Việc ứng dụng mạng không dây Zigbee để
giám sát và điều khiển các thông số môi trường
của hệ thống hồ nuôi và thuần dưỡng các loài
sinh vật biển tại Viện Bảo tàng, Viện Hải
dương học là một hướng đi mới, hiện đại, thiết
thực và hiệu quả. Qua kết quả triển khai thử
nghiệm cho thấy hệ thống có tính ứng dụng
thực tiễn rất cao. Các vấn đề phát sinh như đã
nêu trong phần thảo luận, hoàn toàn có thể khắc
phục để hoàn thiện hệ thống và triển khai ứng
dụng rộng rãi cho toàn bộ hệ thống hồ nuôi tại
Viện Bảo tàng, Viện Hải dương học.
Ngoài ra, với tính năng vượt trội của mạng
không dây như kích thước gọn nhẹ, dễ thi công
lắp đặt, giá thành thấp, ổn định, dễ mở rộng và
khả năng tương thích cao, hệ thống thu thập dữ
liệu trên hoàn toàn có thể phát triển để lắp đặt
cho rất nhiều mục đích khác nhau trong việc
giám sát và điều khiển từ xa, ví dụ như hệ
thống thu thập dữ liệu tự động gắn trên các tàu
khảo sát biển để thay thế cho những đo đạc rất
thủ công như hiện nay, hệ thống mạng quan
trắc các thông số môi trường vùng ven biển và
cửa sông, hệ thống quan trắc mực nước biển tại
các trạm đo thủy triểu, .
Tóm lại, việc ứng dụng mạng không dây
Zigbee để giám sát và điều khiển từ xa là một
hướng cần được quan tâm và phổ biến rộng rãi
vì nó giải quyết các vấn đề mà chúng ta đang
gặp phải trong các sản phẩm hiện nay như: tiêu
thụ điện năng nhiều, giá thành cao, chi phí cài
đặt lớn, khó bảo trì và sửa chữa, . Có thể nói,
tương lai của các mạng trong lĩnh vực điện tử -
nhất là điều khiển tự động chính là mạng không
dây Zigbee.
Lời cảm ơn: Tập thể tác giả xin chân thành
cảm ơn ban Lãnh đạo và Hội đồng Khoa học
của Viện Hải dương học đã tạo điều kiện thuận
lợi để chúng tôi thực hiện đề tài này
10 trang |
Chia sẻ: honghp95 | Lượt xem: 613 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem nội dung tài liệu Thiết kế và thực hiện hệ thống thu thập dữ liệu môi trường từ xa qua mạng zigbee wireless cho bảo tàng viện hải dương học - Vũ Văn Tác, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
289
Tạp chí Khoa học và Công nghệ Biển; Tập 14, Số 3; 2014: 289-298
DOI: 10.15625/1859-3097/14/3/5163
THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU
MÔI TRƯỜNG TỪ XA QUA MẠNG ZIGBEE WIRELESS
CHO BẢO TÀNG VIỆN HẢI DƯƠNG HỌC
Vũ Văn Tác1*, Trần Tiến Phức2, Quách Đức Cường2
1
Viện Hải dương học-Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
2
Khoa Điện-Điện tử, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
*E-mail: quiet_seavn@yahoo.com
Ngày nhận bài: 19-5-2014
TÓM TẮT: Bài báo trình bày những chi tiết kỹ thuật chính và kết quả triển khai thử nghiệm
của Hệ thống thu thập dữ liệu môi trường từ xa qua mạng Zigbee Wireless do Viện Hải dương học
và Khoa Điện-Điện tử,Trường Đại học Nha Trang thiết kế và xây dựng nhằm phục vụ cho việc giám
sát từ xa các thông số môi trường của hệ thống hồ nuôi và thuần dưỡng các loài sinh vật biển tại
Viện Bảo tàng, Viện Hải dương học. Với hệ thống này, các cảm biến đo thông số môi trường sẽ
được gắn tại các hồ nuôi, chúng tự động đo, truyền số liệu về máy tính trung tâm và được lưu trữ
trong một cơ sở dữ liệu. Người sử dụng, có thể truy cập cơ sở dữ liệu này một các dễ dàng để giám
sát môi trường các hồ nuôi. Đây là bước đi khởi đầu, làm nền tảng cho việc phát triển những ứng
dụng lớn hơn trong việc xây dựng một “bảo tàng thông minh” trong tương lai.
