Kiến trúc linh động chiều dài khung truyền nhằm giảm năng lượng tiêu thụ trong mạng cảm biến không dây ứng dụng trong thiết bị giám sát nông nghiệp

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hệ thống này đề xuất giải pháp gởi khung truyền có kích thước linh động theo dữ liệu mạng cảm biến nhằm tiết kiệm lượng dữ liệu gởi đi từ nút cảm biến (sensor node). Giải pháp đề xuất giảm năng lượng tiêu thụ mà không làm suy giảm chất lượng thông tin gởi đi. Hệ thống thiết kế để đưa mạch vào hoạt động chế độ ngủ (sleeping mode) khi dữ liệu không cần gởi đi bởi cập nhật theo từng chu kỳ theo điều kiện hoạt động của môi trường.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Kiến trúc linh động chiều dài khung truyền nhằm giảm năng lượng tiêu thụ trong mạng cảm biến không dây ứng dụng trong thiết bị giám sát nông nghiệp

40 Võ Minh Huân KIẾN TRÚC LINH ĐỘNG CHIỀU DÀI KHUNG TRUYỀN NHẰM GIẢM NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ỨNG DỤNG TRONG THIẾT BỊ GIÁM SÁT NÔNG NGHIỆP FLEXIBLE FRAME STRUCTURE TO REDUCE ENERGY CONSUMPTION IN WIRELESS SENSOR NETWORK FOR MONITORING AGRICULTURE Võ Minh Huân Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh; huanvm@hcmute.edu.vn Tóm tắt - Hệ thống này đề xuất giải pháp gởi khung truyền có kích Abstract - This system proposes flexible frame structure for low thước linh động theo dữ liệu mạng cảm biến nhằm tiết kiệm lượng dữ power solution in wireless sensor network to save the amount of liệu gởi đi từ nút cảm biến (sensor node). Giải pháp đề xuất giảm năng data sent from sensor nodes. The proposed solution reduces lượng tiêu thụ mà không làm suy giảm chất lượng thông tin gởi đi. Hệ energy consumption but does not degrade the quality of sent thống thiết kế để đưa mạch vào hoạt động chế độ ngủ (sleeping mode) information. The designed system is switched to sleep mode when khi dữ liệu không cần gởi đi bởi cập nhật theo từng chu kỳ theo điều no data is needed to send depending on environment operation kiện hoạt động của môi trường. Mô hình này được dùng nhằm bảo vệ status in every period. This method is applied to protect the nông sản lưu trữ trong nhà kho. Những kết quả thực nghiệm dưới điều agricultural product storage systems. Experimental results under kiện thực tế chứng minh rằng hệ thống phát hiện côn trùng có tỉ lệ real conditions demonstrate that the system can detect insects with thành công đến 90%, tiết kiệm năng lượng tiêu thụ khoảng 20% lượng the success ratio up to 90% and save energy dissipation to 20% điện năng tiêu thụ so với phương pháp thông thường không sử dụng compared to conventional fixed frame structure solution. As a phương pháp tiết kiệm điện năng do gởi khung có chiều dài cố định. result, the system life time increases from 50 days to 416 days with Kết quả, thời gian sống hệ thống tăng từ 50 ngày lên tới 416 ngày sử the same battery supply of 9,000 mAh. dụng trong cùng nguồn cung cấp dùng pin 9.000 mAh. Từ khóa - IoT; ESP8266; sensor node; mạng cảm biến không dây; Key words - IoT; ESP8266; sensor node; wireless sensor network; giải pháp công suất thấp. low power solution. 