1.3.5 Phân loại pin mặt trời..........................................................................................21
1.3.6 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời................................................21
1.3.7 Tình hình năng lượng mặt trời tại Việt Nam.......................................................23
1.4 Các kết nối không dây............................................................................................23
1.4.1 Bắt đầu từ kết nối có dây....................................................................................23
1.4.1.1 Hệ thống kết nối bằng đường dây tải điện.......................................................24
1.4.1.2 Công nghệ sợi quang........................................................................................25
1.4.2 Kết nối không dây...............................................................................................27

1.4.2.1 Kết nối bluetooth.............................................................................................27
1


Nghiên cứu khoa học
1.4.2.2 Wifi.................................................................................................................. 28
1.4.2.3 Hồng ngoại (Infrared)......................................................................................30
1.4.2.4. Tin nhắn sms...................................................................................................31
1.4.2.5. Giao tiếp qua giọng nói...................................................................................32
CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ................................................33
2.1 Lựa chọn giống cây trồng cho mơ hình..................................................................33
2.2 Lựa chọn phương án chiếu sáng.............................................................................34
2.3. Phương án kiểm soát độ ẩm..................................................................................36
2.4. Phương án điều khiển nhiệt độ..............................................................................39
2.5. Phương pháp điều khiển ánh sáng.........................................................................39
2.6 Phương pháp điều khiển, giám sát hệ thống...........................................................40
2.7 .Hệ thống cấp nguồn..............................................................................................40
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỒN THIỆN MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KẾT
QUẢ ĐẠT ĐƯỢC.......................................................................................................42
3.1. Sơ đồ khối hệ thống..............................................................................................42
3.1.1 Sơ đồ mạch nguyên lý của hệ thống....................................................................43
3.1.2 Xây dựng hệ thống nguồn cấp và hiệu chỉnh......................................................44
3.1.3 Khối Module Bluetooth HC05............................................................................48
3.1.4 Khối xử lý trung tâm Arduio Mega 2560............................................................51
3.1.5 Khối đèn led thắp sáng........................................................................................56
3.1.6 Khối module wifi................................................................................................56
3.1.6.1. Thông số kỹ thuật............................................................................................57
3.1.6.2 Chân kết nối của mudunle ESP8266................................................................57
3.1.6.3. Chức năng của mudule ESP8266....................................................................59
3.1.6.4. Giao tiếp với module ESP 8266 với tập lệnh AT.............................................59

3.1.7 Module cảm biến ánh sáng..................................................................................60
3.1.8 Cảm biến đo nhiệt độ - độ ẩm.............................................................................62
3.1.9 Khối module sms................................................................................................64
3.2. Thiết kế giao diện kết nối không dây....................................................................65
3.2.1. Thiết kế giao diện web.......................................................................................65
3.2.2. Thiết kế giao diện giọng nói...............................................................................68
3.3 Xây dựng mơ hình thực nghiệm.............................................................................73
2


Nghiên cứu khoa học
3.4 Kết quả đạt được....................................................................................................75
3.5 Ứng dụng của đề tài...............................................................................................75
3.6 Hạn chế.................................................................................................................. 75
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT.........................................................................................76
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................78

3


Nghiên cứu khoa học
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Ánh sáng ảnh hưởng đến cây trồng..............................................................11
Hình 1.2. Quá trình quang hợp của cây........................................................................11
Hình 1.3. Ảnh hưởng ánh sáng đến các giai đoạn phát triển của cây......................13
Hình 1.4. Sự sinh trưởng và phát triển của cây ớt...................................................14
Hình 1.5. Giới hạn sinh thái của cây xương rồng....................................................15
Hình 1.6. Hệ điều khiển...............................................................................................17
Hình 1.7. Nguyên lý hoạt động của nhà máy Sham 1..................................................19
Hình 1.8. Cấu tạo đơn giản của một tấm pin mặt trời..................................................20

Hình 1.9. Vật liệu chủ yếu làm pin mặt trời.................................................................21
Hình 1.10. Cấu tạo pin mặt trời....................................................................................22
Hình 1.11. Hoạt động của pin mặt trời.........................................................................22
Hình 1.12. Hệ thống kết nối bằng đường dây tải điện..................................................24
Hình 1.13. Hình ảnh sợi quang....................................................................................25
Hình 1.14. Hệ thống sử dụng wifi................................................................................29
Hình 1.15. Kết nối hồng ngoại.....................................................................................30
Hình 1.16. Sơ đồ điều khiển bằng sms.........................................................................31
Hình 1.17. Sơ đồ khối hệ thống...................................................................................32
Hình 2.1. Mơ hình trồng dâu tây ở Đà Lạt...................................................................33
Hình 2.2. Đèn Led nơngnghiệp.................................................................................34
Hình 3.1 : Sơ đồ khối hệ thống....................................................................................42
Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống .....................................................................43
Hình 3.3. Mặt sau mạch in của hệ thống......................................................................44
Hình 3.4. Mặt trước mạch in của hệ thống...................................................................44
Hình 3.5. Hình ảnh acquy............................................................................................44
Hình 3.6. Sơ đồ hệ thống pin mặt trời..........................................................................45
Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý mạch buck – boost............................................................46
Hình 3.8. Hiệu chỉnh phần buck..................................................................................47
Hình 3.9. Hiệu chỉnh phần boost..................................................................................48
Hình 3.10. Hình ảnh thực tế Module Bluetooth HC-05..............................................49
Hình 3.11. Sơ đồ nguyên lý Module HC-05................................................................49
4


Nghiên cứu khoa học
Hình 3.12. Một mạch Arduino Uno chính thức với các mơ tả về các cổng I/O............52
Hình 3.13. Mạch thực tế Arduino Uno.........................................................................52
Hình 3.14. Giao diện của phần mềm Arduino IDE......................................................55
Hình 3.15. LED thắp sáng............................................................................................56

