CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN TRONG NHÀ 1. Mạng cảm biến Mạng cảm biến là một thành phần cốt lõi trong lĩnh vực Internet of Things (IoT). Đây là hệ thống bao gồm các thiết bị cảm biến nhỏ gọn, hoạt động liên kết với nhau thông qua mạng không dây hoặc có dây để thu thập, truyền tải và xử lý dữ liệu từ môi trường. Định nghĩa mạng cảm biến Mạng cảm biến được định nghĩa là một hệ thống các thiết bị cảm biến có khả năng giám sát, đo lường các yếu tố vật lý như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, chuyển động.
và chuyển đổi chúng thành dữ liệu số. Các dữ liệu này sẽ được gửi về trung tâm xử lý thông qua mạng truyền thông, phục vụ mục đích phân tích hoặc điều khiển thiết bị. Cấu trúc của mạng cảm biến Cấu trúc cơ bản của một mạng cảm biến bao gồm: Nút cảm biến (Sensor Node): Thiết bị thu thập dữ liệu từ môi trường. Nút thu thập (Sink Node): Bộ phận trung gian tiếp nhận dữ liệu từ các nút cảm biến.
Bộ điều khiển trung tâm: Xử lý dữ liệu nhận được từ các nút thu thập và thực hiện các tác vụ giám sát hoặc điều khiển. Hệ thống truyền thông: Cầu nối giữa các nút cảm biến và bộ điều khiển trung tâm, sử dụng các giao thức truyền thông không dây như Zigbee, Wi-Fi hoặc Bluetooth. Ứng dụng công nghệ mạng cảm biến 3 Mạng cảm biến được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm: Nhà thông minh: Giám sát và điều khiển các thiết bị điện trong gia đình, tối ưu hóa năng lượng và đảm bảo an ninh. Y tế: Theo dõi sức khỏe từ xa thông qua các thiết bị cảm biến đeo tay.
Nông nghiệp: Quản lý tưới tiêu, theo dõi môi trường và sức khỏe cây trồng. Công nghiệp: Quản lý máy móc, giám sát điều kiện vận hành trong dây chuyền sản xuất. Việc áp dụng mạng cảm biến vào cuộc sống hàng ngày không chỉ giúp tăng hiệu quả quản lý mà còn mang lại sự tiện nghi và an toàn cho người dùng. Ứng dụng các công cụ sử dụng vào mô hình mạng cảm biến trong nhà 1.
Cảm biến thu thập dữ liệu môi trường 1. Cảm biến hình ảnh camera Hình 1. Cảm biến hình ảnh camera Module Camera Raspberry Pi CSI 5MP 1080P 15 Cm được sử dụng cho Raspberry Pi với giao tiếp qua socket SCI. Module Camera có độ phân giải 5MP 1080P cho chất lượng ảnh sắc nét, phù hợp sử dụng cho các dự án Raspberry Pi như: Smarthome, Smart Car, Video smart car,.
Thông số và tính năng: 4 Shot : 1/4 5M Khẩu độ : 2.9 Chiều dài tiêu cự : 3.29 FOV : 65 độ Loại cảm biến : OmniVision OV5647 Màu CMOS QSXGA (5MP) Kích thước cảm biến : 3.74 mm (1/4" format) Số điểm ảnh : 2592 x 1944 Kích thước điểm ảnh : 1.4 UM Ống kính : f=3.9 Góc quan sát : 54 x 41 độ Trường quan sát : 2.33m ở 2m Full-frame SLR tương đương ống kính : 35 mm Tiêu cự cố định: 1m đến vô cực Video : 1080p ở 30 fps (khung hình/giây) với codec H. lên tới 90 fps Video at VGA Kích thước Module: 25 x 24 mm(không bao gồm cáp mềm 15 cm) Nguyên lý hoạt động: Module Camera Raspberry Pi CSI 5MP 1080P chụp ảnh dựa trên nguyên lý hoạt động của cảm biến hình ảnh CMOS (Complementary Metal-Oxide- Semiconductor). Khi ánh sáng từ môi trường chiếu vào cảm biến CMOS, các photodiode trong cảm biến sẽ chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu điện. Mỗi photodiode ghi nhận mức độ sáng và chuyển tín hiệu này thành các giá trị số tương ứng với độ sáng của từng điểm ảnh.