1. Giới thiệu tiêu thụ ở các sensor node nhưng mặt khác cũng ảnh hưởng Internet of Things (IoT) là một mạng lưới của nhiều tới chất lượng thông tin cần thu thập từ cảm biến. Điều này thiết bị giao tiếp với nhau mà không có sự tham gia của con dẫn đến việc cần có sự thỏa hiệp giữa chất lượng thông tin người. Sự giao tiếp giữa các thiết bị với nhau chủ yếu liên mong muốn và năng lượng tiết kiệm cần đạt để từ đó có sự quan đến việc thu thập và xử lý dữ liệu để các thiết bị có lựa chọn thiết kế phù hợp cho từng ứng dụng. thể tự đưa ra quyết định và hành động phù hợp. Trong bài báo này, tác giả trình bày một phương pháp Trong mạng IoT, một vấn đề đáng được quan tâm là công khác để giảm lượng dữ liệu truyền nhờ phương pháp dùng suất tiêu thụ của các nút cảm biến (sensor node). Thông cấu hình khung truyền linh động theo dữ liệu cần truyền. thường, các sensor node hoạt động dựa trên nguồn pin cung Một khung truyền bao gồm các trường được đóng gói, gọi cấp bị giới hạn dung lượng. Việc lắp đặt thay thế các nguồn là một khung (frame). Tuy nhiên, dữ liệu tại các trường này pin này có thể gây gián đoạn hoạt động của hệ thống hoặc không phải lúc nào cũng cần truyền đi. Trong trường hợp, dẫn đến chi phí cao do hoạt động trong điều kiện môi trường một trường thông tin cảm biến trả về giống với dữ liệu khắc nghiệt [1]. Hơn nữa, công nghệ phát triển của pin không trước đó đã lưu trong bộ đệm, thì trường này không nên thể tăng nhanh để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của các đóng thành khung truyền và truyền về bộ xử lý. Bởi, nếu thiết bị về việc tiêu thụ năng lượng. Điều này đòi hỏi các trong trường hợp vẫn giữ nguyên cấu trúc khung dữ liệu sensor node trong mạng IoT phải có khả năng tự chủ năng truyền cố định, năng lượng tiêu thụ trên bộ phát sóng sẽ tốn lượng trong môi trường truyền dẫn dữ liệu. năng lượng cố định, trong khi thông tin truyền đi lại dư thừa vì bộ xử lý sau khi so sánh dữ liệu lưu trữ và dữ liệu Gần 90% năng lượng tiêu thụ tại các sensor node phụ khung nhận được giống nhau. Vì vậy thông tin này cũng sẽ thuộc vào năng lượng trên các khối truyền dẫn không dây bị xóa đi. Bằng cách loại bỏ các trường thông tin do cảm [1]. Nguyên nhân là do các sensor node tiêu hao một phần biến trả về giống với dữ liệu trước đó, hoặc các trường lớn năng lượng tại bộ thu phát sóng để truyền dữ liệu lên bộ không có dữ liệu trả về, khung truyền sẽ có chiều dài linh xử lý trung tâm. Vì vậy, để giảm năng lượng tiêu thụ của các động theo dữ liệu của cảm biến thu thập được. sensor node, lượng dữ liệu gởi lên bộ xử lý trung tâm cần được kiểm soát nhỏ nhất có thể. Thông thường, để giảm Nông nghiệp thông minh là một lĩnh vực rộng lớn để áp lượng thông tin truyền đi, nhiều tác giả dùng bộ lọc để lọc dụng IoT cùng với sự phân bố các cảm biến để theo dõi điều các phần dữ liệu trùng lập [2], hoặc dựa trên mức ngưỡng để kiện môi trường và phân tích dữ liệu, truyền dữ liệu đến cho quyết định tới việc cho phép truyền dữ liệu lên hay không người dùng từ xa. Trong thời gian gần đây, việc áp dụng IoT [3-4], hoặc lấy dữ liệu với chu kỳ lấy mẫu tăng lên để giảm vào trong sản xuất nông nghiệp thông minh là một định lượng dữ liệu truyền đi. Tuy nhiên, các phương pháp này hướng thời đại của tình hình kinh tế Việt Nam. Việc áp dụng thường ảnh hưởng tới chất lượng thông tin truyền. Lượng dữ IoT vào trong sản xuất để tăng chất lượng nông sản và vận liệu giảm theo các phương pháp này sẽ làm giảm năng lượng chuyển nông sản hiện nay khá phổ biến. Tuy nhiên, áp dụng IoT vào việc theo dõi và bảo vệ nông sản được bảo quản
