TỔNG QUAN
Internet vạn vật – Cuộc cách mạng công nghệ
Gần đây, cụm từ "Internet of Things" (IoT) đã trở nên phổ biến trên mạng, mặc dù khái niệm này vẫn còn mới mẻ đối với nhiều người dùng IoT là tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể Vậy, Internet vạn vật là gì và nó ảnh hưởng như thế nào đến cuộc sống của chúng ta?
1.1.1 Internet vạn vật (IoT) là gì?
IoT, hay Internet of Things, là thuật ngữ chỉ các đối tượng có thể nhận diện và tồn tại trong một kiến trúc kết nối, được giới thiệu bởi Kevin Ashton vào năm 1999 Ông là nhà khoa học sáng lập Trung tâm Auto-ID tại MIT, nơi thiết lập các tiêu chuẩn toàn cầu cho RFID và các loại cảm biến khác Thuật ngữ IoT đã trở nên phổ biến trong các ấn phẩm của các công ty và nhà phân tích.
Vào tháng 6 năm 2009, Ashton đã chỉ ra rằng máy tính và Internet hiện nay phụ thuộc chủ yếu vào con người để truyền tải dữ liệu, với gần như toàn bộ 50 petabyte dữ liệu trên Internet được tạo ra bởi con người thông qua các hoạt động như gõ chữ, nhấn nút và chụp ảnh Mặc dù con người là yếu tố quyết định trong thế giới Internet, nhưng chúng ta lại gặp nhiều hạn chế, bao gồm thời gian có hạn, khả năng tập trung thấp và độ chính xác không cao so với máy móc Điều này dẫn đến việc con người không hiệu quả trong việc thu thập thông tin về thế giới xung quanh, tạo ra một vấn đề lớn trong việc quản lý và xử lý dữ liệu.
Chiếc tủ lạnh thông thường không kết nối với thiết bị nào khác, khiến việc ghi lại nhiệt độ tại từng thời điểm chỉ có thể thực hiện thủ công và sau đó nhập vào máy tính hoặc thiết bị lưu trữ Tương tự, để thu thập và điều chỉnh độ sáng của bóng đèn neon trong nhà, người dùng cũng phải đo đạc thủ công và ghi lại kết quả.
Máy tính giúp con người thu thập dữ liệu xung quanh, cho phép theo dõi và quản lý mọi thứ, từ đó giảm thiểu hao phí, chi phí và lỗ Chúng ta có thể xác định thời điểm sửa chữa, thay thế hoặc khi nào các vật dụng hết hạn sử dụng Hơn nữa, khả năng kiểm soát mọi lúc mọi nơi mở ra tiềm năng lớn cho IoT, tương tự như sự thay đổi mà Internet mang lại Ngôi nhà thông minh với các thiết bị như bóng đèn, máy giặt và tủ lạnh thông minh là bước khởi đầu của IoT, khi tất cả được kết nối với nhau và với Internet.
Hình 1.1: Nest, một bộ điều khiển nhiệt dùng trong nhà, có thể xem như một ví dụ cơ bản của thiết bị IoT
Một chi nhánh của Auto - ID tại Châu Âu đã chia sẻ tầm nhìn về IoT, nhấn mạnh rằng họ mong muốn tạo ra một thế giới kết nối, từ những chiếc máy bay phản lực lớn đến từng cây kim khâu Mục tiêu này chỉ có thể đạt được nếu mọi người áp dụng công nghệ ở mọi nơi Theo ước tính của ABI Research, đến năm
2020, toàn thế giới sẽ có 30 tỉ thiết bị được kết nối không dây vào mạng lưới IoT
1.1.2 Khả năng định danh độc nhất Điểm quan trọng của IoT đó là các đối tượng phải có thể được nhận biết và định dạng (identifiable) Nếu mọi đối tượng, kể cả con người, được "đánh dấu"
Để phân biệt bản thân đối tượng với những thứ xung quanh, chúng ta có thể quản lý chúng thông qua máy tính Việc đánh dấu (tagging) có thể thực hiện bằng nhiều công nghệ như RFID, NFC, mã vạch, mã QR và watermark kỹ thuật số Kết nối có thể được thực hiện qua Wi-Fi, mạng viễn thông băng tần rộng (GPRS, 3G, 4G), Bluetooth, ZigBee và hồng ngoại.
Ngoài các kỹ thuật đã đề cập, từ góc độ web, chúng ta có thể sử dụng địa chỉ IP duy nhất để xác định từng thiết bị Mỗi thiết bị đều có một địa chỉ IP riêng biệt, không thể nhầm lẫn Sự ra đời của IPv6 với không gian địa chỉ rộng lớn sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc kết nối mọi thứ vào Internet và giữa các thiết bị với nhau.
1.1.3 Xu hướng và tính chất của IoT
Sự thông minh và tự động trong điều khiển không phải là phần cốt lõi của IoT, nhưng gần đây, nghiên cứu đã bắt đầu kết hợp hai khái niệm này Các máy móc có khả năng nhận biết và phản hồi môi trường xung quanh, đồng thời tự điều khiển mà không cần kết nối mạng Tương lai của IoT có thể là một mạng lưới các thực thể thông minh, có khả năng tự tổ chức và hoạt động độc lập theo tình huống và môi trường, đồng thời giao tiếp để trao đổi thông tin và dữ liệu.
Kiến trúc IoT dựa trên sự kiện cho phép các thực thể và máy móc phản hồi theo thời gian thực với các sự kiện đang diễn ra Nhiều nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng mạng lưới cảm biến là một thành phần cơ bản trong hệ sinh thái IoT.
Trong một thế giới mở, hệ thống IoT sẽ trở nên phức tạp do sự kết nối đa dạng giữa các thiết bị, máy móc và dịch vụ, cùng với khả năng tích hợp các yếu tố mới.
Trong IoT, vị trí địa lý chính xác của các vật thể đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng đến hiệu quả quản lý và tương tác Hiện nay, Internet chủ yếu được sử dụng để quản lý và theo dõi các đối tượng trong không gian và thời gian.
Con người xử lý thông tin với sự linh hoạt trong việc xác định tính cần thiết của dữ liệu như địa điểm, thời gian và không gian, có thể bổ sung khi cần thiết Ngược lại, IoT thu thập một khối lượng lớn dữ liệu, bao gồm cả dữ liệu không cần thiết về địa điểm, dẫn đến hiệu quả xử lý thấp Thêm vào đó, việc xử lý khối lượng lớn dữ liệu trong thời gian ngắn để phục vụ cho hoạt động của các đối tượng hiện nay đang là một thách thức lớn.
1.1.4 Làm thế nào để IoT hoạt động?
Để xây dựng một hệ thống IoT hiệu quả, cần có bốn thành phần chính: sự định danh, bộ cảm biến, truyền thông không dây và nền tảng.
• Định danh bằng địa chỉ IPv6:
Tính cấp thiết của việc quan trắc nuôi trồng thủy sản 1 Sự cần thiết phải có hệ thống quan trắc môi trường nuôi trồng thủy
1.2.1 Sự cần thiết phải có hệ thống quan trắc môi trường nuôi trồng thủy sản
Trong những năm gần đây, nuôi trồng thủy sản tại Việt Nam đã phát triển mạnh mẽ, đạt được nhiều thành tựu đáng kể Ngành này không chỉ giúp xóa đói giảm nghèo mà còn tạo ra việc làm và thu nhập cho một bộ phận lớn người lao động, góp phần tích cực vào sự phát triển kinh tế của đất nước.
Hình 1.3: Sản lượng khai thác và nuôi trồng thủy sản của Việt Nam giai đoạn 1995 –
Ngành nuôi trồng thủy sản đã có sự phát triển vượt bậc, với sản lượng tăng từ 415 nghìn tấn vào năm 1995, chỉ chiếm hơn 30% tổng sản lượng thủy sản cả nước Từ năm 2000 đến nay, diện tích nuôi trồng thủy sản đã tăng đáng kể, từ hơn 500.000 hecta vào năm 1999 lên hơn 1 triệu hecta vào năm 2013 Đặc biệt, tổng sản lượng nuôi trồng thủy sản đã tăng gấp 7 lần từ năm 1997, cho thấy sự bùng nổ trong lĩnh vực này.
2013, 481 nghìn tấn lên đến 3.340 nghìn tấn Kim ngạch xuất khẩu thủy sản cũng đạt mức ấn tượng với 6,7 tỷ USD vào năm 2013
Mặc dù ngành nuôi trồng thủy sản của Việt Nam đã đạt được nhiều thành tựu quan trọng, nhưng hiện nay đang phải đối mặt với nhiều vấn đề môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước Nguồn nước nuôi trồng thủy sản bị ô nhiễm chủ yếu do nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp và nước thải nông nghiệp Hơn nữa, chính hoạt động nuôi trồng thủy sản cũng góp phần gây ra ô nhiễm và suy thoái môi trường xung quanh, do đó cần có sự quan tâm và giải pháp triệt để để khắc phục tình trạng này.
Các yếu tố khách quan tự nhiên có thể gây hại cho thủy sản, đặc biệt trong nuôi tôm, do đó việc giám sát các thông số như NO3, NH4+, H2S, NO2, và NH3 là rất quan trọng Những chất độc hại này từ chất thải và lượng thức ăn dư thừa có ảnh hưởng lớn đến môi trường nước nuôi, đảm bảo đáp ứng các yêu cầu cần thiết.