Hình 3.16. Module wifi ESP8266................................................................................57
Hình 3.17. Chân kết nối ESP 8266...............................................................................58
Hình 3.18. Cảm Biến Cường Độ Ánh Sáng.................................................................60
Hình 3.19. Cảm biến độ ẩm DHT22...........................................................................62
Hình 3.20. Khối module sms.......................................................................................64
Hình 3.21. Giao diện điều khiển thiết bị......................................................................65
Hình 3.22. Giao diện trang chủ giám sát nhiệt độ........................................................66
Hình 3.23. Tồn bộ giao diện trang chủ.......................................................................66
Hình 3.24. Giao diện điều khiển khi truy nhập bằng điện thoại...................................66
Hình 3.25. Giao diện giám sát nhiệt độ độ ẩm ánh sáng ,... khi truy nhập bằng điện
thoại............................................................................................................................. 67
Hình 3.26. Tạo mới và đặt tên ứng dụng......................................................................68
Hình 3.27. Thiết kế giao diện ứng dụng.......................................................................69
Hình 3.28. Lập trình tính năng cho các đối tượng........................................................70
Hình 3.29. Lưu ứng dụng dưới dạng .apk để cài đặt vào điện thoại Android...............70
Hình 3.30. Lưu và cài đặt ứng dụng bằng cách quét mã Barcode................................70
Hình 3.31. Ứng dụng trên điện thoại Android..............................................................71
Hình 3.32. Giao diện ứng dụng sau khi khởi động.......................................................71
Hình 3.33. Danh sách các thiết bị có thể kết nối bluetooth..........................................72
Hình 3.34. Ứng dụng sau khi kết nối thành cơng.........................................................72
Hình 3.35. Ứng dụng sẵn sàng nhận lệnh từ người dùng.............................................72
Hình 3.36. Mơ hình vẽ trên Autocad............................................................................74
Hình 3.37. Hồn thành mơ hình thực tế.......................................................................74

5


Nghiên cứu khoa học
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Bảng thông số của Arduino Uno R3...............................................................53

Bảng 2. Chân kết nối arduino của cảm biến DHT22....................................................63

6


Nghiên cứu khoa học

DANH MỤC VIẾT TẮT
STT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15

Tên viết tắt
BLE
BPL
DC
DCL

ĐTDĐ
GPIO
IP
LAN
LED
LSPL
OSP
PCB
PLC
TCP
WAN

Nghĩa viết tắt
Bluetooth Low Energy
Broadband over Powerline
Direct Current
Distribution Line Carrier
điện thoại di động
General Purpose Input Output
Internet Protocol
Local Area Network
Light Emitting Diode
Low Speed Powerline
Open Systems Interconnection Reference Model
Printed Circuit Board
Power Line Carrier
Transmission Control Protocol
Wide area network

7

Nghiên cứu khoa học
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài
Hiện nay cùng với sự phát triển của xã hội, cuộc sống ngày càng được nâng cao thì
việc áp dụng công nghệ khoa học kỹ thuật vào đời sống công việc ngày càng cần thiết.
Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ kỹ thuật điện tử
mà trong đó đặc biệt là kỹ thuật điều khiển tự động đóng vai trị quan trọng trong mọi
lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lý, công nghiêp, nông nghiệp, đời sống, quản lý
thông tin ...
Trong thời kỳ hiện nay, việc ứng dụng công nghệ kết nối không dây tích hợp điện
tử viễn thơng , tự động hố vào sản xuất nông nghiệp công nghệ cao, đặc biệt trong hệ
thống chăm sóc, giám sát cây tự động đang là xu thế tất yếu. Trong đó việc ứng dụng
cơng nghệ kết nối không dây để giám sát và điều khiển các thông số nhiệt độ, độ ẩm,
ánh sáng của hệ thống chăm sóc cây tự động cung cấp các dịch vụ giám sát các thông
số đo môi trường và cho phép thay đổi điều chỉnh phù hợp các thông số. Tính linh hoạt
của mơ hình tự động giám sát chăm sóc cây giúp cho người trồng trọt có thể trồng trọt
trên bất cứ mơi trường nào, diện tích trồng trọt có thể từ vài trăm mét đến hàng chục
héc-ta. Ứng dụng của mơ hình có thể loại bỏ yếu tố môi trường bất lợi cung cấp một
môi trường phát triển tối ưu, tạo ra mùa sinh trưởng dài hơn, có thể trồng các loại cây
trái mùa và các giống cây khác nhau, bảo vệ cây trồng khỏi thời tiết lạnh, mưa đá, gió,
mưa... gây thiệt hại, loại bỏ dịch bệnh, sâu bệnh hại, đưa ra cảnh báo khi có điều gì bất
thường hay cơn trùng xâm nhập tăng tốc độ sinh trưởng nhanh hơn và năng xuất cao
hơn, chất lượng tốt hơn. Các cơ cấu chấp hành điều khiển mơi trường trong hệ hống
chăm sóc cây tự động như ánh sáng, gió, nhiệt độ, độ ẩm... Tất cả được điều chỉnh và
điều khiển hoàn toàn tự động và áp dụng cơng nghệ khoa học kỹ thuật vào quy trình
giám sát và sản xuất. Việc sử dụng mơ hình chăm sóc tự động, giám sát cây trồng ứng
dụng cơng nghệ IoT( Internet of Things) giúp chúng ta có thể tiết kiệm nhân lực, bảo
vệ môi trường , tiết kiệm chi phí, tăng độ chính xác trong giám sát và điều khiển môi

trường giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, bảo tồn được tài nguyên.
Trên cở sở và yêu cầu từ thực tế, những đòi hỏi ngày càng cao của phát triển nông
nghiệp công nghệ cao, cộng với sự phát triển mạnh của khoa học công nghệ, đặc biệt
là công nghệ thông tin, kỹ thuật điện-điện tử, internet, tựu động hoá. Phát triển kỹ
thuật điều khiển tự động từ khoảng cách xa trong nông nghiệp đang là xu thế phát triển
8


