Chương 1: Tổng quan Đă ̣t vấn đề, mu ̣c tiêu, nội dung nghiên cứu, giới hạn và bố cu ̣c đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trình bày về quy trình hoạt động của hệ thống. Giới thiệu phần cứng và các phần mềm công cu ̣ được sử du ̣ng trong đề tài. Chương 3: Tính toán và thiết kế Giới thiệu về hệ thống, tính toán thiết kế phù hợp, sơ đồ nguyên lý, thi công hệ thống và viết phần mềm.
Chương 4: Thi công hệ thống Trình bày quá trình thi công mạch, kết quả đạt được. Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá Trình bày kết quả hoàn thiện, nhận xét ưu điểm, hạn chế và đánh giá mức độ hoàn thành. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Trình bày nhận xét các kết quả đạt được từ mô hình, mức độ hoàn thiện đề tài và trình bày kết luận nêu hướng phát triển. Tài liệu tham khảo và phụ lục Tài liệu tham khảo và phu ̣ lục.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.1 GIỚI THIỆU VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.1 Mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) là một hệ thống gồm các thiết bị cảm biến được phân tán trong một khu vực để thu thập, xử lý và truyền dữ liệu qua mạng không dây. Các cảm biến này thường nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng và có khả năng giao tiếp không dây để gửi dữ liệu đến một trung tâm điều khiển hoặc các thiết bị khác trong mạng. Trong hệ thống WSN gồm các cảm biến, bộ thu phát, vi xử lý, nguồn năng lượng, bộ lưu trữ, bộ thu thập dữ liệu, trạm cơ sở/gateway, máy chủ trung tâm và phần mềm giao diện người dùng để thu thập, xử lý và truyền tải dữ liệu không dây.
Mô hình mạng cảm biến không dây 2.2 Nguyên lý hoạt động của mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây (WSN) hoạt động bằng cách các cảm biến thu thập dữ liệu môi trường, sau đó dữ liệu này được xử lý và truyền qua các bộ thu phát không dây đến trạm cơ sở hoặc gateway, nơi dữ liệu tiếp tục được gửi đến máy chủ trung tâm để lưu trữ và phân tích. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2.3 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây Các đặc điểm của mạng cảm biến không dây gồm: Khả năng tự tổ chức. Tiêu thụ năng lượng thấp. Khả năng mở rộng.
Độ tin cậy cao. Chi phí thấp. Khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt.4 Các loại mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks) Tùy thuộc vào môi trường, các loại mạng được quyết định để chúng có thể được triển khai dưới nước, dưới lòng đất, trên cạn,… 2. WSN trên cạn (Terrestrial wireless sensor networks) Mạng cảm biến không dây trên cạn (Terrestrial Wireless Sensor Network - TWSN) bao gồm các cảm biến được đặt trên bề mặt đất để thu thập dữ liệu môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, và chuyển động, sau đó truyền dữ liệu qua các nút mạng đến trạm cơ sở để xử lý và phân tích.
TWSN thường được sử dụng trong giám sát nông nghiệp, quản lý tài nguyên, và giám sát môi trường đô thị. WSN ngầm (Underground WSN) Mạng cảm biến không dây ngầm (Underground Wireless Sensor Network - UWSN) là hệ thống gồm các cảm biến được triển khai dưới mặt đất để thu thập dữ liệu về các điều kiện ngầm như độ ẩm, nhiệt độ đất, chuyển động địa chất, và mức nước ngầm. Dữ liệu thu thập được truyền qua các nút mạng ngầm lên trạm cơ sở trên mặt đất để xử lý và phân tích. UWSN thường được sử dụng trong nông nghiệp thông minh, giám sát hạ tầng ngầm, và cảnh báo sạt lở đất.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. Mạng cảm biến không dây ngầm (Underground WSN) 2. WSN dưới nước (Underwater WSN) Mạng cảm biến không dây dưới nước (Underwater Wireless Sensor Network - UWSN) là hệ thống các cảm biến được triển khai dưới nước để thu thập dữ liệu về môi trường như nhiệt độ, độ mặn, áp suất nước, dòng chảy, và các thông số hóa học.
Dữ liệu thu thập từ các cảm biến này được truyền qua mạng cảm biến ngầm để đến trạm cơ sở trên mặt nước hoặc trực tiếp đến các thiết bị thu thập dữ liệu khác. UWSN được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu môi trường biển, giám sát sinh thái biển, quản lý tài nguyên nước, và các ứng dụng quân sự. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.
Mạng cảm biến không dây ngầm (Underground WSN) 2. WSN đa phương tiện (Multimedia WSN) Mạng cảm biến không dây đa phương tiện (Multimedia Wireless Sensor Network - MWSN) là hệ thống mạng cảm biến không dây mà trong đó các nút cảm biến không chỉ thu thập dữ liệu truyền thống như nhiệt độ, độ ẩm mà còn có khả năng xử lý và truyền tải dữ liệu đa phương tiện như âm thanh, hình ảnh, và video. MWSN đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu giám sát và thu thập thông tin đa chiều và có thể cung cấp hình ảnh rõ ràng và âm thanh chất lượng cao từ nhiều điểm khác nhau. Mạng cảm biến không dây đa phương tiện BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 CHƯƠNG 2.
