Nghiên cứu áp dụng mạng cảm biến không dây sử dụng năng lượng sạch trong mô hình nhà kính
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.21 MB, 25 trang )
Trường Đại học Quảng Bình
T
K
N Đ
K T
Đ
C
N
N
T–C N N
NT TN
N
NC
N
NK
N
N
C T
N N
KN
C
N N
N
T
Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55
Đ
N
N
N
N
N
N
N
N
T
NT
N
CĐCNKT Đ
Đ ng
i t
ng
1
n m
C
CT
N –Đ
N
N
NT
Trường Đại học Quảng Bình
Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55
ục lục
Phần mở đầu .................................................................................................................................. 4
1.
Gi i thiệu đề tài: ................................................................................................................. 4
2.
Ý ng ĩa k oa ọc của đề tài ............................................................................................... 5
3.
Mục đíc ng iên cứu .......................................................................................................... 5
4.
Gi i hạn đề tài ..................................................................................................................... 6
5.
Sản phẩm khoa học của đề tài ........................................................................................... 6
6.
Cấu trúc của báo cáo .......................................................................................................... 6
C ương
Tổng quan về mạng cảm biến không dây ................................................................. 7
I.1.
Mạng máy tính ................................................................................................................ 7
I.2.
Mạng cảm biến không dây ........................................................................................... 11
I.3.
Kết luận .......................................................................................................................... 11
C ương
N ng lượng sạch trong mạng cảm biến không dây .............................................. 12
II.1. Đặc điểm và cấu trúc của mạng cảm biến không dây ............................................... 12
II.2. N ng lượng sạch trong mạng cảm biến không dây.................................................... 14
II.3. Kết luận .......................................................................................................................... 16
C ương
ạng cảm biến không dây ứng dụng vào nhà kính ........................................... 17
III.1.
ng dụng trong nông nghiệp ................................................................................... 17
III.2.
ng dụng vào nhà kính............................................................................................. 18
III.3.
Kết luận ...................................................................................................................... 23
C ương
Kết luận ................................................................................................................... 24
Tài liệu tham khảo ....................................................................................................................... 25
2
Trường Đại học Quảng Bình
Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55
Hình 1: Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cuộc sống. ...................................................................4
Hình 2: Mạng máy tính..................................................................................................................................7
Hình 3: Mạng không dây. ..............................................................................................................................8
Hình 4: Mô hình mạng Ad hoc. .....................................................................................................................9
Hình 5: Mô hình mạng cơ sở. ......................................................................................................................10
Hình 6: Mô hình mạng mở rộng. .................................................................................................................10
Hình 7: Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây: nốt cảm biến (cảm biến, bộ vi điều khiển, bộ gửi
dữ liệu không dây) và trung tâm theo dõi. ...................................................................................................11
Hình 8: Cấu trúc cơ bản của nốt cảm biến không dây: cảm biến đo thông số môi trường; dữ liệu từ cảm
biến về bộ vi điều khiển; dữ liệu thô được xử lý và đóng gói trước khi gửi cho bộ giao tiếp không dây
nhằm gửi toàn bộ dữ liệu về trung tâm theo dõi và bộ nguồn......................................................................12
Hình 9: Kiến trúc của mạng cảm biến không dây. ......................................................................................13
Hình 10: Nguồn năng lượng sạch cho mạng cảm biến không dây. .............................................................15
Hình 11: Sơ đồ mạch cho cảm biến.............................................................................................................18
Hình 12: Bản vẽ linh kiện............................................................................................................................19
Hình 13: Sơ đồ bố trí linh kiện 3D. .............................................................................................................20
Hình 14: Nốt cảm biến sử dụng cảm biến DHT11, BH1750 và bộ cấp nguồn sử dụng năng lượng mặt trời.
......................................................................................................................................................................21
Hình 15: Mô hình mạng Zigbee. .................................................................................................................21
Hình 16: Nốt cảm biến sử dụng module CC2530 ZigBee...........................................................................22
Hình 17: Mạng cảm biến không dây sử dụng module CC2530 ZigBee áp dụng giám sát và điều khiển môi
trường nhà kính. ...........................................................................................................................................23
Bảng 1. Mật độ năng lượng của công nghệ thu hoạch năng lượng thông dụng...........................................16
3
Trường Đại học Quảng Bình
Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55
ần mở đầu
i i t iệu đề tài:
Ngày nay, cùng với sự phát triển rất mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nói chung và
ngành công nghệ thông tin, kỹ thuật điện – điện tử nói riêng, một khái niệm mới được đưa
ra Internet of Things (IOT). Trong IOT, một vấn đề đang được quan tâm trong những
nghiên cứu gần đây là mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks-WSN). Một
cách hiểu đơn giản, WSN là bao gồm các cảm biến (sensor) kết nối và giao tiếp với nhau
thành một mạng, thông qua kết nối wifi/internet. Về ứng dụng trong cuộc sống, WSN đã
được phát triển và được triển khai trong nhiều ứng dụng như: trong môi trường (theo dõi
sự thay đổi của môi trường, khí hậu, nghiên cứu vi sinh vật biển, chuyên chở các chất gây
ô nhiễm, kiểm tra giám sát hệ sinh thái và môi trường sinh vật phức tạp), trong quân sự
(giám sát các mặt trận quân sự), trong y tế (theo dõi và giám sát các bác sỹ, bệnh nhân),
trong giao thông (theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiện xe cộng)...và đặc
biệt trong nông nghiệp công nghệ cao (giám sát môi trường nuôi trồng: nhiệt độ, độ ẩm,
ánh sáng, độ pH, nồng độ CO2…).
1.
Hình 1: Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cuộc sống.