Để tạo ra hình ảnh màu, module sử dụng một lưới lọc màu Bayer gồm các bộ lọc đỏ, xanh lá và xanh dương, giúp từng điểm ảnh cảm nhận một màu sắc cụ thể. Sau khi dữ liệu thô từ các điểm ảnh được thu thập, nó sẽ được xử lý thông qua cổng CSI trên Raspberry Pi, nơi các thuật toán xử lý hình ảnh được áp dụng, như cân bằng trắng và nén dữ liệu, để tạo ra hình ảnh hoàn chỉnh. Cảm biến siêu âm Hình 1. Cảm biến siêu âm Cảm biến siêu âm HC-SR04 (Ultrasonic Sensor) được sử dụng rất phổ biến để xác định khoảng cách.
Cảm biến HC-SR04 sử dụng sóng siêu âm và có thể đo khoảng cách trong khoảng từ 2 -> 300cm, với độ chính xác gần như chỉ phụ thuộc vào cách lập trình. Thông số và tính năng: Điện áp: 5V DC Dòng hoạt động: < 2mA Mức cao: 5V Mức thấp: 0V Góc tối đa: 15 độ Khoảng cách: 2cm – 450cm (4.5m) Độ chính xác: 3mm Nguyên lý hoạt động: 6 Cảm biến siêu âm SR04 sử dụng nguyên lý phản xạ sóng siêu âm. Cảm biến gồm 2 module.1 module phát ra sóng siêu âm và 1 module thu sóng siêu âm phản xạ về. Đầu tiên cảm biến sẽ phát ra 1 sóng siêu âm với tần số 40khz.
Nếu có chướng ngại vật trên đường đi, sóng siêu âm sẽ phản xạ lại và tác động lên module nhận sóng. Sơ đồ chân kết nối với Raspberry Pi 4: VCC – 5V Trig – GPIO Echo – GPIO GND – GND 1. Cảm biến khí ga Hình 1. Cảm biến khí gas Cảm biến khí gas MQ-2 sử dụng phần tử SnO2 có độ dẫn điện thấp hơn trong không khí sạch, khi khí dễ cháy tồn tại, cảm biến có độ dẫn điện cao hơn, nồng độ chất dễ cháy càng cao thì độ dẫn điện của SnO2 sẽ càng cao và được tương ứng chuyển đổi thành mức tín hiệu điện.
Cảm biến khí gas MQ-2 là cảm biến khí có độ nhạy cao với LPG, Propane và Hydrogen, mê-tan (CH4) và hơi dễ bắt lửa khác, với chi phí thấp và phù hợp cho các ứng dụng khác nhau. 7 Thông số và tính năng: Nguồn hoạt động: 5V Loại dữ liệu: Analog Phạm vi phát hiện rộng Tốc độ phản hồi nhanh và độ nhạy cao Mạch đơn giản Ổn định khi sử dụng trong thời gian dài Cảm biến xuất ra cả hai dạng tín hiệu là Analog và Digital, tín hiệu Digital có thể điều chỉnh mức báo bằng biến trở. Sơ đồ kết nối với Raspberry Pi: VCC – 5V Out D0 – GPIO GND – GND 1. Cảm biến chuyển động Hình 1.
Cảm biến siêu âm Cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR (Passive infrared sensor) HC- SR501 được sử dụng để phát hiện chuyển động của các vật thể phát ra bức xạ hồng ngoại (con người, con vật, các vật phát nhiệt,…), cảm biến có thể chỉnh 8 được độ nhạy để giới hạn khoảng cách bắt xa gần cũng như cường độ bức xạ của vật thể mong muốn, ngoài ra cảm biến còn có thể điều chỉnh thời gian kích trễ (giữ tín hiệu bao lâu sau khi kích hoạt) qua biến trở tích hợp sẵn. Thông số: Phạm vi phát hiện: góc 360 độ hình nón, độ xa tối đa 6m. Nhiệt độ hoạt động: 32-122 ° F ( 050 ° C) Điện áp hoạt động: DC 3.8V – 5V Mức tiêu thụ dòng: ≤ 50 uA Thời gian báo: 30 giây có thể tùy chỉnh bằng biến trở. Độ nhạy có thể điều chỉnh bằng biến trở.
