TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
Tình hình nghiên cứu trong nước
Mặc dù tiềm năng ứng dụng của mạng cảm biến không dây WSAN (wireless sensor actor network) là rõ ràng, nhưng hiện chưa có dự án nghiên cứu quy mô nào được triển khai tại Việt Nam Chủ đề mạng cảm biến không dây WSN (wireless sensor network) đã được thảo luận tại các diễn đàn khoa học và công nghệ, tuy nhiên, không có nghiên cứu nào được thực hiện tại Việt Nam được ghi nhận trong các cơ sở dữ liệu uy tín như IEEE, ACM, hay ScienceDirect Đặc biệt, chủ đề WSAN, với sự bổ sung của các actor, vẫn còn mới mẻ đối với cộng đồng nghiên cứu trong nước.
Trong những năm gần đây, mạng cảm biến không dây đã được phát triển và triển khai cho nhiều ứng dụng đa dạng, bao gồm theo dõi môi trường, giám sát các công trình dân dụng, bảo vệ rừng và vườn cây Ngoài ra, công nghệ này còn được sử dụng trong giám sát quân sự, phát hiện các mối đe dọa hạt nhân, sinh học và hóa học, cũng như chẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc Hệ thống cảm biến cũng hỗ trợ theo dõi và quản lý bệnh nhân, bác sĩ trong bệnh viện, cũng như điều phối giao thông và phương tiện.
Mạng cảm biến không dây (WSN) vẫn là một lĩnh vực nghiên cứu mới mẻ tại Việt Nam, trong khi mạng cảm biến tích cực không dây (WSAN) với các cơ cấu điều khiển vẫn chưa được nghiên cứu nhiều Các dự án trước đây chủ yếu tập trung vào việc sử dụng cảm biến thông minh để thu thập dữ liệu, hoạt động độc lập và không trao đổi thông tin với nhau Thay vào đó, các cảm biến này thường truyền dữ liệu về máy tính tập trung thông qua các bus công nghiệp như RS485, mà không có sự giao tiếp giữa các cảm biến.
Hệ thống mạng thông tin 10 được thiết kế để tối đa hóa hiệu suất sử dụng tài nguyên thông tin, tuy nhiên, việc sử dụng bus thay vì kết nối không dây dẫn đến chi phí lắp đặt và vận hành cao, cũng như tiêu hao năng lượng lớn Hơn nữa, hệ thống này bị giới hạn về địa bàn hoạt động và không thể triển khai hiệu quả tại các địa hình phức tạp như rừng núi, cao ốc hay các công trình ngầm lớn do sự bất tiện của hệ thống cáp.
Mặc dù có một số nghiên cứu nhỏ về mạng cảm biến không dây (WSN), nhưng hầu hết chỉ tập trung vào hệ thống bao gồm các bộ cảm biến mà không có các cơ cấu điều khiển chấp hành (actor) Thiếu vắng các thiết bị này khiến hệ thống chỉ có khả năng thu thập dữ liệu mà không thể tự động điều khiển hoặc tác động thông minh lên môi trường Khi cần thực hiện chức năng điều khiển, hệ thống trở nên phức tạp hơn và đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật như điều khiển tự động, ổn định hệ thống, kháng lỗi và lập lịch tác vụ Theo thông tin từ nhóm nghiên cứu, hiện tại trong nước chỉ có hai dự án liên quan đến mạng cảm biến, nhưng cả hai đều chỉ phát triển hệ thống thông tin hữu tuyến mà không đề cập đến cơ cấu điều khiển actor.
Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
Triển khai mạng cảm biến không dây (WSN) gặp nhiều thách thức kỹ thuật do phụ thuộc vào truyền dẫn vô tuyến để báo cáo thông số đo Các cảm biến này bị giới hạn về năng lượng pin và dung lượng lưu trữ Mạng cảm biến tích cực không dây (WSAN) là hệ thống bao gồm cảm biến không dây kết nối đa chặng với các cơ cấu điều khiển tự lập Sự hiện diện của các actor trong WSAN làm tăng độ phức tạp, vì chúng phải điều khiển các hành động ảnh hưởng đến môi trường Theo nghiên cứu của nhóm, hiện nay vẫn còn thiếu các nghiên cứu chuyên sâu về WSAN, đặc biệt là trong việc giải quyết các vấn đề giao tiếp và hợp tác giữa các actor.
