CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG bền cao. Bên cạnh đó khoảng cách truyền tin đi xa là một lợi thế lớn so với Zigbee và các mạng không dây khác. Đối với hệ thống sử dụng mạng truyền thông không dây công nghệ LoRa, ngoài việc triển khai tại các đô thị, vùng đồng bằng, ta còn có thể lắp đặt tại các vùng có địa hình hiểm trở, nơi mà việc đấu nối dây về trung tâm điều khiển còn gặp nhiều khó khăn, tốn kém.
Ngoài ra việc sử dụng mạng truyền thông GSM còn cho phép điều khiển đèn từ xa thông qua mạng di động, giúp người dùng có thể quản lý từ bất cứ đâu có kết nối mạng di động. GSM có độ phủ sóng rộng lớn, đặc biệt là ở các khu vực đô thị và nông thôn. Điều này giúp đảm bảo kết nối ổn định và liên tục cho các thiết bị được kết nối. Định hướng xây dựng hệ thống Đề tài đề xuất một hệ thống chiếu sáng tiết kiệm về mặt năng lượng và tích hợp được những ưu điểm đang được sử dụng tại Việt Nam và trên thế giới.
Xây dựng một mạng cảm biến không dây dùng để giám sát bật/tắt các cột đèn chiếu sáng từ xa bằng công nghệ truyền thông không dây, đồng thời phát hiện khi có sự cố và đưa ra cảnh báo. Tổng quan về hệ thống chiếu sáng Mô hình hệ thống dự kiến thiết kế bao gồm ba phần chính: ● Hệ thống điều khiển trung tâm: Được đặt tại trung tâm điều khiển có chức năng: ➔ Gửi thông tin điều khiển bật tắt đèn thông qua mạng truyền thông không dây. ➔ Nhận dữ liệu phản hồi từ các nút cảm biến. ➔ Gửi cảnh báo khi phát hiện đèn hỏng hoặc xảy ra sự cố mất điện.
➔ Đưa dữ liệu lên hệ thống giám sát bằng mạng Internet. ● Hệ thống chấp hành điều khiển đèn: Trên mỗi cột đèn được gắn một nút cảm biến. Các nút cảm biến này có chức năng: ➔ Điều khiển bật/tắt đèn theo thời gian thực. ➔ Nhận biết sự cố đèn cháy, hỏng thông qua cảm biến dòng điện.
➔ Sử dụng công nghệ truyền thông không dây LoRa để giao tiếp với khối điều khiển trung tâm. ➔ Nhận thông tin bật/tắt đèn từ hệ thống điều khiển trung tâm, xử lý và thực hiện điều khiển. Gửi dữ liệu về hệ thống điều khiển trung tâm nếu đèn gặp sự cố cháy, hỏng. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ● Hệ thống quản lý giám sát ➔ Hệ thống này được liên kết với hệ thống điều khiển trung tâm thông qua mạng Internet.
Có chức năng hiển thị dữ liệu nhận được từ hệ thống điều khiển trung tâm. ➔ Người vận hành có thể ngồi tại trung tâm điều khiển và thấy được toàn bộ tình trạng hoạt động khi có bất kỳ sự cố nào liên quan tới hệ thống. Việc giám sát từ xa như vậy không chỉ giúp người vận hành hệ thống có thể đưa ra các biện pháp sửa chữa kịp thời khi có sự cố xảy ra mà còn tiết kiệm được chi phí kiểm tra, quản lý và bảo dưỡng. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.
Mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây (WSN – Wireless Sensor Network) là tập hợp các nút mạng được tạo thành bộ thu phát sóng vô tuyến và bộ cảm biến của vi điều khiển trong một phạm vi nhất định. Như vậy, mạng cảm biến không dây (WSN) là mạng được cấu thành từ các thiết bị hoạt động một cách độc lập trong không gian, các thiết bị thu thập và truyền về trung tâm điều khiển các thông tin cần thiết như: nhiệt độ, độ ẩm,… Trong hệ thống WSN gồm trạm gốc (Gateway), nút mạng (Node) và trung tâm điều khiển. Trạm gốc đóng vai trò cổng kết nối giữa nút mạng và trung tâm điều khiển, tiếp nhận thông tin của các nút mạng và chuyển tới trung tâm điều khiển qua nhiều cách khác nhau. Từ trạm gốc có thể gửi thông tin cho người sử dụng (trung tâm điều khiển) theo nhiều cách như trực tiếp qua hệ thống máy tính, qua mạng Internet, qua vệ tinh.
nhờ đó người giám sát có thể nhận được thông tin dù đang ở bất cứ đâu. Mô hình một mạng cảm biến không dây 7 CHƯƠNG 2. Nguyên lý hoạt động của mạng cảm biến không dây Mạng gồm các trạm gốc, trung tâm điều khiển và các nút mạng. Trạm gốc có vai trò là một cổng kết nối giữa các nút mạng và trung tâm điều khiển, tiếp nhận thông tin nút mạng và chuyển đến trung tâm điều khiển qua nhiều cách khác nhau.
Đặc điểm của mạng cảm biến không dây Các đặc điểm của mạng cảm biến không dây gồm: • Các nút mạng có kích thước nhỏ. • Năng lượng nạp và lưu bị giới hạn. • Hoạt động được ở những môi trường khắc nghiệt và không cần con người can thiệp. • Dễ xảy ra lỗi tại cát nút, và lỗi trong truyền dữ liệu.