Nghiên cứu khoa học
nơng nghiệp cao nói chung và hệ thống tự động giám sát chăm sóc cây . Chúng em đề
xuất đề tài “Nghiên cứu xây dựng mơ hình hệ thống tự động chăm sóc cây trồng
trong nhà có ứng dụng công nghệ kết nối không dây để điều khiển và giám sát từ
xa, sử dụng nguồn năng lượng điện mặt trời’’nhằm mục đích là nghiên cứu, ứng
dụng, chế tạo mơ hình chăm sóc cây tự động. Hệ thống hướng tới trồng những cây có
giá trị kinh tế cao nhưng khó chăm sóc, khơng phù hợp với điều kiện khí hậu Việt
Nam. Các loại cây khác nhau sẽ có đặc điểm thực vật học và Đề tài Trường đại học
công nghiệp Hà Nội yêu cầu ngoại cảnh khác nhau. Đề tài tập trung vào những yếu tố
ảnh hưởng đến cây nhất đó là ánh sáng, nhiệt độ và độ ẩm.
Để giải quyết vấn đề nêu trên, đồ án đã nghiên cứu những yếu tố bên nông nghiệp,
nghiên cứu các mạch đo độ ẩm, mạch đo nhiệt độ và điều chỉnh ánh sáng. Trong một
thời gian không dài, đồ án cũng đã hồn thành được các nội dung chính bao gồm:
 Chương 1: Cơ sở lý thuyết
 Chương 2: Lựa chọn phương pháp thiết kế
 Chương 3: Xây dựng hoàn thiện mơ hình thực nghiệm và kết và đạt được
 Kết luận và định hướng
 Tài liệu tham khảo
2. Mục tiêu của đề tài

 Đề tài triển khai nghiên cứu hướng tới mục tiêu sau:
 Ứng dụng công nghệ kết nối không dây vào điều khiển và giám sát các thơng số

như độ ẩm, nhiệt độ và thơng khí .
 Lựa chọn phương án thiết kế và điều khiển.
 Thiết kế, chế tạo và lắp ráp hồn chỉnh mơ hình tự động giám sát, chăm sóc cây
ứng dụng cơng nghệ kết nối không dây.
 Sử dụng hiệu quả năng lượng mặt trời vào mơ hình.
3. Phương pháp nghiên cứu

 Trong đề tài này chúng tôi đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu:
 Phương pháp tham khảo tài liệu: bằng cách thu thập thơng tin từ sách, tạp chí
về điện tử và truy cập từ mạng Internet.
 Phương pháp quan sát: khảo sát một số mạch điện thực tế đang có trên thị
trường và tham khảo thêm một số dạng mạch từ mạng Internet.
9


Nghiên cứu khoa học
 Phương pháp thực nghiệm: từ những ý tưởng và kiến thức vốn có của mình kết
hợp với sự hướng dẫn của giáo viên, chúng tôi đã lắp ráp thử nghiệm một vài
mơ hình từ đó chọn lọc những mơ hình tối ưu.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
 Đặc tính quang hợp cây xanh.
 Tiểu khí hậu trong nhà màng.
 Cách thức điều khiển tiểu khí hậu nhà màng.
 Cách thức giám sát và điều khiển qua thiết bị không dây.

10


Nghiên cứu khoa học
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Những yếu tố cơ bản ảnh hưởng tới cây trồng
1.1.1 Ảnh hưởng của ánh sáng

Hình 1.1. Ánh sáng ảnh hưởng đến cây trồng.
Ánh sáng là yếu tố quan trọng quyết định sự sinh trưởng, phát triển và chất lượng
của cây trồng. Người trồng cần xem xét nhu cầu ánh sáng của từng loại cây trồng để
cây phát triển và đạt năng suất cao.

 Ảnh hưởng của ánh sáng đến cây trồng

Hình 1.2. Quá trình quang hợp của cây

 Cường độ bức xạ (cường độ ánh sáng)
Là năng lượng bức xạ chiếu xuống trên một đơn vị diện tích đất vng góc với tia
tới trong một đơn vị thời gian. Đơn vị thông dụng đo cường độ bức xạ mặt trời là:
Cal/cm2.phút.
Cal/cm2.giờ.
Kcal/cm2.năm.
Mỗi loại cây trồng thích nghi với từng loại ánh sáng khác nhau, dựa vào đặc tính và
ảnh hưởng cường độ sáng đến cây trồng mà phân chia thành 3 nhóm:

 Độ dài ngày hay quang kỳ
11


Nghiên cứu khoa học
Quang kỳ là thời gian có ánh sáng chiếu trên cây trồng tính từ thời điểm mặt
trời mọc đến khi mặt trời lặn. Đơn vị được tính bằng số giờ trong ngày.
Quang kỳ có ảnh hưởng quan trọng đến giai đoạn cây chuyển trạng thái từ tăng
trưởng sang sinh sản hay còn gọi là giai đoạn ra hoa. Tuỳ theo quang kỳ dài ngắn cây

trồng được chia ra thành 3 nhóm sau:
Cây quang kỳ dài chỉ ra hoa lúc ngày dài hơn 12 giờ. Ví dụ: dâu tây, củ cải, xà lách,
cúc, cải bắp, cà rốt, táo...
Cây trung gian là nhóm cây có thể ra hoa bất cứ lúc nào. Ví dụ: ớt, cà chua, dưa, bầu,
bí, dưa hấu, đậu phộng, cam quít, lúa IR…
Cây quang kỳ ngắn: cây ra hoa lúc ngày ngắn hơn 12 giờ/ngày. Ví dụ: cây hoa cúc, đu
đủ, cà tím, bắp, …