11 việc thực hiện các tác vụ điều khiển thời gian thực Dưới đây là một số dự án cụ thể trên thế giới nghiên cứu về loại mạng này:
Dự án Initiative WSN, thuộc nhóm nghiên cứu khoa Công nghệ Thông tin của trường Đại học Sydney, tập trung vào việc phát triển một thuật toán xử lý sự kiện cho mạng cảm biến không dây mà không có actor Mô hình này chú trọng đến việc thông báo sự kiện và tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng trong quá trình xử lý Dự án cũng thiết kế một giao thức phân nhóm sinh học, lấy cảm hứng từ tự nhiên, cho các nút cảm biến Ngoài ra, các tác giả áp dụng trí tuệ bầy đàn để cải thiện việc hình thành các cụm với sự cân bằng tốt giữa các thành viên Tuy nhiên, nghiên cứu này không xem xét các hệ thống có chứa actor, giống như các dự án trước đó.
Dự án nghiên cứu mạng cảm biến và điều khiển không dây WSAN (Wireless Sensor Actor Network) được triển khai tại Trường Kỹ thuật điện, Viện Công nghệ Mục tiêu của dự án là phát triển công nghệ mạng cảm biến tiên tiến nhằm tối ưu hóa khả năng điều khiển và giám sát trong các ứng dụng khác nhau.
Nhóm nghiên cứu tại Georgia, Mỹ, đã đóng góp quan trọng trong việc thiết kế giao thức truyền và phối hợp hiệu quả Các tác giả đã tiến hành nghiên cứu sâu sắc về vấn đề kênh dữ liệu không dây có tổn hao trong truyền vận thời gian thực Tuy nhiên, nghiên cứu vẫn chưa xem xét việc thông báo sự kiện của các gói tin và không quan tâm đến tiêu hao năng lượng.
Nghiên cứu và triển khai mạng WSAN đang mở ra tiềm năng phát triển lớn, tuy nhiên cũng gặp phải nhiều thách thức như hạn chế năng lượng của các nút mạng, độ trễ và độ tin cậy trong việc trao đổi thông tin giữa cảm biến và các tác nhân, cũng như vấn đề chuyển tiếp đa chặng Mạng WSAN thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu toàn cầu nhờ khả năng ứng dụng đa dạng trong các lĩnh vực dân sự và quân sự.
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO CÁC CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU HÀNH CHẠY ĐƯỢC TRÊN CÁC CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Thiết kế chương trình
Dựa theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5738 – 2001 về hệ thống báo cháy tự động, tôi nghiên cứu và thiết kế một hệ thống báo cháy với các tiêu chí:
Hệ thống báo cháy thông minh không chỉ có khả năng phát hiện cháy mà còn tự động đưa ra quyết định xử lý khi sự cố xảy ra Nó có thể đo lường các thông số như nhiệt độ tại khu vực lắp đặt và cho phép người dùng điều chỉnh ngưỡng tác động của đầu báo cháy theo yêu cầu thiết kế Để thực hiện chức năng này, hệ thống cần được trang bị một vi điều khiển với chương trình giám sát và xử lý sự cố đã được nạp sẵn.
Đầu báo cháy tự động là thiết bị nhạy cảm với các hiện tượng liên quan đến cháy như tăng nhiệt độ, tỏa khói và phát sáng, và có khả năng truyền tín hiệu đến trung tâm báo cháy Tùy thuộc vào từng loại và nguyên lý hoạt động, cấu tạo của đầu báo cháy có thể khác nhau, nhưng nhìn chung, chúng bao gồm các bộ phận cơ bản.