WSN di động (Mobile WSN) Gồm tập hợp các nút cảm biến có thể tự di chuyển và có thể tương tác với môi trường vật lý. Linh hoạt hơn mạng cảm biến tĩnh vì các nút cảm biến có thể được triển khai trong bất kỳ tình huống nào, so với mạng cảm biến tĩnh thì mạng cảm biến không dây di động có phạm vi phủ sóng tốt hơn, hiệu quả năng lượng tốt hơn, dung lượng kênh vượt trội,… 2.6 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây được ứng dụng nhiều vào thực tế, trên mọi lĩnh vực: Trong công nghiệp: Thu thập thông tin và giám sát trạng thái hoạt động của hệ thống trạng thái thiết bị, nhiệt độ và áp suất của nguyên liệu,… Các ứng dụng ở hộ gia đình: Cảm biến cửa ra vào và cửa sổ. Bộ điều khiển bóng đèn. Thiết bị cảnh báo nguy hiểm.
Thiết bị an ninh. Các ứng dụng trong nông nghiệp Kiểm tra môi trường, không khí, đất trồng, biển,. Phát hiện cháy rừng, lũ lụt, nghiên cứu ô nhiễm mô trường. Tưới cây tự động, tính toán mùa màng.
Các ứng dụng trong y tế: ● Hệ thống báo động khẩn cấp. ● Thiết bị theo dõi sức khỏe. ● Thiết bị theo dõi bệnh nhân.2 GIỚI THIỆU CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG 2.1 CHUẨN TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY WIFI Wi-Fi (Wireless Fidelity) là hệ thống mạng không dây sử dụng các sóng vô tuyến, tương tự như điện thoại di động, truyền hình và radio. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hiện nay, Wi-Fi là công cụ kết nối không thể thiếu trên các thiết bị như điện thoại, máy tính và các ứng dụng Iot, nhà thông minh. Nó có thể truyền và nhận sóng vô tuyến, chuyển đổi các mã nhị phân sang sóng vô tuyến và ngược lại. Chuẩn truyền thông WiFi có một số khác biệt so với các sóng vô tuyến khác là truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz hoặc 5 GHz. Tần số này cao hơn so với tần số được sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay và truyền hình.
Tần số cao hơn đồng nghĩa với việc sẽ cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn. Hiện nay, hầu các thiết bị Wifi đều tuân theo chuẩn 802.11n, phát ở tần số 2.4Ghz và đạt tốc độ xử lý tối đa 300Megabit/s. Kết nối WiFi dựa trên chuẩn kết nối IEEE 802.11, hiện nay Wifi chủ yếu hoạt động trên băng tần 54 Mbps và có tín hiệu mạnh nhất trong khoảng cách 100 feet.2 CHUẨN TRUYỀN THÔNG UART UART được viết từ Universal Asynchronous Receiver/ Transmitter là một vi mạch sẵn có trong một vi điều khiển nhưng không giống như một giao thức truyền thông (I2C & SPI). Chức năng chính của UART là truyền dữ liệu nối tiếp.
Trong UART, giao tiếp giữa hai thiết bị có thể được thực hiện theo hai cách là giao tiếp dữ liệu nối tiếp và giao tiếp dữ liệu song song. Đây là chuẩn giao tiếp được sử dụng phổ biến và được dùng trong giao tiếp giữa vi điều khiển với nhau hoặc giữa vi điều khiển với các thiết bị khác. Chuẩn truyền thông UART Trong giao tiếp UART, có hai loại UART có sẵn là truyền UART và nhận UART và giao tiếp giữa hai loại này có thể được thực hiện trực tiếp với nhau. Đối với điều này, chỉ cần hai cáp để giao tiếp giữa hai UART.
Luồng dữ liệu sẽ từ cả hai chân truyền (Tx) và nhận (Rx) của BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 10 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT UARTs. Trong UART, việc truyền dữ liệu từ Tx UART sang Rx UART có thể được thực hiện không đồng bộ (không có tín hiệu CLK để đồng bộ hóa các bit o /p). Giao tiếp UART giữa 2 thiết bị Một vài thông số trong truyền nhận UART: Start bit: là bit đầu tiên được truyền trong 1 Frame.
Báo hiệu cho thiết bị nhận có một gói dữ liệu sắp được truyền đến Bit bắt buộc phải có). Stop bit: là 1 hoặc nhiều bit báo cho thiết bị nhận rằng đã gửi xong. Thiết bị nhận sẽ tiến hành kiểm tra khung truyền nhằm đảm bảo tính đúng đắn của dữ liệu (Bit bắt buộc phải có). Frame: quy định về số bit trong mỗi lần truyền.
Parity bit: kiểm tra dữ liệu truyền có đúng không. Trên thực tế, bit này không được sử dụng rộng rãi nên không bắt buộc. Data: dữ liệu cần truyền. Các bit dữ liệu bao gồm dữ liệu thực được truyền từ bên gửi đến bên nhận.
Độ dài khung dữ liệu có thể nằm trong khoảng 5 & 8. Nếu bit chẵn lẻ không được sử dụng thì chiều dài khung dữ liệu có thể dài 9 bit. Nói chung, LSB của dữ liệu được truyền trước tiên sau đó nó rất hữu ích cho việc truyền. Truyền thông UART BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 11 CHƯƠNG 2.3 CHUẨN TRUYỀN THÔNG MODBUS Chuẩn truyền thông RS-485 Modbus là một giao thức mở sử dụng đường truyền của RS485.
Ưu điểm đơn giản, dễ sử dụng và cấu hình gọn, hoạt động ổn định. Modbus được sử dụng để kết nối với máy tính với các thiết bị đầu cuối ( RTU ) hay hệ thống SCADA ).