2 chế độ L/H chân COM. Sơ đồ kết nối với Raspberry Pi: VCC – 5V Out D0 – GPIO GND – GND 1. Giao tiếp kết nối trong mô hình 1. Digital - GPIO (General Purpose Input/Output) Định nghĩa: GPIO là một cổng hoặc chân của một mạch điện tử, được thiết kế để có thể cấu hình linh hoạt cho các chức năng khác nhau.
Các chân GPIO có thể được lập trình để hoạt động như đầu vào hoặc đầu ra số, có thể nhận tín hiệu từ các thiết bị bên ngoài hoặc gửi tín hiệu điều khiển đến các thiết bị khác. 9 Các chân GPIO là Digital (có 2 mức trạng thái: high và low), và được sử dụng để truyền hoặc nhận tín hiệu đơn giản, không yêu cầu tốc độ cao hay băng thông lớn. Cấu tạo: Mỗi chân GPIO có thể được lập trình để nhận (input) hoặc phát (output) tín hiệu. Nếu chân được cấu hình làm input, nó có thể nhận tín hiệu từ các thiết bị như công tắc, cảm biến, nút nhấn, v.
Nếu chân được cấu hình làm output, nó có thể phát tín hiệu điều khiển các thiết bị như đèn LED, còi báo động, hoặc các thiết bị khác. Tính chất: Tín hiệu digital có hai trạng thái: 0 (low) và 1 (high), đại diện cho trạng thái tắt và bật của các thiết bị điện tử. PWM là một phương pháp điều khiển tín hiệu số, trong đó tín hiệu vẫn duy trì hai mức điện áp (cao và thấp), nhưng độ rộng của các xung (duty cycle) có thể thay đổi để điều chỉnh mức năng lượng cung cấp cho thiết bị. Ví dụ: Nếu duty cycle là 100%, có nghĩa là tín hiệu luôn ở mức cao (5V, nếu đó là điện áp nguồn) trong suốt chu kỳ.
Nếu duty cycle là 50%, tín hiệu sẽ ở mức cao trong một nửa thời gian và mức thấp trong nửa còn lại. CSI (Camera Serial Interface) Định nghĩa: 10 CSI là giao thức kết nối tốc độ cao dùng để truyền tải dữ liệu hình ảnh từ camera (hoặc các thiết bị thu thập hình ảnh khác) đến bộ xử lý của hệ thống. CSI đặc biệt phổ biến trong các hệ thống nhúng như Raspberry Pi, nơi các camera module có thể được kết nối trực tiếp thông qua giao diện này để truyền tải dữ liệu hình ảnh với băng thông cao. Camera hoạt động trong chế độ bán song công.
Cấu tạo: Giao diện CSI sử dụng một số đường tín hiệu để truyền tải dữ liệu video và điều khiển từ camera về bộ vi xử lý. Các tín hiệu này thường bao gồm dữ liệu hình ảnh, tín hiệu đồng bộ hóa và tín hiệu điều khiển. CSI có thể truyền tải hình ảnh qua các kết nối MIPI (Mobile Industry Processor Interface), là một tiêu chuẩn phổ biến trong các thiết bị di động và hệ thống nhúng. Tính chất: CSI hỗ trợ truyền tải hình ảnh chất lượng cao, độ phân giải cao với tốc độ nhanh, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng cần xử lý hình ảnh trực tiếp như camera giám sát hoặc nhận diện hình ảnh.
Dù CSI có thể truyền tải dữ liệu với tốc độ nhanh, nhưng nó yêu cầu phần cứng chuyên dụng như camera và bộ vi xử lý hỗ trợ giao thức MIPI. Bluetooth Định nghĩa: Bluetooth là một giao thức truyền thông không dây dùng để kết nối các thiết bị trong phạm vi ngắn, thường là dưới 100m. Giao thức này hoạt động trên tần số 2.