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017-Quyển 1 41 trong nhà kho thì chưa có nhiều nghiên cứu cho vấn đề này. Transport) là một giao thức gởi dạng publish/subscribe sử Vì vậy, bài báo này tập trung nghiên cứu phương pháp để dụng cho các thiết bị Internet of Things với băng thông thấp, theo dõi từ xa tình trạng nông sản được bảo quản trong nhà độ tin cậy cao và có khả năng được sử dụng trong mạng lưới kho, để kịp thời có các biện pháp xử lý, đồng thời cung cấp không ổn định. Bài toán đặt ra ở hệ thống là nguồn năng một giải pháp tiết kiệm năng lượng sử dụng. Hệ thống này lượng nên khi sử dụng phương pháp MQTT thay thế cho phải đảm bảo về mặt truyền nhận dữ liệu thông qua mạng, HTTP, TCP, UDP là một quyết định tốt vì độ dài khung phân tích các thông tin và cảnh báo đến người sử dụng các truyền của MQTT giảm thiểu đáng kể, từ đó cũng giảm thiểu thông tin về môi trường xung quanh. Bài báo cũng tập trung được rất nhiều năng lượng trong quá trình truyền nhận so với nghiên cứu phương pháp để phòng tránh các loài gặm nhấm, HTTP là 4,1% trong mỗi ngày sử dụng liên tục [5]. côn trùng, nấm mốc xâm nhập vào trong nhà kho gây hại đến Khối thu thập dữ liệu gồm các cảm biến DHT22 để thu nông sản đang được bảo quản. thập thông tin nhiệt độ và độ ẩm môi trường, PIR và Trong nghiên cứu này, tác giả sẽ phát triển một hệ thống HC-SR04 để phát hiện và đo khoảng cách đến vật thể, Rain có khả năng cảnh báo người dùng về các thông số môi Sensor để phát hiện có mưa. Tất cả đều gửi về khối xử lý trường bên trong nhà kho, điều khiển các thiết bị từ xa, thông tin cảm biến để xử lý. Khối thu nhận thông tin cảm truyền nhận gói tin một cách linh động và tìm ra phương biến gồm NodeMCU để xử lý dữ liệu thu nhận từ cảm biến, pháp tiết kiệm năng lượng cho các nút cảm biến bằng sau đó sẽ đóng gói thành một khung truyền (frame) với độ phương pháp linh động khung truyền dựa trên dữ liệu được dài linh động theo từng trường hợp truyền về khối xử lý cảm biến thu thập trả về. Bài báo sử dụng ngôn ngữ C để lập trung tâm để xử lý. Khi có mưa thì sẽ cập nhật nhiệt độ và trình cho hệ thống và ngôn ngữ PHP, HTML để lập trình cho độ ẩm thường xuyên hơn, để đảm bảo độ ẩm không vượt website tương tác với người dùng, ngoài ra còn sử dụng cơ quá mức cho phép làm ảnh hưởng đến nông sản lưu trữ. sở dữ liệu MySQL để lưu những dữ liệu thu thập được. Khi có phát hiện động vật trong kho thì sẽ lập tức cập nhật trạng thái để nhanh chóng xua đuổi. 2. Thiết kế hệ thống Khối xử lý trung tâm dùng kit KL46Z [7] và mô-đun wifi Hệ thống gồm 2 phần chính, phần thứ nhất là khối xử ESP8266 [8] để xử lý dữ liệu từ khối thu nhận thông tin cảm lý trung tâm (gọi là bộ server), phần thứ hai là khối thu biến gửi về và gửi chúng lên website thông qua Internet, nhận thông tin cảm biến lấy từ môi trường (gọi là bộ client) đồng thời nhận lệnh từ website điều khiển. Ngoài ra, hệ bên trong nhà kho như Hình 1. thống sử dụng 4 nút nhấn để khi không có điều kiện kết nối Internet thì sẽ điều khiển trực tiếp bằng nút nhấn. Khối hiển thị và cảnh báo sử dụng text LCD20x4 để thay thế khi không có Internet, nhờ đó có thể xem trạng thái để điều khiển trực tiếp, bật buzzer để cảnh báo và xua đuổi động vật. Website: Dữ liệu từ khối xử lý trung tâm được gửi lên server thông qua Internet, từ đây có thể sử dụng bất kì một máy tính hay các thiết bị có khả năng truy cập vào mạng để truy cập vào server, mọi dữ liệu đều được hiển thị ở đó. Khối nguồn sử dụng nguồn pin dự phòng 5 V, 2 cổng output 1 A và 2,1 A để cấp cho khối thu nhận thông tin cảm biến và khối xử lý trung tâm. Ngoài ra, còn có nguồn 12V/2A để cấp cho đèn và quạt được điều khiển từ khối trung tâm bằng rơ-le. Hình 1. Mô hình hệ thống 2.2. Khối