Thu thập dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm bằng mạng không dây

THU THẬP DỮ LIỆU NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM BẰNG
MẠNG KHÔNG DÂY
Nguyễn Quốc Vàng*
*Viện Kỹ thuật HUTECH, Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh
GVHD: ThS. Lê Tấn Sang

TĨM TẮT
Mơi trường sống đóng vai trị quan trọng đến sự phát triển cùa mọi cá thể, từ động vật đến con người. Con
người cần môi trường làm việc, sinh hoạt, học tập, có nhiệt độ, độ ẩm dễ chịu, thoải mái. Rau, cải, tôm, cá đặc
biệt cần một môi trường với nhiệt độ và độ ẩm phù hợp cho từng giai đoạn để tồn tại và phát triển tốt nhất. Do
đó, việc theo dõi các thông số nhiệt độ, độ ẩm là cần thiết để kịp thời phát hiện và đưa ra các giải pháp xử lý.
Khi mà các điểm cần đo nhiệt độ đạt số lượng lớn, các giải pháp sử dụng dây dẫn truyền tín hiệu trở nên khó
thực hiện. Từ đó, nhóm chọn nghiên cứu giải pháp thu thập dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm sử dụng mạng không dây.
Cảm biến được đặt tại các điểm cần đo. Dữ liệu sẽ được đưa về điểm trung tâm, sau đó đưa lên server. Người
dùng có thể quan sát giá trị nhiệt độ, độ ẩm thông qua web được thiết kế trên server hoặc ứng dụng điện thoại.
Từ khóa: mạng không dây, nhiệt độ, độ ẩm, môi trường
1. GIỚI THIỆU
Trong nhiều nhà máy, đặc biệt là các nhà máy lớn, người quản lý ln cần một hệ thống để có thể theo dõi
được các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm tại tất cả các phòng ban hay phân xưởng. Hiện nay, công
việc này thường được ghi chép thủ cơng dẫn đến rất khó quản lý và khơng kịp phản ứng khi xảy ra sự cố. Nhu
cầu theo dõi thông số nhiệt độ, độ ẩm cũng rất cấp thiết cho các kho nông sản, thủy sản. Khi mà việc thay đổi
không mong muốn của các thông số môi trường có thể dẫn tới tổn thất lớn cho sản phẩm. Các thiết bị đo giá trị
nhiệt độ, độ ẩm thì có nhiều trên thị trường, nhưng sản phẩm tích hợp thành một hệ thống duy nhất thì vẫn phát
triển không ngừng trong nền công nghiệp 4.0 và lĩnh vực ioT hiện nay. Do đó, nhóm chọn nghiên cứu giải pháp
thu thập dữ liệu từ nhiều điểm thông qua mạng không dây.
Nhiều bài báo đã đưa ra các lý thuyết về mơ hình mạng thu thập các thơng số mơi trường. “Overview of Sensor
Networks” đã thực hiện mơ hình thu thập dữ liệu mơi trường nhằm mục đích tăng năng suất trong sản xuất,
trong nông nghiệp và xây dựng [1]. “An Integrated Sensor Network System for Energy-Efficient Surveillance”
đã đưa ra mạng cảm biến mang tên VigilNet để phát hiện vị trí các vật thể và truyền dữ liệu về điểm điều khiển
[2]. Tác giả của bài báo “Context-Aware Wireless Sensor Networks for Assisted Living and Residential
Monitoring” đưa ra mạng gọi là AlarmNet để ghi nhận lại các thông số môi trường, hoạt động sinh lý, thể chất