Từ khóa: Hệ thống thu thập dữ liệu từ xa, Hệ thống thu thập dữ liệu qua mạng Zigbee Wireless.
GIỚI THIỆU
Trong khoảng một thập niên trở lại đây, với
các tính năng vượt trội, những thiết bị điện tử
sử dụng mạng không dây ngày càng được phổ
biến rộng rãi, từ các vệ tinh nhân tạo đến những
thiết bị gia dụng như kết nối các bộ phận chức
năng trong nhà để điều chỉnh và giám sát từ xa
hệ thống gas, ánh sáng, điện, nước, các thông
tin ứng dụng như điện thoại di dộng, truyền
hình, mạng internet ...
Các hệ thống thu thập dữ liệu từ xa sử dụng
mạng không dây để giám sát nhà máy, công ty
và môi trường đã phát triển mạnh mẽ và phổ
biến trên thế giới, đặc biệt là các nước phát
triển như Nhật Bản, Mỹ, Anh ... Ở Việt Nam
chúng ta, cũng đã có khá nhiều đề tài, dự án lắp
đặt những thiết bị điện tử sử dụng mạng không
dây để phục vụ cho thương mại cũng như
nghiên cứu khoa học. Ví dụ như dự án IFC của
Tập đoàn Điện lực Việt Nam đã lắp đặt thành
công hệ thống thu thập dữ liệu công tơ từ xa
bằng công nghệ PLC cho các tỉnh: Tiền Giang,
Đồng Nai, Bà Rịa - Vũng Tàu trong năm 2012;
Dự án thí điểm xây dựng hệ thống cảm biến và
cảnh báo thiên tai tại thành phố Cần Thơ. Đây
là dự án hợp tác Việt - Nhật do Bộ Thông tin và
Truyền thông, Đại sứ quán Nhật và Uỷ ban
nhân dân Tp. Cần Thơ phối hợp tổ chức
(9/2011- 9/2012); Dự án hợp tác giữa Trung
tâm nghiên cứu công nghệ cao và y học từ xa
(TATRC), Đại học Hawaii, Viện Hàn lâm Khoa
học và Công nghệ Việt Nam và Đại học Y tế
công cộng triển khai thử nghiệm một hệ thống
giám sát môi trường nước từ xa tại Tiền Hải
(Thái Bình) và Hồ Tây (Hà Nội) năm 2005 ...
Ngay tại Viện Hải dương học cũng đã lắp đặt
một thiết bị quan trắc và thu dữ liệu từ xa qua
Vũ Văn Tác, Trần Tiến Phức,
290
mạng không dây từ năm 2010 và đã sử dụng
khá hiệu quả. Đây là thiết bị chuyên dụng được
gắn trên phao nổi, phục vụ cho việc quan trắc
xa bờ. Tuy nhiên, nhìn chung các hệ thống thu
thập dữ liệu từ xa ở Việt Nam sử dụng đều
được nhập trọn bộ từ nước ngoài, giá thành rất
cao (hàng tỷ đồng) và gặp rất nhiều những bất
tiện trong việc bảo hành, bảo trì, bảo dưỡng.