Trong bối cảnh hiện nay, việc tăng cường quản lý và kiểm soát môi trường, cũng như kiểm soát dịch bệnh, trở nên cấp bách hơn bao giờ hết Kiểm soát chất lượng nước nuôi trồng là yếu tố then chốt để ngăn chặn sự lây lan của dịch bệnh Công tác quan trắc môi trường nước không chỉ cung cấp thông tin cần thiết về tình hình tại các khu vực nuôi trồng mà còn giúp đề ra các giải pháp kịp thời, nhằm giảm thiểu hậu quả nghiêm trọng từ ô nhiễm và dịch bệnh.
Việc đánh giá 23 trường nước có thể gây ra ảnh hưởng đến môi trường xung quanh từ nuôi trồng thủy sản là rất quan trọng Điều này giúp quản lý quy hoạch và mở rộng mô hình nuôi trồng một cách bền vững, đảm bảo định hướng phát triển cho ngành nuôi trồng thủy sản trong tương lai Từ đó, có thể dự báo những thay đổi về chất lượng nước trong thời gian tới, cũng như quản lý hiệu quả chất lượng đầu vào và đầu ra của nguồn nước, đồng thời phòng ngừa dịch bệnh và ô nhiễm.
Kể từ năm 2001, Bộ Thủy sản (nay là Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn) đã xây dựng hệ thống mạng lưới quan trắc nhằm hỗ trợ nuôi trồng thủy sản và bảo vệ môi trường biển Từ năm 2006 đến nay, nhiều tỉnh miền Nam cũng đã phát triển hệ thống quan trắc phục vụ cho hoạt động nuôi trồng thủy sản.
Việc phát triển hệ thống quan trắc môi trường trong nuôi trồng thủy sản gặp nhiều khó khăn, bao gồm nguồn kinh phí hạn chế, sự không thống nhất trong phạm vi, đối tượng và phương pháp xử lý dữ liệu quan trắc môi trường nước Bên cạnh đó, thiết bị đo và phân tích còn thiếu và lạc hậu, cùng với việc chưa có cơ chế rõ ràng để thông báo kết quả quan trắc chất lượng môi trường nước.
Trong bối cảnh công nghệ ngày càng phát triển, ngành nuôi trồng thủy sản đang chuyển mình theo hướng tự động hóa và bền vững Việc quan trắc môi trường trở nên thiết yếu để ngăn ngừa dịch bệnh, giảm ô nhiễm sinh thái và đảm bảo an ninh lương thực, đồng thời thúc đẩy xuất khẩu thủy sản Do đó, xây dựng hệ thống quan trắc môi trường cho nuôi trồng thủy sản là cần thiết để đáp ứng yêu cầu phát triển bền vững trong ngành này.
1.2.2 Kinh nghiệm quan trắc môi trường nuôi trồng thủy sản của một số quốc gia trên thế giới
Môi trường đang trở thành một trong những vấn đề quan trọng hàng đầu được các quốc gia đặc biệt chú trọng Hoạt động quan trắc toàn cầu được triển khai trên nhiều lĩnh vực khác nhau, nhằm phục vụ cho các mục tiêu đa dạng như phát hiện động đất và sóng thần.
Hoạt động quan trắc môi trường trong nuôi trồng thủy sản có đặc thù riêng ở mỗi quốc gia và phương pháp thực hiện khác nhau Theo Bản quy tắc ứng xử nghề cá có trách nhiệm của FAO, việc quan trắc môi trường là bắt buộc đối với các quốc gia trong phạm vi lãnh thổ cũng như trong các hệ sinh thái liên quốc gia, và dữ liệu quan trắc cần được chia sẻ giữa các quốc gia (FAO, 1995).
Cục Thủy sản Úc đã phát hành Hướng dẫn Kế hoạch quản lý nuôi trồng thủy sản và quan trắc môi trường (MEMP) nhằm hướng dẫn các biện pháp quan trắc và quản lý môi trường trong nuôi trồng thủy sản Hướng dẫn này xác định các thông số cần theo dõi để đảm bảo chất lượng nước và đề ra kế hoạch giảm thiểu tác động của nuôi trồng thủy sản đối với môi trường xung quanh (Department of Fisheries, 2013).
Xu hướng quan trắc môi trường nước đang ngày càng mở rộng về quy mô và hình thức, với sự phân cấp rõ rệt và sự tham gia của nhiều bên Hoạt động này không chỉ là nghĩa vụ mà còn là nhu cầu thiết yếu trong sản xuất nuôi trồng thủy sản (NTTS).
1.2.3 Hiện trạng quan trắc môi trường nuôi trồng thủy sản ở Việt Nam
Từ năm 2001, Bộ Thủy sản đã chỉ đạo các cơ quan nghiên cứu triển khai dự án quan trắc chất lượng môi trường và cảnh báo nguy cơ dịch bệnh cho ngành nuôi trồng thủy sản Dự án này tạo nền tảng cho mạng lưới quan trắc rộng khắp, giúp cảnh báo kịp thời về môi trường và dịch bệnh, hỗ trợ hiệu quả cho nông dân trong hoạt động nuôi trồng Các Viện thuộc Trung tâm quan trắc quốc gia đã thiết lập nhiều trạm tại các khu vực trọng điểm, đặc biệt là miền Trung và Nam Bộ, nơi có diện tích nuôi trồng thủy sản lớn nhất Mỗi trạm đảm nhận chức năng khác nhau, trong đó trạm cấp 1 thu thập dữ liệu cơ bản để đánh giá chất lượng nước, còn trạm cấp 2 mở rộng theo yêu cầu và điều kiện cụ thể.
Để phát triển ngành nuôi trồng thủy sản bền vững, cần áp dụng các biện pháp tối ưu nhằm hỗ trợ nông dân trong việc duy trì chất lượng môi trường Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn phát huy lợi thế cạnh tranh của ngành nuôi trồng thủy sản tại Việt Nam, góp phần quan trọng vào sự phát triển kinh tế đất nước.
Tính cấp thiết của hệ thống quan trắc IoT trong nuôi trồng thủy sản
Tiềm năng nuôi trồng thủy sản ở Việt Nam rất lớn và có thể đóng góp đáng kể cho sự phát triển của đất nước Tuy nhiên, ngành này đang phải đối mặt với nhiều khó khăn trong những năm gần đây, trong khi chính phủ và các cơ quan liên quan chưa có những hỗ trợ hiệu quả cho nông dân để đảm bảo môi trường nuôi trồng thủy sản tối ưu.
Nhóm đã chọn đề tài thiết kế hệ thống quan trắc thông minh IoT cho môi trường nuôi trồng thủy sản, nhằm kết hợp khả năng quan trắc và thu thập dữ liệu môi trường nước Hệ thống này sẽ sử dụng các thiết bị kỹ thuật hiện đại để tạo ra một giải pháp IoT hoàn thiện, phục vụ cho việc theo dõi và quản lý môi trường nuôi trồng thủy sản hiệu quả.
• Đo đạc những thông số từ môi trường nước nuôi trồng thủy sản (pH, DO, độ mặn, nhiệt độ, ….)
• Thông số thu thập được có thể hiển thị ngay trên thiết bị tại ao nuôi trồng
• Thông số còn được gửi qua Wifi để truyền tải lên một cơ sở dữ liệu để lưu trữ và lên web để hiển thị cho người dùng
Hệ thống web được thiết kế với giao diện thân thiện, giúp người dùng dễ dàng truy cập và theo dõi tình hình nuôi trồng Tính năng bảo mật an toàn đảm bảo thông tin được bảo vệ, mang lại sự yên tâm cho người dùng khi sử dụng dịch vụ.
• Các cơ cấu tự động tại ao có thể tự điều chỉnh một số thông số để ổn định môi trường nuôi trồng nếu phát sinh vấn đề
• Cho phép người dùng điều khiển các thông số và các cơ cấu thông qua web điều khiển
• Dữ liệu đo đạc được cập nhật, lưu trữ ngay tại thiết bị liên tục để tránh các sự cố gây gián đoạn kết nối tới hệ thống
Các trạm đo Slave sẽ trao đổi thông tin dữ liệu nội bộ khi mất kết nối Wifi, đồng thời dữ liệu từ các trạm này được đóng gói thành các bản tin dạng chuỗi JSON và gửi lên các tiêu đề trên trạm Master Trạm Master sẽ lưu trữ dữ liệu và quản lý quá trình phân phối đến các trạm Slave.
Kết luận chương 1
Chương 1 luận văn đã trình bày các khái niệm cơ bản và các ứng dụng của IoT trong thực tiễn, đồng thời tính acasp theiest của hệ thống giám sát trực tuyến thông số nước nuôi trồng thủy sản, đưa ra bài toán về chia sẻ thông tin giữa các trạm nội bộ để giảm dung lượng truyền đi, dẫn tới giảm giá thành, dữ liệu được truyền từ từng trạm con Slave lên Master để lưu trữ tại Master giúp giải quyết vấn đề đang tồn tại của các hệ thống giám sát cũ.