255


của các cá nhân [3]. Hay trong công bố mang tên “Wireless Sensor Networks”, tác giả đã tổng hợp về các giải
pháp dùng mạng cảm biến không dây, ứng dụng cho hàng ngàn thiết bị [4].
Từ đó, nhóm đặt mục tiêu nghiên cứu giải pháp thu thập dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm bằng mạng không dây. Dữ
liệu được truyền lên server và có thể theo dõi thơng qua web. Bố cục trình bày gồm phần 1: giới thiệu; phần 2:
các mạng dữ liệu không dây; phần 3: Hệ thống thu thập dữ liệu không dây; và cuối cùng là phần 4 là kết luận
và hướng phát triển.
2. CÁC MẠNG DỮ LIỆU KHƠNG DÂY
2.1 Wifi
Cơng nghệ Wi-Fi ra đời từ giai đoạn đầu của Internet, dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.11, được phát triển như
một sự thay thế không dây cho chuẩn có dây Ethernet IEEE 802.3. Wi-Fi đã được tích hợp vào các máy tính
xách tay, máy tính bảng, điện thoại thông minh và smart TV. Wi-Fi cũng được sử dụng rộng rãi trong các ứng
dụng IoT do có thể tận dụng cơ sở hạ tầng Wi-Fi đã có.
Hầu hết các mạng Wi-Fi hoạt động ở băng tần 2.4GHz. Wi-Fi cũng có thể hoạt động ở băng tần 5GHz, nơi có
nhiều kênh hơn và tốc độ dữ liệu cao hơn. Mạng Wi-Fi có cấu trúc liên kết hình sao, với AP (access point) như
là “internet gateway”. Công suất đầu ra của Wi-Fi đủ cao để có thể phủ sóng toàn bộ nhà trong hầu hết các
trường hợp. Trong các tòa nhà lớn, nhiều hơn một AP sẽ được triển khai ở các vị trí khác nhau để tăng phạm
vi phủ sóng của mạng, tuy nhiên vẫn có thể tồn tại các điểm chết. Để khắc phục trường hợp này, một số sản
phẩm Wi-Fi sẽ tăng số lượng ăng-ten.
Hầu hết các AP Wi-Fi đều yêu cầu hỗ trợ tới 250 thiết bị được kết nối đồng thời. Các AP “enterprise-grade”
có thể hỗ trợ nhiều kết nối hơn nữa, trong khi các AP phổ biến khác xử lý không quá 50. Wi-Fi là công nghệ
kết nối Internet không dây phổ biến nhất hiện nay. Tuy nhiên, công suất cao và độ phức tạp của nó đã là rào
cản lớn đối với các nhà phát triển IoT, nhưng các thiết bị và module hiện nay đã giảm bớt nhiều rào cản này và
cho phép tích hợp WiFi vào các ứng dụng IoT.

256

Hình 1: Wifi và module ESP32
2.2 Bluetooth
Ericsson đã phát minh ra công nghệ Bluetooth vào năm 1994 như một tiêu chuẩn cho giao tiếp không dây giữa
điện thoại và máy tính. Bluetooth hoạt động trong băng tần ISM 2.4GHz, trước đây dựa trên tiêu chuẩn IEEE
802.15.1, nhưng sau đó phát triển và các tiêu chuẩn mới được quản lý bởi Bluetooth SIG.
Bluetooth cổ điển là công nghệ PAN chủ yếu được sử dụng ngày nay để thay thế cáp cho giao tiếp tầm ngắn
và chủ yếu là cấu trúc liên kết mạng điểm-điểm hoặc mạng hình sao. Nó sử dụng băng tần ISM 2.4GHz hỗ trợ
thông lượng dữ liệu lên đến 2Mbps, với tối đa tám thiết bị được kết nối.
Bluetooth năng lượng thấp, trước đây được gọi là Bluetooth Smart, là một của Bluetooth. Nokia ban đầu đã tạo
ra Bluetooth năng lượng thấp và Bluetooth SIG đã đưa nó vào tiêu chuẩn Bluetooth 4.0 vào năm 2010 để tham
gia vào không gian IoT năng lượng thấp.
Bluetooth năng lượng thấp cũng sử dụng băng tần ISM 2.4GHz, nhưng không tương thích với Bluetooth cổ
điển. Bluetooth năng lượng thấp sử dụng 40 kênh rộng 2MHz, trong khi Bluetooth cổ điển sử dụng 79 kênh
rộng 1MHz. So với Bluetooth cổ điển, Bluetooth tiết kiệm năng lượng giúp giảm đáng kể mức tiêu thụ điện
năng của các thiết bị và cho phép hoạt động lâu dài.