thu thập dữ liệu môi trường Khối thu thập dữ liệu môi trường có chức năng thu nhận Khối thu thập dữ liệu môi trường có nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ môi trường bên trong nhà kho và gửi về khối xử dữ liệu từ môi trường bên trong nhà kho để gửi về khối xử lý trung tâm. Khối xử lý trung tâm có nhiệm vụ nhận dữ lý trung tâm. Tất cả các tiến trình chính sẽ được vi điều liệu được gửi từ khối thu thập dữ liệu môi trường để truyền khiển trung tâm là kit NodeMCU thực hiện. lên cơ sở dữ liệu trên webserver và hiển thị lên LCD để cho Trên kit NodeMCU bao gồm mô-đun wifi ESP8266. người dùng theo dõi ở nhà kho. Khối này còn có các nút Chân A0 của NodeMCU sẽ nối vào chân AO (Analog nhấn vật lý để bật tắt các thiết bị, ngoài ra còn có chức năng Output) để lấy dữ liệu dạng tương tự từ cảm biến mưa. Chân nhận dữ liệu điều khiển từ website tương tác để thực hiện D0 sẽ nối vào chân out của PIR để lấy dữ liệu cảnh báo các công việc như bật/tắt các thiết bị. chuyển động. Chân D1 sẽ nối vào chân TRIG của SRF 04 2.1. Giao thức truyền giữ liệu và chân D2 sẽ nối vào ECHO của SRF 04 để cảnh báo khoảng cách an toàn khi côn trùng xâm nhập. Chân D3 sẽ Dữ liệu được bộ Client thu thập và gửi về cho bộ server nối vào chân dữ liệu của cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT22. theo một chu kỳ nhất định. Chu kỳ truyền dữ liệu là 10 phút, Khi các điều kiện môi trường không thay đổi nhiều thì khối nếu có những sự kiện bất thường như có mưa hay phát hiện này chuyển sang chế độ ngủ gọi là sleep mode để tiết kiệm côn trùng thì ngay lập tức dữ liệu từ bộ client sẽ được chuyển điện năng tiêu thụ. Khi điều kiện môi trường thay đổi đột lên server, và sau đó server gửi dữ liệu lên webserver. Các ngột như có mưa hay phát hiện côn trùng thì khối này lập tức giao thức gửi dữ liệu từ client lên server, từ server lên chuyển sang trạng thái hoạt động và truyền dữ liệu đến khối webserver và ngược lại, đều là giao thức MQTT theo mô xử lý trung tâm để cảnh báo người dùng. hình Telemetry. MQTT (Message Queuing Telemetry
42 Võ Minh Huân qua giao thức truyền MQTT, được sử dụng rộng rãi trên nền tảng IoT [5]. Ví dụ, nhiệt độ cảm biến 25°C được gởi đi bởi 2 byte, gồm 1 byte mã hóa cho số 2, và 1 byte mã hóa cho số 5. Bằng cách làm này, dữ liệu cảm biến được đóng gói thành tin nhắn (message) để gởi đi, bao gồm chuỗi các ký tự, lúc đó hệ thống xử lý dữ liệu sẽ đơn giản và nhanh hơn. Khi đó, dữ liệu cảm biến được đóng gói thành một message gồm các chuỗi ký tự, thay vì chuỗi gởi gồm các bit nhị phân. Kết quả là bên thu chỉ cần tách lấy các ký tự chuỗi này rồi gởi lên website để hiển thị và lưu trữ qua cấu trúc chuỗi JSON [6], mà không cần phải chuyển đổi từ số nhị phân sang thập phân, rồi định nghĩa lại thành ký tự truyền lên webserver. Bình thường (định kỳ cập nhật) Nhiệt Độ ẩm độ 2 byte 2 byte Hình 2. Sơ đồ kết nối phần cứng tại Khi có mưa khối thu thập dữ liệu môi trường Bắt đầu Nhiệt Độ ẩm Mưa độ Khai báo, chạy chương trình cài đặt 2 byte 2 byte 2 byte Khi phát hiện vật chuyển động Đọc cảm biến DHT22 Nhiệt Phát Khoảng Độ ẩm Đọc cảm biến PIR phát hiện Đọc cảm biến độ hiện cách Đánh thức Đ mưa chuyển động? siêu âm S 2 byte 2 byte 1 byte 2 byte Gửi dữ liệu qua KL46z Khi phát hiện vật chuyển động và có mưa Nhiệt Phát Khoảng Vào chế độ ngủ Độ ẩm Mưa độ hiện cách Kết thúc 2 byte 2 byte 2 byte 1 byte 2 byte Hình 3. Lưu đồ chương trình trên khối thu thập dữ liệu môi trường Hình 4. Tối ưu hóa dữ liệu truyền theo