MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY EE4552 – 137152

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.09 MB, 71 trang )

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ </b>

<b>MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY EE4552 – 137152 – Nhóm 2 </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<b>2. Giới thiệu thành viên của dự án ... 5 </b>

<b>4. Kế hoạch thực hiện chung của dự án ... 8 </b>

<b>5. Kế hoạch và nội dung thực hiện của từng thành viên ... 10 </b>

<b>2. Tìm hiểu các nghiên cứu, dự án liên quan ... 22 </b>

<b>2.1 Mơ hình mạng cảm biến khơng dây ... 22 </b>

<b>2.2 Kiến trúc mạng cảm biến không dây ... 22 </b>

<b>2.3 Cấu trúc liên kết trong mạng cảm biến không dây ... 24 </b>

<b>2.4 Các ứng dụng của mạng cảm biến trong thực tế ... 26 </b>

<b>2.5 Mơ mình mạng cảm biến khơng dây trong nơng nghiệp chính xác ... 27 </b>

<b>2.6 So sánh các cảm biến nhiệt độ phổ biến hiện nay ... 29 </b>

<b>2.7 Công nghệ truyền thông LoRa & LoRaWAN ... 29 </b>

<b>2.8 Tìm hiểu nền tảng IoT Blynk ... 33 </b>

<b>2.9 Tìm hiểu về IFTTT. ... 35 </b>

<b>3. Lựa chọn giải pháp và lên phương án thiết kế ... 37 </b>

<b>3.1 Yêu cầu thiết kế và xây dựng chức năng sử dụng cho đề tài ... 37 </b>

<b>3.2 Xây dựng kiến trúc tổng quan mạng cảm biến không dây ... 37 </b>

<b>3.3 Xây dựng kiến trúc triển khai cho đề tài ... 38 </b>

<b>3.4 Triển khai hoạt động trong mạng cảm biến ... 39 </b>

<b>3.6 Thiết kế phần cứng cho Sensor node ... 44 </b>

<b>3.7 Thiết kế phần cứng cho Gateway ... 52 </b>

<b>3.8 Gửi dữ liệu từ Gateway lên Cloud Server (Blynk)... 54 </b>

<b>3.9 Gửi dữ liệu từ Gateway lên Google Sheet. ... 57 </b>

<b>3.10 Tính tốn khoảng cách truyền xa nhất giữa node sensor và gateway... 58 </b>

<b>3.11 Tính tốn thời gian hoạt động của thiết bị... 59 </b>

<b>PHẦN 3: KẾT LUẬN, ĐÁNH GIÁ, THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG. ... 62 </b>

<b>2. Tự đánh giá tỷ lệ đóng góp của từng thành viên trong dự án theo kế hoạch.</b> ... 69

<b>3. Thử nghiệm và Đánh giá ... 70 </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>DANH MỤC HÌNH ẢNH </b>

Hình 1. Các thành phần trong hệ thống WSN. ... 22

Hình 2. Wireless Sensor Network Architecture. ... 23

Hình 3. Clustered Network Architecture. ... 24

Hình 4. Cấu trúc dạng hình sao. ... 24

Hình 5. Mesh Network. ... 25

Hình 6. Hybrid Star - Mesh Network... 26

Hình 7. Mơ hình tổng thể của mạng cảm biến không dây trong nông nghiệp. ... 29

Hình 8. Giới thiệu về LoRa. ... 30

Hình 9. Sơ đồ khái quát giao thức LoRaWAN trong một hệ thống. ... 31

Hình 10. Giới thiệu về Blynk. ... 34

Hình 11. Giao diện trang chủ IFTTT. ... 35

Hình 12. Lợi ích khi sử dụng IFTTT ... 36

Hình 13. Kiến trúc tổng quan mạng cảm biến khơng dây của nhóm. ... 38

Hình 14. Kiến trúc triển khai chi tiết của nhóm. ... 39

Hình 15. Lưu đồ thuật toán của Sensor Node triển khai theo giải pháp 1. ... 40

Hình 16. Lưu đồ thuật tốn Gateway triển khai theo giải pháp 1 ... 41

Hình 17.Mô tả hoạt động của Gateway và Sensor Node khi thực hiện giải pháp 2. ... 42

Hình 18.Sensor Node xử lý lời gọi Gateway. ... 43

Hình 19. Code cho Sensor Node. ... 44

Hình 20. Code cho Gateway. ... 44

Hình 21. Sơ đồ khối chức năng của Sensor Node. ... 45

Hình 28. Sơ đồ nguyên lý của Sensor Node. ... 50

Hình 29. Mạch PCB của Sensor Node. ... 51

Hình 30. Hình ảnh 3D của Sensor Node. ... 51

Hình 31. Mạch hồn thiện của Sensor Node... 52

Hình 32. Sơ đồ chức năng của Gateway. ... 52

Hình 33. Khối nguồn ở Gateway. ... 53

Hình 34. Sơ đồ nguyên lý của Gateway... 54

Hình . Hình ảnh hồn thiện của Gateway. ... 54

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

<b>PHẦN 1: TỔ CHỨC THỰC HIỆN </b>

TT Nội dung yêu cầu 1 - Dải đo: 25<small>o</small>C ÷ 125<small>o</small>C

- Độ chính xác: 1<small>o</small>C

- Độ phân giải hiển thị: 0.1<small>o</small>C

2 Nguồn pin, thời gian hoạt động của thiết bị là 4h (nâng cao: 8h). Pin có thể sạc trực tiếp trên máy hoặc tháo ra ngồi

3 - Kích thước (dự kiến): 70x50x100 mm (kiểu trụ để dễ cầm tay) - Trọng lượng (dự kiến): <150g.