MÔ HÌNH MẠNG VÀ GIAO THỨC KẾT NỐI
Mô hình mạng
Hình 2.1: Mô hình mạng OSI
Mô hình OSI (Open System Interconnection) là một khung kết nối mở bao gồm 7 tầng, cho phép kết nối và tương thích với các hệ thống khác nhau theo chuẩn OSI Quá trình xử lý ứng dụng diễn ra trong các hệ thống mở, đồng thời duy trì sự kết nối liên tục giữa các hệ thống.
2.1.1.1 Các giao thức trong mô hình OSI: Giao thức hướng liên kết và giao thức không liên kết
Giao thức liên kết yêu cầu các thực thể cùng tầng thiết lập liên kết logic với các tham số để sử dụng trong quá trình truyền dữ liệu, cắt và hợp nhất dữ liệu, nhằm đảm bảo tính ổn định, độ tin cậy và an toàn trong trao đổi dữ liệu Ngược lại, giao thức không liên kết cho phép dữ liệu được truyền độc lập qua các tuyến khác nhau, với chỉ một giai đoạn duy nhất để thực hiện việc truyền dữ liệu.
2.1.1.2 Vai trò và chức năng các tầng trong OSI
Tầng ứng dụng cung cấp giao diện giữa người sử dụng và môi trường OSI, bao gồm nhiều giao thức ứng dụng cho phép người dùng truy cập vào môi trường này Khi các thực thể ứng dụng (AE) được thiết lập, chúng sẽ gọi đến các phần tử dịch vụ ứng dụng (ASE) Mỗi thực thể ứng dụng có thể bao gồm một hoặc nhiều phần tử dịch vụ ứng dụng, được phối hợp thông qua các liên kết gọi là đối tượng liên kết đơn (SAO) SAO điều khiển việc truyền thông và cho phép tuần tự hóa các sự kiện truyền thông.
Tầng trình bày là lớp xử lý thông tin trong mạng, đảm nhiệm việc giải quyết cú pháp và ngữ nghĩa của dữ liệu được truyền Nó đảm bảo rằng thông tin được trình bày phù hợp với yêu cầu của người sử dụng và khả năng làm việc của mạng Để thực hiện điều này, tầng trình bày cần thực hiện chuyển đổi dữ liệu trước khi gửi qua mạng.
Tầng phiên (Session Layer) cho phép người dùng trên các máy khác nhau duy trì và đồng bộ hóa phiên làm việc của họ Điều này có nghĩa là tầng phiên thiết lập các giao dịch giữa các thực thể đầu cuối, đảm bảo kết nối và giao tiếp hiệu quả.
Tầng vận chuyển là tầng cao nhất trong mô hình OSI, chịu trách nhiệm cho các giao thức trao đổi dữ liệu giữa các hệ thống mở Tầng này kiểm soát quá trình truyền dữ liệu từ các nút, đảm bảo tính toàn vẹn và độ tin cậy của thông tin được gửi đi.
Trong lĩnh vực mạng, việc kiểm tra lỗi và khôi phục dữ liệu giữa các thiết bị là rất quan trọng Hai giao thức phổ biến nhất ở tầng này là Giao thức Kiểm soát Truyền tải (TCP) và Giao thức Datagram Người dùng (UDP).
Tầng mạng (Network layer) cung cấp địa chỉ logic cho router, giúp xác định đường đi đến đích Địa chỉ logic chủ yếu là các địa chỉ IP, bao gồm cả địa chỉ nguồn và địa chỉ đích.
Tầng liên kết dữ liệu (Data Link Layer) đóng vai trò quan trọng trong việc định dạng thông điệp và tạo khung dữ liệu (Frame), đồng thời thêm vào một header chứa địa chỉ phần cứng của thiết bị nhận và nguồn gửi Header này giúp xác định thiết bị đích tiếp theo trên mạng nội bộ, trong khi tầng mạng chỉ tìm kiếm con đường đến đích cuối cùng mà không quan tâm đến thiết bị nhận tiếp theo Lớp này được chia thành hai lớp con: Điều khiển logic liên kết (LLC) và kiểm soát truy cập địa chỉ (MAC) Chức năng của LLC bao gồm quản lý khung cho các lớp trên và dưới, kiểm soát lỗi, và điều khiển luồng, trong khi lớp con MAC chứa địa chỉ vật lý của mỗi thiết bị mạng.
Tầng vật lý (Physical layer) định nghĩa các đặc tính vật lý của mạng như kết nối, điện áp, và các quy trình liên quan đến điện, quang, và thời gian Mục tiêu của tầng này là kết nối các phần tử mạng thành một hệ thống thông qua các phương pháp vật lý.
Mô hình TCP/IP, hay còn gọi là mô hình kết nối mở, bao gồm 4 tầng và được phát triển bởi Bộ Quốc phòng Mỹ (DoD) Mô hình này được xem là phiên bản giản lược của mô hình tham chiếu OSI, và hiện đang là mô hình mạng ứng dụng phổ biến trong các kết nối mạng hiện nay.
Hình 2.2: Mô hình mạng TCP/IP
- Khả năng tương thích cao với các hệ điều hành, phần cứng máy tính và mạng
- Không chịu sự kiểm soát của tổ chức nào, haofn toàn tự do bưởi nguuwofi dùng
- Có khả năng mở rộng và định tuyến đường truyền tốt nhất - Cho phép truyền thông giữa các môi trường đa dạng
Trong mô hình TCP/IP, quá trình truyền dữ liệu diễn ra từ tầng trên xuống tầng dưới, với mỗi tầng thêm vào một thông tin điều khiển gọi là phần header Khi nhận dữ liệu, quá trình ngược lại diễn ra, với phần header tương ứng được loại bỏ ở mỗi tầng cho đến khi dữ liệu đến tầng trên cùng, lúc này dữ liệu không còn phần header.
Giao thức MQTT
2.2.1 Các khái niệm cơ bản
MQTT, được phát triển bởi tiến sĩ Andy Stanford-Clark của IBM và Arlen Nipper của Arcom (Eurotech) vào năm 1999, là một giao thức hiệu quả và đáng tin cậy với chi phí thấp để kết nối các thiết bị giám sát trong ngành công nghiệp dầu mỏ và khí đốt với các doanh nghiệp từ xa Giao thức này dựa trên mô hình TCP/IP và sử dụng phương thức publish/subscribe, mang lại nhiều lợi ích cho việc truyền tải dữ liệu.
+ Dựa trên nền tảng TCP/IP
+ Dạng truyền các tiêu đề có gửi lện/theo dõi cung cấp dạng truyền tin phân tán từ 1 nhiều
+ Việc truyền bản tin không quan tâm đến nội dung truyền
Trong MQTT có 3 loại QoS được đưa ra nhằm đảm bảo độ tin cậy, vẹn toàn của dữ liệu:
QoS = 0: Bản tin được truyền và nhận dựa hoàn toàn vào độ tin cậy của TCP/IP, có thể xảy ra mất mát hoặc lặp lại bản tin Tuy nhiên, điều này không ảnh hưởng đến các loại dữ liệu được truyền liên tục theo thời gian.
Chất lượng dịch vụ (QoS) là yếu tố quan trọng trong việc truyền tải dữ liệu Với QoS = 1, bản tin được đảm bảo sẽ được nhận đúng, nhưng có khả năng xảy ra việc lặp lại Trong khi đó, QoS = 2 đảm bảo rằng bản tin chỉ được nhận đúng một lần, rất quan trọng trong các hệ thống thanh toán, nơi việc lặp lại hoặc mất bản tin có thể dẫn đến sai sót trong tính tiền.
MQTT có nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm băng thông thấp và độ tin cậy cao, cho phép hoạt động hiệu quả ngay cả khi mạng không ổn định Giao thức này tiêu tốn rất ít byte dữ liệu để kết nối với server và duy trì trạng thái kết nối mở liên tục Hơn nữa, MQTT cho phép kết nối nhiều thiết bị MQTT Client thông qua một MQTT Broker, làm cho nó trở thành giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng IoT.
2.2.2 Mô hình giao thức MQTT
Một phiên làm việc MQTT bao gồm bốn giai đoạn: kiểm tra kết nối, xác thực, giao tiếp và chấm dứt Quá trình bắt đầu bằng việc thiết lập kết nối TCP/IP đến Broker qua cổng tiêu chuẩn từ máy chủ Broker đóng vai trò trung tâm, kết nối tất cả các Client (Publisher/Subcriber) và chịu trách nhiệm nhận các bản tin từ trạm gửi, xếp hàng đợi và chuyển tiếp đến địa chỉ cụ thể Client có thể gửi bản tin đến một hoặc nhiều tiêu đề cụ thể, hoặc theo dõi các tiêu đề để nhận bản tin từ chúng.
Hình 2.3: Mô hình giao thức MQTT
Topic: chính là hàng đợi chứa tiêu đề Về logic, tiêu đề cho phép các Clients trao đổi thông tin và dữ liệu
Session: Là kết nối từ client đến server, tất cả giao tiếp giữa client và server đều là một phần của session
Subscription: Là kết nối từ client đến tiêu đề Khi đã theo dõi một tiêu đề, Client có thể nhận/gửi thông điệp với tiêu đề đó
Message: Là các đơn vị dữ liệu được trao đổi giữa các tiêu đề clients
Publisher: Là các clients kết nối logic đến các tiêu đề và Clients sẽ đẩy các bản tin vào hàng đợi của tiêu đề
Subscriber là các client kết nối với các tiêu đề, và khi có bản tin mới xuất hiện trong hàng đợi của tiêu đề, các client này sẽ nhận được dữ liệu để xử lý ngay lập tức.