dữ liệu cảm biến trả về Hình 3 trình bày lưu đồ hoạt động của sensor node. Bắt Thông thường, khung dữ liệu truyền sẽ được cập nhật ở đầu là khởi tạo các chân input, output, cài đặt ESP8266, tất cả các trường khi cảm biến trả về. Tuy nhiên, việc gởi các cảm biến. Trong vòng lặp, bắt đầu bằng việc đọc giá trị dữ liệu như vậy sẽ không hiệu quả vì không phải tất cả dữ cảm biến gán vào data, đọc cảm biến mưa, nếu có mưa thì liệu đều cần gởi lên server. Ví dụ như trong trường hợp cảm tiếp tục gán thêm dữ liệu vào data; đọc cảm biến PIR nếu biến mưa, chỉ khi nào trời mưa, khung truyền mới cần tới phát hiện chuyển động thì tiến hành đo khoảng cách nhờ trường mưa để xử lý dữ liệu trả về. Hoặc với dữ liệu khoảng cảm biến siêu âm dữ liệu thu được tiếp tục được nối dài vào cách, chỉ khi nào phát hiện vật chuyển động mới cần trường biến data. Sau khi đã đọc hết tất cả cảm biến, lúc này biến này để bộ xử lý thu nhận dữ liệu xử lý và điều khiển các data đã sẵn sàng để được truyền sang bộ xử lý ESP8266. thiết bị hoạt động phù hợp với điều kiện môi trường. Trong Bắt đầu kết nối wifi của ESP8266 trên KL46z phát ra, kết điều kiện bình thường khi không có gì xảy ra (không mưa, nối đến server, gửi dữ liệu, ngắt kết nối. không phát hiện chuyển động) thì sau 10 phút dữ liệu mới Trong bài báo này, tác giả tập trung vào việc tính toán được gửi lên 1 lần cho bộ xử lý. Khi đó dữ liệu truyền chỉ khả năng tiết kiệm năng lượng dựa vào khung truyền linh gồm hai trường của nhiệt độ và độ ẩm như Hình 4, với mỗi động. Việc quyết định gởi 2 byte truyền trên một trường trường dài 2 byte. Trong điều kiện mưa, dữ liệu sẽ cập nhật nhằm mục đích dữ liệu truyền đi được định nghĩa bằng ký trạng thái nhiệt độ, độ ẩm ngay lập lức. Khi phát hiện tự, thay cho chuyển đổi sang giá trị nhị phân với việc truyền chuyển động, cảm biến sẽ lập tức tiến hành đo khoảng cách chỉ 1 byte cho mỗi trường hoặc gộp các trường lại với nhau, và gửi về bộ xử lý như Hình 4. Vì vậy, dữ liệu truyền về
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017-Quyển 1 43 server có chiều dài thay đổi theo điều kiện môi trường. như: nd, da, kc, r, dt để dễ dàng xử lý. Bước tiếp theo là gửi Trong thời gian chờ đến lần gửi tiếp theo, NodeMCU sẽ vào lên website để hiển thị. Nếu phát hiện vật thể nhận được từ chế độ sleep giúp tiết kiệm năng lượng. NodeMCU gửi qua, buzzer sẽ kêu để xua đuổi động vật, côn 2.3. Khối xử lý trung tâm trùng, sau đó tự tắt nếu không còn phát hiện. Nếu không có kết nối của khối thu thập dữ liệu môi trường thì hệ thống sẽ Dữ liệu được thu thập từ khối thu thập dữ liệu môi giao tiếp liên tục với website để nhận dữ liệu gửi xuống trên trường được truyền về cho khối xử lý trung tâm, sau đó cần nút button website. Tương tự như dữ liệu do client truyền phải đưa lên webserver để có thể dễ dàng theo dõi và quản qua, dữ liệu trên server truyền xuống cũng cần lọc, tách lý. Vi điều khiển trung tâm sẽ thực hiện các tác vụ gửi gói chuỗi dữ liệu để có được dữ liệu điều khiển. tin yêu cầu dữ liệu và nhận dữ liệu gửi về từ khối thu thập dữ liệu môi trường thông qua mô-đun ESP8266. Kit xử lý 3. Kết quả nghiên cứu trung tâm đượcsử dụng là KL46Z (đã được giới thiệu). 