4 - Thời gian đo một mẫu: <20s. (nâng cao < 5s)

5 - Kết nối máy tính: RF Khoảng cách truyền trong phạm vi 20m từ hệ thống đo đến trạm thu RF có nối nguồn và mạng.

6 Quản lý tối thiểu cho 10 thiết bị đo. (nâng cao: phương án mở rộng số thiết bị với khoảng cách từ thiết bị đến trạm tiếp nhận có thể lên tới 100m)

7 - Phần mềm máy tính: thu thập giá trị đo từ thiết bị đo, quản lý dữ liệu, xuất báo cáo dạng excel, giao diện theo mẫu thống nhất.

8 Có nút bấm bắt đầu đo; Đèn LED báo ngưỡng nhiệt độ (3 LED); Các ngưỡng nhiệt độ có thể cập nhật từ máy tính

9 OTA (nâng cao)

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

<b>2. Giới thiệu thành viên của dự án </b>

Họ và tên: Phạm Hải Âu MSSV: 20191687

Phụ trách cơng việc:

- Lập trình cho Sensor Node: truyền nhận gói tin LoRa với Gateway, xử lý ngưỡng nhiệt độ, đo giá trị từ cảm biến.

- Lập trình Gateway: Truyền/nhận dữ liệu đo với Sensor Node, tạo vòng gọi giao tiếp với Node để tránh nhiễu, cập nhật ngưỡng nhiệt độ rồi gửi cho Node

Họ và tên: Nguyễn Đình Dương MSSV: 20191792

Phụ trách công việc

- Thiết kế phần cứng cho thiết bị đo và gateway. - Tính tốn khoảng phủ, năng lượng tiêu thụ của node - Thử nghiệm, đánh giá toàn bộ hệ thống.

Họ và tên: Lưu Anh Quân MSSV: 20192033

Phụ trách công việc:

- Đẩy dữ liệu từ Gateway lên Cloud Server (Blynk) sau đó hiển thị lên Web+App của Blynk đáp ứng các yêu cầu của hệ thống.

- Đẩy dữ liệu từ Gateway lên Google Sheet qua dịch vụ trung gian IFTTT để xuất file excel đáp ứng yêu cầu của hệ thống.

- Thử nghiệm, đánh giá toàn bộ hệ thống.

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

1 - Dải đo: 25<sup>o</sup>C ÷ 125<sup>o</sup>C - Độ chính xác: 1<small>o</small>C

- Độ phân giải hiển thị: 0.1<small>o</small>C

- Cảm biến nhiệt độ có dải đo phù hợp (như DS18B20, DHT22, LM35…) đo nhiệt độ môi trường và chuyển đổi sang tín hiệu điện có thể truyền đi được.

- Độ chính xác phụ thuộc vào cảm biến lẫn sai số của mạch đo được thiết kế.

- Khả năng phân li: R = (125<small>0</small> -25<sup>0</sup>)/0.1<sup>0</sup> = 1000 nên yêu cầu cần có một ADC tối thiểu 10 bit.

2 Nguồn pin, thời gian hoạt động của thiết bị là 4h (nâng cao: 8h). Pin có thể sạc trực tiếp trên máy hoặc tháo ra ngoài

- Mạch nguồn sẽ cấp điện cho

4 - Thời gian đo một mẫu : <20s. (nâng cao < 5s) 5 - Kết nối máy tính: RF Khoảng cách truyền

trong phạm vi 20m từ hệ thống đo đến trạm thu

6 Quản lý tối thiểu cho 10 thiết bị đo. (nâng cao: phương án mở rộng số thiết bị với khoảng cách từ thiết bị đến trạm tiếp nhận có thể lên tới 100m)

- Gateway đảm bảo nhận được các tín hiệu gửi lên từ các thiết bị đo, sau đó sắp xếp rồi chuyển chúng lên Cloud server. Đồng thời cũng gửi các tín hiệu báo ngưỡng mà Cloud Server gửi xuống thiết bị đo.

7 - Phần mềm máy tính: thu thập giá trị đo từ thiết bị đo, quản lý dữ liệu, xuất báo cáo dạng excel, giao diện theo mẫu thống nhất.

Cloud server (Blynk), đẩy dữ liệu lên Google Sheet. 8 Có nút bấm bắt đầu đo; Đèn LED báo ngưỡng

nhiệt độ (3 LED); Các ngưỡng nhiệt độ có thể cập nhật từ máy tính.