Tại Viện Bảo tàng, Viện Hải dương học,
hiện đang sở hữu một hệ thống hồ nuôi và
thuần dưỡng các loài sinh vật biển với gần 40
hồ cá lớn, nhỏ phục vụ cho tham quan và
nghiên cứu. Tuy nhiên, việc giám sát các thông
số môi trường tại các bể nuôi này được thực
hiện hoàn toàn thủ công. Các thông số môi
trường nước như nhiệt độ, độ mặn, pH, NH3,
NO2, ... được đo đạc thông qua một số thiết bị
cầm tay rất mất thời gian, bất tiện và khó khăn
trong việc theo dõi các biến động của môi
trường. Trước tình hình đó, trong khuôn khổ đề
tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở CS2014.11,
Trung tâm Dữ liệu, GIS và Viễn thám biển-
Viện Hải dương học đã phối hợp với Khoa
Điện-Điện tử, Trường Đại học Nha Trang để
nghiên cứu chế tạo “Hệ thống thu thập dữ liệu
môi trường từ xa qua mạng Zigbee Wireless
cho Bảo tàng, Viện Hải dương học” nhằm phục
vụ cho việc giám sát từ xa các thông số môi
trường của hệ thống hồ nuôi và thuần dưỡng
các loài sinh vật biển tại Viện Bảo tàng, Viện
Hải dương học. Với hệ thống này, các cảm biến
đo thông số môi trường sẽ được gắn tại các hồ
nuôi, chúng tự động đo, truyền số liệu về máy
tính trung tâm và được lưu trữ trong một cơ sở
dữ liệu. Người sử dụng, có thể truy cập cơ sở
dữ liệu này một các dễ dàng để giám sát môi
trường các hồ nuôi. Đây là bước đi khởi đầu,
làm nền tảng cho việc phát triển những ứng
dụng lớn hơn trong việc xây dựng một “bảo
tàng thông minh” trong tương lai.
Zigbee Wireless là mạng không dây được
áp dụng cho các hệ thống điều khiển và cảm
biến có tốc độ truyền tin thấp nhưng chu kỳ
hoạt động dài. Zigbee Wireless hoạt động ở các
dải tần 433 MHz, 868 MHz, 915 MHz và 2,4
GHz [1], với các ưu điểm là độ trễ truyền tin
thấp, tính bảo mật cao, tiêu hao ít năng lượng,
giá thành thấp, ít lỗi, dễ mở rộng và khả năng
tương thích cao. Với những ưu điểm trên, hệ
thu thập dữ liệu từ xa qua mạng Zigbee
Wireless hoàn toàn phù hợp để triển khai cho
việc thu thập dữ liệu từ các mạng cảm biến
quan trắc môi trường biển trong khoảng cách
gần (từ vài chục mét đến hàng km tùy theo
công suất của mạch thiết kế).
Các mạng sử dụng sóng radio tương tự
Zigbee đã được thai nghén từ những năm 1998-
1999 khi giới khoa học bắt đầu nhận thấy Wifi
và Bluetooth không phù hợp cho nhiều ứng
dụng công nghiệp. Tuy nhiên chỉ đến năm
2004, bộ tiêu chuẩn Zigbee mới chính thức
được tạo dựng và thông qua bởi tổ chức Zigbee
Alliance. Tên gọi Zigbee lấy cảm hứng từ điệu
nhảy theo đường zig-zag của ong mật (honey
bee), điệu nhảy này được loài ong sử dụng để
trao đổi thông tin với nhau về vị trí của hoa và
nguồn nước.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Quá trình thiết kế và chế tạo “Hệ thống thu
thập dữ liệu môi trường từ xa qua mạng
Zigbee Wireless cho Bảo tàng, Viện Hải
dương học” được thực hiện theo một quy trình
gồm 4 bước sau:
Khảo sát thực tế
Khảo sát thực tế tại Viện Bảo tàng, Viện
Hải dương học để tìm hiểu nhu cầu việc giám
sát từ xa các yếu tố môi trường tại các bể nuôi
(các yếu tố cần giám sát, vị trí, thời gian, chu
kỳ giám sát, ...).
Thiết kế và chế tạo phần cứng
Từ kết quả khảo sát thực tế và các yêu cầu
của sản phẩm, chọn lựa các phương án thiết kế
phần cứng bao gồm: Chíp điều khiển dòng họ
PIC, module wireless, các sơ đồ điện chức năng
... Trong quá trình thiết kế, phần mềm Orcad
được sử dụng để vẽ mô phỏng mạch điện tử và
tạo mạch in.
Thiết kế và xây dựng phần mềm
Phần mềm cho hệ thống bao gồm hai phần
chính, code của vi điều khiển và giao diện điều
khiển, quản lý dữ liệu trên máy tính (PC). Ở
đây chúng tôi sử dụng ngôn ngữ C để lập trình
Thiết kế và thực hiện hệ thống thu thập
291
cho vi điều khiển PIC. Trong khi đó giao diện
điều khiển và quản lý dữ liệu trên PC được xây
dựng trên ngôn ngữ VB6 và hệ quản trị cơ sở
dữ liệu MS. Access 2007.