2.2.4 Các gói tin quan trọng của giao thức MQTT
2.2.4.1 Định dạng của bản tin
Tất cả các bản tin luôn chứa phần cố định như hình:
+ Loại bản tin: Byte 1, từ bit 4 -> 7, là một số 4 bit không dấu diễn tả các trạng thái Connect: 1, publish: 3, subcribe: 8, unsubcribe: 10, disconnect: 14,…
Cờ trong giao thức MQTT bao gồm DUP, QoS và RETAIN Cờ DUP cho biết trạng thái lặp lại của bản tin, được thiết lập khi client hoặc server cố gắng gửi lại một gói publish hoặc subscribe Cờ QoS xác định chất lượng và độ tin cậy khi nhận bản tin, với ba mức giá trị 00, 01 và 10 tương ứng với các mức QoS 0, 1 và 2 Cờ RETAIN chỉ được sử dụng trong bản tin gửi để giữ lại giá trị của bản tin tại server, ngay cả khi bản tin đã được gửi đến các trạm nhận.
• Byte 2 Độ dài còn lại
Độ dài trong bản tin bao gồm cả phần header và khối dữ liệu, với phần còn lại được sử dụng để chứa số byte cần thiết cho việc truyền và nhận dữ liệu.
2.2.4.2 CONNECT – Client yêu cầu connect đến server
When a TCP/IP connection is established from a client to a server, a protocol-level session is created using the Connect stream The server responds to the client's CONNECT message with a CONNACK message If the server does not receive the CONNECT message from the client within a specified timeframe, it may take further action.
Sau khi thiết lập kết nối TCP/IP, server nên đóng kết nối MQTT nếu không nhận được phản hồi CONNACK từ client Nếu client không nhận được CONNACK, cần ngắt kết nối và khởi động lại phiên và thực hiện lại yêu cầu CONNECT Đối với client đã có kết nối với Client ID đến server, cần phải ngắt kết nối trước khi tiếp tục luồng hoạt động.
CONNECT mới Đồng thời, nếu Client gửi một bản tin kết nối không hợp lệ, server cũng sẽ ngắt kết nối
Một bản tin PUBLISH được gửi từ client đến server nhằm phân phối đến các subscriber cần thiết Mỗi bản tin đều có một tiêu đề theo dạng không gian phân cấp, giúp phân loại nguồn thông tin Các trạm nhận có thể theo dõi các bản tin dựa trên tiêu đề này Khi một bản tin được gửi đến một tiêu đề cụ thể, nó sẽ được phân phát đến các trạm nhận quan tâm đến tiêu đề đó.
Nếu 1 client theo dõi một hoặc nhiều tiêu đề, thì mọi bản tin được gửi lên những tiêu đề đó được gửi bởi server đến client như là một tin nhắn PUBLISH Phản hồi cho PUBLISH bản tin phụ thuộc vào mức của QoS
QoS Giá trị trả về mong muốn
Nếu một server không xác nhận được một PUBLISH từ client, nó không thể thông báo cho client về tình trạng này Do đó, server cần đảm bảo một mức độ nhất định, tùy thuộc vào các mức QoS, để client không nhận được thông báo về việc xác thực bản tin PUBLISH mà họ đã gửi.
Bản tin SUBSCRIBE cho phép khách hàng theo dõi một hoặc nhiều tiêu đề từ máy chủ Khi bản tin được gửi lên máy chủ, nó sẽ được chuyển đến khách hàng qua bản tin PUBLISH Bản tin SUBSCRIBE cũng chỉ rõ mức QoS mà thiết bị nhận mong muốn Sau khi nhận được bản tin SUBSCRIBE, máy chủ sẽ phản hồi bằng bản tin SUBACK Máy chủ sau đó sẽ bắt đầu gửi bản tin PUBLISH theo yêu cầu.
Khi một client gửi yêu cầu SUBSCRIBE, nó có thể nhận được bản tin SUBACK trước khi server xác nhận yêu cầu đó Nếu server không xác nhận yêu cầu, client sẽ không nhận được thông báo nào về việc này Bản tin SUBACK được tạo ra để xác nhận, và client sẽ không biết rằng yêu cầu của mình chưa được xác thực Ngoài ra, server có quyền chỉ định mức QoS thấp hơn yêu cầu của client nếu không thể cung cấp mức QoS cao hơn.
2.2.5 Quy trình truyền nhận dữ liệu trong MQTT
2.2.5.1 Connect và Subcribe tiêu đề
+ Session và Subcription được thiết lập với session flag = 1 -
Client và Server được kết nối qua giao thức TCP
- Client gửi gói tin CONNECT yêu cầu kết nối đến Server, clean session = 1 Đây là thời điểm đánh dấu session được thiết lập
- Server gởi gói CONNACK xác nhận thiết lập kết nối thành công
- Client thực hiện SUBSCRIBE đến tiêu đề XYZ Đây là thời điểm bắt đầu chạy thời gian xuất kết nối của một subscription
- Server gởi gói SUBACK xác nhận quá trình subscription
- Client PUBLISH để gửi các bản tin tiêu đề đến server
- Sau khi nhận đủ thông tin, client gửi gói UNSUBSCRIBE tiêu đề XYZ để kết thúc quá trình Subscribe
- Server trả về gói UNSUBACK
- Client gửi gói DISCONNECT để kết thúc session truyền thông
+ Session và Subcription được thiết lập với session flag = 0 -
Subscription lifetime đã được thiết lập trước
- Client và Server được kết nối qua giao thức TCP
- Client gửi gói tin CONNECT yêu cầu kết nối đến Server, clean session = 0 Đây là thời điểm đánh dấu session được thiết lập
- Server gởi gói CONNACK xác nhận thiết lập kết nối thành công
- Client PUBLISH để gửi tiêu đề - bản tin đến server
- Client gửi gói DISCONNECT để kết thúc session truyền thông
+ Mức QoS = 0: Không có phản hồi đã nhận từ server MQTT Broker và các bản tin đến server 1 lần hoặc không có
Hình 2.5: Quá trình gửi bản tin lên MQTT Broker với QoS = 0
+ Mức QoS = 1: Server sẽ có phản hồi xác nhận đã nhận được bản tin và liên tục gửi dữ liệu đến trạm nhận
Hình 2.6: Quá trình gửi bản tin lên MQTT Broker với QoS = 1
+ Mức QoS = 2: Đảm bảo không có bản tin nào được gửi lặp lại, lưu lượng truyền mạng tăng lên
Hình 2.7: Quá trình gửi bản tin lên MQTT Broker với QoS = 2
Giao thức Zigbee
2.3.1 Các khái niệm cơ bản
Zigbee là công nghệ mạng không dây phát triển dựa trên tiêu chuẩn 802.15.4 của IEEE, với tính mở và sự hỗ trợ từ nhiều nhà sản xuất thiết bị Công nghệ này tiêu thụ ít năng lượng và sử dụng mạng lưới để mở rộng hệ thống Tuy nhiên, một thách thức lớn là sự khó khăn trong việc giao tiếp giữa các thiết bị Zigbee từ các hãng khác nhau.
Zigbee có khả năng truyền tín hiệu lên đến 70m từ trạm phát, và khoảng cách này có thể mở rộng hơn nhờ các nút liên kết trong hệ thống Dữ liệu được truyền dưới dạng gói tối đa 128 bytes, và tiêu chuẩn này hỗ trợ địa chỉ 64 bit, cho phép mỗi thiết bị có một địa chỉ IP duy nhất.
2.3.2 Mô hình giao thức Zigbee
Zigbee có 3 dạng mô hình được hỗ trợ: Dạng hình sao, hình lưới và hình cây Mỗi dạng có nhưng ưu điểm và ứng dụng riêng
Một trong những trạm đo con sẽ được cài đặt dưới dạng Gateway và thiết lập mạng Zigbee, quy định cách đánh địa chỉ cũng như phân phối địa chỉ cho các Router.
Trạm còn lại sẽ cài đặt như Router, nhận các địa chỉ cấp từ Gateway, đồng thời quản lý việc kết nối với các Zigbee Device
Mô hình có thể xây dựng trong giao thức Zigbee với hệ thống lớn:
2.3.2.1 Dạng hình sao (Star network)
Zigbee Gateway Zigbee Router Zigbee Device
2.3.2.2 Dạng hình lưới (Mesh network)
Zigbee Gateway Zigbee Router Zigbee Device
2.3.2.3.Dạng hình cây (Cluster network)
Zigbee Gateway Zigbee Router Zigbee Device
Ngoài 2 tầng vật lý và tầng MAC xác định bởi tiêu chuẩn 802.15.4 ở tiêu chuẩn Zigbee còn có thêm các tầng của hệ thống bao gồm: Tầng mạng, tầng ứng dụng, tầng đối tượng thiết bị
Tầng vật lý: Có trách nhiệm gửi gói dữ liệu qua song và giữ cho việc truyền tín hiệu được mạnh trong môi trường nhiễu
Tầng MAC sử dụng công nghệ đa truy cập để nhận biết đường truyền, giúp tránh va chạm và xác định hình dạng mạng, từ đó nâng cao sự mạnh mẽ và ổn định của hệ thống.