Hiện tại, Việt Nam có nền nông nghiệp đóng góp không nhỏ cho GDP (18% GDP),
trong đó nông nghiệp công nghệ cao đang là một trong những mục tiêu phát triển hàng
đầu.Khoa học công nghệ đã thúc đẩy nông nghiệp giúp Việt Nam gia tăng giá trị sản
lượng nông nghiệp xuất khẩu đạt xấp xỉ 31 tỷ USD năm 2014, tăng 1.5 lần so với bình
4
Trường Đại học Quảng Bình
Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55
quân các năm từ 2010 đến 2012. Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn đã có định
hướng đến năm 2020 thành tựu khoa học công nghệ đóng góp 50% GDP ngành nông
nghiệp. Đặc biệt, sản phẩm nông nghiệp công nghệ cao và sản phẩm nông nghiệp ứng
dụng công nghệ cao chiếm tỷ trọng 50% đến năm 2020.
Trong nông nghiệp công nghệ cao, việc áp dụng các cảm biến để giám sát điều
kiện môi trường trong một không gian rộng lớn sử dụng các kết nối dây dẫn là bất tiện,
khó khăn trong việc triển khai ở những vị trí rộng lớn, gập gềnh. Do đó, việc sử dụng các
cảm biến không dây thuận lợi triển khai ở những vị trí rộng lớn, những lơi mà kết nối dây
dẫn khó khăn trong việc triển khai.
Nhà kính tự động giúp chúng ta có thể tiết kiệm nhân lực, tăng độ chính xác trong
giám sát và điều khiển môi trường. Đặc biệt có thể giám sát và điều khiển 24/7. Vì vậy,
xu hướng phát triển của nông nghiệp công nghệ cao là sử dụng các nhà kính tự động giúp
giám sát và điều khiển môi trường sống của cây trồng, vật nuôi.
Từ những yêu cầu thực tế trên, 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. Phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây
trong nông nghiệp đang là xu thế phát triển nông nghiệp cao nói chung và nhà kính tự
động nói riêng. Từ đó, tôi đề xuấtđềtài “Nghiên cứu áp dụng mạng cảm biến không
dây sử dụng n ng lượng sạch trong mô hình nhà kính”.
2. Ý ng ĩa k oa ọc của đề tài
Quảng Bình nằm ở phía Đông Trường Sơn, giáp biển, ảnh hưởng bởi khí hậu khô
hạn gió Lào, điều kiện thời tiết nói chung là ít thuận lợi. Đặc biêt những năm gần đây,
thời tiết biến đổi thất thường, khí hậu thay đổi ( bão, lũ lụt, hạn hán.....) gây ra những ảnh
hưởng xấu đến năng suất nông nghiệp. Do đó để hạn chế ảnh hưởng của khí hậu thì việc
ứng dụng các cảm biến không dây vào giám sát thông số môi trường trên một không gian
rộng lớn nói chung và nhà kính tự động nói riêng giảm chi phí nhân công, vật tư dây dẫn,
giám sát trên một không gian rộng lớn. Hơn nữa, một cách thông thường người nông dân
canh tác dựa vào cảm nhận điều kiện môi trường, bằng cách sử dụng hệ thống cảm biến
người nông dân biết một cách chính xác điều kiện môi trường, từ đó chủ động hơn trong
việc nuôi trồng.
Việc áp dụng mạng cảm biến không dây sử dụng năng lượng sạch giúp kéo dài tuổi
thọ của mạng cảm biến đến khi phần cứng ngừng hoạt động. Đây là một trong những giải
pháp quan trọng trong việc cấp nguồn cho mạng cảm biến.
ục đíc ng iên cứu
Đề tài nghiên cứu, khảo sát và thực hiện với mục đích áp dụng các mạng cảm biến
không dây sử dụng năng lượng sạch để thu thập thông tin về môi trường, từ những số liệu
thu thập được chúng ta có thể thiết kế một hệ thống ổn định điều kiện môi trường sao cho
phù hợp với yêu cầu sinh trưởng của cây trồng vật nuôi. Hệ thống gồm các cảm biến như
cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí, ánh sáng, CO2… tích hợp trong mạng không dây.
3.
5
Trường Đại học Quảng Bình
Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55
Nghiên cứu nguồn năng lượng sạch để tăng tuổi thọ mạng cảm biến và giải quyết vấn đề
cấp nguồn cho mạng hoạt động.
i i ạn đề tài
Để đáp ứng ứng dụng mạng cảm biến không dây và trong nhà kính tự động đòi hỏi
phải có một lượng thời gian, kiến thức nhất định, bên cạnh đó còn là vấn đề tài chính. Với
lượng thời gian và kiến thức có hạn, trong đề tài này tôi đưa ra những nghiên cứu cơ bản
nhất của hệ thống hoàn chỉnh đó.Tôi tập trung vào những vấn đề chính (lý thuyết và thực
nghiệm):
Tổng quan mạng cảm biến không dây;
Năng lượng sạch trong mạng cảm biến không dây;
Mạng cảm biến không dây ứng dụng trong nhà kính tự động.
4.
ản p ẩm k oa ọc của đề tài
Đề tài được xuất bản trong những công trình khoa học
[1]. Đào Xuân Quy, Từ Ngọc Thịnh, Trần Tiến Đạt, Vĩnh Thái Cường. Ứng
dụng mạng cảm biến không dây sử dụng năng lượng sạch vào nông nghiệp
(đang chuẩn bị).
[2]. Đào Xuân Quy, Lê Trọng Nhân, Từ Ngọc Thịnh, Trần Tiến Đạt. Năng
lượng sạch trong mạng cảm biến không dây. Tạp chí Thông tin Khoa học
và Công nghệ, Sở Khoa học và Công nghệ Quảng Bình, 2016 (đã gửi bài).