Lắp đặt thử nghiệm
Lắp đặt thử nghiệm hệ thống thu thập dữ
liệu môi trường từ xa qua mạng Zigbee
Wireless và hiệu chỉnh những lỗi phát sinh nếu
có (cả phần cứng và phần mềm).
KẾT QUẢ
Sơ đồ khối hệ thống
Hệ thống thu thập dữ liệu môi trường từ xa
qua mạng Zigbee Wireless do Viện Hải dương
học và Khoa Điện-Điện tử, Trường Đại học
Nha Trang chế tạo đã triển khai thử nghiệm
thành công vào ngày 5/5/2014. Hệ thống bao
gồm 3 module Zigbee Wireless (ZWM), đây là
bộ thu và phát dữ liệu qua mạng không dây.
Hai trong số ba module nói trên được thiết kế
để lắp đặt tại các hồ nuôi sinh vật biển, mỗi
module được kết nối với 2 cảm biến đo nhiệt
độ (DS18B20) và đo pH(E201-C). Module còn
lại được kết nối với PC qua cổng COM,
module này đóng vai trò trung gian để truyền
các tín hiệu điều khiển và thu dữ liệu giữa PC
và các module gắn tại các hồ nuôi sinh vật biển.
Sơ đồ khối hệ thống nói trên được mô tả trong
hình 1.
COM
Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống thu thập dữ liệu môi trường từ xa qua mạng không dây Zigbee
Trong hình 1, ZWM là module thu-phát dữ
liệu. Các cảm biến đo thông số môi trường
được gắn tại các hồ nuôi và được kết nối trực
tiếp với ZWM để truyền dữ liệu về hoặc nhận
tín hiệu điều khiển từ PC.
Mỗi một ZWM sẽ được gắn tương ứng với
một địa chỉ nhất định (Các mã địa chỉ được ghi
trong EEPROM của chíp). Để thu thập dữ liệu
hoặc cài đặt giá trị ngưỡng cảnh báo từ ZWM,
PC sẽ thông qua cổng COM và module
wireless ZWM1 phát đi một chuỗi ký tự bao
gồm các nội dung: địa chỉ của ZWM cần đo,
giá trị ngưỡng cảnh báo của các thông số nhiệt
độ, pH, mã lệnh điều khiển (thu thập dữ liệu/cài
đặt ngưỡng). Khi nhận được tín hiệu điều khiển
từ PC, module ZWM sẽ giải mã tín hiệu và
thực hiện theo tín hiệu điều khiển (đo, đặt
ngưỡng, truyền số liệu).
Để thực hiện hệ thống wireless trên diện
rộng, hệ thống được tổ chức theo cơ chế mạng
với sơ đồ hình cây. Một module ZWM sẽ có
hai chức năng: Thu thập dữ liệu và thu phát dữ
liệu trung gian. Trong mô hình thử nghiệm của
chúng tôi, module ZWM-2 được thiết lập ở chế
độ hai chức năng để “tiếp sóng” cho module
ZWM-3 (module xa trung tâm thu thập dữ liệu
nhất). Khi tín hiệu điều khiển từ PC yêu cầu
thực hiện lệnh “đo nhiệt độ và pH tại module
ZWM-3” thì module ZWM-2 sẽ chuyển tiếp tín
hiệu điều khiển này đến module ZWM-3. Quá
trình này hoàn toàn tương tự đối với chiều
ngược lại.
1
2
3
Vũ Văn Tác, Trần Tiến Phức,
292
Thiết kế phần cứng
Phần cứng của hệ thống thu thập dữ liệu
môi trường từ xa qua mạng Zigbee Wireless
bước đầu gồm 3 module chính ZWM-1, ZWM-
2 và ZWM-3 như đã mô tả trong hình 1.
Module ZWM-1 chỉ đóng vai trò trung
gian để truyền các tín hiệu điều khiển và thu
dữ liệu giữa máy tính và các module khác nên
được thiết kế đơn giản hơn so với module
ZWM-2 và ZWM-3. Sơ đồ khối, mạch điện
chi tiết, hình ảnh mạch điện chi tiết và hình
ảnh khi đã được chế tạo hoàn thiện của
module ZWM-1 được mô tả trong hình 2a,
hình 2b, hình 2c và hình 2d.