Tầng mạng (NWK) của Zigbee là một thành phần phức tạp, có chức năng tìm kiếm và kết nối mạng, đồng thời mở rộng từ chuẩn 802.15.4 sang dạng lưới Tầng này đảm nhận việc xác định đường truyền cho Zigbee và sử dụng địa chỉ Zigbee thay vì địa chỉ tầng MAC.
Tầng hỗ trợ ứng dụng (APS) đóng vai trò kết nối mạng và cài đặt các ứng dụng cần thiết cho Zigbee, đồng thời giúp loại bỏ các gói dữ liệu trùng lặp từ tầng trên Trong khi đó, tầng đối tượng thiết bị (ZDO) quản lý các thiết bị và định hình tầng hỗ trợ ứng dụng cũng như tầng mạng, cho phép thiết bị thực hiện tìm kiếm, quản lý yêu cầu và xác định trạng thái của mình.
Tầng ứng dụng người dùng (APO) là nơi người dùng tương tác trực tiếp với thiết bị, cho phép họ tùy biến và thêm các ứng dụng vào hệ thống một cách linh hoạt.
Kết luận chương 2
Chương 2 đã trình bày lý thuyết về các mô hình kết nối trong Internet Luận văn lựa chọn giao thức MQTT với các ưu điểm như hoạt động trong băng thông thấp ở môi trường có độ trễ cao, độ tin cậy cao, được thiết kế có tính mở, dễ tích hợp trên các thiết bị nhúng bị giới hạn về tài nguyên và tốc độ MQTT đặc biệt phù hợp với các ứng dụng M2M, IoT, WSN; điều này phù hợp với yêu cầu thiết kế hệ thống giám sát thông số nước nuôi trồng thủy sản trực tuyến mà luận văn hướng đến Ngoài ra, có đề cập thêm giải pháp giao tiếp nội bộ giữa các trạm con trong điều kiện mất kết nối Wifi sử dụng giao thức Zigbee, cũng là một giải pháp tiêu thụ rất ít năng lượng và tài nguyên
Bài viết đã trình bày chi tiết các thông số kỹ thuật của giao thức MQTT và Zigbee, hai yếu tố quan trọng trong ứng dụng IoT Qua việc nghiên cứu các thông số này, luận văn đã thiết kế và triển khai hệ thống với chất lượng dịch vụ QoS mức 0 sử dụng MQTT, cùng với giao tiếp cơ bản trong việc truyền và nhận dữ liệu qua Zigbee với hai trạm con.
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG, XỬ LÝ TÍN HIỆU
Xây dựng sơ đồ hệ thống
Khối cảm biến bao gồm các cảm biến nhiệt độ, pH, DO, và độ dẫn điện, có nhiệm vụ đo lường các thông số môi trường và truyền dữ liệu đo được đến Arduino khi nhận được tín hiệu yêu cầu.
Khối xử lý trung tâm bao gồm Raspberry Pi 3B+ và Arduino, có nhiệm vụ xử lý tín hiệu từ các cảm biến, điều khiển thiết bị và phát dữ liệu qua mạch Zigbee cùng với module wifi Node MCU.
Khối thu phát bao gồm module Zigbee và module Wifi, có nhiệm vụ truyền dữ liệu từ Arduino này đến bộ thu của Arduino khác và đưa thông tin lên hệ thống internet.
• Khối điều khiển gồm module rơ le: Có chức năng điều khiển các thiết bị dạng đóng/ngắt bên ngoài hoạt động
Hình3.1:Sơ đồ tổng quát hệ thống
Mạch node MCU có kết nối wifi
Mạch node MCU có kết nối wifi
Raspberry pi 3B+ đã có sẵn kết nối wifi và ethernet
Arduino Mạch kết nối zigbee
Arduino Mạch kết nối zigbee
Sơ đồ tổng quan hệ thống đặt ra Hệ thống bao gồm 1 trạm chính và 2 trạm con:
• Trạm chính gồm máy tính nhúng Raspberry Pi
Trạm con bao gồm Arduino, mô-đun kết nối Wifi, mô-đun kết nối Zigbee, mạch xử lý tín hiệu cảm biến và mạch Rơ le, với sơ đồ kết nối được trình bày như hình dưới đây.
Hệ thống trạm con sử dụng máy tính nhúng Raspberry Pi 3B+ với hệ điều hành Linux Raspian, hoạt động liên tục 24/24 và tiêu tốn khoảng 10W, phục vụ cho việc đo đa kênh và lưu trữ giao diện Web Bo mạch Arduino được chọn làm bộ xử lý trung tâm cho hai cụm đo con, nhờ vào nguồn tài liệu và thư viện phong phú hỗ trợ phát triển sản phẩm Ngoài ra, có thể thay thế bằng các dòng vi xử lý khác như Raspberry Pi, STM, Tiva tùy thuộc vào khả năng tài chính Phương thức truyền thông qua Wifi và Zigbee được lựa chọn do tính phổ biến và chi phí thấp trong việc truyền dữ liệu.
Mô - đun nodeMCU có kết nối wifi
Mô - đun kết nối zigbee
Mô-đun mạch xử lý tín hiệu cảm biến
Mô-đun mạch đóng, ngắt Rơ le Đầu vào Đầu ra
Các cảm biến pH, nhiệt độ, DO, độ dẫn điện,…
Các thiết bịthực thi như: Máy đánh khuấy (Tăng oxi), hệthống bổsung pH, máy cho ăntựđộng,…
Sơ đồ nguyên lý và tổng quan chức năng các khối mạch trong hệ thống
Arduino cơ bản là nền tảng điện tử mã nguồn mở, dễ sử dụng cho cả phần mềm và phần cứng Board mạch Arduino có khả năng đọc các tín hiệu đầu vào như ánh sáng từ cảm biến, thao tác từ bàn phím, hoặc tin nhắn từ Twitter, và chuyển đổi chúng thành tín hiệu đầu ra như khởi động động cơ, bật đèn LED, hoặc đăng nội dung lên mạng xã hội Bạn có thể lập trình board mạch để thực hiện các tác vụ cụ thể bằng cách sử dụng ngôn ngữ lập trình Arduino, kết hợp với hệ thống dây dẫn và phần mềm Arduino IDE để khởi chạy dữ liệu lập trình.
Arduino được thành lập vào năm 2005 tại Viện thiết kế tương tác Ivrea, Italy, như một dự án dành cho sinh viên Trước đó, sinh viên sử dụng "BASIC Stamp" với giá khoảng 100 USD, một mức giá khá cao cho sinh viên Massimo Banzi, một trong những người sáng lập, đã giảng dạy tại Ivrea Tên gọi "Arduino" được lấy từ một quán bar ở Ivrea, nơi các nhà sáng lập thường gặp gỡ, và quán bar này được đặt theo tên Arduino, Bá tước của Ivrea, vua của Italy từ năm 1002 đến 1014.
Lý thuyết phần cứng được phát triển bởi sinh viên Colombia Hernando Barragan, sau khi nền tảng Wiring hoàn thành Các nhà nghiên cứu đã hợp tác để cải tiến nền tảng này, làm cho nó nhẹ hơn, rẻ hơn và dễ tiếp cận hơn cho cộng đồng mã nguồn mở Tuy nhiên, trường nơi họ làm việc đã bị đóng cửa, dẫn đến việc David Cuarlielles và các nhà nghiên cứu khác phổ biến ý tưởng này ra cộng đồng.
Arduino được phát triển nhằm mục đích giúp học sinh và sinh viên chưa có kiến thức về điện và lập trình dễ dàng tạo mẫu nhanh Khi cộng đồng người dùng mở rộng, board mạch Arduino đã trở thành một công cụ phổ biến trong việc học tập và sáng tạo.
Arduino đã bắt đầu thay đổi để đáp ứng kịp thời những nhu cầu và thách thức mới, từ các board mạch 8-bit đến ứng dụng Internet vạn vật (IoT), thiết bị đeo, máy in 3D và hệ thống nhúng Tất cả các loại board mạch Arduino đều là mã nguồn mở, cho phép người dùng tự xây dựng và tùy chỉnh theo nhu cầu cụ thể Phần mềm cũng là mã nguồn mở và phát triển không ngừng nhờ vào sự đóng góp của cộng đồng người dùng trên toàn thế giới.
Tại sao lại chọn Arduino?
Arduino đã trở thành nền tảng phổ biến cho hàng ngàn dự án và ứng dụng nhờ vào tính đơn giản và trải nghiệm người dùng dễ dàng Phần mềm Arduino không chỉ thân thiện với người mới bắt đầu mà còn đủ linh hoạt và đa chức năng để phục vụ cho những người dùng có kinh nghiệm cao hơn.
Arduino có thể chạy trên các hệ điều hành Mac, Windows và Linux, được sử dụng rộng rãi bởi giáo sư và sinh viên để phát triển công cụ nghiên cứu khoa học với chi phí thấp Nó hỗ trợ việc chứng minh các định luật vật lý và hóa học, đồng thời là nền tảng cho việc nghiên cứu robot và lập trình Các nhà nghiên cứu và kiến trúc sư sử dụng Arduino để xây dựng nguyên mẫu tương tác, trong khi nhạc sĩ và nghệ sĩ thử nghiệm với các nhạc cụ mới Ngoài ra, các nhà sản xuất cũng tận dụng Arduino để phát triển các dự án thực tiễn, phục vụ cho các buổi triển lãm lớn Arduino thực sự là chiếc chìa khóa mở ra thế giới của những điều mới lạ và thú vị.