Hình 2: Bluetooth và module HC05
2.3 Zigbee
Zigbee là một tiêu chuẩn mở được thiết kế, thúc đẩy và duy trì bởi Zigbee Alliance, một nhóm gồm hơn 400
cơng ty từ các ngành khác nhau. Zigbee được thiết kế để cung cấp một giải pháp kết nối toàn diện cho khả năng
tương tác của thiết bị và kết nối đám mây. Kết nối không dây của Zigbee dựa trên lớp liên kết IEEE 802.15.4
và hoạt động ở băng tần ISM 2.4GHz. Lớp mạng của nó đã được thiết kế với “mesh-topology”; cung cấp khả
năng mở rộng mạng về mặt địa lý thông qua các hoạt động “multihop”, cũng như khả năng chống lỗi và tăng
độ tin cậy khi các đường dẫn dự phịng được tạo thơng qua lưới.
257


Một trong những lợi ích chính của Zigbee là nó cung cấp một giải pháp hồn chỉnh, có khả năng tương tác thiết
bị giữa các nhà sản xuất khác nhau. Trên thực tế, bộ giao thức Zigbee kết hợp thư viện cụm Zigbee: một thư
viện tiêu chuẩn về các loại thiết bị, mơ hình dữ liệu và hành vi được xây dựng bởi các nhà sản xuất thiết bị gốc

(OEM) hoạt động trong các lĩnh vực khác nhau và đã được chứng minh trong các triển khai thực tế trong nhiều
năm.

Hình 3: Zigbee và module CC2530

3. HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU KHÔNG DÂY
3.1 Cấu trúc mạng
Mạng gồm hai thiết bị chính. Thứ nhất là điểm đo dữ liệu (Sensor node). Thứ hai là điểm trung tâm (Base
station).
Mạng được thiết kế gồm nhiều điểm do dữ liệu và được truyền về một điểm trung tâm thơng qua sóng RF.
Điểm trung tâm sẽ kết nối với router để tải dữ liệu lên server. Từ server, người quản lý có thể xem dữ liệu thơng
qua web bằng điện thoại hoặc máy tính.

258


Hình 4: Cấu trúc mạng
3.2 Điểm thu thập dữ liệu
Sử dụng module SI4463 để truyền dữ liệu không dây tại tần số 433Mhz. Nhiệt độ, độ ẩm được đo từ cảm
biến SHT20. Vi điều khiển sử dụng là STM32L052 để tiết kiệm năng lượng.

Hình 5. Module SI4463

Hình 6. Cảm biến SHT20

Mạch được thiết kế trên phần mềm Altium (Hình 7).

Hình 7. Mạch PCB của điểm thu thập dữ liệu
3.3 Điểm trung tâm
Cũng sử dụng module SI4463 để truyền dữ liệu không dây tại tần số 433Mhz. Vi điều khiển sử dụng là

STM32F103 với tốc độ có thể xử lý được kết nối có dây Ethernet.

259


Hình 8. Mạch PCB của điểm trung tâm

4. KẾT LUẬN
Theo mục tiêu đề ra, nhóm đã tìm hiểu về các dạng mạng không dây truyền dữ liệu hiện nay. Sau đó, tiến hành
ứng dụng thiết kế mạng thu thập dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm. Nhóm đã thiết kế mạch PCB, viết code truyền nhận
dữ liệu khơng dây.
Hiện tại nhóm đang dừng lại ở tiến hành làm mơ hình thực nghiệm. Cơng việc sắp tới, nhóm sẽ đặt gia cơng
mạch pcb, lập trình hồn chỉnh cho các điểm dữ liệu và điểm trung tâm, lập trình web để theo dõi và cảnh báo
về dữ liệu.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] D. Culler, D. Estrin and M. Srivastava, "Overview of Sensor Networks", Computer, pp. 41-49, Aug. 2004.
[2] T. He, "An Integrated Sensor Network System for Energy-Efficient Surveillance", ACM Trans. Sensor
Networks, pp. 1-28, Feb. 2006.
[3] A. Wood, "Context-Aware Wireless Sensor Networks for Assisted Living and Residential Monitoring",
IEEE Networks special issue, July/Aug. 2008.
[4] John A. Stankovic, “Wireless Sensor Networks”, Computer, Volume: 41, Issue: 10, Oct. 2008.

260