 Tác động của các loại ánh sáng lên sự phát triển của cây
Sau nhiều nghiên cứu về tác động của ánh sáng lên tốc độ tăng trưởng của thực vật,
các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng các sắc tố quang hợp khác nhau sử dụng các
bước sóng khác nhau và trong mỗi giai đoạn sinh trưởng khác nhau thì cây cần các
bước sóng khác nhau.
 Ánh sáng tia cực tím (bước sóng 10nm -400nm)
Mặc dù tiếp xúc q nhiều với tia cực tím (tia UV) sẽ gây nguy hiểm cho hệ thực
vật, tuy nhiên với một lượng nhỏ vừa đủ ánh sáng cận cực tím sẽ có lợi. Trong nhiều
trường hợp tia UV có vai trị quan trọng trong việc hình thành màu sắc thực vật, mùi vị
và hương liệu. Nghiên cứu cho thấy ánh sáng UV ở bước sóng 385 nm thúc đẩy sự tích
tụ hợp chất phenolic, tăng cường hoạt động chống oxy hóa của chất chiết xuất từ thực
vật.
 Ánh sáng xanh dương (bước sóng 430 -450nm)
Phổ ánh sáng 450 (nm) cho phép cryptochromes và phototropins phản ứng trong
cây trồng. Cryptochromes sẽ làm thay đổi nhịp sinh học chuyển từ chu trình hơ hấp
sang chu trình quang hợp. Protein phototropins kích thích cây mở khí khổng, uốn cong
về phía ánh sáng giúp phát triển thân cây và hình thành chất diệp lục.
Bước sóng này kích thích tăng trưởng thực vật thơng qua hình thành rễ mạnh
mẽ và quang hợp với cường độ cao.Được dùng trong giai đoạn cây giống, cây non

12

Nghiên cứu khoa học
trong giai đoạn sinh trưởng. Nếu muốn cây ngừng phát triển thì bước sóng này phải
được giảm bớt hoặc loại bỏ.
 Ánh sáng xanh lá cây (bước sóng 500nm –550nm)
Ánh sáng xanh lá cây hầu như khơng có tác dụng quang hợp cho cây, thường được
trộn một tỉ lệ nhỏ với ánh sáng xanh dương và đỏ để tạo ánh sáng tổng hợp cho mắt
người dễ quan sát.
 Ánh sáng đỏ (bước sóng 640nm –680nm)
Protein phytochrome có trong hầu hết các loại thực vật rất nhạy cảm với ánh sáng
đỏ và đỏ xa, ánh sáng đỏ sẽ kích thích phytochrome chuyển đổi thành phytochrome
FR(Pfr). Thực vật có hoa dựa vào protein này để điều chỉnh thời điểm ra hoa(dựa vào
nồng độ Pfr) và thiết lập nhịp sinh học, ngồi ra nó cũng điều tiết các phản ứng khác
như sự nảy mầm của hạt giống, kéo dài thân cây,kích thước hình dạng và số lượng lá.
Ánh sáng đỏ là bước sóng quan trọng nhất đối với q trình quang hợp, ra hoa, đậu
quả.
Được dùng để mở rộng chu kỳ ánh sáng, kích thích cây ra hoa cho cây dài ngày hoặc
ngăn chặn ra hoa ở cây ngắn ngày.
 Đỏ xa (bước sóng 730nm)
Mặc dù bước sóng 730 (nm) nằm phạm vi quang hợp của cây nhưng nó tác động
mạnh mẽ trong việc chuyển đổi phytochrome FR(Pfr) thành phytochrome R (Pr). Các
loại cây ngắn ngày sẽ ra hoa dựa trên nồng độ protein phytochrome R (Pr), vậy nên
bước sóng này thường được dùng ở cuối chu kỳ ánh sáng(mỗi ngày là 1 chu kỳ ánh
sáng) để kích thích ra hoa ở cây ngắn ngày.

Hình 1.3. Ảnh hưởng ánh sáng đến các giai đoạn phát triển của cây
Như vậy việc cho ra đời loại đèn chiếu đúng cường độ sáng cho từng loại cây
trồng, và đúng các bước sóng phổ mà cây dùng để quang hợp và việc còn lại của
13

Nghiên cứu khoa học
chúng ta là tự điều tiết thời gian chiếu sao cho phù hợp với đặc tính quang chu kỳ của
cây, chúng ta sẽ có được một năng suất cây trồng cao, khơng cịn bị lệ thuộc q nhiều
vào ánh sáng tự nhiên mang tính mùa vụ nữa. Chúng ta có thể hồn tồn điều tiết cho
cây theo thời vụ mà mình đã định ra để làm sao tối ưu hóa bài tốn kinh tế cho nơng

nghiệp.
Hình 1.4. Sự sinh trưởng và phát triển của cây ớt
1.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ
Từng loại cây, giống cây, các bộ phận của cây, các quá trình sinh lý của cây sẽ
phát triển thích hợp và chỉ an tồn ở một nhiệt độ nhất định. Cây ưa nóng là những cây
sinh trưởng và ra hoa kết quả tốt ở nhiệt độ trên 20 oC, cây ưa lạnh là những cây sinh
trưởng và ra hoa kết quả tốt ở nhiệt độ dưới 20oC, cây trung gian là những cây yêu cầu
nhiệt độ xung quanh 200C để sinh trưởng, phát triển bình thường.
Đối với thực vật, nhiệt độ có ảnh hưởng đến hình thái, chức năng sinh lý và khả
năng sinh sản. Nhiệt độ thấp có ảnh hưởng đến hình thái của cây. Thí nghiệm với cây
thấy rằng trong điều kiện ánh sáng và độ ẩm giống nhau, nếu để cây ở nhiệt độ 6 0C thì
lá xẻ thuỳ sâu ở nhiệt độ 15 -180C lá không xẻ thuỳ sâu nhưng mép lá có răng cưa
nhỏ. Những thí nghiệm đối với một số cây ăn quả vùng ôn đới như táo, lê cho thấy
khi nhiệt độ xuống thấp thì rễ cây có màu trắng, ít hóa gỗ, mơ sơ cấp phân hóa chậm, ở
nhiệt độ cực thích rễ có màu, tầng phát sinh hoạt động mạnh tạo nhiều gỗ, bó mạch
dài, ở nhiệt độ cực hạn cao thì rễ có màu, gỗ dày cứng và cây chết dần.