Các board mạch Arduino có giá thành phải chăng hơn so với nhiều nền tảng vi điều khiển khác Mô đun Arduino giá rẻ nhất có thể tự lắp ráp, trong khi các mô đun đã lắp ráp sẵn cũng có mức giá dưới mức cao.
The Arduino IDE (Integrated Development Environment) is compatible with Windows, Mac OS, and Linux operating systems Most microcontroller systems, however, are primarily limited to the Windows operating system.
• Môi trường lập trình đơn giản và rõ ràng:
Phần mềm Arduino IDE là lựa chọn lý tưởng cho cả người mới bắt đầu và những người dùng có kinh nghiệm, nhờ vào tính dễ sử dụng và linh hoạt của nó Đặc biệt, giảng viên có thể tận dụng môi trường lập trình thân thiện, giúp sinh viên nhanh chóng làm quen và nắm bắt cách thức hoạt động của Arduino IDE trong quá trình học lập trình.
• Mã nguồn mở và phần mềm có khả năng mở rộng:
Arduino là một công cụ mã nguồn mở, cho phép lập trình viên có kinh nghiệm mở rộng dễ dàng Ngôn ngữ lập trình của Arduino có thể được mở rộng thông qua thư viện C++, và những ai muốn tìm hiểu chi tiết kỹ thuật có thể chuyển đổi sang ngôn ngữ ARV-C Hơn nữa, người dùng cũng có thể tích hợp các dòng code ARV-C trực tiếp vào chương trình Arduino.
• Mã nguồn mở và phần cứng có khả năng mở rộng:
Board mạch Arduino được công bố dưới dạng bằng sáng chế, cho phép các nhà thiết kế mạch điện tử có kinh nghiệm tạo ra modul riêng, mở rộng và cải tiến sản phẩm Ngay cả những người mới bắt đầu cũng có thể dễ dàng xây dựng phiên bản modul breadboard để hiểu rõ cách thức hoạt động và tiết kiệm chi phí.
Mạch Arduino UNO là một trong những loại mạch Arduino phổ biến nhất, thường được sử dụng cho những người mới bắt đầu tìm hiểu và lập trình với Arduino Hiện tại, dòng mạch này đã phát triển đến thế hệ thứ 3, được gọi là Arduino UNO R3.
Arduino Uno R3 là mạch cơ bản, linh hoạt, lý tưởng cho người mới bắt đầu tìm hiểu về Arduino Ngoài Arduino Uno, còn có các dòng khác như Arduino Mega, Arduino Nano và Arduino Micro để người dùng lựa chọn.
44 với việc nghiên cứu những ứng dụng thì dòng mạch Arduino UNO là lựa chọn phù hợp nhất để tối ưu hóa hiệu quả nghiên cứu và học hỏi
Các thông số cơ bản của mạch Arduino UNO R3:
- Điện áp đầu vào (khuyên dùng): 7 – 12V
- Điện áp đầu vào (giới hạn): 6 – 20V
- Chân Digital I/O: 14 (với 6 chân PWM output)
- Dòng sử dụng I/O Pin: 20 mA
- Dòng sử dụng 3.3V Pin: 50 mA
- Bộ nhớ Flash: 32 KB (ATmega328P) với 0.5KB dùng bởi bootloader
- Clock Speed: 16 MHz - LED_BUILTIN: 13
Arduino UNO R3 có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là: ATmega8
Bảng mạch Arduino Uno R2 và R3 sử dụng vi điều khiển ATmega168 và ATmega328, cho phép thực hiện các tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lý tín hiệu cho xe điều khiển từ xa và điều khiển động cơ bước.
45 cơ serve, làm một trạm đo nhiệt độ – độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,… hay những ứng dụng khác
Hệ thống giao diện Web quản lý
Việc phát triển hệ thống cập nhật dữ liệu liên tục yêu cầu xây dựng một cơ sở dữ liệu hiệu quả để lưu trữ và xử lý thông tin thu thập Để tạo ra môi trường trực quan, giúp người nuôi trồng dễ dàng theo dõi tình hình ao hồ thủy sản, nhóm đã thiết kế một website đáp ứng tất cả các yêu cầu này.
Website, hay còn gọi là trang web, là công cụ quan trọng để truyền tải thông tin, quảng cáo và giới thiệu sản phẩm, dịch vụ Nó giúp doanh nghiệp và cá nhân bán hàng, giao tiếp và trao đổi trực tuyến một cách hiệu quả Ngoài ra, website cũng là hỗ trợ thiết yếu cho các hoạt động quảng cáo, kinh doanh và bán hàng hiện nay.
3.3.2 Thiết kế website là gì?
Thiết kế web bao gồm nhiều kỹ năng như thiết kế giao diện, mã hóa HTML, lập trình và tối ưu hóa công cụ tìm kiếm Thông thường, các cá nhân làm việc theo nhóm, mỗi người phụ trách một khâu khác nhau Mặc dù một số người có thể thực hiện tất cả các công đoạn, nhưng điều này có thể giảm tính chuyên nghiệp Những người chuyên về thiết kế thường có tính thẩm mỹ cao hơn, trong khi những lập trình viên sẽ có thời gian và sự tập trung để nâng cấp công nghệ.
3.3.3 Thiết kế website cho hệ thống quan trắc
3.3.3.1 Thiết kế giao diện website (client-side) Để thiết kế giao diện của website hay có thể gọi là client-side, giao diện người dùng, cho hệ thống quan trắc thông minh, tác giả đã sử dụng ngôn ngữ
HTML5 tạo nền tảng cơ bản cho website, trong khi CSS giúp định dạng và bố trí các thành phần trên trang Cuối cùng, Javascript đảm nhiệm vai trò xây dựng các tương tác của website với người dùng.
HTML (Hyper-Text Markup Language) là ngôn ngữ đánh dấu chủ yếu dùng để xây dựng các trang web trên World Wide Web Kết hợp cùng với CSS và JavaScript, HTML tạo thành bộ ba nền tảng kỹ thuật thiết yếu cho Internet Được phát triển từ SGML, HTML đáp ứng nhu cầu xuất bản phức tạp trong các tổ chức và đã trở thành một tiêu chuẩn Internet do tổ chức World Wide Web định nghĩa.
Consortium W3C duy trì HTML, với phiên bản chính thức mới nhất là HTML 4.01 được phát hành vào năm 1999 Sau đó, XHTML đã được các nhà phát triển thay thế Hiện tại, HTML đang được phát triển với phiên bản HTML5, hứa hẹn mang đến diện mạo mới cho Web.
Bằng cách sử dụng HTML động hoặc Ajax, lập trình viên có khả năng tạo ra và xử lý nhiều công cụ khác nhau, từ các chương trình soạn thảo văn bản cho đến các ứng dụng phức tạp hơn.
60 đơn giản – có thể gõ vào ngay từ những dòng đầu tiên – cho đến những công cụ xuất bản WYSIWYG phức tạp
• Ngôn ngữ CSS (Cascading Style Sheets):
- Trong tin học, các tập tin định kiểu theo tầng – Cascading Style
Sheets (CSS) – được dùng để miêu tả cách trình bày các tài liệu viết bằng ngôn ngữ HTML và XHTML
- CSS giúp chúng ta hạn chế tối thiểu việc làm rối mã HTML của trang
Sử dụng các thẻ quy định kiểu dáng như chữ đậm, chữ in nghiêng, chữ gạch chân và chữ màu giúp mã nguồn của trang web trở nên gọn gàng hơn Điều này tách biệt nội dung và định dạng hiển thị, từ đó dễ dàng cho việc cập nhật nội dung trên trang web.
CSS cho phép tạo ra các kiểu dáng có thể áp dụng cho nhiều trang web, giúp tiết kiệm thời gian và công sức bằng cách tránh việc lặp lại định dạng cho các trang web tương tự.
JavaScript, hiện tại là một ngôn ngữ lập trình thông dịch, được phát triển từ các ý niệm nguyên mẫu và được sử dụng phổ biến cho cả phía người dùng và phía máy chủ thông qua Node.js Ngôn ngữ này do Brendan Eich phát triển tại Hãng truyền thông Netscape, ban đầu mang tên Mocha, sau đó đổi thành LiveScript và cuối cùng là JavaScript Cú pháp của JavaScript tương tự như Java, nhưng gần gũi hơn với Self.
Java .js là phần mở rộng thường được dùng cho tập tin mã nguồn JavaScript
3.3.3.2 Thiết kế hệ quản trị cơ sở dữ liệu (server-side) Để tạo ra một hệ cơ sở dữ liệu với máy chủ ngay tại nơi nhận dữ liệu từ hệ thống quan trắc hay còn gọi là server-side, nhóm đã chọn sử dụng một chương trình tạo máy chủ Web phổ biến và được sử dụng nhiều nhất hiện nay đó là XAMPP Và trong XAMPP cũng đã có tích hợp sẵn hệ quản trị cơ sở dữ liệu tự do nguồn mở là MySQL và ngôn ngữ PHP để tạo ra các tương tác với server và cơ sở dữ liệu Ngoài ra thì nhóm cũng đã dùng phần mềm mã nguồn mở phpMyAdmin để quản lý cơ sở dữ liệu MySQL thông qua giao diện Web
• Cơ sở dữ liệu (Database):
Cơ sở dữ liệu là một tập hợp thông tin có cấu trúc, thường được hiểu trong công nghệ thông tin như một tập hợp liên kết các dữ liệu lớn, được lưu trữ trên thiết bị như đĩa hoặc băng Dữ liệu này được tổ chức dưới dạng các tập tin trong hệ điều hành hoặc được quản lý bởi các hệ quản trị cơ sở dữ liệu.