3.1. Sản phẩm thức tế và giao diện phần mềm Việc đưa dữ liệu lên webserver chỉ với KL46Z là không thể làm được, chính vì vậy cần phải có một mô-đun giao tiếp Giao diện website được thiết kế theo xu hướng phẳng Internet, và mô-đun được sử dụng trong hệ thống này chính nên đơn giản và khá bắt mắt, website bao gồm các trang: là ESP8266v1. Index, Trang chủ, Lịch sử, Đăng xuất, Liên hệ. Index là giao diện ban đầu khi người dùng truy cập vào website, và sẽ hỏi thông tin tài khoản và mật khẩu của người dùng. Hình 7. Trang điều khiển và hiển thị các thông số Trang chủ: Ở trang này sẽ hiện thông số về điều kiện môi trường bên trong nhà kho và bảng điều khiển các thiết bị như đèn, quạt từ xa như Hình 7. Ngoài ra, còn có bảng thông báo phát hiện côn trùng cho người dùng biết về ngày và giờ phát hiện thấy. Hình 5. Sơ đồ kết nối phần cứng tại khối xử lý trung tâm Mô-đun ESP8266 giao tiếp với kit KL46Z thông qua 2 chân PTA-1 (Rx) và PTA-2(Tx) để điều khiển truyền nhận dữ liệu với webserver và với khối thu thập dữ liệu môi trường. Hoạt động với điện áp 3,3 V. Mạch được điều khiển bằng tập lệnh AT. Baudrate mặc định là 9.600 sau khi được nạp firmware. Nhóm đã điều chỉnh lên 115.200 để tăng tốc Hình 8. Trang thông tin đóng ngắt điện cho các client độ truyền nhận: AT+CIOBAUD=115.200. ESP8266 được điều chỉnh sang MODE 3: vừa là Station và là Acces point để phục vụ việc truyền nhận. \r\n+IDP,0,chiều dài dữ liệu: Dữ liệu \r\nOK\r\n Hình 6. Cấu trúc khung dữ liệu truyền Tiến hành kiểm tra có kết nối của Client (NodeMCU) với bộ xử lý trung tâm. Nếu có có kết nối, chương trình tiến hành gọi biến data_recieve, lúc này đã chứa dữ liệu gửi qua có dạng \r\n+IPD,0,*độ dài chuỗi*:*dữ liệu*\r\nOK\r\n. Tiến hành lọc, tách chuỗi dữ liệu nhận được để lấy ra dữ liệu có Hình 9. Kết quả hiển thị thông tin môi trường nghĩa. Lúc này dữ liệu sau khi lọc xong đã nằm trong biến d. Tách dữ liệu trong biến d gán thành nhiều biến dữ liệu Lịch sử: Trang này hiển thị lịch sử những lần gửi dữ
44 Võ Minh Huân liệu và tính toán thêm các thông số để cung cấp thêm dữ ra nhanh chóng hơn vì dung lượng truyền sẽ thấp hơn. Vì liệu cho người dùng. Ngoài ra, còn có nút để xóa bảng dữ vậy, thời gian truyền dữ liệu sẽ giảm đáng kể. liệu được lưu trong cơ sở dữ liệu. Cơ sở dữ liệu được hiển Trong chế độ ngủ (sleep), vi điều khiển sẽ đi vào chế thị trên giao diện như Hình 8. độ tiết kiệm năng lượng khi không sử dụng. Ở đây tác giả Hình 9 là giao diện phần cứng hiển thị thông tin điều kiện dùng chế độ Light-sleep, nhằm tắt hoàn toàn kết nối wifi hoạt động môi trường xung quanh phòng chứa nông sản. và đưa CPU vào chế độ chờ kích. Trong Bảng 2, chế độ 3.2. Hoạt động của hệ thống sleep, dòng tiêu thụ của bộ xử lý NodeMCU chỉ 0,9 mA so với 80 mA trong chế độ hoạt động bình thường. Để kiểm tra tính hiệu quả của hệ thống, tác giả thử nghiệm ngoài môi trường với côn trùng thật và điều kiện Bảng 2. Công suất tiêu thụ của các mô-đun trong hệ thống môi trường tự nhiên. Kết quả đạt được vào khoảng 90% về Dòng điện Điện áp hoạt Công suất việc phát hiện côn trùng với 20 lần thử nghiệm. Việc thu Mô-đun tiêu thụ trung động (V) tiêu thụ trung thập dữ liệu về điều kiện môi trường diễn ra hoàn hảo, hệ bình (mA) bình (W) thống cập nhật dữ liệu lên website tương tác, cảnh báo côn NodeMCU 80 5 0,4 trùng, mưa cập nhật nhanh. Các nút nhấn vật lý và trên NodeMCU 0,9 5 0,0045 website người dùng để điều khiển thiết bị hoạt động tốt, (sleep mode) cập nhật trạng thái của thiết bị tốt. DHT22 1,5 3,3 0,005 PIR 50 5 0,25 Dữ liệu trong Bảng 1 và Bảng 3 là dữ liệu đo được bằng HC-SR04 50 5 0,25 thực nghiệm. Để đo thực nghiệm dòng tiêu thụ qua các node, Rain sensor 100 5 0,5 ta có thể kết nối nối tiếp một điện trở shunt khoảng 10 Ω đến KL46z256 120 5 0,65 nguồn cung