14


Nghiên cứu khoa học

Hình 1.5. Giới hạn sinh thái của cây xương rồng

Tùy theo nơi sống có nhiệt độ cao hay thấp mà cây hình thành nên những bộ
phận bảo vệ. Cây mọc ở nơi trống cường độ ánh sáng mạnh, nhiệt độ cao thì cây có vỏ
dày, màu nhạt, tầng bần phát triển nhiều lớp có tác dụng cách nhiệt, lá nhỏ, có tầng
cutin dày hạn chế sự bốc hơi nước. Những cây có thân ngầm dưới đất, khi các phần
trên mặt đất bị tổn thương, bị chết, từ thân ngầm mọc lên những chồi mới và cây phục
hồi. Hoặc ở những vùng ôn đới về mùa đông cây có hiện tượng rụng lá nhờ đó hạn chế
diện tích tiếp xúc với khơng khí lạnh, cây hình thành lên các vảy bảo vệ chồi, các lớp
bần phát triển để cách nhiệt.Thực vật là cơ thể biến nhiệt, vì thế các hoạt động sinh lý
của nó đều chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường. Cây quang hợp tốt ở nhiệt độ 20
-300C, nhiệt độ quá thấp hay quá cao đều ảnh hưởng đến quá trình này. Ở nhiệt độ 00C
cây nhiệt đới ngừng quang hợp vì diệp lục bị biến dạng, ở nhiệt độ từ 40 0C trở lên sự
hơ hấp bị ngừng trệ. Các cây ơn đới có khả năng hoạt động trong điều kiện nhiệt độ
thấp hơn 00C.
Q trình thốt hơi nước của thực vật cũng chịu ảnh hưởng của nhiệt độ. Khi
nhiệt độ khơng khí càng cao, độ ẩm khơng khí càng xa độ bão hịa, cây thoát hơi nước
mạnh. Khi nhiệt độ thấp, độnh ớt của nguyên sinh chất tăng lên,áp suất thấm lọc giảm
nên rễ hút nước khó khăn, khơng đủ cung cấp cho cây, để thích nghi trong điều kiện
này cây tiến hành rụng lá.
1.1.3 Ảnh hưởng của độ ẩm
Sau nhân tố nhiệt độ, nước (độ ẩm) là một nhân tố sinh thái vô cùng quan trọng.
Trong lịch sử phát triển của sinh giới trên bề mặt trái đất luôn luôn gắn liền với môi
trường nước. Các sinh vật đầu tiên xuất hiện trong môi trường nước. Nước chứa trong
cơ thể sinh vật một hàm lượng rất cao, từ 50-90% khối lượng cơ thể sinh vật là nước,
15


Nghiên cứu khoa học
có trường hợp nước chiếm tỷ lệ cao hơn, tới 98% như ở một số cây mọng nước, ở ruột
khoang. Nước cần thiết cho quá trình sinh sản. Sự kết hợp của các giao tử hầu hết
được thực hiện trong môi trường nước, nước cần thiết cho q trình trao đổi chất.Cây

trồng địi hỏi một lượng nước lớn gấp nhiều lần trọng lượng chất khô của chúng.
Lượng nước mà cây tiêu thụ để hình thành một đơn vị chất khô của một số cây trồng
(gọi là hệ số tiêu thụ nước) như ngô: 250-400, lúa: 500-800, bông: 300-600, rau: 300–
500, câygỗ: 400-600. Hầu hết lượng nước sử dụng cho nông nghiệp là nước mặt và
một phần nước ngầm, các nguồn này được cung cấp chủ yếu từ lượng mưa hàng năm.
Nước mưa ảnh hưởng đến quá trình canh tác như làm đất, thu hoạch. Mưa ít hoặc mưa
nhiều quá so với yêu cầu đều làm ảnh hưởng tới thời vụ gieo trồng và thu hoạch. Tùy
theo lượng mưa hàng năm, khả năng cung cấp và khai thác nước đối với một vùng cụ
thể, để xem xét lựa chọn cơ cấu cây trồng thích hợp. Đặc biệt, ở vùng đất đồi núi miền
Bắc nước ta thì những trận mưa rào ảnh hưởng đến xói mịn, rửa trơi lớp đất bề mặt do
độ che phủ của cây trồng chưa khép kín. Tiến trình xói mịn và thối hố đất xảy ra khi
có những trận mưa rào và lượng nước không thể thâm nhập sâu được vào trong đất và
khi đó bắt đầu xuất hiện dịng chảy bề mặt.
Vì vậy trong đất cần có một độ ẩm thích hợp để cây trồng hút được dễ dàng.
Đất ngập úng hay thiếu nước đều ảnh hưởng không tốt cho sự sinh trưởng của cây
trồng. Cây trồng bị ngập nước dẫn đến các tế bào rễ không hô hấp được nên không
cung cấp đủ oxy cho hoạt động của các tế bào rễ cùng với việc tích lũy các chất độc
hại, do đó sẽ làm chết đi các lông hút ở rễ, không thể hình thành được lơng hút mới, vì
vậy cây khơng thể hút nước nên lâu ngày sẽ dẫn đến héo và chết cây. Cây trồng cung
cấp đầy đủ nước sẽ có bộ rễ dài và sâu, vươn ra theo các chiều trong đất, ngược lại cây
nếu thiếu nước, bộ rễ cây sẽ ngắn và thưa.
1.2 Hệ thống điều khiển.
1.2.1 Định nghĩa hệ thống điều khiển
Trong một số các tài liệu, danh từ hệ thống (system) được định nghĩa là tập hợp
hay sắp xếp kết nối có trật tự các phần tử vật lý theo một thể.
Danh từ điều khiển (control) thường mang ý nghĩa là điều chỉnh (regulate), hướng đến
nhắm đến (direct) và thực thi tác vụ hay một lệnh (command).