[3]. Đào Xuân Quy, Lê Ngọc Phong, Lê Văn Hùng, Từ Ngọc Thịnh. Giám sát
và điều khiển môi trường nhà kính bằng điện thoại smartphone. Hội thảo
khoa học Khoa Kỹ thuật-Công nghệ, Trường Đại học Quảng Bình, tháng 4,
năm 2016.
6. Cấu trúc của báo cáo
Báo cáo được trình bày như sau
C ương : Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Giới thiệu tổng quan về mạng máy tính, tổng quan về mạng không dây và một cách
sơ lược về mạng cảm biến khôngdây.
C ương
N ng lượng sạch trong mạng cảm biến không dây
Giới thiệu một cách sơ lược về đặc điểm và cấu trúc của một nốt cảm biến, cấu trúc
của mạng cảm biến, ứng dụng năng lượng sạch (năng lượng mặt trời) vào cung cấp nguồn
cho hệ thống cảm biến.
C ương : Mạng cảm biến không dây ứng dụng vào nhà kính
Giới thiệu về hệ thống cảm biến được sử dụng trong nông nghiêp, ứng dụng mạng
cảm biến không dây trong mô hình nhà kính tự động.
C ương : Kết luận
Nêu lên những kết luận chính của đề tài và định hướng nghiên cứu trong tương lại.
5.
6
Trường Đại học Quảng Bình
Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55
C ương
Tổng quan về mạng cảm biến k ông dây
I.1.
ạng m y tín
a. Định nghĩa
Mạng máy tính có thể được định nghĩa là tập hợp các máy tính và những thiết bị
khác được kết nối với nhau bởi các đường truyền vật lý theo một kiến trúc nào đó (kết nối
dây dẫn hoặc không dây dùng wifi/internet). Mục đích của mạng máy tính là trao đổi
thông tin và chia sẻ tài nguyên giữa các thiết bị và các máy tính kết nối trong mạng (Hình
2). Ví dụ mạng LAN (Local Area Networks), các máy tính kết nối với nhau và các thiết bị
như máy in, máy fax, điện thoại và các thiết bị hỗ trợ thiết lập mạng như hub, modem,
repeater, router…
Hình 2: Mạng máy tính.
b. Phân loại mạng máy tính
Mạng máy tính có thể phân loại theo một số tiêu chí như sau
Phân loại theo khoảng cách địa lý: mạng cục bộ LAN cài đặt trong phạm vi
tương đối hẹp khoảng cách lớn nhất giữa các máy tính nối mạng là vài chục
km, mạng đô thị MAN (Metropolian Area Networks) cài đặt trong phạm vi
một đô thị có bán kính nhỏ hơn 100km, mạng diện rộng WAN (Wide Area
Networks) phạm vi toàn quốc gia và cả lục địa, mạng toàn cầu GAN
(Global Area Networks) phạm vị toàn lục địa;
Phân loại theo kiến trúc mạng: theo topo và giao thức sử dụng. Các mạng
thông dụng: mạng SNA của IBM, mạng ISO và mạng TCP/IP;
Phân loại theo kỹ thuật chuyển mạch: mạng chuyển mạch kênh, mạng
chuyển mạch; thông báo, mạng chuyển mạch gói;
Phân loại theo hệ điều hành.
7
Trường Đại học Quảng Bình
Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55
c. Mạng không dây
Mạng không dây là một hệ thống các thiết bị được nhóm lại với nhau, có khả năng
giao tiếp thông qua sóng vô tuyến thay vì các đường truyền dẫn bằng dây. Nói một cách
khác mạng không dây là mạng sử dụng công nghệ mà cho phép hai hay nhiều thiết bị kết
nối với nhau bằng cách sử dụng một giao thức chuẩn, nhưng không cần kết nối vật lý hay
chính xác là không cần sử dụng dây mạng (Hình 3).
Hình 3: Mạng không dây.
Phân loại mạng không dây: một cách truyền thống như phân loại mạng dây, cách
phân chia cơ bản nhất của hệ thống mạng không dây là theo phạm vi phủ sóng. Theo đó
chúng ta có thể chia mạng không dây thành các mạng:
WLAN: Wireless Local Area Network hay Wireless LAN - hệ thống mạng
cục bộ không dây. Ví dụ về mạng không dây của toàn nhà công sở, trường
họp, bệnh viện, trung tâm thương mại;
WMANS: Wireless Metropolitan Area Networks - hệ thống mạng đô thi
không dây. Ví dụ như Đà Nẵng muốn xây dựng hệ thống không dây cho
toàn thành phó.
WWANS: Wireless Wide Area Networks - hệ thống mạng diện rộng không
dây. Ví dụ hệ thống mạng 3G/4G của các công ty viễn thông Viettel,
Mobifone, Vinaphone.
8
Trường Đại học Quảng Bình
Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55
Kỹ thuật truyền tín hiệu trong mạng không dây
Kỹ thuật trải phổ tuần tự trực tiếp (Direct Hopping Spread SpectrumDHSS), kỹ thuật cho phép tín hiệu truyền đi được trải trên nhiều tần số hoạt
động đồng thời nhằm giảm đến mức tối thiểu sự nhiễu và mất mát dữ liệu.
Kỹ thuật giảm sóng đa truy cập tránh đụng độ (Carrier Sense Multiple
Access with Collision Avoidance-CSMA/CA), khắc phục tình trạng đụng
độ do các máy trạm cùng truyền tín hiệu tại một thời điểm.