Bộ phận cảm biến là phần quan trọng nhất của đầu báo cháy, có khả năng nhận diện sự thay đổi của các yếu tố môi trường và chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện khi đạt đến giá trị đã được cài đặt Mỗi loại đầu báo cháy sẽ có bộ phận cảm biến khác nhau tùy thuộc vào tính năng Bên cạnh đó, bộ phận mạch tín hiệu là mạch điện tử có nhiệm vụ truyền tín hiệu từ bộ phận cảm biến ra ngoài thiết bị truyền dẫn Qua nghiên cứu, thiết bị đầu báo cháy tự động được chọn là cảm biến nhiệt độ.
Trong các địa hình phức tạp, việc lắp đặt hệ thống báo cháy hữu tuyến gặp nhiều khó khăn Do đó, yêu cầu quan trọng là hệ thống phải có khả năng truyền tín hiệu không dây về trung tâm giám sát Sau khi nghiên cứu các đặc tính kỹ thuật của các modul truyền thông không dây, modul Zigbee đã được lựa chọn cho hệ thống này.
Nguồn điện cho mạch báo cháy là yếu tố quan trọng, đặc biệt trong những địa hình phức tạp Để đảm bảo hiệu quả, cần thiết kế mạch báo cháy với công suất tiêu thụ nhỏ, cùng với nguồn điện gọn nhẹ và dễ di chuyển Sau khi nghiên cứu, tôi quyết định sử dụng nguồn 12V cho hệ thống báo cháy này.
Hệ thống báo cháy sẽ được thiết kế theo mô hình
Nguồn điện Trung tâm giám sát
Vi điều khiển PIC18F26K22
Bộ não của hệ thống là vi điều khiển, chịu trách nhiệm điều khiển toàn bộ quá trình tương tác với người dùng và máy tính Nó thực hiện việc đo lường, xử lý tín hiệu và hiển thị kết quả Máy đo tương tác với người dùng thông qua các nút nhấn hoặc có thể kết nối với máy tính để thực hiện các chức năng cần thiết.
Vi điều khiển PIC18F2455/2650/4455/4550 của MICROCHIP là dòng vi điều khiển 8 bit tiên tiến, nổi bật với tính năng tích hợp cổng USB 2.0 và ADC 10 bit Với nhiều công cụ tích hợp sẵn, dòng vi điều khiển này được đánh giá là mạnh mẽ và linh hoạt, phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau.
Các đặc điểm của vi điều khiển
- Cấu trúc tối ưu biên dịch C với tập lệnh mở rộng tùy chọn
- Bộ nhớ chương trình flash nâng cao cho phép 100.000 lần xóa/ghi
- Bộ nhớ dữ liệu EEPROM cho phép 1.000.000 lần xóa/ghi
- Lưu trữ dữ liệu trong bộ nhớ flash/EEPROM hơn 40 năm
- Ngắt nhiều mức ưu tiên
- Watchdog timer mở rộng, chu kỳ khả trình từ 41 ms đến 131 s
- Bảo vệ mã lập trình
- Nguồn nuôi đơn 5V cho lập trình nối tiếp trên mạch qua 2 chân
- Mạch gỡ lỗi qua 2 chân
- Dải điện áp hoạt động rộng (2.0V đến 5.5V)
Bảng 1: Các tính năng kỹ thuật của họ các vi điều khiển PIC18F2X
Bài nghiên cứu đã lựa chọn vi điều khiển PIC18F26 cho dự án này nhờ vào bộ nhớ 64k lớn, phù hợp cho lập trình, cùng với số chân IO hợp lý, giúp đảm bảo mạch nhỏ gọn mà không thừa chân không cần thiết.
Hình 2.1 Sơ đồ chân PIC 18F26K22
Các chế độ quản lý năng lượng rất đa dạng và quan trọng trong việc giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng, đặc biệt là đối với các ứng dụng sử dụng pin.