16

Nghiên cứu khoa học
Như vậy hệ thống điều khiển được hiểu là một tập hợp sắp xếp trật tự các phần tử
vật lý theo một thể, để nó có thể tự điều chỉnh, định hướng và thực thi tác vụ cho riêng
bản thân nó hoặc cho các hệ thống khác.

 Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển
 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển bao gồm :
- Mục tiêu điều khiển (input).
- Các phần tử của hệ thống bao gồm bộ điều khiển và đối tượng điều khiển.
- Kết quả hay tín hiệu ra (output).

Hình 1.6. Hệ điều khiển
Danh từ mục tiêu điều khiển còn được gọi là tín hiệu vào (input), hay các tín
hiệu kích thích và kết quả nhận được từ hệ thống điều khiển cịn được gọi là tín hiệu ra
(outputs) hay các biến điều khiển.
Một cách tổng quát, đối tượng của hệ thống điều khiển được điều khiển để có
các tín hiệu ra tuân theo qui định của tín hiệu vào thơng qua các phần tử trong hệ
thống điều khiển.
Tín hiệu vào là các tác nhân (hay kích thích) từ nguồn năng lượng ngoài cấp đến hệ
thống điều khiển để tạo ra các đáp ứng mong muốn. Tín hiệu ra là các đáp ứng thực sự
từ hệ thống điều khiển, có thể giống hay không giống đáp ứng mong muốn được xác
định bởi các tín hiệu vào.
 Phân lọai hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển thường được phân thành hai dạng:
- Hệ thống điều khiển vòng hở (open-loop).
- Hệ thống điều khiển vịng kín (closed-loop).
Để phân biệt các hệ thống trên chúng ta căn cứ vào tác động điều khiển (control
action), đó là q trình định lượng tác động lên hệ thống điều khiển để hình thành các
tín hiệu ngõ ra.

17


Nghiên cứu khoa học

 Hệ thống điều khiển vòng hở
Hệ thống điều khiển vịng hở là hệ thống có tác động điều khiển độc lập với tín hiệu
ngõ ra.
Hai điểm nổi bật của hệ thống điều khiển vòng hở là:
- Khả năng đạt chính xác được xác định bằng phương thức định cở (calibrate). Định cở
có nghĩa là thành lập hay tái lập quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra để đạt được mức
chính xác mong muốn cho hệ thống.
- Hệ thống thường không gặp sự cố bất ổn định (instability), điều này sẽ được trình
bày trong các chương sau.

 Hệ thống điều khiển vịng kín
Hệ thống điều khiển vịng kín là hệ thống có tác động điều khiển phụ thuộc vào tín
hiệu ngõ ra. Hệ thống điều khiển vịng kín cịn được gọi là hệ thống điều khiển hồi tiếp
(feedback control systems).
Muốn phân loại được hệ thống điều khiển vịng kín hay vịng hở, phải phân biệt
rõ ràng các thành phần của hệ thống với các thành phần khơng thuộc hệ thống nhưng
có tương tác lên hệ thống.
1.3 Năng lượng mặt trời
1.3.1 Năng lượng mặt trời là gì ?
Năng lượng Mặt Trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt
Trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt hạ nguyên tử khác phóng ra từ
ngơi sao này. Dịng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân
trên Mặt Trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa.
Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển
năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng, như trong pin Mặt Trời. Năng

lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển
thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, hoặc làm sôi nước trong các
máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa
Mặt Trời.
1.3.2 Điện mặt trời
Điện mặt trời là lĩnh vực nghiên cứu để biến đổi năng lượng mặt trời thành
năng lượng điện. Hiện nay có hai phương thức sản xuất điện từ năng lượng mặt trời.
18


Nghiên cứu khoa học
Chuyển đổi trực tiếp ánh sang mặt trời thành điện năng bằng cách sử dụng các
tấm pin mặt trời (Photovoltaic (PV)). Phương pháp này được sử dụng nhiều trong việc
sản xuất điện quy mô lớn nhỏ khác nhau, cung cấp năng lượng cho tàu vũ trụ hoặc
chiếu sáng công cộng …vv.
Chuyển đổi gián tiếp bằng cách tạo nhiệt độ cao bằng một hệ thống gương phản
chiếu và hội tụ ánh sáng để gia nhiệt cho môi chất truyền động cho máy phát điện.
Phương pháp này ứng dụng để sản xuất quy mô lớn.
1.3.3 Nhiệt điện mặt trời
Năng lượng mặt trời còn được ứng dụng để đun nước nóng, làm ấm khơng gian
bằng các tấm thu nhiệt, hoặc nấu nước bằng các chảo tập trung ánh sáng mặt trời.
Nhà máy nhiệt điện lớn nhất thế giới
Nhà máy nhiệt điện mặt trời lớn nhất thế giới Sham 1 chính thức đi vào hoạt
động từ 17/03/2013 với công suất 100 MW. Nhà máy Sham 1 sở hữu một hệ thống
gồm 192 hàng gương parabol lớn trên một khu vực có diện tích bằng 285 sân bóng đá.
Ánh sáng từ 192 hàng gương được sử dụng để đun sôi nước. Hơi nước sẽ làm quay
turbin của máy phát điện (hình 1.1). Với công suất 100 MW, nhà máy sham 1 chiếm
10% tổng sản lượng điện năng từ năng lượng mặt trời của thế giớ

Hình 1.7. Nguyên lý hoạt động của nhà máy Sham 1

1.3.4 Quang điện mặt trời

 Khái niệm về pin quang điện
19


Nghiên cứu khoa học
Pin mặt trời là công nghệ sản xuất ra điện năng từ các chất bán dẫn dưới tác dụng
của ánh sáng mặt trời. Khi ánh sáng chiếu tới các tế bào quang điện, nó sẽ sản sinh ra
điện năng. Khi khơng có ánh sáng, các tế bào này ngưng sản xuất điện. Q trình
chuyển đổi này cịn được gọi là hiệu ứng quang điện.
Hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng quang điện điện là một hiện tượng điện – lượng tử,
trong đó các điện tử được thốt ra khỏi vật chất sau khi hấp thụ năng lượng từ các bức
xạ điện từ. Hiệu ứng quang điện đôi khi được người ta dùng với cái tên hiệu ứng
Hertz, do nhà khoa học Heinrich Hertz tìm ra.