Kỹ thuật yêu cầu để gửi/xóa để gửi (Request To Send/Clear To SendRTS/CTS)
Mô hình mạng không dây
Mô hình mạng Ad hoc (Independent Basic Service Sets-IBSS): là công nghệ
cho phép các nốt mạng (node) truyền trực tiếp với nhau sử dụng bộ thu
phát không dây (wireless transceiver) mà không cần bất cứ cơ sở hạ tầng cố
định nào. Mạng Ad hoc có đặc điểm là mỗi máy chủ không chỉ đóng vai trò
là một hệ thống cuối mà còn đóng vai trò của hệ thống trung gian, mọi nốt
mạng đều có khả năng di động, topo mạng thay đổi theo thời gian (Hình
4).
Hình 4: Mô hình mạng Ad hoc.
Mô hình mạng cơ sở (Basic Service Sets-BSS) gồm các điểm truy nhập AP
(Access Point) đóng vai trò điểu khiển cell và điều khiển lưu lượng tới
mạng. Trong mạng cơ sở, các thiết bị không dây không giao tiếp trực tiếp
mới nhau và giao tiếp với các điểm truy cập AP (Hình 5).
9
Trường Đại học Quảng Bình
Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55
Hình 5: Mô hình mạng cơ sở.
Mô hình mạng mở rộng (Extended Service Sets-ESS) là dạng mở rộng của
BSS. Trong đó một ESS là tập hợp các BSS giao tiếp với nhau qua AP
(Hình 6).
Hình 6: Mô hình mạng mở rộng.
10
Trường Đại học Quảng Bình
I.2.
Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55
ạng cảm biến k ông dây
Mạng cảm biến không dây là một hệ thống bao gồm nhiều nốt cảm biến và một
trung tâm theo dõi, như mô tả trong Hình 7.
Hình 7: Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây: nốt cảm biến (cảm biến, bộ vi điều
khiển, bộ gửi dữ liệu không dây) và trung tâm theo dõi.
Trong mạng cảm biến không dây, mỗi nốt cảm biến là một hệ thống nhỏ bao gồm
ba bộ phận chính: các cảm biến, bộ vi điều khiển và bộ gửi dữ liệu không dây (Hình
7). Các cảm biến sử dụng cho một nốt cảm biến rất đa dạng và tùy thuộc vào từng ứng
dụng như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, âm thanh, pH, độ mặn cho đến các loại cảm biến cấp
cao khác như âm thanh hay hình ảnh. Các cảm biến này đo thông số cần giám sát và gửi
về bộ vi điều khiển. Tại đây, dữ liệu thô được xử lý và đóng gói trước khi gửi cho bộ giao
tiếp không dây, nhằm gửi toàn bộ dữ liệu này về trung tâm theo dõi, kịp thời điều chỉnh
thông số theo mong muốn.
I.3. Kết luận
Mạng không dây cho phép người dùng truy xuất tài nguyên ở bất kỳ đâu, ví dụ như
mạng 3G/4G. Hơn nữa, thông qua kết nối không dây, không giới hạn ở không gian, tính
di động cao và đặc biệt khả năng mở rộng cao. Tuy nhiên, mạng không dây có thể bị
nhiễu do sóng radio, ảnh hưởng bời thiết tiết, thời gian tồn tại của mạng không dây sử
dụng pin và tốt độ mạng không dây còn thấp so với mạng có dây.
Để giải quyết vấn đề thời gian tồn tại của mạng không dây, đặc biệt là mạng cảm
biến không dây, chương tiếp theo chúng tôi nghiên cứu cấu trúc mạng cảm biến không
dây và tổng hợp một số phương pháp thu hoạch năng lượng sạch cho mạng cảm biến
không dây.
11
Trường Đại học Quảng Bình
C ương
Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55
N ng lượng sạc trong mạng cảm biến k ông dây
II.1. Đặc điểm và cấu trúc của mạng cảm biến k ông dây
Mạng cảm biến không dây là một mạng không dây bao gồm nhiếu nốt cảm biến
hợp thành có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhằm mục đích thu thập, xử lý và đưa
ra các quyết định cần thiết liên quan đến thông số cần cảm nhận. Việc sử dụng kết nối
không dây giúp mạng cảm biến không dây có thể hoạt động trong những điều kiện và vị
trí địa lý rộng lớn, khó khăn tiếp cận và nguy hiểm thông qua một giao thức chuẩn nhất
định.
Cấu trúc cơ bản của nốt cảm biến được minh họa trong n : các cảm biến để đo
thông số môi trường, bộ truyển đổi tín hiệu A/D, vi điều khiển, bộ gửi dữ liệu không dây
và bộ nguồn.
Bộ định vị
tìm vị trí
Bộ thu phát
Bộ xử lý
i điều khiển
Cảm biến
A/D
Bộ nh
Bộ cảm biến
Bộ ngu n
Hình 8: Cấu trúc cơ bản của nốt cảm biến không dây: cảm biến đo thông số môi trường; dữ liệu
từ cảm biến về bộ vi điều khiển; dữ liệu thô được xử lý và đóng gói trước khi gửi cho bộ giao tiếp
không dây nhằmgửi toàn bộ dữ liệu về trung tâm theo dõi và bộ nguồn.
Bộ cảm biến:các cảm biến có nhiệm vụ đo thông số môi trường như nhiệt
độ, độ ẩm, anh sáng độ pH, CO2, âm thanh, hình ảnh…Bộ truyển đổi tính
hiệu A/D có nhiệm vụ truyển đổi tín hiệu số và tương tự.
Bộ xử lý: có nhiệm vụ xử lý dữ liệu thô, mã hóa và đóng gói gửi cho bộ gửi
dữ liệu không dây.
Bộ gửi dữ liệu không dây: có nhiệm vụ gửi dữ liệu đến nốt cảm biến khác
và trung tâm theo dõi.
12
Trường Đại học Quảng Bình
Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55
Bộ nguồn: có nhiệm vụ cấp nguồn cho các nốt cảm biến hoạt động, có thể
sử dụng nguồn giới hạn (pin hoặc ắc-quy) hay nguồn từ năng lượng sạch
(năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng nhiệt…).
Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến không dây có thể được minh họa như Hình
9. Kiến trúc này bao gồm: lớp vật lý; lớp liên kết dữ liệu; lớp mạng; lớp truyền tải; lớp
ứng dụng; phần quản lý công suất; phần quản lý di động và phần quản lý nhiệm vụ.
Hình 9: Kiến trúc của mạng cảm biến không dây.
Lớp ứng dụng: tùy vào nhiêm vụ của mạng cảm biến mà các phần mềm ứng
dụng khác nhau được xây dựng và sử dụng trong lớp ứng dụng.
Lớp giao vận: giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến yêu
cầu. Lớp truyền tải đặc biệt cần thiết khi mạng cảm biến kết nối với mạng
bên ngoài, hay kết nối người dung qua internet.
Lớp mạng: quan tâm đến việc định tuyến dũ liệu được cung cấp bởi lớp
truyền tải. Thiết kế lớp mạng theo nguyên tắc: hiệu quả về năng lượng luôn
xem là quan trọng nhất; các mạng cảm biến gần như là tập trung dữ liệu;
tích hợp dữ liệu vào giao thức mạng; phải có cơ chế chỉ theo thuộc tính và
biết về vị trí.
Lớp kết nối dữ liệu: lớp này chịu trách nhiệm cho việc ghép các luồng dữ
liệu, dò khung dữ liệu, điều khiển lỗi và truy cập môi trường.
Lớp vật lý: lớp này chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, phát tần số sóng mang,
điều chế, lập mã và tách sóng.
13
Trường Đại học Quảng Bình
Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55
Phần quản lý công suất: điều khiển việc sử dụng công suất của nút cảm
biến.
Phần quản lý di động: phát hiện và ghi lại sự di chuyển của các nút cảm biến
để duy trì tuyến tới người sử dụng và các nút cảm biến. Nhờ xác định được
các nút lân cận, các nút có thể cân bằng giữa công suất của nó và nhiệm vụ
thực hiện.
Phần quản lý nhiệm vụ: có thể lên kế hoạch các nhiệm vụ cảm biến trong
một vùng xác định. Không phải tất cả các nút cảm biến trong vùng đó đều
thực hiện nhiệm vụ cảm biến tai cùng một thời điểm.
ết quả là một số nút
cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tùy vào mức độ công
suất của nó.
II.2. N ng lượng sạc trong mạng cảm biến k ông dây
Cùng với sự phát triển của công nghệ vi cơ điện tử (Micro Electro Mechanical
Systems-MEMS), kỹ thuật truyền sóng vô tuyến trong kết nối không dây và thiết bị số
làm đơn giản hóa trong việc phát triển hệ thống nốt cảm biến với giá thành thấp, ít tiêu
thụ năng lượng và nhiều chức năng. Hiện tại, những nốt cảm biến được chế tạo với kích
thước nhỏ gọn và mạnh mẽ trong xử lý và giao tiếp không dây. Tuy nhiên, do khoảng
cách truyền dữ liệu của bộ gửi dữ liệu không dây là tương đối ngắn (ví dụ 30m đối với bộ
gửi dữ liệu của hãng Texas Instrument CC2420) nên những ứng dụng giám sát trên những
vùng không gian rộng lớn hoặc phần tử di động yêu cầu một số lượng lớn nốt cảm biến.
Hơn nữa, các nốt cảm biến (địa chấn, từ, nhiệt, thị giác, hồng ngoại, âm thanh…) ứng
dụng trong nhà thông minh, hướng dẫn bãi đậu xe hoặc chăm sóc sức khỏe bệnh nhân yêu
cầu thời gian tồn tại lâu dài. Thực tế, thời gian tồn tại của nốt cảm biến là giới hạn do thời
gian của Pin (Ác-quy) là giới hạn. Do đó, nhằm mục đích tăng thời gian tồn tại của mạng
cảm biến không dây, năng lượng môi trường xung quanh được sử dụng để cấp nguồn cho
nốt cảm biến. Theo lý thuyết, năng lượng thu hoạch cung cấp cho nốt cảm biến lớn hơn
năng lượng tiêu thụ thì thời gian tồn tại của mạng cảm biến là đến khi phần cứng ngừng
hoạt động.
Trong thập kỷ qua, nhiều nền tảng của nốt cảm biến trong nghiên cứu cũng như
công nghiệp được đề xuất như Crossbow Mica2 hoặc BT (Beutel, et al., 2004). Tất cả nền
tảng này có chi phí thấp, kích thước nhỏ và đặc biệt hiệu suất năng lượng cao nhưng năng
lượng tiêu thụ vẫn là hạn chế chính trong mạng cảm biến không dây. Mặc dù mạng cảm
biến không dây dễ triển khai trong những ứng dụng giám sát khi mà việc thực hiện kết nối
dây dẫn là khó khăn và chi phí cao. Tuy nhiên, vấn đề duy trì cấp nguồn cho nốt cảm biến
14
Trường Đại học Quảng Bình
Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55
là khó khăn khi ứng dụng trên không gian rộng lớn và những vị trí nguy hiểm. Vấn đề này
sẽ mở ra hai cách tiếp cận khác nhau trong việc mở rộng thời gian hoạt động của hệ thống
mạng cảm biến không dây:
Đầu tiên, một loạt các phương pháp và kỹ thuật để giảm điện năng tiêu thụ
và do đó tăng tuổi thọ hệ thống (cả trong phần cứng và phần mềm
(Demirkol, et al., 2009)). Mặc dù phương pháp này có thể tăng tuổi thọ cho
mạng cảm biến không dây nhưng giải pháp này vẫn bị giới hạn do vẫn sử
dụng Pin (Ác-quy) để cấp nguồn cho nốt cảm biến.