- Hoạt động bình thường (Run): CPU bật, ngoại vi bật
- Nghỉ (Idle): CPU tắt, ngoại vi bật, tiờu thụ dũng tiờu biểu 5.8 àA
- Ngủ (Sleep): CPU tắt, ngoại vi tắt, tiờu thụ dũng tiờu biểu 0.1 àA
- Dao động timer1: tiờu thụ dũng tiờu biểu 1.1àA , 32kHz, 2V
- Watchdog timer: tiờu thụ dũng tiờu biểu 2.1 àA
- Khởi động dao động 2 tốc độ
Thạch anh dao động và cộng hưởng gốm được sử dụng trong các chế độ HS, HSPLL, XT và XTPLL, kết nối tại chân OSC1 và OSC2 Mỗi chế độ có giá trị khác nhau cho các tụ điện C1 và C2, bạn có thể tham khảo trong datasheet của PIC18F26 để biết thêm chi tiết.
Trong vi điều khiển PIC18F26, khối PLL (Phase Loop Lock) cho phép khối USB hoạt động với tần số cao mặc dù xung nhịp hệ thống ở mức thấp hơn PLL hỗ trợ các chế độ dao động như HSPLL, XTPLL, ECPLL và ECPIO, và được thiết kế để tạo ra tần số xung nhịp chuẩn 96MHz từ tần số đầu vào cố định 4MHz.
Khối dao động nội (INTOSC):
Vi điều khiển PIC18F26 có khối dao động nội với hai tín hiệu xung nhịp khác nhau, bao gồm lối ra trực tiếp 8 MHz và lối ra qua bộ chia cung cấp xung nhịp từ 31 KHz đến 4 MHz Nguồn dao động được lấy từ thạch anh dao động hoặc cộng hưởng gốm, được gọi là dao động ngoài Lối ra 31 KHz từ nguồn dao động nội cho phép sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau.
- Timer bật nguồn (Power-up timer)
- Theo dõi an toàn xung nhịp
- Khởi động hai tốc độ (Two-Speed Start-up)
Lối ra dao động nội được chuẩn hóa bởi nhà sản xuất nhưng có thể được người dùng điều chỉnh thông qua thanh ghi điều chỉnh dao động (Oscillator Control Register).
Bộ nhớ Flash nâng cao (Enhanced Flash) được sử dụng cho cả bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu EEPROM, với khả năng xóa/ghi lên đến 100.000 lần cho bộ nhớ chương trình và 1.000.000 lần cho bộ nhớ dữ liệu Dữ liệu trong bộ nhớ có thể được lưu trữ đến 40 năm mà không cần làm tươi.
Có ba loại bộ nhớ trong họ PIC18:
Theo cấu trúc Harvard, bộ nhớ chương trình và dữ liệu sử dụng hai bus riêng, cho phép truy cập đồng thời hai vùng bộ nhớ EEPROM được coi là thiết bị ngoại vi vì truy cập thông qua bộ thanh ghi điều khiển Họ vi điều khiển PIC18 có bộ đếm chương trình 21 bit, cho phép định vị đến 2 Mbyte bộ nhớ chương trình Cụ thể, PIC18F2455 và PIC18F4455 có 24 Kbyte bộ nhớ flash, có khả năng chứa tới 12.288 lệnh từ đơn, trong khi PIC18F26 có 32 Kbyte bộ nhớ flash và có thể chứa đến 16.384 lệnh từ đơn.
Vi điều khiển PIC18F26 có khả năng tự lập trình, cho phép nạp chương trình vào bộ nhớ mà không cần thiết bị phụ Điều này được thực hiện thông qua Bootloader, nằm ở phần cao bộ nhớ được bảo vệ Khả năng này giúp nâng cấp firmware cho các ứng dụng sử dụng vi điều khiển này một cách dễ dàng.
Họ vi điều khiển PIC18 có 4 bộ timer: timer0, timer1, timer2 và timer3 Mỗi timer có tính năng riêng
Hình 2.2 Sơ đồ kết nối của vi điểu khiển PIC 18F26
Cảm biến nhiệt độ LM35
Hình 2.3 Cảm biến nhiệt độ LM35
Chúng tôi đã chọn cảm biến nhiệt độ LM35 cho nghiên cứu của mình LM35 là cảm biến nhiệt độ analog, với điện áp đầu ra tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ môi trường Cảm biến này hoạt động dựa trên nguyên tắc chuyển đổi nhiệt độ thành điện áp, cung cấp giá trị hiệu điện thế tại chân V out tương ứng với từng mức nhiệt độ theo một công thức nhất định.
