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


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


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


......................................................................................................................................................................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…).

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

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

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.

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.

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.

 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

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



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




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.


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


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


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