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

9 OTA (nâng cao)

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

<b>4. Kế hoạch thực hiện chung của dự án </b>

- Báo cáo nội dung tìm hiểu về: Thingspeak, Blynk, ThingsBoard

T5-T6

Tìm hiểu các công nghệ truyền thông trong MCBKD

- Báo cáo nội dung các công nghệ truyền thông không dây: Bluetooth,

- Báo cáo nội dung tìm hiểu: đặc điểm, các thông số mạng, ưu nhược điểm.

T8-T10 Xây dựng kiến trúc

tổng quan và kiến trúc triển khai

- Vẽ kiến trúc tổng quan và kiến trúc triển khai đề tài của nhóm.

- Mơ tả và giải thích chức năng các thành phần trong báo cáo.

T8-T11

Đề xuất tính năng sử dụng

- Mô tả các tính năng cần thiết kế để đáp ứng yêu cầu đề tài và để kiểm thử

- Tính tốn đầu vào đầu ra của thiết bị đo: tính nguồn cấp, cơng suất phát, công suất tiêu

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

- Thiết kế giao diện Blynk, cài đặt và thiết lập các chức năng để hiển thị được dữ liệu đẩy từ Gateway lên. - Đẩy dữ liệu ở Gateway lên Google

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

<b>5. Kế hoạch và nội dung thực hiện của từng thành viên </b>

- Báo cáo nội dung: Hybrid Star-Mesh): mô tả, đánh giá ưu, nhược

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

độ đo và hiển thị lên Serial monitor. Kết quả đo đạt yêu cầu (tính chính xác, thời gian lấy Sensor node gửi dữ liệu đo tới

Gateway. - Trong Sensor

node, MCU đưa dữ liệu nhiệt độ tới liệu lên Gateway.

- Quá trình trao đổi dữ liệu hoạt động tốt. - Đề xuất giải pháp nếu

giao tiếp giữa Sensor node và Gateway xảy ra - Các led cảnh báo của

Sensor node hiển thị đúng với cảnh báo ngưỡng nhiệt độ được server gửi xuống.

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

ngưỡng mới rồi gửi cho Sensor Node yêu cầu về dải đo, sai số của thiết bị đo; đáp ứng về khả năng quản lí thiết

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

hiệu vào/ra, công suất phát, công suất

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

các yêu cầu về dải đo, sai số của thiết bị

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

Nội dung Mơ tả (tính năng,

- Báo cáo nội dung, nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm của các công nghệ truyền

- Báo cáo đặc điểm, thông số, ưu điểm của LoRa để đề xuất sử dụng giao thức LoRa trong

- Báo cáo nội dung: thông số kỹ thuật, nguyên lý hoạt

- Báo cáo nội dung: mô tả thơng tin, vai trị và khả năng cung cấp của các dịch vụ IoT ThingsBoard trên Docker của laptop, tạo dự án, tìm hiểu các tính năng của ThingsBoard để đáp ứng yêu cầu của dự án…

T10

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

- Báo cáo cách cài đặt, các tính năng của ChirpStack phục vụ cho hệ thống.

- Demo giao diện của ChirpStack và giới thiệu các

- Báo cáo cách đẩy dữ liệu từ Gateway lên Network Server (ChirpStack).

- Báo cáo các ưu nhược điểm nếu làm theo hướng này.

- Báo cáo nội dung liên quan đến Blynk làm Cloud Server

- Cài đặt các thông số: Virtual Pin… trên Blynk.

- Thiết lập giao diện hiển thị trên App + Web của Blynk. - Demo đẩy được dữ liệu nhiệt độ của 1 Node lên và hiển thị trên App + Web dữ liệu ra file excel theo yêu cầu của dự án

Demo cách xuất file dữ liệu ra excel và ghép code để hoàn thiện hệ thống.

T18

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

theo yêu cầu của dự án. - Sửa lỗi nếu có…

Thực hiện các yêu cầu để nộp báo cáo cuối kỳ.

T20

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

<b>PHẦN 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN. </b> • Nội dung cuộc họp:

- Nội dung 1: Phân tích các yêu cầu trong dự án • Kết luận của buổi họp:

- Đối tượng cần nghiên cứu trong dự án này: cảm biến, mơ hình mạng, cơng nghệ truyền thơng khơng dây,…

- Giao các vấn đề cần tìm hiểu có liên quan: các loại cảm biến, các loại vi điều khiển, các cơng nghệ mạng khơng dây. • Nội dung cuộc họp:

- Nội dung 1: Phân tích các yêu cầu trong dự án (tiếp)

- Nội dung 2: Tìm hiểu mơ hình mạng cảm biến khơng dây thực tế • Kết luận của buổi họp:

<b>- Nắm rõ mơ hình tổng quan của 1 mạng cảm biến không dây </b>

- Xác định các thành phần trong dự án: sensor node, gateway, server (cloud),

<b>quản lý dữ liệu nhiệt độ qua excel. </b>

- Dựng các khối chức năng bên trong thành phần của WSN: sensor node,

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

- Nội dung 1: Chỉnh sửa lại báo cáo theo Template của thầy • Nội dung cuộc họp:

- Nội dung 1: Chỉnh sửa lại báo cáo theo Template của thầy - Nội dung 2: Đọc nhiệt độ từ LM35 vào vi điều khiển ESP32 • Kết luận của buổi họp:

<b>- Xem xét các nội dung cần bổ sung vào Template báo cáo. </b>

- Quá trình đọc nhiệt độ khơng thành cơng, cần tìm hiểu lại ADC trong MCU,

<b>mức logic của cảm biến và I/O của MCU có tương thích khơng. </b> • Nội dung cuộc họp:

- Nội dung 1: Chỉnh sửa lại báo cáo theo Template của thầy - Nội dung 2: Nhóm đề xuất mơ hình mạng cảm biến đo nhiệt độ - Nội dung 3: Trình bày cơng nghệ truyền thơng LoRa

• Kết luận của buổi họp:

<b>- Thống nhất mơ hình mạng cảm biến đo nhiệt độ dựa trên mạng sao - Dự định lựa chọn công nghệ truyền thông LoRa cho dự án </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

- Nội dung 1: Thảo luận các kế hoạch cần triển khai cho đề tài • Kết luận của buổi họp:

<b>- Lập 1 bản kế hoạch chung để thực hiện đề tài </b>

<b>- Phân chia chi tiết nhiệm vụ cá nhân (chưa hoàn thành) </b> • Nội dung cuộc họp:

- Nội dung 1: Thảo luận các kế hoạch cần triển khai cho đề tài - Nội dung 2: Trình bày kết quả đọc nhiệt độ từ cảm biến • Kết luận của buổi họp:

<b>- Lập 1 bản kế hoạch chung để thực hiện đề tài. </b>

<b>- Phân chia chi tiết nhiệm vụ cá nhân (chưa hoàn thành). </b>

<b>- Nhận xét kết quả đọc nhiệt độ: vẫn tồn tại sai số chưa giải quyết được. </b> • Nội dung cuộc họp:

- Nội dung 1: Nhiệm vụ chung của dự án và phân chia lại nhiệm vụ cá nhân của từng thành viên trong nhóm.

- Nội dung 2: Chỉnh sửa sơ đồ tổng quát và sơ đồ triển khai của hệ thống • Kết luận của buổi họp:

<b>- Hồn thành báo cáo kế hoạch chung của dự án. </b>

<b>- Hoàn thành phân kế hoạch của từng thành viên trong nhóm. - Hồn thành kiến trúc tổng quan và kiến trúc triển khai đề tài. </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

• Nội dung cuộc họp:

- Nội dung 1: Báo cáo nội dung đã tìm hiểu được của từng cá nhân. - Nội dung 2: Triển khai công việc liên quan đến Network Server. - Nội dung 3: Triển khai vẽ sơ đồ nguyên lý của hệ thống.

• Kết luận của buổi họp:

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

<b>2. Tìm hiểu các nghiên cứu, dự án liên quan 2.1 Mơ hình mạng cảm biến khơng dây 2.1.1 Giới thiệu </b>

<i>- Wireless Sensor Network – WSN là một hệ thống bao gồm các node cảm biến có kết </i>

nối khơng dây và khả năng tính tốn.

- Các node cảm biến thường là các sensor bao gồm các thành phần như bộ vi xử lý, bộ phận cảm biến, bộ phận thu phát không dây, nguồn.

<b>2.1.2 Các thành phần trong 1 hệ thống WSN </b>

- Thành phần cơ bản: Sensor node, Gateway, Cloud Server, Application. • Sensor node: có nhiệm vụ cảm biến và gửi dữ liệu.

• Sink node: thu thập dữ liệu từ Sensor node và chuyển tới Gateway.

• Gateway: trạm thu thập dữ liệu từ Sink và chuyển tiếp lên trung tâm dữ liệu (Cloud).

• Cloud server: lưu trữ, xử lý các dữ liệu thu thập được, cung cấp dữ liệu cho người dùng qua App, Website, Software…

• Application: các ứng dụng cho phép người dùng giám sát và điều khiển mạng cảm biến khơng dây.

<i>Hình 1. Các thành phần trong hệ thống WSN. </i>

<b>2.2 Kiến trúc mạng cảm biến khơng dây </b>

Có 2 loại kiến trúc thường được dùng trong WSN: • Layered Network Architecture.

• Clustered Network Architecture

<b>2.2.1 Layered Network Architecture (LNA) </b>

- LNA sử dụng cỡ vài trăm sensor node và 1 powerful base station. Các nút mạng được tổ chức thành các lớp đồng tâm. Nó bao gồm 5 lớp và 3 lớp chéo.

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

- Đặc điểm: mỗi node chỉ tham gia vào việc truyền tải công suất thấp, khoảng cách ngắn tới các nút lân cận vì mức tiêu thụ điện năng của kiến trúc này thấp hơn so với các kiến trúc mạng cảm biến khác.