Float Temperature = (5.0*analogRead(A0)*100.0/1024 ) Đặc điểm chính của cảm biến LM35
- Điện áp đầu vào từ 4V đến 20V
- Độ phân giải điện áp đầu ra là 10mV/ o C
- Độ chính xác cao ở 25 o C cho sai số là 0.5 o C
- Trở kháng đầu ra thấp 0.1Ω cho 1mA tải
- Cảm biến nhiệt độ này có thể hoạt động trong giải nhiệt độ từ -55 0 C đến 150 0 C
- Độ chính xác thực tế: 1/4°C ở nhiệt độ phòng và 3/4°C ngoài khoảng -55°C tới 150°C
- LM35 có hiệu năng cao, công suất tiêu thụ là 60uA
Hình 2.4 Sơ đồ chân LM35
Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ LM35
Kết nối của LM35: Chân out của LM35 được kết nối với chân RA0 của Pic18F26k22
Hình 2.6 Sơ đồ kết nối của LM35
Modul Zigbee MRF24J40MA
Zigbee là giao thức dựa trên chuẩn IEEE 802.15.4, được thiết kế cho các ứng dụng yêu cầu chi phí và công suất thấp, đồng thời linh hoạt trong phạm vi rộng Chuẩn Zigbee được phát triển và thúc đẩy bởi Zigbee Alliance, với sự hỗ trợ từ hơn 200 công ty toàn cầu như SIEMENS, ATMEL, NEC, TEXAS INSTRUMENT, và EPSON.
Zigbee là một chuẩn giao tiếp không dây tương tự như Wi-Fi, 3G và Bluetooth, nhưng sở hữu các đặc tính kỹ thuật và vật lý riêng biệt, khiến nó phù hợp với một số ứng dụng cụ thể Những ưu điểm nổi bật của Zigbee bao gồm khả năng tiết kiệm năng lượng, phạm vi kết nối rộng và khả năng hỗ trợ nhiều thiết bị cùng lúc, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng IoT và tự động hóa trong nhà.
- Công suất tiêu thụ nhỏ
- Kiến trúc mạng linh hoạt
- Được hỗ trợ bởi nhiều công ty
- Số lượng các nút lớn
Một số đặc điểm của Zigbee MRF24j40MA
- Chuẩn IEE 802.15.4 tương thích thu và phát sóng vô tuyến
- Hỗ trợ Zigbee, Miwi, Miwi P2P và các giao thức mạng không dây
- Kích thước nhỏ gọn 0.7 " x 1.1" (17,8 mm x 27,9 mm)
- Tích hợp thạch anh, ổn áp trong, tích hợp anten PCB phù hợp mạch
- Dễ dàng tích hợp vào sản phẩm cuối cùng
- Tương thích với nhiều loại vi điều khiển: PIC16F, PIC18F, PIC24F/H, PIC32 và dsPIC33
- Phạn vi truyền sóng khoảng 100m
- Điện áp cung cấp 2.4-3.6V (chuẩn là 3.3V)
- Dải tần hoạt động ISM Band 2.405-2.48 GHz
- Tốc độ dữ liệu: 250 kbps
- Độ nhạy thông thường -94 dBm với mức đầu vào lớn nhất +5 dBm
- Công suất ra +0 dBm với dải điều khiển công xuất TX 36 dB
- Tích hợp Low Phase Noise VCO, Đồng bộ tần số và bộ lọc lặp PLL Loop Filter
- Cơ chế phần cứng CSMA-CA tự động đáp ứng ACK và kiểm tra FCS
- Hỗ trợ tất cả các chế độ CCA và RSS/LQI
- Có khả năng gửi lại gói tin tự động
- Bảo mật phần cứng (AES-128) với các chế độ CTR, CCM và CBC-MAC
- Hỗ trợ mã hoá và giải mã cho MAC Sublayer và Upper Layer
Hình 2.8 Sơ đồ chân Zigbee MRF24J40MA
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CÁC MODUL VÔ TUYẾN ĐƯỢC TÍCH HỢP VÀO CÁC NÚT CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ,CƠ CẤU CHẤP HÀNH VÀ CÁC MẪU ACTOR/ACTUTOR CÓ THỂ ĐIỀU KHIỂN ĐƯỢC THEO CHƯƠNG TRÌNH CÀI ĐẶT SẴN
Tích hợp vi điều khiển với modul không dây, hệ thống phun tưới
Các module vô tuyến và hệ thống Rơle điều khiển phun tưới và quạt gió được tích hợp với vi điều khiển PIC18F26 Hình vẽ 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 minh họa sơ đồ kết nối giữa các module vô tuyến Zigbee và Rơle điều khiển với vi điều khiển này.