Thứ hai, các nguồn năng lượng thay thế đã được tích hợp để bổ sung, hoặc
thậm chí thay thế Pin (Ác-quy). Nhờ những tiến bộ trong kỹ thuật thu
hoạch năng lượng, năng lượng vĩnh cửu môi trường được thiết kế tự động
thu hoạch năng lượng của mạng cảm biến không dây.
Thiết bị tự động thu hoạch năng lượng có thể là: quang điện cho năng lượng mặt
trời; nhiệt điện cho năng lượng nhiệt;phong điện cho năng lượng gió (Hình 10). Những
thiết bị này giá thành thấp, kích thước nhỏ nhưng mang lại hiệu suất cao.
uang điện
Nhiệt điện
ong điện
Nốt cảm biến
Hình 10: Nguồn năng lượng sạch cho mạng cảm biến không dây.
Bảng 1 tóm tắt mật độ năng lượng tiềm năng của công nghệ thu hoạch năng lượng.
Chúng ta có thể thấy rằng quang điện từ mặt trời cung cấp mật độ năng lượng cao nhất.
Hơn nữa, quang điện có kích thước nhỏ, chi phí thấp và dễ dàng triển khai so với công
nghệ khác (Stojcev, et al., 2009). Vì vậy, quang điện được sử dụng rộng rãi nhất trong các
nền tảng thu hoạch năng lượng của mạng cảm biến không dây.
15
Trường Đại học Quảng Bình
Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55
Bảng 1. Mật độ năng lượng của công nghệ thu hoạch năng lượng thông dụng.
Mật độ n ng lượng
Thiết bị thu hoạch
Quang điện trực tiếp từ mặt
trời
Quang điện ngày có mây
15mW/cm2
0.15mW/cm2
Quang điện trong nhà
6µW/cm2
Quang điện với đèn bàn
0.57mW/cm2
Áp điện
330µW/cm2
Nhiệt điện -100C
40µW/cm2
Phong điện -15Km/h
7.93mW
Mặc dù năng lượng môi trường có thể tận dụng lâu như mong muốn, nhưng năng
lượng thu hoạch phụ thuộc sự thay đổi của điều kiện môi trường. Năng lượng mặt trời có
định kỳ và có thể được dự đoán, nhiệt năng và năng lượng gió tùy ý và không thể dự đoán
trước được. Do đó, hệ thống quản lý năng lượng cần được tích hợp vào nút thu hoạch
năng lượng của mạng cảm biến để phù hợp với năng lượng thu hoạch (Kansal, et al.,
2007).
II.3. Kết luận
Trong chương này, chúng tôi trình bày tổng quan về cấu trúc mạng cảm biến
không dây và các kỹ thuật cải thiện thời gian tồn tại của mạng. Một trong những kỹ thuật
cải thiện thời gian tồn tại của mạng là sử dụng nguồn năng lượng sạch để cấp nguồn cho
hệ thống. Trong những kỹ thuật thu hoạch năng lượng sạch cấp nguồn cho mạng, quang
điện từ mặt trời là thích hợp nhất để kéo dài tuổi thọ cho mạng: chi phí thấp, thiết bị nhỏ
gọn và hiệu suất năng lượng cao.
Mạng cảm biến không dây sử dụng năng lượng mặt trời sẽ được áp dụng vào mô
hình nhà kính tự động trong phần tiếp theo.
16
Trường Đại học Quảng Bình
C ương
Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55
ạng cảm biến k ông dây ứng dụng vào n à kín
III.1. ng dụng trong nông ng iệp
Nhờ nhiều loại cảm biến đa dạng, mạng cảm biến không dây có thể đáp ứng hầu
hết các yêu cầu theo dõi điều kiện môi trường trong sản xuất nông nghiệp. Việc giao tiếp
không dây giúp cho việc lắp đặt mạng cảm biến dễ dàng và thuận tiện, nhất là trong môi
trường giám sát rộng lớn của sản xuất nông nghiệp. Mỗi nốt cảm biến được đặt trong
vùng không gian cần giám sát. Nó sẽ tự động gửi dữ liệu trực tiếp về trung tâm theo dõi
(nếu nằm trong bán kính giao tiếp không dây với trung tâm) hoặc thông qua các nốt cảm
biến trung gian (nếu nằm ngoài bán kính giao tiếp không dây với trung tâm) để gửi dữ
liệu về trung tâm. Với những ưu điểm như trên, mạng cảm biến không dây đã được ứng
dụng rất nhiều trên thế giới.
Tại Việt Nam, hệ thống mạng cảm biến không dây bước đầu được xây dựng và triển
khai trong nông nghiệp, ví dụ như hệ thống mạng cảm biến không dây phục vụ nông
nghiệp chính xác tại Trường Đại học Kinh tế Nông nghiệp Long An (Le & Thai, 2013).
Nhóm tác giả đã bước đầu xây dựng, triển khai và chạy thử nghiệm mạng cảm biến giám
sát nhiệt độ và độ ẩm. Bước đầu hoạt động tốt hứa hẹn sẽ tiết kiệm nguyên liệu đầu vào,
nâng cao hiệu quả, năng suất và lợi nhuận trong hệ thống sản xuất nông nghiệp.