- LNA cũng có khả năng mở rộng và khả năng chống lỗi cao.

<i>Hình 2. Wireless Sensor Network Architecture. </i>

<b>2.2.2 Cluster Network Architecture </b>

- Trong kiến trúc này các sensor node tự động kết hợp thành các nhóm được gọi là cluster (cụm)

- Dựa trên giao thức LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy – Hệ thống phân cụm thích ứng năng lượng thấp).

- Đặc điểm:

+) Là kiểu kiến trúc phân cụm phân cấp 2 tầng

+) Là 1 thuật toán phân tán để tổ chức các nút cảm biến thành các nhóm được gọi là cluster.

+) Các head node trong mỗi Cluster tự tạo TDMA (Time-division multiple access). +) Có sử dụng 1 concept đgl Data Fusion giúp tiết kiệm năng lượng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

<i>Hình 3. Clustered Network Architecture. </i>

<b>2.3 Cấu trúc liên kết trong mạng cảm biến không dây 2.3.1 Star Network (single point-to-multipoint) </b>

- Là 1 cấu trúc liên kết liên lạc, trong đó chỉ 1 trạm cơ sở duy nhất có thể gửi/nhận dữ liệu một node từ xa. Các node trong mạng không thể gửi dữ liệu trực tiếp cho nhau. - Ưu điểm: tính đơn giản dễ thực thi, giữ mức năng lượng tiêu thụ thấp, nó cũng cho phép giao tiếp với độ trễ thấp giữa các node và trạm gốc.

- Nhược: trạm cơ sở phải nằm trong phạm vi của các node. Nó cũng khơng mạnh, tốc độ khơng cao bằng các kiểu liên kết mạng khác vì chỉ có 1 trạm duy nhất để quản lý

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

- Ưu điểm:

+) Có khả năng dự phịng các đường dẫn khác nếu chẳng may 1 node bị sự cố. +) Có khả năng mở rộng mạng (cả về mặt số lượng lẫn không gian).

- Nhược điểm:

+) Mức tiêu thụ năng lượng cao vì phải truyền thông đa chặng

+) Khi số lượng node trung gian tăng thì thời gian truyền/nhận data cũng tăng.

<i>Hình 5. Mesh Network. </i>

<b>2.3.3 Hybrid Star – Mesh Network </b>

- Lai giữa mạng sao và mạng lưới để tạo ra 1 mạng truyền thông linh hoạt, mạnh mẽ hơn, duy trì cho các node trong WSN có mức tiêu thụ năng lượng ở mức tối thiểu. - Cấu trúc này không cho các sensor node mà công suất thấp được chuyển tiếp data. - Các node khác thì được kích hoạt chế độ multi-hop, được phép chuyển tiếp các data từ các node năng lượng thấp tới các node khác. Những node có khả năng này sẽ có cơng suất cao, thường được cắm vào nguồn điện duy trì.

- Nhược: Phức tạp, khó tiếp cận khi mới bắt đầu.

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

<i>Hình 6. Hybrid Star - Mesh Network. </i>

<b>2.4 Các ứng dụng của mạng cảm biến trong thực tế </b>

- Trong những năm gần đây, các nghiên cứu về WSN đã đạt được những bước phát triển mạnh mẽ, các bước tiến từ các nghiên cứu hứa hẹn tác rộng lớn đến các ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực an ninh quốc gia, chăm sóc sức khỏe, mơi trường, năng lượng, an toàn thực phẩm và sản xuất...

- Các ứng dụng của mạng WSNs thực sự chỉ bị giới hạn bởi sự tưởng tượng của con người.

- Sau đây là các ứng dụng phổ biến nhất của WSNs:

<b>Ứng dụng trong quân sự và an ninh quốc gia </b>

• Giám sát chiến trường

• Bảo vệ an ninh cho các cơng trình trọng yếu • Ứng dụng trong qn đội

• Thơng tin, giám sát, điều khiển • Theo dõi mục tiêu

<b>Ứng dụng trong bảo vệ mơi trường </b>

• Giám sát hoạt động núi lửa

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

• Giám sát cháy rừng • Giám sát dịch bệnh

• Sử dụng hiệu quả tài nguyên thiên nhiên • Cảm biến dùng trong nơng nghiệp • Phát hiện động đất

....

<b>Ứng dụng trong thương mại </b>

• Điều khiển khơng lưu • Quản lý cầu đường

• Quản lý kiến trúc và xây dựng • Phân tích sức khỏe cá nhân

• Giám sát bệnh nhân, nhân viên y tế

Theo truyền thống nông nghiệp là việc thực hiện một nhiệm vụ cụ thể, chẳng hạn như trồng hoặc thu hoạch, với một lịch trình định trước. Nhưng bằng cách thu thập dữ liệu thời gian thực về thời tiết, đất và chất lượng khơng khí, theo dõi sự trưởng thành cӫa cây trồng và thậm chí cả trang thiết bị và chi phí lao động, các phân tích có thể được sử dụng để đưa ra quyết định thơng minh hơn. Đây được gọi là nơng nghiệp chính xác (hoặc canh tác chính xác). Một định nghĩa của nơng nghiệp chính xác có thể là như sau:

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

kỹ thuật áp dụng đúng số lượng đầu vào (nước, phân bón, thuốc trừ sâu,…) vào đúng vị trí và vào đúng thời điểm để tăng cường sản xuất và nâng cao chất lượng.