Hình 3.1 Sơ đồ kết nối của vi điều khiển PIC18F26
Hình 3.2 Sơ đồ kết nối của module Zigbee MRF24J40
Hình 3.3 Sơ đồ kết nối của Rơle điều khiển máy bơm
Hình 3.4 Sơ đồ kết nối của Rơle điều khiển quạt gió
Các module vô tuyến được tích hợp trên các thiết bị của hệ thống như hình vẽ dưới (Hình 3.5)
Hệ thống đo nhiệt độ
Bộ thu phát không dây
Hệ thống máy bơm và quạt thông gió
Hình 3.5 Truyền thông không dây trong hệ thống
Hệ thống truyền tin và nhận tin hoạt động theo nguyên lý được minh họa trong hai sơ đồ (Hình 3.6, 3.7) Thông tin chi tiết về phần mềm nhúng vi điều khiển có thể được tìm thấy trong các phụ lục 1, 2 và 3 của luận văn này.
Cảm biến nhiệt độ liên tục truyền tín hiệu nhiệt độ hiện tại qua bộ phát Zigbee
Cổng điều khiển trung tâm liên tục nhận tín hiệu sóng qua bộ thu Zigbee
Tín hiệu sóng là từ bộ phát cảm biến?
Xử lý tín hiệu và hiển thị nhiệt độ trên
Hình 3.6 Truyền thông không dây từ cảm biến nhiệt đến cổng trung tâm
Cổng điều khiển trung tâm liên tục phát tín hiệu sóng qua bộ phát Zigbee
Khối điều khiển máy bơm và quạt gió liên tục nhận tín hiệu sóng qua bộ thu Zigbee
Tín hiệu sóng là từ cổng trung tâm phát ra?
Xử lý tín hiệu và điều khiển máy bơm và quạt gió
Hình 3.7 Truyền thông không dây từ trung tâm đến các cơ cấu điều khiển
Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển
Thiết kế sơ đồ nguyên lý kết nối các phần tử của mạch điều khiển
Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển Nguyên lý hoạt động
Nguồn P5 : Là nguồn điện +12V cung cấp điện áp cho toàn bộ mạch điện Dòng điện
+12V qua chỉnh lưu, qua bộ biến đổi U3 và U4 đưa ra 3 dòng cung cấp khác nhau là +12V, +5V và +3,3V
+ Dòng +12V: Cung cấp điện áp điều khiển Rơle máy bơm phun tưới nước khi nhận lệnh nhiệt độ vượt ngưỡng cho phép
+ Dòng +5V: Cung cấp điệ áp cho PIC 18F26K22, LCD hiển thị 16×2 và cảm biến nhiệt độ LM35
+ Dòng +3,3V: Cung cấp điện áp cho modul Zigbee MRF24J40MA
Cổng ICSP (In-Circuit Serial Programming) : Kết nối vào PIC 18F26K22, dùng để thay đổi chương trình điều khiển của PIC tùy theo yêu cầu qua mạch nạp Pickit
Cổng UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) cho phép kết nối mạch với cổng USB của máy tính chủ thông qua bộ chuyển đổi UART/USB Nhiệt độ sẽ được hiển thị trên máy tính chủ, và người dùng có thể cài đặt thông số nhiệt độ trực tiếp từ máy tính.