• Các nút mạng có thể dịch chuyển mà không cần thay đổi cấu hình. • Mô hình linh hoạt. • Có khả năng mở rộng cao. Cấu trúc liên kết mạng cảm biến không dây [8] Một vài cấu trúc thường gặp của mạng cảm biến không dây: Cấu trúc hình sao (Star), hình cây (Tree), liên kết lưới (Mesh).
Cấu trúc của mạng cảm biến không dây 2. Cấu trúc hình sao – Star Mỗi nút được liên kết trực tiếp với trạm gốc. Trạm gốc có thể gửi hoặc nhận tin nhắn từ các nút. Các nút không được phép gửi thông báo cho nhau.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT Ưu điểm: ● Đơn giản. ● Giữ mức tiêu thụ điện năng của nút từ xa ở mức tối thiểu. ● Cho phép thông tin liên lạc có độ trễ thấp giữa các nút từ xa và trạm gốc. Nhược điểm: ● Trạm gốc phải nằm trong phạm vi kết nối của các nút.
● Phụ thuộc vào một trạm gốc để quản lý mạng. Cấu trúc hình cây - Tree Còn được gọi là cấu trúc liên kết hình sao nhiều tầng. Ưu điểm: ● Có thể dễ dàng mở rộng mạng. ● Phát hiện lỗi dễ dàng.
Nhược điểm: ● Phụ thuộc vào cáp bus, nếu nó bị hỏng tất cả mạng sẽ sụp. Cấu trúc liên kết lưới – Mesh Cho phép truyền dữ liệu từ nút này sang nút khác, nằm trong phạm vi truyền dẫn vô tuyến của nó. Nếu một nút muốn gửi một thông điệp đến một nút khác nằm ngoài phạm vi liên lạc vô tuyến, nó có thể sử dụng một nút trung gian để chuyển tiếp thông điệp đến nút mong muốn. Ưu điểm: ● Có lợi thế về khả năng dự phòng và mở rộng.
● Nếu một nút bị lỗi, các nút từ xa có thể giao tiếp với bất kỳ nút nào trong phạm vi của nó ● Mạng không bị giới hạn bởi phạm vi giữa các nút riêng lẻ. Nhược điểm: ● Tiêu thụ năng lượng cao. ● Làm hạn chế tuổi thọ của pin. ● Chi phí lớn.
● Các bước truyền thông tin đến đích tăng lên làm thời gian gửi thông tin lâu hơn. 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,…[7] 2. WSN trên cạn (Terrestrial wireless sensor networks) Có khả năng giao tiếp các trạm gốc một cách hiệu quả và bao gồm hàng trăm đến hàng nghìn nút cảm biến không dây được triển khai theo cách phi cấu trúc hoặc có cấu trúc (được lên kế hoạch trước). Trong WSN này, nguồn pin bị hạn chế; tuy nhiên, pin được trang bị pin mặt trời như một nguồn năng lượng thứ cấp.
WSN ngầm (Underground WSN) Đắt hơn mạng WSN trên mặt đất về mặt triển khai, bảo trì. Mạng WSN bao gồm một số nút cảm biến được ẩn trong lòng đất để theo dõi các điều kiện dưới lòng đất. Để chuyển tiếp thông tin từ các nút cảm biến đến trạm gốc, các nút chìm bổ sung được đặt trên mặt đất. Được triển khai trong lòng đất rất khó để sạc pin lại.
Thêm vào đó, môi trường ngầm khiến giao tiếp không dây trở thành một thách thức do mức độ suy giảm và mất tín hiệu cao. Mạng cảm biến không dây ngầm (Underground WSN) 10 CHƯƠNG 2. WSN dưới nước (Underwater WSN) Các mạng này bao gồm một số nút cảm biến và các phương tiện được triển khai dưới nước. Các phương tiện tự hành dưới nước được sử dụng để thu thập dữ liệu từ các nút cảm biến này.
Một thách thức của liên lạc dưới nước là độ trễ truyền dài, băng thông và cảm biến bị lỗi. Được trang bị một loại pin hạn chế không thể sạc lại hoặc thay thế. Vấn đề bảo tồn năng lượng cho các WSN dưới nước liên quan đến sự phát triển của các kỹ thuật mạng và truyền thông dưới nước. Mạng cảm biến không dây dưới nước (Underwater WSN) 2.
WSN đa phương tiện (Multimedia WSN) Được đề xuất để cho phép theo dõi và giám sát các sự kiện dưới dạng đa phương tiện, chẳng hạn như hình ảnh, video và âm thanh. Các mạng này bao gồm các nút cảm biến chi phí thấp được trang bị micro và máy ảnh. Các nút này được kết nối với nhau qua kết nối không dây để nén dữ liệu, truy xuất dữ liệu và tương quan. Tiêu thụ năng lượng cao, yêu cầu băng thông cao, xử lý dữ liệu và kỹ thuật nén.
Ngoài ra, nội dung đa phương tiện yêu cầu băng thông cao để nội dung được truyền tải đúng cách và dễ dàng. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. Mạng cảm biến không dây đa phương tiện 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. 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.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT Các ứng dụng trong y tế: ● Hệ thống báo động khẩn cấp. ● Thiết bị theo dõi sức khỏe.