Với nơng nghiệp chính xác, trung tâm kiểm soát thu thập và xử lý dữ liệu trong thời gian thực để giúp nông dân đưa ra quyết định tốt nhất liên quan đến trồng, bón phân và thu hoạch cây trồng có. Các nút cảm biến được đặt tại nơi trồng để đo nhiệt độ và độ ẩm của đất và không khí xung quanh. cơng dụng cảm biến khơng dây trong nơng nghiệp chính xác nâng cao hiệu quả, năng suất và lợi nhuận trong nhiều hệ thống sản xuất nông nghiệp, trong khi giảm thiểu tác động không mong muốn đến địa điểm nơi trồng. Các thông tin thời gian thực thu được từ các lĩnh vực có thể cung cấp một cơ sở vững chắc cho nông dân để điều chỉnh chiến lược bất cứ lúc nào. Thay vì đưa ra quyết định dựa vào một số điều kiện trung bình giả thuyết hay kinh nghiệm chực quan của cá nhân, có thể không tồn tại bất cứ nơi nào trong thực tế, một cách tiếp cận nơng nghiệp chính xác nhận ra sự khác biệt và điều chỉnh hoạt động quản lý tối ưu.

Việc ứng dụng mạng cảm biến không dây để quản lý hoạt động nơng nghiệp chính xác làm giảm đáng kể số lượng đầu vào như phân bón, nước, thuốc trừ sâu... được sử dụng trong khi tăng sản lượng. Nơng dân do đó thu được lợi nhuận trên đầu tư của mình bằng cách tiết kiệm chi phí kiểm dịch thực vật và phân bón. Áp dụng đúng số lượng đầu vào ở đúng nơi và đúng thời điểm đem lại lợi ích cho cây trồng, trong khi tiết kiệm nguồn tài nguyên như đất và nước ngầm, và do đó tối ưu hóa tồn bộ chu kỳ trồng trọt. Nơng nghiệp bền vững tìm cách để đảm bảo một nguồn cung cấp liên tục cӫa thực phẩm trong giới hạn sinh thái, kinh tế và xã hội cần thiết để duy trì sản xuất trong dài hạn. Do đó độ chính xác nơng nghiệp bằng cách sử dụng mạng cảm biến không dây sẽ cho phép theo đuổi mục tiêu này.

Hình dưới đây mơ tả mơ hình tổng thể của hệ thống mạng cảm biến không dây phục vụ nơng nghiệp chính xác. Tại mỗi khu vực canh tác các nút cảm biến được triển khai nhằm theo dõi các thông số kỹ thuật liên quan đến chất lượng cây trồng như nhiệt độ khơng khí, độ ẩm khơng khí, ánh sáng,.. và các thông số liên quan đến điều kiện đất trồng độ ẩm đất, độ pH,... Tại mỗi khu vực, các dữ liệu này được thu thập, lưu trữ và truyền tải không dây về một nút quản lý vùng, và sau đó dữ liệu được tiếp tục được truyền tải đến trung tâm điều hành và cuối cùng về trung tâm tổng điều hành thông qua mạng Internet. Dựa trên các thông số thu thập được, người dùng có thể xử lý và điều khiển từ các trung tâm điều hành hoặc trung tâm tổng điều hành để đưa ra các biện pháp thích hợp trong sản xuất nông nghiệp nhằm tăng cường sản xuất và nâng cao chất lượng. Ví dụ, nếu xác định độ ẩm đất tại một khu vực thấp hơn yêu cầu, người dùng có thể ra lệnh từ xa kích hoạt máy bơm nước tại khu vực để cải thiện độ ẩm.

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

<i>Hình 7. Mơ hình tổng thể của mạng cảm biến khơng dây trong nông nghiệp. </i>

<b>2.6 So sánh các cảm biến nhiệt độ phổ biến hiện nay </b>

<b>2.7 Công nghệ truyền thông LoRa & LoRaWAN </b>

• LoRa là từ viết tắt của cụm từ long-range. Đây là công nghệ được điều chế RF dành cho mạng diện rộng ở cơng suất thấp (LPWAN).