Modul Zigbee MRF24J40MA: Truyền và nhận tín hiệu không dây giữa các node với nhau
PIC18F26K22 là vi điều khiển chịu trách nhiệm quản lý toàn bộ quá trình tương tác giữa người dùng và máy tính, đồng thời thực hiện đo lường, xử lý tín hiệu và hiển thị kết quả Nó cũng có khả năng đưa ra quyết định phun tưới khi nhiệt độ vượt ngưỡng cho phép.
LCD 16×2: Hiển thị thông tin node, thông tin nhiệt độ thời điểm hiện tại
Thiết kế mạch in
Sử dụng phần mềm Altium Designer để thiết kế mạch in cho hệ thống, trong đó tích hợp các phím nhấn điều khiển vật lý như Up, Down, Enter và Esc, giúp người dùng điều chỉnh thông số cài đặt nhiệt độ một cách thủ công.
Hình 3.9 Mạch in lớp trên - Top Layer
Hình 3.10 Mạch in lớp dưới – Bottom Layer
Mạch hoàn thiện
Hình 3.11 Mạch hoàn thiện mặt trên
Hình 3.12 Mạch hoàn thiện mặt dưới
NHÚNG ĐIỀU KHIỂN CỔNG KÈM THEO PHẦN MỀM XỬ LÝ DỮ LIỆU,TRUYỀN THÔNG VÀ XÂY DỰNG MẠNG CẢM BIẾN TÍCH CỰC KHÔNG DÂY
Phần mềm trung tâm trên máy tính cổng
Phần mềm được phát triển bằng C# để giao tiếp với các thiết bị điện cơ thông qua cổng Serial 232 Chức năng chính của phần mềm là Transmitter, gửi báo cáo sự kiện về máy chủ, đóng vai trò là receiver, mỗi khi nhận được dữ liệu nhiệt độ từ các cảm biến nhiệt độ từ xa Thông tin chi tiết về quy trình này được trình bày trong Phụ lục 4 của luận văn.
Phần mềm trung tâm trên máy chủ
Máy chủ nhận và xử lý thông tin từ cổng trung tâm, đồng thời có khả năng điều khiển ngược lại cổng này Cả quá trình nhận và gửi tin trên máy chủ được thực hiện qua giao thức TCP/IP, chi tiết được trình bày trong Phụ lục 5 của báo cáo.
Sơ đồ nguyên lý hoạt động của toàn bộ hệ thống được tóm tắt trong sơ đồ khối ở dưới (Hình 4.2)
Cổng điều khiển trung tâm liên tục phát tín hiệu sóng qua bộ phát Zigbee
Khối điều khiển máy bơm và quạt gió liên tục nhận tín hiệu sóng qua bộ thu Zigbee
Tín hiệu sóng là từ cổng trung tâm phát ra?
Nhiệt độ thu được cao hơn ngưỡng trên?
Máy chủ đặt tại trung tâm
Gửi nhiệt độ về trung tâm Cài đặt nhiệt độ từ xa
Trao đổi thông tin 2 chiều qua tin nhắn
Hình 4.3 Truyền tin 2 chiều từ cổng điều khiển đến máy chủ trung tâm
Nhiệt độ thu được thấp hơn ngưỡng dưới?