Việc thiết kế hệ thống nhà lưới để phục vụ sản xuất nông nghiệp công nghệ cao đã
được Ngô Trí Dương và nhóm tác giả tiến hành, ví dụ thiết kế và chế tạo module xử lý tín
hiệu đo nhiệt độ, độ ẩm và cường độ ánh sáng để sử dụng trong hệ thống điều khiển quá
trình sản xuất rau trong nhà lưới (Nguyen & Ngo, 2011). Nhóm tác giả đã giải quyết vấn
đề khó khăn cho nhà vườn ở Việt Nam trong việc đo đạc các thông số môi trường bằng
các module xử lý tín hiệu đo nhiệt độ, độ ẩm và cường độ sáng. Đồng thời nhóm cũng
thiết kế hệ thống tự động điều khiển quạt thông gió, bơm phun sương phục vụ trồng rau
trong giai đoạn vườn ươm để đảm bảo duy trì nhiệt độ, độ ẩm, kiểm soát tỷ lệ các chất
dinh dưỡng cũng như nồng độ các chất bảo vệ thực vật phun tới cây trồng (Ngo &
Nguyen, 2013). Mặc dù hệ thống đơn giản, dễ sử dụng và chi phí thấp nhưng chưa có sự
đồng bộ cao, cần phát triển lên thành hệ thống mạng cảm biến không dây tự động trong
việc giám sát và điều khiển môi trường.
17
Trường Đại học Quảng Bình
Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55
III.2. ng dụng vào n à kín
a. Thiết kế nốt cảm biến
Nốt cảm biến gồm bộ cảm biến cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11; cảm biến ánh
sáng BH1750 và bộ cấp nguồn sửu dụng năng lượng mặt trời. Hệ thống cảm biến có
nhiệm vụ cập nhật thông số môi trường theo thời gian thực và gửi đến bộ điều khiển trung
tâm.Sơ đồ mạch cho hệ thống cảm biến: DHT11 và BH1750 được trình bày trong Hình
11: module DHT11, module BH1750, linh kiện MAX485 và STM85.. Sử dụng cảm biến
ánh sáng module BH1750 (đo ánh sáng 1–65535 lux), cảm biến nhiệt độ - độ ẩm module
DHT11 (đo độ ẩm 20%-95%, nhiệt độ 0-50oC, sai số độ ẩm ±5%, sai số nhiệt độ ±2ºC).
Hình 11: Sơ đồ mạch cho cảm biến.
Mô tả linh kiện trong Hình 11được trình bày
18
Trường Đại học Quảng Bình
Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55
Bản vẽ mạch và sơ đồ bố chí linh kiện được trình bày trong các hình tiếp theo:
Hình 12và Hình 13.
Hình 12: Bản vẽ linh kiện.
19
Trường Đại học Quảng Bình
Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55
Hình 13: Sơ đồ bố trí linh kiện 3D.
Nốt cảm biến được thiết kế như trongHình 14, trong đó bộ cảm biến sử dụng
DHT11 và BH1750, bộ nguồn sử dụng năng lượng mặt trời để cấp nguồn.
Bộ định vị
tìm vị trí
Cảm biến
Bộ xử lý
Bộ thu phát
i điều khiển
A/D
Bộ nh
Bộ cảm biến
Bộ ngu n
20
Bộ cấp ngu n
dùng
n ng
lượng mặt trời
Trường Đại học Quảng Bình
Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55
Hình 14: Nốt cảm biến sử dụng cảm biến DHT11, BH1750 và bộ cấp nguồn sử dụng năng lượng
mặt trời.
Phần tiếp theo chúng tôi sẽ thiết kết mạng cảm biến không dây áp dụng vào mô
hình nhà kính tự động dựa trên nốt cảm biển sử dụng năng lượng mặt trời.
b. Thiết kế mạng cảm biến trong nhà kính
Mạng cảm biến không dây sử dụng năng lượng sạch áp dụng vào nhà kính tự động
theo chuẩn Zigbee. Ngoài các chuẩn giao tiếp không dây khá phổ biến như: Wimax,
Bluetooth, 3G/4G/5G, hiện nay Zigbee là một chuẩn giao tiếp mới được áp dụng rộng rãi
trong nhiều lĩnh vực của đời sống. Nhờ tính linh động, ngày nay Zigbee được dùng nhiều
những ứng dụng trong cuộc sống như: các hệ chiếu sáng thông minh, bệnh viện, mạng
cảm biến không dây…
Zigbee là một giao thức được xây dựng theo chuẩn IEEE 802.15.4 với giá thành và
công suất thấp nhưng có khả năng ứng dụng linh động trong phạm vi rộng. Trong truyền
thông, giao thức Zigbee thường hỗ trợ ba mô hình mạng chính: mạng hình sao, mạng hình
cây và mạng sơ đồ lưới (Hình 15).
Hình 15: Mô hình mạng Zigbee.
Các thiết bị không dây dựa trên chuẩn Zigbee hoạt động trên 3 dãy tần số chính là
868MHZ, 915 MHz và 2,4 GHz.
Dải 868,3 Mhz: Chỉ một kênh tín hiệu .Trong dải này tốc độ truyền là
20kb/s.
Dải 902 Mhz - 928 MHz: Có 10 kênh tín hiệu từ 1 - 10 với tốc độ truyền
thường là 40kb/s.
Dải 2,4 Ghz - 2,835 GHz: có 16 kênh tín hiệu từ 11 - 26 với tốc độ truyền
250 kb/s.
Trong nhiều ứng dụng, người ta hay dùng giao thức Zigbee ở dải tần 2,4 Ghz 2,835 Ghz. Đây là dải tần phổ biến và được hỗ trợ bởi nhiều thiết bị. Hơn nữa với Zigbee,
dải tần này có tới 16 kênh tín hiệu trong dải (mỗi kênh cách nhau 5MHz tần số) với tốc độ
truyền lớn nhất: 250kb/s.
21
Trường Đại học Quảng Bình
Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55
Với những đặc điểm chính:
Tốc độ truyền dữ liệu thấp 20-250Kbps
Sử dụng công suất thấp, ít tiêu hao điện năng
Thời gian sử dụng pin rất dài
Cài đặt, bảo trì dễ dàng
Độ tin cậy cao
Có thể mở rộng đến 65000 node
Chi phí đầu tư thấp
Nốt cảm biến được thiết kế với module CC2530 ZigBee như Hình 16.