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

<i>Hình 8. Giới thiệu về LoRa. </i>

• Kiến trúc mạng LoRa:

o Điểm cuối: nơi điều khiển hoặc cảm biến được thực hiện.

o Cổng LoRa: Cổng nhận được các cơ sở hạ tầng từ các điểm cuối LoRa và sau đó chuyển chúng vào hệ thống backhaul. Phần này của mạng LoRa có thể là di động, Ethernet hoặc bất kỳ liên kết viễn thơng khác khơng dây hoặc có dây.

o Máy chủ mạng LoRa: là một phần chức năng của nó, nó hoạt động để loại bỏ các gói trùng lặp, điều chỉnh tốc độ dữ liệu và xác nhận lịch trình

o Máy tính điều khiển từ xa: là một phần chức năng của nó, nó hoạt động để loại bỏ các gói trùng lặp, điều chỉnh tốc độ dữ liệu và xác nhận

• Ngăn xếp giao thức LoRa: LoRa Alliance cũng đã định nghĩa một ngăn xếp giao thức mở. Vì tất cả các loại cơng ty khác nhau liên quan đến phát triển LoRa, triển khai và sử dụng đã có thể kết hợp với nhau để tạo ra một giải pháp chi phí thấp và dễ sử dụng để kết nối với tất cả các cách sử dụng của các thiết bị IoT được kết nối.

• Băng tần và khoảng cách truyền:

</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">

Băng tần làm việc của LoRa từ 430 MHz đến 915 MHz cho từng khu vực khác nhau trên thế giới:

– 430MHz cho châu Á – 780MHz cho Trung Quốc

– 433MHz hoặc 866MHz cho châu Âu – 915MHz cho USA

Các gói tin LoRa có thể truyền xa đến 5 Km trong khu vực thành thị và đến 15 Km ở khu vực ngoại ô với tốc độ dữ liệu khoảng 0,3 đến 22 Kbps (điều chế LoRa) hoặc 100 Kbps (điều chế GFSK). Do đó thường sử dụng ở mơi trường ngồi trời như các nơng trường, trang trại,…

• Nguyên lý hoạt động: Để phát triển ra cơng nghệ LoRa thì nền tảng là kỹ

<i><b>thuật điều chế Chirp Spread Spectrum (CSS – là kỹ thuật sử dụng các xung </b></i>

chirp để mã hóa các thơng tin). Đầu tiên, tín hiệu của dữ liệu gốc sẽ được khuếch đại với tần số cao hơn. TIếp sau đó được mã hóa thành chuỗi các tín hiệu chirp. Và cuối cùng thì được gửi đi từ anten.

<i>Hình 9. Sơ đồ khái quát giao thức LoRaWAN trong một hệ thống.</i>

• Ưu điểm:

– Phủ sóng rộng vài chục km.

– Hai lớp bảo mật mã hóa AES: mạng lớp và phục vụ cho các ứng dụng. – Không bị giới hạn lượng tin nhắn trong ngày.

– Chỉ bằng một gateway Lora đơn thì có thể kết nối ngàn thiết bị đầu cuối. – Nhờ cảm biến công suất thấp nên bảo trì tuổi thọ pin cho các thiết bị. – Tần số hoạt động là miễn phí, khơng cần cấp chi phí trả trước.

• Nhược điểm:

– Có thể nhiễu sóng với tần số mở hay khi ứng dụng vào thực tế thi .

– Cơng nghệ Lora có thể bị nhiễu sóng hoặc được dữ liệu được truyền có tốc độ thấp hơn.

– Không là sự lựa chọn tốt cho các ứng dụng theo dõi theo thời gian thực.

</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">

– Tải trọng giới hạn ở mức 100 byte.

<b>LoRaWAN </b>

• LPWAN (mạng diện rộng cơng suất thấp) là một loại công nghệ lớp mạng của Internet vạn vật đối mặt với các yêu cầu về khoảng cách xa và mức tiêu thụ điện năng thấp trong Internet vạn vật. LPWAN có đặc điểm tiêu thụ điện năng thấp, khoảng cách xa, băng thông rộng thấp, cấu trúc mạng đơn giản, và chi phí vận hành thấp

• Với LPWAN, sự đánh đổi là cân bằng. Ngoài việc đạt được phạm vi liên lạc dài hơn và tiêu thụ điện năng cực thấp, chi phí lặp lại thêm có thể được tiết kiệm.

<b>So sánh LoRa với một số công nghệ truyền thông không dây: </b>

Standard IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.1 IEEE 802.11 Modulation Chirp Spread

Battery lifetime Long battery life 100-7000 days 0.1-5 days 1-7 days

Power

comsumption

</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">

<b>2.8 Tìm hiểu nền tảng IoT Blynk </b>

Blynk là một nền tảng đám mây được sử dụng để xây dựng các ứng dụng IoT (Internet of Things) cho phép điều khiển và giám sát các thiết bị được kết nối từ xa bằng ứng dụng di động hoặc bảng điều khiển web. Nền tảng Blynk cung cấp giao diện dễ sử dụng để tạo các dự án IoT tùy chỉnh mà không cần các kỹ năng thiết kế phần cứng hoặc lập trình phức tạp.