Hình 1.8. Cấu tạo đơn giản của một tấm pin mặt trời
Hiện tượng: khi bề mặt của một tấm kim loại được chiếu bởi bức xạ điện từ có
tần số thích hợp (lớn hơn một tần số ngưỡng đặc trưng cho mỗi kim loại), các điện tử
sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon và chuyển lên vùng dẫn tạo thành các điện tử tự
do e- đồng thời để lại các lỗ trống mang điện dương, các hạt mang điện này di chuyển
tạo ra dòng điện (gọi là dòng quang điện). Khi các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của
tấm kim loại, ta có hiệu ứng quang điện ngồi (external photoelectric effect). Các điện
tử không thể phát ra nếu tần số của bức xạ nhỏ hơn tần số ngưỡng bởi điện tử không
được cung cấp đủ năng lượng cần thiết để vượt ra khỏi rào thế (gọi là cơng thốt).
Điện tử phát xạ ra dưới tác dụng của bức xạ điện từ được gọi là quang điện tử. Ở một
số chất khác, khi được chiếu sáng với tần số vượt trên tần số ngưỡng, các điện tử
không bật ra khỏi bề mặt, thoát ra khỏi liên kết với nguyên tử, trở thành điện tử tự do
(điện tử dẫn) chuyển động trong lòng của khối vật dẫn tạo nên hiêu ứng quang điện
trong (internal photoelectric effect). Hiệu ứng này dẫn đến sự thay đổi về tính chất

dẫn điện của vật dẫn, do đó, người ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn.

20


Nghiên cứu khoa học
1.3.5 Phân loại pin mặt trời
 Phân loại pin năng lượng mặt trời:
Cho tới nay thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là các
silic tinh thể. Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:

Hình 1.9. Vật liệu chủ yếu làm pin mặt trời
Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên q trình Czochralski.
Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%. Chúng thường rất đắttiền do được cắt từ
các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module.
Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc-đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội
và làm rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn.
Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vng che phủ bề mặt nhiềuhơn đơn tinh thể
bù lại cho hiệu suất thấp của nó.
Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh
thể, Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì
khơng cần phải cắt từ thỏi silicon. Các công nghệ trên là sản suất tấm, nói cách khác,
các loại trên có độ dày 300 μm tạo thành và xếp lại để tạo nên module.
1.3.6 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

 Cấu tạo
Pin mặt trời có cấu tạo tương tự như một diode bán dẫn gồm có 2 lớp bán dẫn n và
p tiếp xúc nhau, nhưng có diện tích bề mặt rộng. Mặt trên là lớp bán dẫn loại N (Chất
21

Nghiên cứu khoa học
bán dẫn Si pha tạp chất P) cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua, lớp bán dẫn này
tiếp xúc với lớp bán dẫn loại P (Chất bán dẫn Si pha tạp chất B), hình 1.4.
Ngồi ra, một pin mặt trời cịn có một số thành phần khác như các điện cực, lớp
phủ chống phản xạ và đế cách điện. Hình bên dưới cho thấy cấu tạo cơ bản của một
tấm pin mặt trời:

Hình 1.10. Cấu tạo pin mặt trời

 Nguyên tắc hoạt động
Khi hai lớp bán dẫn p và n tiếp xúc nhau, do sự chênh lệch về mật độ các hạt dẫn
(tức là do gradient hóa thế) nên các điện tử sẽ khuếch tán từ bán dẫn n sang p, lỗ trống
khuếch tán ngược lại từ bán dẫn p sang n. Sự khuếch tán này làm cho phần bán dẫn n
sát lớp tiếp xúc tích điện dương, cịn phần bán dẫn p ngay đối diện tích điện âm. Trong
miền tiếp xúc lúc này hình thành điện trường Utx hướng từ bán dẫn n sang p (Utx sẽ
ngăn cản sự khuếch tán tiếp tục của các hạt dẫn qua lớp tiếp xúc).

Hình 1.11. Hoạt động của pin mặt trời
Khi chiếu sáng lớp tiếp xúc p-n, cặp điện tử - lỗ trống được tạo thành, bị tách ra
dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc Utx và bị gia tốc về các phía đối diện tạo thành
22


Nghiên cứu khoa học
một sức điện động quang điện. Sức điện động quang điện phụ thuộc vào bản chất chất
bán dẫn, nhiệt độ lớp tiếp xúc, bước sóng và cường độ ánh sáng tới.
Lớp bán dẫn p-n có tính chỉnh lưu như một diode, chỉ cho điện tử dẫn và lỗ trống dẫn
trong vùng tiếp xúc di chuyển về phía bán dẫn n và bán dẫn p tương ứng.
Nối các đầu bán dẫn bằng một dây dẫn thì trong dây xuất hiện dòng quang điện