Cơ sở dữ liệu giúp tối ưu hóa việc quản lý thông tin bằng cách giảm thiểu sự trùng lặp, từ đó đảm bảo tính nhất quán và toàn vẹn của dữ liệu.
Cơ sở dữ liệu cho phép truy xuất thông tin theo nhiều phương thức khác nhau, đồng thời hỗ trợ nhiều người cùng sử dụng một hệ thống dữ liệu chung.
• Phần mềm tạo máy chủ:
- Xampp là chương trình tạo máy chủ Web (Web Server) được tích hợp sẵn
Tổng quan về cảm biến
Cảm biến là thiết bị điện tử có khả năng nhận diện các trạng thái hoặc quá trình vật lý và hóa học trong môi trường khảo sát Thiết bị này chuyển đổi thông tin thành tín hiệu điện, giúp thu thập dữ liệu về các trạng thái và quá trình đó.
Thông tin được xử lý nhằm rút ra các tham số định tính và định lượng của môi trường, phục vụ cho nghiên cứu khoa học, kỹ thuật và nhu cầu dân sinh Quá trình này được gọi là đo đạc, đóng vai trò quan trọng trong việc truyền và xử lý thông tin cũng như điều khiển các quá trình khác.
Cảm biến thường được lắp đặt trong các vỏ bảo vệ, tạo thành đầu thu hoặc đầu dò (Test probe) Đôi khi, nó còn đi kèm với các mạch điện hỗ trợ, và toàn bộ thiết bị này thường được gọi chung là "cảm biến".
• Có nhiều loại cảm biến khác nhau và có thể chia ra hai nhóm chính:
Cảm biến vật lý là thiết bị quan trọng giúp phát hiện và đo lường các loại sóng điện từ, bao gồm ánh sáng, tia cực tím, hồng ngoại, tia X, tia gamma, cũng như các hạt bức xạ Ngoài ra, chúng còn có khả năng đo nhiệt độ, áp suất, âm thanh, rung động, khoảng cách, chuyển động, gia tốc, từ trường và trọng trường Những cảm biến này đóng vai trò thiết yếu trong nhiều ứng dụng công nghệ hiện đại.
-Cảm biến hóa học: độ ẩm, độ PH, các ion, hợp chất đặc hiệu, khói
• Các đặc trưng của cảm biến:
- Độ nhạy: Gia số nhỏ nhất có thể phát hiện
- Mức tuyến tính: Khoảng giá trị được biến đổi có hệ số biến đổi cố định
- Dải biến đổi: Khoảng giá trị biến đổi sử dụng được
- Ảnh hưởng ngược: Khả năng gây thay đổi môi trường
- Mức nhiễu ồn: Tiếng ồn riêng và ảnh hưởng của tác nhân khác lên kết quả
- Sai số xác định: Phụ thuộc độ nhạy và mức nhiễu
- Độ trôi: Sự thay đổi tham số theo thời gian phục vụ hoặc thời gian tồn tại (date)
- Độ trễ: Mức độ đáp ứng với thay đổi của quá trình
- Độ tin cậy: Khả năng làm việc ổn định, chịu những biến động lớn của môi trường như sốc các loại
- Điều kiện môi trường: Dải nhiệt độ, độ ẩm, áp suất làm việc được
• Cảm biến chủ động và bị động:
Cảm biến chủ động và cảm biến bị động phân biệt ở nguồn năng lượng dùng cho phép biến đổi lấy từ đâu:
Cảm biến chủ động hoạt động mà không cần nguồn điện bổ sung để chuyển đổi tín hiệu thành điện Một ví dụ tiêu biểu là cảm biến áp điện được làm từ vật liệu gốm, có khả năng chuyển đổi áp suất thành điện tích trên bề mặt Ngoài ra, các anten cũng được xếp vào loại cảm biến chủ động.
Cảm biến bị động là loại cảm biến không cần nguồn điện bổ sung để chuyển đổi tín hiệu, ví dụ như photodiode, khi có ánh sáng chiếu vào, điện trở của tiếp giáp bán dẫn p-n sẽ thay đổi do phân cực ngược Ngoài ra, các cảm biến sử dụng biến trở cũng thuộc loại cảm biến bị động này.
- Phân loại thì như vậy nhưng một số cảm biến nhiệt độ kiểu lưỡng kim dường như không thể xếp hẳn vào nhóm nào, nó nằm vào giữa
• Phân loại theo nguyên lý hoạt động:
-Cảm biến điện trở:Hoạt động dựa theo di chuyển con chạy hoặc góc quay của biến trở, hoặc sự thay đổi điện trở do co giãn vật dẫn
Cảm biến cảm ứng bao gồm nhiều loại khác nhau, trong đó có cảm biến vị trí (Linear Variable Differential Transformer - LVDT), sử dụng nguyên lý biến áp vi phân để xác định vị trí chính xác Cảm biến cảm ứng điện từ, như các antenna, giúp thu thập thông tin từ môi trường xung quanh Cảm biến dòng xoáy thường được ứng dụng trong các đầu dò của máy dò khuyết tật kim loại và máy dò mìn Cuối cùng, cảm biến cảm ứng điện động chuyển đổi chuyển động thành tín hiệu điện, ví dụ như microphone điện động và đầu thu sóng địa chấn (Geophone).
- Cảm biến điện dung:Sự thay đổi điện dung của cảm biến khi khoảng cách hay góc đến vật thể kim loại thay đổi
- Cảm biến điện trường: Ít dùng
- Cảm biến từ giảo (magnetoelastic): Ít dùng
- Cảm biến từ trường: Cảm biến hiệu ứng Hall, cảm biến từ trường dùng vật liệu sắt từ, dùng trong từ kế
Cảm biến áp điện là thiết bị chuyển đổi áp suất thành điện năng, thường sử dụng gốm áp điện như titanat bari Chúng được ứng dụng rộng rãi trong các microphone thu âm và đầu thu sóng địa chấn trong nước, như hydrophone trong các hệ thống sonar.
Cảm biến quang, bao gồm cảm biến ảnh CMOS và cảm biến OCD, cùng với photodiode ở các vùng phổ khác nhau, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Một ví dụ điển hình là đầu dò giấy trong khay máy in, được chế tạo từ photodiode Nhóm cảm biến này đang dẫn đầu về mức độ phổ biến nhờ vào kích thước nhỏ gọn và độ tin cậy cao.
- Cảm biến huỳnh quang, nhấp nháy: Sử dụng các chất phát quang thứ cấp để phát hiện các bức xạ năng lượng cao hơn, như các tấm kẽm sulfua
- Cảm biến điện hóa:Các đầu dò ion, độ pH
- Cảm biến nhiệt độ: Cặp lưỡng kim, hoặc dạng linh kiện bán dẫn như Precision Temperatur Sensor LM335 có hệ số 10 mV/°K
• Vai trò của cảm biến trong tự động hóa:
Cảm biến có vai trò quan trọng trong các bài toán điều khiển quá trình nói riêng và trong các hệ thống điều khiển tự động nói chung
- Là thiết bị có khả năng cảm nhận các tín hiệu điều khiển vào, ra
- Có vai trò đo đạc các giá trị
- Giới hạn cảm nhận với đại lượng vật lý cần đo
3.4.2 Lựa chọn thiết bị phần cứng cảm biến
3.4.2.1 Cảm biến đo nhiệt độ
Hình 3.24: Cảm biến đo nhiệt độ DS18B20
- Cảm biến đo của hãng MAXIM sử dụng IC dạng giao tiếp số, có chức năng báo vượt ngưỡng
- Đây là cảm biến đo dạng kỹ thuật số nên không bị suy hao trên đường truyền Thông số kỹ thuật:
- Khoảng nhiệt độ sử dụng: -55 o C - 125 o C
- Độ nhạy, độ ổn định, độ chính xác cao, được ứng dụng trong rất nhiều hoạt động y tế, các ngành hàng không,
- Độ chính xác: 0.5 độ C khi đo trong dải -10 -> 85 o C
- Độ phân giải cảm biến có thể điều chỉnh từ 9 – 12 bits
- Chuẩn giao tiếp: Dạng 1 dây data
- Đầu ống đo không gỉ đường kính 6mm, dài 50mm
Hình 3.25: Cảm biến đo pH E-201-C
Cảm biến pH được kết nối với BNC trên bo mạch và cổng analog của Arduino, cho phép đo lường giá trị pH của dung dịch một cách dễ dàng.
Cảm biến độ pH trong nước cho phép bạn dễ dàng đo lường mức độ pH chỉ bằng cách nhúng đầu đo vào nước ao, hồ cá hoặc bể bơi, giúp bạn nhanh chóng thu được giá trị pH chính xác.