Bật máy bơm và quạt gió
Tắt máy bơm và quạt gió
Hình 4.2 Sơ đồ vận hành tổng thể của hệ thống
Hình 4.4 Giao diện của phần mềm trên cổng điều khiển và máy chủ
VẬN HÀNH THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ
Hình vẽ dưới (Hình 5.1) là hệ thống máy bơm và quạt thông gió khi đang chạy vì có cảnh báo nhiệt độ đã vượt ngưỡng báo động
Hình vẽ dưới (Hình 5.2) là thử nghiệm trao đổi tín hiệu giữa bộ cảm biến nhiệt độ và cổng điều khiển trung tâm qua môi trường truyền sóng Zigbee
Hệ thống giàn phun tưới
Rơ le đóng ngắt máy bơm và quạt gió
Mạch điều khiển máy bơm và quạt gió và thu nhận tín hiệu từ xa
Hình 5.1 Sản phẩm hệ thống phun tưới và quạt gió
Hình 5.2 Sản phẩm hệ thống cảm biến nhiệt và mạch điều khiển trung tâm
Hình vẽ (Hình 5.3) dưới là thử nghiệm cổng điều khiển trung tâm kết nối với máy tính
Hình 5.3 Mạch điều khiển trung tâm
Mạch điều khiển cổng trung tâm kết nối với máy tính nhúng điều khiển
Mạch điều khiển có gắn cảm biến nhiệt độ và bộ thu phát Zigbee
Mạch điều khiển cổng trung tâm kết nối với máy tính nhúng điều khiển, có bộ thu phát Zigbee
Các thử nghiệm sau được tiến hành khi kiểm tra và hiệu chỉnh hệ thống
1 Khoảng cách thu phát không dây
Yêu cầu Tối đa 50 m khi không có vật cản
Thực tế Truyền tốt trong khoảng cách 50-100m khi không có vật cản
2 Độ trễ truyền tín hiệu nhiệt độ
3 Kích hoạt vòi phun trong vòng 30 s khi có sự cố
4 Khoảng đo nhiệt độ của cảm biến nhiệt
5 Truyền thông số nhiệt độ qua Internet đến máy chủ từ xa
Yêu cầu Độ trễ nhỏ
HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI, KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Hướng phát triển đề tài
1 Định hướng phát triển mạng cảm biến không dây nhiều nút truyền nối tiếp
Mạng cảm biến không dây nhiều nút truyền nối tiếp cho phép giám sát nhiệt độ ở những khu vực xa xôi và địa hình phức tạp, như trong hệ thống nhà kho bến bãi rộng lớn hoặc rừng, nhờ vào khả năng truyền tín hiệu ở khoảng cách xa.
2 Định hướng phát triển mạng cảm biến không dây nhiều nút truyền song song
Mạng cảm biến không dây nhiều nút cho phép giám sát đồng thời tại nhiều điểm, giúp theo dõi một vùng không gian rộng rãi một cách hiệu quả.
3 Định hướng phát triển mạng cảm biến không dây nhiều nút truyền kết hợp
Phương pháp này, mặc dù đơn giản trong thiết kế phần cứng, lại đòi hỏi sự phức tạp trong việc lập trình vi điều khiển, vì vậy cần có sự đầu tư nghiên cứu kỹ lưỡng Nếu thành công, hệ thống sẽ cung cấp khả năng giám sát và tự động xử lý sự cố cháy cho một khu vực rộng lớn.
Hình 6.3 Mạng cảm biến không dây nhiều nút truyền kết hợp
Kết luận và kiến nghị
Sau khi nghiên cứu thiết kế mạng cảm biến không dây, tôi đã hiểu rõ công nghệ chế tạo thiết bị điện tử phục vụ cho việc ứng dụng mạng cảm biến trong công tác phòng chống cháy nổ tại kho bãi.
Cụm thiết bị được tính toán và chế tạo có thông số kiểm tra khá sát với thông số dự tính lúc đầu
Khi triển khai hệ thống, cần xem xét kỹ lưỡng để mở rộng cho mạng cảm biến không dây với nhiều nút Đồng thời, thiết kế hệ thống máy bơm cũng cần được cải tiến để đạt tính chuyên nghiệp cao hơn.
Để nâng cao tính khả thi của hệ thống, cần xem xét mở rộng cho mạng cảm biến không dây nhiều nút và thiết kế hệ thống máy bơm một cách chuyên nghiệp hơn Nếu được đầu tư và phát triển đúng mức, sản phẩm này có thể trở thành giải pháp thương mại hiệu quả trong việc giám sát và bảo vệ khi xảy ra sự cố cháy nổ.