I đi theo chiều từ bán dẫn p qua tải về bán dẫn n.
1.3.7 Tình hình năng lượng mặt trời tại Việt Nam.
Việt Nam là nước có tiềm năng về năng lượng mặt trời, trải dài từ vĩ độ 8’’ Bắc
đến 23’’ Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với trị số
tổng xạ khá lớn từ 100 – 175 kcal/cm2.năm, do đó việc sử dụng năng lượng mặt trời ở
nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn. Giải pháp sử dụng năng lượng mặt trời hiện
đang được cho là giải pháp tối ưu nhất. Đây là nguồn năng lượng sạch, không gây ô
nhiễm môi trường và có trữ lượng vơ cùng lớn do tính tái tạo cao. Đồng thời, phát
triển ngành công nghiệp sản xuất pin mặt trời sẽ góp phần thay thế các nguồn năng
lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ mơi trường. Vì thế, đây được coi
là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ đang ngày
càng cạn kiệt. Từ lâu, nhiều nơi trên thế giới đã sử dụng năng lượng mặt trời như một
giải pháp thay thế những nguồn tài nguyên truyền thống.
1.4 Các kết nối không dây
Trong thời gian gần đây hệ thống kết nối không dây đã và đang được phát triển
mạnh mẽ, cho phép kết nối giám sát và điều khiển mọi đối tượng một cách linh hoạt.
Khái niệm smart home (ngôi nhà thông minh), city home (thành phố thông minh) trở
nên quen thuộc với mọi người. Sau đây trình bày vắn tắt các đặc điểm của các công
nghệ kết nối đi từ kết nối có dây đến kết nối khơng dây.
1.4.1 Bắt đầu từ kết nối có dây
Việc sử dụng dây dẫn làm phương tiện kết nối được hình thành ngay từ khởi
đầu của các mạng thông tin liên lạc. Hai tiêu chuẩn quan trọng của hệ thống truyền
thông là tốc độ tính bằng kilơbit trên giây (Kbpc) và dải thơng tính bằng MHz. Ngày
nay hệ thống truyền thơng có dây thường sử dụng hai cơng nghệ chính là: Truyền dẫn
thông tin trên đường dây tải điện PLC (Power Line Communication) và Hệ thống cáp
sợi quang.

23

Nghiên cứu khoa học
1.4.1.1 Hệ thống kết nối bằng đường dây tải điện
Hệ thống kết nối sử dụng đường dây tải điện Power Line Carrier (PLC) sử dụng đường
dây tải điện làm phương tiện truyền tải tín hiệu.

Hình 1.12. Hệ thống kết nối bằng đường dây tải điện
Đường dây tải điện mang dòng điện tần số tiêu chuẩn 50Hz được sử dụng như
sóng mang. Tín hiệu thơng tin tần số (2-30)MHz được điều biến với sóng mang này và
được truyền trên đường dây của hệ thống điện lực cao áp, trung và hạ áp có mặt trên
mọi miền lãnh thổ. Tại trạm gốc cuối đường dây, bộ giải điều chế phân tách và lọc tín
hiệu mang thơng tin .
PLC - Powerline Carrier trên đường dây tải điện cao áp 110-220 kV thường sử dụng
dải tần hẹp (9-500) kHz với tốc độ dưới 100Kbps. Kênh này trước đây thường dùng
cho việc giám sát và điều khiển các trạm đóng cắt, đo lường và bảo vệ. Do hạn chế dải
thông nên ngày nay kênh này thường được thay thế bằng cáp quang.
BPL - Broadband over Powerline có dải thơng rộng nên thường cung cấp dịch
vụ truy cập Internet băng rộng đến tận nhà bằng việc sử dụng các phương pháp điều
chế số trên dải tần còn lại của đường dây điện. Thiết bị Powerline Adapter Kit sử dụng
dây dẫn điện trong nhà để mở rộng mạng gia đình mà khơng cần thêm dây. Chỉ cần
cắm thiết bị Powerline PLC (Powerline Carrier) vào ổ cắm điện, ngay lập tức thiết lập
một cơ sở hạ tầng mạng với tốc độ cao, truyền dữ liệu tốc độ lên tới 500Mbps để sử
dụng dịch vụ IPTV.

24


Nghiên cứu khoa học
DCL - Distribution Line Carrier là hệ thống PLC dải tần hẹp (9-500) kHz với tốc độ
dưới 576 Kbps sử dụng đường dây trung áp 22kV hoặc hạ áp, rất thích hợp cho việc
quản lý hệ thống điện thời gian thực.

LSPL - Low Speed Powerline như các mạng Lonworks, PowerBUS, X10, INSTEON
sử dụng dải tần hẹp từ (9-148,5) kHz truyền tải dữ liệu tốc độ dưới 9,6 Kbps, do giá rẻ
hơn nên công nghệ này được ứng dụng nhiều trong tự động hóa tịa nhà.
1.4.1.2 Cơng nghệ sợi quang
Nguyên lý phản xạ toàn phần đã được nhà khoa học Anh John Tyndall phát hiện
từ năm 1854 khi cho ánh sáng chiếu qua một tia nước, tia sáng bị bẻ cong và trở lại
nền nhà. Tyndall nhận thấy ánh sáng có thể được truyền dọc theo tia nước. Năm 1934,
Norman French, kỹ sư người Mỹ đã nhận được bằng sáng chế về hệ thống thông tin
quang với phương tiện truyền dẫn là các thanh thủy tinh. Năm 1966, Charles Kao và
George Hocchan người Anh đã đề xuất dùng sợi thủy tinh để truyền dẫn ánh sáng
nhưng do hạn chế về cơng nghệ lúc đó sợi quang có suy hao tới 1000 dB/km. Năm
1970, hãng Corning Glass đã chế tạo thành cơng sợi quang SI có suy hao nhỏ hơn 20
dB/km. Năm 1972, người ta đã chế tạo sợi quang có suy hao 4 dB/km. Sợi quang gồm
lõi silica hoặc plastic có đường kính khoảng (10-100) µm. Bên ngồi là lớp cladding
bằng vật liệu dẫn quang đường kính 125 µm dùng mục đích phản xạ tia sáng. Tiếp
theo là các lớp bảo vệ tạo độ bền cơ học. Cấu tạo của cáp sợi quang được cho trên hình
4 gồm bó sợi quang giữa là chất nhồi.

Hình 1.13. Hình ảnh sợi quang

25