- Cảm biến độ pH có độ nhạy và chất lượng cao, dễ dàng sử dụng
- Độ chính xác: 0.1 pH (25 độ C)
- Thời gian đáp ứng: Nhỏ hơn 1 phút
3.4.2.3 Cảm biến đo nồng độ oxi
Hình 3.26: Cảm biến đo oxi DO – 500 Tính năng:
- Đo độ oxy hòa tan trong nướcThông số kỹ thuật:
- Thời gian đáp ứng: 3 – 5 phút
- Nhiệt độ làm việc: từ -10 o C đến 110 o C
3.4.2.4 Cảm biến đo độ dẫn điện
Hình 3.27:Cảm biến Conductivity Electrode
- Đo độ dẫn điện trong nướcThông số kỹ thuật:
- Thời gian đáp ứng: 1 – 2 phút
3.4.2.5 Cảm biến đo ion Ca2+
Hình 3.28: Cảm biến Ca 501_Calcium Ion
- Đo nồng độ ion Ca2+Thông tin cảm biến:
- Thời gian đáp ứng: 1 – 2 phút
- Nhiệt độ làm việc: 5 – 60 độ C
Điện áp hoạt động của cảm biến là 0.8V, nhằm đảm bảo sự đồng bộ giữa các đầu đo khác nhau, các chuẩn giao tiếp của cảm biến được nhóm lại và chuyển đổi về cùng một chuẩn đầu đo BNC.
Hiệu chuẩn cảm biến
Hình 3.29: Dung dịch chuẩn pH 9.18 500ml
Là dung dịch đã biết rõ nồng độ, thành phần và tính chất qua việc pha chế và đo lường bằng các thiết bị có độ chính xác cao
Hiệu chuẩn thiết bị đo là quá trình điều chỉnh thiết bị để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của nhà sản xuất Nó bao gồm việc cung cấp dữ liệu và báo cáo chứng nhận về sự phù hợp của sản phẩm với các tiêu chuẩn kỹ thuật Đối với kỹ sư và kỹ thuật viên, hiệu chuẩn giúp xác định mối quan hệ giữa giá trị đại lượng cần đo và chỉ thị trên thiết bị Quá trình này thường được thực hiện thông qua việc so sánh giá trị đo được với các tiêu chuẩn đã biết.
72 trị đọc được trên thiết bị đo với giá trị được đưa ra bởi một thiết bị đo lường làm chuẩn hay thiết bị mẫu
• Mục đích việc hiệu chuẩn thiết bị đo thường xuyên:
Trong môi trường thủy sản Việt Nam hiện nay, sai lệch cảm biến ngày càng trở nên nghiêm trọng do điều kiện nhiệt đới ẩm và nước lợ chứa nhiều rong rêu Hầu hết các thiết bị, bao gồm thiết bị điện và điện tử, đều bị lão hóa theo thời gian, dẫn đến mất ổn định và trôi các thông số kỹ thuật Việc xử lý thông tin không chính xác có thể ảnh hưởng đến sự chuẩn hóa, trong khi cặn lắng bám vào đầu đo làm giảm độ chính xác của thiết bị Do đó, việc hiệu chuẩn thường xuyên là cần thiết để đảm bảo thiết bị đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và cần được kiểm tra ngay sau khi cài đặt Hiệu chuẩn cũng là bắt buộc sau bất kỳ hành động sửa chữa hay bảo trì để duy trì độ chính xác so với dữ liệu tham khảo, qua đó nâng cao chất lượng, năng suất và doanh thu.
3.5.3.1 Khái niệm Đường cong chuẩn cảm biến là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại lượng điện (s) ở đầu ra của cảm biến và giá trị của đại lượng đo (m) ở đầu vào Đường cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dưới dạng s F(m), hoặc đồ thị như Hình 3.2
Hình 3.30: Đường cong chuẩn cảm biến a) Dạng đường cong chuẩn b) Đường cong chuẩn của cảm biến tuyến tính
Dựa vào đường cong chuẩn của cảm biến, có thể xác định giá trị m chưa biết từ giá trị đo được s Để tiện lợi, cảm biến thường được thiết kế với sự phụ thuộc tuyến tính giữa đại lượng đầu ra và đầu vào, với phương trình s = F(m) có dạng s = am + b, trong đó a và b là các hệ số, tạo thành đường cong chuẩn dưới dạng đường thẳng.
3.5.3.2 Phương pháp chuẩn cảm biến:
Chuẩn cảm biến là quá trình xác định mối quan hệ giữa giá trị đo được của đại lượng điện ở đầu ra và giá trị thực của đại lượng đo, đồng thời xem xét các yếu tố ảnh hưởng Qua đó, một đường cong chuẩn được xây dựng dưới dạng đồ thị hoặc biểu thức đại số Để thực hiện chuẩn cảm biến, cần có một loạt giá trị m đã biết chính xác, từ đó đo giá trị tương ứng s và dựng đường cong chuẩn.
Hình 3.31: Phương pháp chuẩn cảm biến
Khi chỉ có một đại lượng vật lý tác động lên đại lượng đo và cảm biến không nhạy với các yếu tố ảnh hưởng khác, phương pháp chuẩn đơn giản được áp dụng.
Chuẩn đơn giản 74 là quá trình đo lường các giá trị đầu ra tương ứng với các giá trị đầu vào không đổi Việc chuẩn được thực hiện thông qua hai phương pháp khác nhau.
Chuẩn trực tiếp là phương pháp đo lường mà trong đó các giá trị của đại lượng được xác định từ các mẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có giá trị đã biết với độ chính xác cao.
Chuẩn gián tiếp là phương pháp kết hợp giữa cảm biến cần chuẩn và một cảm biến so sánh đã có sẵn đường cong chuẩn, cả hai được đặt trong cùng điều kiện làm việc Khi tác động lên hai cảm biến với cùng một giá trị của đại lượng đo, ta thu được giá trị tương ứng từ cảm biến so sánh và cảm biến cần chuẩn Việc lặp lại quy trình này với các giá trị khác nhau của đại lượng đo cho phép xây dựng đường cong chuẩn cho cảm biến cần chuẩn.
Khi cảm biến có độ trễ (cơ hoặc từ), giá trị đo được tại đầu ra không chỉ phụ thuộc vào giá trị hiện tại của đại lượng cần đo mà còn vào giá trị trước đó Để xử lý tình huống này, người ta sử dụng phương pháp chuẩn nhiều lần để đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo lường.
- Đặt lại điểm 0 của cảm biến: đại lượng cần đo và đại lượng đầu ra có giá trị tương ứng với điểm gốc, m = 0 và s = 0
- Đo giá trị đầu ra theo một loạt giá trị tăng dần đến giá trị cực đại của đại lượng đo ở đầu vào
- Lặp lại quá trình đo với các giá trị giảm dần từ giá trị cực đại
Khi chuẩn nhiều lần cho phép xác định đường cong chuẩn theo cả hai hướng đo tăng dần và đo giảm dần
3.5.4 Xử lý sai số cảm biến
Trong lĩnh vực đo lường, kết quả thu được luôn chỉ mang tính tương đối so với giá trị thực cần đo, do ảnh hưởng của các yếu tố chủ quan và khách quan Độ chênh lệch giữa giá trị đo được và giá trị thực được gọi là sai số.
Sai số gây ra bởi nhiễu được phân làm 2 loại chính: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên
Hình 3.32: Xử lý sai số
Sau khi thiết lập đường chuẩn cho cảm biến, tiến hành đo các mẫu dung dịch và so sánh với các thiết bị đo chuẩn khác để xác định sai số của dụng cụ đo.
Khi lập trình, việc khai báo biến offset để bù trừ sai số trong kết quả đo thực tế giúp giảm thiểu sai số của dụng cụ đo Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, nhưng yêu cầu so sánh với thiết bị đo chuẩn hoặc nhiều mẫu dung dịch chuẩn, dẫn đến chi phí cao Hơn nữa, việc xác định biến offset phù hợp là khó khăn, ngay cả khi thực hiện nhiều lần, do tính ngẫu nhiên của tham số này trong từng kết quả đo, không có quy luật cố định.
Khi sử dụng cảm biến, giá trị trả về thường xuyên thay đổi quanh vị trí cân bằng, dù chỉ là những biến động nhỏ Hiện tượng này chủ yếu do nhiễu gây ra Để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu, nhóm đã chọn phương pháp lấy mẫu trung bình làm giải pháp hiệu quả cho các cảm biến.
Để nâng cao độ chính xác của kết quả đo, việc tăng số lượng lớp chia trung bình là cần thiết nhằm đạt được kết quả chuẩn xác nhất Đồng thời, các giá trị vượt ngưỡng đo một cách bất thường cần được loại bỏ ngay trước khi thực hiện thuật toán lấy mẫu trung bình.
Kết luận chương 3
Chương 3 của luận văn trình bày phương án thiết kế hệ thống mạch xử lý cảm biến, tập trung vào việc thu thập và xử lý nhiễu gây sai số trong quá trình đo Do đặc thù của môi trường nước, cần có biện pháp hiệu chuẩn cảm biến liên tục theo thời gian để đảm bảo độ chính xác của kết quả đo Bên cạnh đó, luận văn cũng đề xuất thiết kế giao diện quản lý người dùng trực quan, giúp theo dõi thông số và điều khiển thiết bị từ xa một cách hiệu quả.