Blynk bao gồm ba thành phần chính: App Blynk, Blynk Cloud Server và thư viện Blynk. App Blynk có sẵn cho các thiết bị iOS và Android, đồng thời cho phép kiểm soát và giám sát các dự án IoT của mình khi đang di chuyển. Blynk Cloud Server cung cấp một nền tảng an toàn và đáng tin cậy để lưu trữ và xử lý dữ liệu từ thiết bị của bạn. Thư viện Blynk là tập hợp các công cụ phần mềm cho phép thiết bị của bạn giao tiếp với Blynk Cloud Server.

Blynk có thể tạo bảng điều khiển tùy chỉnh để kiểm soát và giám sát các thiết bị được kết nối, chẳng hạn như cảm biến, bộ truyền động và các thiết bị IoT khác. Hoặc cũng có thể tạo cảnh báo và thơng báo dựa trên các sự kiện hoặc điều kiện cụ thể và chia sẻ quyền truy cập vào dự án của mình với những người dùng khác.

Blynk hỗ trợ nhiều nền tảng phần cứng, bao gồm các bo mạch phát triển phổ biến như Arduino, Raspberry Pi, ESP8266 và ESP32. Thư viện Blynk cung cấp API dễ sử dụng để tích hợp thiết bị với Blynk Cloud Server.

Nhìn chung, Blynk là một nền tảng mạnh mẽ và linh hoạt để xây dựng các dự án IoT và tính dễ sử dụng của nó giúp các nhà phát triển và người có sở thích ở mọi cấp độ kỹ năng có thể tiếp cận được.

Blynk hoạt động như thế nào?

</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34">

<i><b>Hình 10. Giới thiệu về Blynk. </b></i>

Blynk Library sẽ được upload vào các mạch điều khiển như Arduino, Esp8266... trên các mạch có thể kết nối với nhiều cảm biến, thiết bị,... Và được kết nối với Blynk Server thông qua Wifi, Ethernet, 3G, LTE...

Blynk App cài đặt trên điện thoại được kết nối tới Blynk Server thông quan Wifi hoặc LTE. Sẽ nhận các thông số mà các mạch điều khiển gửi lên Server, đồng thời cũng gửi các lệnh, tín hiệu điều khiên lên Server và gửi tới các mạch điều khiển.

Ưu điểm của blynk:

- Dễ cài đặt và sử dụng - Hồn tồn miễn phí

- Có hỗ trợ ứng dụng trên điện thoại di dộng Nhược điểm:

- Blynk thiên về điều khiển thiết bị hơn là quản lý dữ liệu vì vậy dữ liệu hiển thị sẽ không được trực quan như các nền tảng cloud khác

</div><span class="text_page_counter">Trang 35</span><div class="page_container" data-page="35">

<b>2.9 Tìm hiểu về IFTTT. </b>

<b>- Đây là dịch vụ trung gian phục vụ cho việc đẩy dữ liệu lên Google Sheet theo yêu cầu </b>

của dự án.

- Khái niệm IFTTT:

<b>+) IFTTT (IF This Then That) là ứng dụng bên thứ ba được dùng để kết nối các phần </b>

mềm hoặc thiết bị lại với nhau một cách thông minh để ra một “hành động” mới theo ý

<b>muốn. Trong IFTTT, người dùng có thể tạo những applets (hay tơi thích gọi là những </b>

ngữ cảnh/lệnh) để điều khiển những ứng dụng khác nhau giao tiếp với nhau.

<b>+) Ví dụ cơ bản cho smart home: Kết nối app thời tiết của Apple và đèn Philips HUE </b>

nhận biết khi nào trời mưa thì sẽ chỉnh đèn tối đi (khá hay phải không?)

<b>+) Điều đặc biệt nhất về IFTTT, theo người dùng đánh giá, là bạn được góp phần tạo </b>

ra những tính năng mới, đơi khi chưa từng có, ở các ứng dụng hay thiết bị điện tử lại với nhau, khiến kết quả là một cách dùng mạnh hơn, thơng minh hơn.

<i>Hình 11. Giao diện trang chủ IFTTT. </i>

- Lợi ích của IFTTT đối với cơng nghệ kỹ thuật:

<b>+) Đơn giản hóa q trình tự động hóa nhà thơng minh: IFTTT giúp dễ dàng tạo </b>

các quy tắc đơn giản hoặc phức tạp để tự động hóa các thiết bị nhà thông minh của mình, chẳng hạn như bật đèn khi về đến nhà hoặc điều chỉnh nhiệt độ khi rời đi.

<b>+) Tích hợp đa nền tảng: IFTTT có thể tích hợp với nhiều loại thiết bị và dịch vụ nhà </b>

thơng minh, bất kể thương hiệu nào. Điều này có nghĩa là có thể sử dụng IFTTT để kết nối Amazon Echo với bóng đèn Philips Hue hoặc bộ điều nhiệt Nest với chuông cửa Ring…

<b>+) Tăng sự tiện lợi: Với IFTTT, có thể tạo các applet giúp các thiết bị nhà thông minh </b>

hoạt động liền mạch với nhau, chẳng hạn như tắt đèn khi rời khỏi nhà hoặc phát nhạc khi bước vào phòng.

</div>