Bộ định vị
tìm vị trí
Cảm biến
Bộ xử lý
Bộ thu phát
i điều khiển
A/D
Bộ nh
CC2530 ZigBee
Bộ cảm biến
Bộ ngu n
Bộ cấp ngu n
dùng n ng lượng
mặt trời
Hình 16: Nốt cảm biến sử dụng module CC2530 ZigBee.
Mạng cảm biến không dây sử dụng chuẩn ZigBee tự động giám sát thông số môi
trường, gửi đến trung tâm theo dõi và tự động điều chính môi trường nhà kính (Hình 17).
Hệ thống cảm biến nhằm theo dõi các thông số kỹ thuật liên quan đến chất lượng cây
trồng như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sang và các thông số liên quan đến điều kiện đất trồng như
độ
ẩm
đất,
độ
pH…
biến
có
nhiệmvụcậpnhậtthôngsốmôitrườngtheothờigianthựcvàgửiđếnbộđiềukhiểntrungtâm. Dựa
trên các thông số thu thập được, bộ điều khiển trung tâm sẽ tác động lên hệ thống cơ cấu
chấp hành: quạt thông gió, mái che, bơm tưới, hệ thống chiếu sáng.
22
Trường Đại học Quảng Bình
Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55
ZigBee
Hình 17: Mạng cảm biến không dây sử dụng module CC2530 ZigBee áp dụng giám sát và điều
khiển môi trường nhà kính.
III.3. Kết luận
Chúng tôi xây dựng mạng cảm biến không dây sử dụng năng lượng sạch áp dụng
vào mô hình nhà kính tự động giúp tự động giám sát và điều khiển thông số môi trường.
Trong mạng cảm biến không dây, chúng tôi sử dụng giao thức truyền ZigBee và sử dụng
module CC2530 ZigBee. Sử dụng module DHT11 và BH1750 tự động giám sát thông số
môi trường: nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng và sử dụng ánh sáng mặt trời để cấp nguồn cho
nôt cảm biến giúp duy trì thời gian tồn tại mạng cảm biến không dây theo lý thuyết là vô
hạn.
23
Trường Đại học Quảng Bình
Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55
C ương
Kết luận
Đề tài đã thực hiện nghiên cứu áp dụng mạng cảm biến không dây vào mô hình
nhà kính tự động. Vấn đề quan trọng nhất của mạng cảm biến không dây là thời gian tồn
tại của mạng đã được giải quyết bằng cách sử dụng nguồn năng lượng mặt trời đề cấp
nguồn. Trong nghiên cứu, chúng tôi thiết kế mạng cảm biến không dây từ những module
có sãn với chi phí thấp và hiệu suất cao, phù hợp với chi phí trong nông nghiệp.
Năng lượng sạch có thể được thu hoạch để cấp nguồn cho mạng cảm biến không
dây: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng nhiệt… Trong đó, năng lượng mặt
trời là thích hợp nhất để kéo dài tuổi thọ cho mạng: chi phí thấp, thiết bị nhỏ gọn và hiệu
suất năng lượng cao.
Mạng cảm biến không dây áp dụng vào mô hình nhà kính tự động dụng giao thức
truyền ZigBee và module CC2530 ZigBee, giao thức có giá thành và hiệu suất thấp nhưng
có khả năng ứng dụng linh hoạt trong một phạn vi rộng lớn phù hợp với nông nghiệp
công nghệ cao nói chung và nhà kính tự động nói riêng. Bộ cảm biến dựa trên module
DHT11 và BH1750 giá thành thấp và hiệu suất cao.
Mặc dù năng lượng sạch được thu hoạch nhằm cấp nguồn cho mạng cảm biến
không dây nhưng kỹ thuật quản lý năng lượng cần được nghiên cứu kỹ hơn. Trong tương
lại, chúng tôi sẽ đi sâu hơn nữa vào cách thức quản lý năng lượng trong mạng cảm biến
không dây.
24
Trường Đại học Quảng Bình
Từ Ngọc Thịnh CĐ CNKT Điện- Điện Tử K55
Tài liệu t am k ảo
Beutel, J. et al., 2004. Nextgeneration prototyping of sensor networks. s.l., s.n., pp. 291-292.
Demirkol, I., Ersoy, C. & Onur, E., 2009. Wake-up receivers for wireless sensor networks:
benefits and challenges. IEEE Wireless Communications, 16(4), p. 88–96.
Kansal, A., Hsu, J., Zahedi, S. & Srivastava, M., 2007. Power management in energy harvesting
sensor networks. ACM Transactions on Embedded Computing Systems (TECS), 6(4).
Le, D. T. & Thai, D. N., 2013. Xây dựng mạng cảm biến không dây trong nông nghiệp chính xác.
Tạp chí khoa học Trường Đại học Cần thơ, số chuyên đề: Công nghệ thông tin, 115-122..
Ngo, T. D. & Nguyen, T. H., 2013. Design and manufacturing of automated greenhouse misting
control system for vegetables during nursery stage. Journal of Sci. & Devel., Vol. 11, No. 3:397410..
Nguyen, V. L. & Ngo, T. D., 2011. Design and manufacture signal processing modules to
measure temperature, relative humidity and light intensity for the control systems in a vegetable
net house.. Journal of Sci. & Devel., Vol. 9, No. 1:120-130..
Stojcev, M. K., Kosanovic, M. R. & Golubovic, L. R., 2009. Power management and energy
harvesting techniques for wireless sensor nodes. Telecommunication in Modern Satellite, Cable,
and Broadcasting Services, pp. 65-72.
25