cấp board hoặc sử dụng thiết bị đo. Ở đây, dữ liệu thực nghiệm được đo bằng cách sử dụng thiết bị đo kiểm LCD 20x4 5 5 0,025 tra dung lượng sạc KCX-017 để đo dòng tiêu thụ từ nguồn Buzzer 20 5 0,1 pin cung cấp 9.000 mAh [9]. Kết quả có thể dễ dàng nhìn Relay 2 kênh 10 5 0,025 thấy trên màn hình dòng tiêu thụ chảy qua để cấp cho ESP8266 95 3,3 0,165 NodeMCU. Màn hình hiển thị điện áp hoạt động, dòng hoạt ESP8266 (Idle) 12 3,3 0,0396 động và dòng tiêu tốn do quá trình xả điện tích, qua đây, ta Led 145 12 1,74 có thể xác định dòng tiêu thụ trung bình. Dữ liệu Bảng 2 là Quạt 90 12 1,08 thông tin được trích xuất các thông số về dòng tiêu thụ và Để ước lượng thời gian sử dụng của một nguồn pin điện áp hoạt động, công suất tiêu thụ trung bình của từng cung cấp nuôi một sensor node, tác giả tính toán trong thiết bị, được lấy từ datasheet của các thiết bị [7], [8], [10]. 1 giờ, NodeMCU với 12 lần cập nhật thì pin dự phòng đã Bảng 1. Sự ảnh hưởng của chuỗi truyền đến dòng điện tiêu thụ tiêu hao 5 mAh. Nội dung Chiều dài Dòng trung Ta có công thức: Dung lượng khả dụng (mAh) = [Dung Trạng thái chuỗi chuỗi (Byte) bình (mA) lượng tổng (mAh) x 3,7 (V) x Hiệu suất chuyển đổi (%)] / Không phát hiện; Nhiệt Độ 5 V. Ở đây, pin dự phòng sử dụng là Xmobile với hiệu suất 2+2=4 ~80 mA Không mưa Độ Ẩm sạc là 90%, dung lượng 9.000 mAh, cell pin 3,7 V, sạc đầy Nhiệt Độ trong 9 h. Trong thời gian sạc vẫn sử dụng bình thường. Phát hiện; Độ Ẩm Vì vậy, dung lượng khả dụng = (9.000 x 3,7 x 90%)/5 = 4+1+2=7 ~90 mA Không mưa Phát hiện 5.994 mAh. Như vậy, với pin dự phòng này có thể duy trì Khoảng cách được NodeMCU trong: Nhiệt Độ Số giờ = 5.994/5 (mAh) = 1.199 giờ ~ 50 ngày sử dụng. Không phát Độ Ẩm 4+2=6 ~88 mA hiện; có mưa Bảng 3 thể hiện điện năng tiêu thụ của cả khối thu thập Mưa thông tin cảm biến NodeMC. Thử nghiệm qua các trường Nhiệt Độ hợp. NodeMCU sẽ định kì 10 phút kiểm tra cảm biến nhiệt Độ Ẩm Phát hiện và 4+2+1+2 độ, độ ẩm 1 lần, nếu có thay đổi dữ liệu thì tiến hành cập Mưa ~100 mA có mưa =9 nhật. Trong điều kiện tốt nhất là 1 giờ, với nhiệt độ và độ Phát hiện ẩm không thay đổi thì nguồn pin trên có thể sử dụng được Khoảng cách 416 ngày. Trạng thái bình thường số lần cập nhật là khoảng Bảng 1 thể hiện chiều dài chuỗi truyền và mức tiêu thụ 3 lần, khi đó pin có thể cấp được 250 ngày. Việc phân tích dòng điện thực tế trung bình trong toàn hệ thống ở các chế trường hợp tốt nhất của hệ thống trong trường hợp không độ gửi khác nhau. Cho thấy việc tối ưu chuỗi truyền đi là gởi dữ liệu trong 1 giờ nhằm mục đích xem xét chi tiết hơn cần thiết để giúp tiết kiệm năng lượng. việc hệ thống có thể hoạt động tối đa bao nhiêu giờ với một Tối ưu chuỗi truyền đi đã giúp hệ thống giảm được quỹ năng lượng cho trước. Từ đó, giả sử hệ thống trong ~20 mA cho dòng tiêu thụ trung bình của hệ thống so với thời gian một giờ này không gởi dữ liệu, nhưng thời gian việc lúc nào cũng truyền toàn bộ chuỗi với khung truyền khác có thể gởi dữ liệu thì ta có thể tính thời gian sống của bao gồm tất cả các trường dữ liệu như phương pháp thông pin cung cấp cho hệ thống. Ví dụ, hệ thống liên tiếp trong thường. Ngoài việc giúp tiết kiệm điện năng tiêu thụ, tối ưu hai giờ không thu thập dữ liệu bằng cách thiết lập chu kỳ chuỗi dữ liệu truyền lên cơ sở dữ liệu còn làm cho việc cập nhật dữ liệu, hoặc trong thời gian hai giờ này dữ liệu truyền nhận dữ liệu thông qua mô-đun wifi ESP8266 diễn không thay đổi do điều kiện môi trường không biến động.
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017-Quyển 1 45 Trong những trường hợp dữ liệu không thay đổi như vậy, cấu trúc nhỏ hơn cấu trúc khung truyền bình thường, giúp ta có thể không cần cập nhật lên bộ xử lý trung tâm. Khi đó tiết kiệm năng lượng tại các sensor node tới 20% và giảm thời gian sống của pin sẽ lớn hơn 250 ngày (với 3 lần cập thời gian truyền dữ liệu, có thể ứng dụng trong rất nhiều nhật/1h) và nhỏ hơn 416 ngày. Từ đó, ta có thể ước lượng lĩnh vực nhằm thu thập dữ liệu. Kết quả tính toán thực thời gian sống của pin là khoảng 320 ngày. nghiệm cho thấy, trong cùng nguồn pin sử dụng, trong điều Bảng 3. Các trường hợp tiêu thụ dòng điện của kiện tốt nhất, hệ thống có thể tăng thời gian sống của pin khối thu thập dữ liệu cảm biến trong 1 giờ từ 50 ngày lên tới 416 ngày. Số lần Chiều Dòng Thời gian Trường TÀI LIỆU THAM KHẢO cập Chuỗi truyền đi dài chuỗi tiêu thụ sử dụng hợp nhật (byte) (mAh) (ngày) [1] Huang-Chen Lee, Amit Banerjee, Yao-Min Fang, Bing-Jean Lee, Nhiệt độ, độ ẩm, and Chung-Ta King, “Design of a Multifunctional Wireless Sensor Xấu nhất 12 mưa, phát hiện, 9 5 50 for In-Situ Monitoring of Debris Flows”, IEEE Transactions On khoảng cách Instrumentation And Measurement, Vol. 59, No. 11, November 2010, pp. 2958-2968. Nhiệt độ, độ [2] Navroop Kaur and Sandeep K. Sood, “An Energy-Efficient 3 ẩm, phát hiện, 7 1,2 208 Bình Architecture for the Internet of Things (IoT)”, IEEE Systems khoảng cách Journal, 2017, Vol. 11, pp. 796 – 805. thường Nhiệt độ, độ [3] Yen Kheng Tan, Truc Phuong Huynh, and Zizhen Wang, “Smart 3 4 1 250 ẩm Personal Sensor Network Control for Energy Saving in DC Grid Tốt nhất 0 0 0,6 416 Powered LED Lighting System”, IEEE Transactions On Smart Grid, Vol. 4, 2013. pp. 669 – 676. Trường hợp xấu nhất là có mưa và phát hiện động vật [4] Vo Minh Huan, Online Working Condition Monitoring Systtem trong kho thì số lần cập nhật sẽ lên đến 12 lần với khung Integrated Power Saving And Security Using Zigbee Wireless truyền có số byte dữ liệu truyền tối đa, vì vậy sẽ ảnh hưởng Sensor Network, IEEE ATC Conference, October. 2017. lớn đến dòng điện tiêu thụ. Trong trường hợp này thời gian [5] Datasheet, Available at sử dụng tối đa là 50 ngày. https://www.ibm.com/developerworks/community/blogs/sowhatfor devs/entry/using_mqtt_protocol_advantages_over_http_in_mobile_ application_development5?lang=en 4. Kết luận [6] Information at http://www.json.org/ Ưu điểm của hệ thống là chi phí vận hành rẻ, tiêu thụ [7] Datasheet, Available at: http://www.espessif.com năng lượng thấp, đáp ứng đầy đủ các tính năng cơ bản, dễ [8] Datasheet, Available at http://www.nxp.com dàng nâng cấp và phát triển. Website được thiết kế đơn [9] Datasheet, Available at https://cdn.solarbotics.com/products/datasheets/kcx- giản, giao diện dễ quan sát. Việc tạo khung truyền linh 017%20power%20bank%20testing.pdf động theo môi trường cảm biến cho phép gói tin truyền có [10] Datasheet, Available at www.arduino.vn (BBT nhận bài: 15/09/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 13/11/2017)