Hình 2a. Sơ đồ khối module ZWM-1
Hình 2b. Sơ đồ mạch điện của module ZWM-1
Hình 2c. Hình ảnh mặt trong của module
ZWM-1
Hình 2d. Hình ảnh module ZWM-1 hoàn thiện
Module ZWM-2 và ZWM-3 được thiết kế
hoàn toàn giống nhau. Sơ đồ khối, mạch điện
chi tiết, hình ảnh mạch điện chi tiết và hình ảnh
khi đã được chế tạo hoàn thiện của 2 module
này được mô tả trong hình 3a, hình 3b, hình 3c
và hình 3d.
Hình 3a. Sơ đồ khối module ZWM-2 và
ZWM-3
Antenna
Cổng COM
Antenna
Cổng
COM
Thiết kế và thực hiện hệ thống thu thập
293
Hình 3b. Sơ đồ mạch điện của module ZWM-2 và ZWM-3
Hình 3c. Hình ảnh mạch điện (mặt trong) của module ZWM-2 và ZWM-3
Vi điều khiển
PIC16F688
Antenna
Cáp cảm biến
nhiệt độ
Cáp cảm biến
pH
Vũ Văn Tác, Trần Tiến Phức,
294
Hình 3d. Hình ảnh module ZWM-2 và ZWM-3 hoàn thiện
Các linh kiện chính được sử dụng trong thiết
kế hệ thống
Các linh kiện chính được sử dụng trong
thiết kế Hệ thống Thu thập dữ liệu môi trường
từ xa qua mạng Zigbee Wireless được mô tả
trong bảng 1.
Bảng 1. Các linh kiện chính được sử dụng trong thiết kế hệ thống
TT Linh kiện Thông số kỹ thuật
1
Vi điều khiển
PIC16F688
+Bộ chuyển đổi tương tự/số: Độ phân giải 10-bit và có 8 kênh
+Bộ nhớ chương trình: 4.096 words
+Bộ nhớ SDRAM: 256 bytes
+Bộ nhớ EEPROM: 256 bytes
+Dải điện áp hoạt động: (2,0-5,5 V)
[2]
2 POP2032
wireless module
+Điện áp hỗ trợ: 5 V
+Hỗ trợ các chuẩn UART, RS232, RS485
+Tần số phát: 433 MHz
+Khoảng cách phủ sóng tối đa: 1,8 km(trong điều kiện lý tưởng)
3 Cảm biến nhiệt
độ DS18B20
Bao gồm 3 chân, đóng gói dạng TO-92.
DS18B20 giao tiếp thông qua giao thức 1 dây dẫn với vi xử lý.
+ Đo nhiệt độ với độ phân giải 12bit.
+ Ngưỡng nhiệt độ đo: -10°C đến 125°C
+ Sai số cho phép: ±0,5°C
4 Cảm biến pH E201-C
+Dải đo : 0-14; +Nhiệt độ hoạt động: 5-60°C
+Kính thước: 12 x 120 mm; +Độ chính xác: ±0.1pH
Thiết kế phần mềm
Dựa trên cơ sở phần cứng của hệ thống đã
thiết kế và nhu cầu giám sát môi trường nước
các bể nuôi sinh vật biển của Viện Bảo tàng,
Viện Hải dương học, phần mềm Giám sát môi
trường nuôi sinh vật biển (GSMTSVB) đã được
xây dựng bằng ngôn ngữ Visual Basic 6.0 và hệ
quản trị cơ sở dữ liệu MS. Access 2007. Cửa sổ
giao diện chính của phần mềm GSMTSVB
được mô tả trong hình 4.
Antenna
Cảm biến nhiệt độ
Cảm biến pH
Thiết kế và thực hiện hệ thống thu thập
295
Hình 4. Giao diện điều khiển hệ thống thu thập dữ liệu từ xa qua mạng không dây Zigbee
Trong cửa sổ giao diện chính (hình 4), dữ
liệu lịch sử thu được từ các cảm biến được mô
tả dưới dạng bảng và đồ thị. Với giao diện thân
thiện và dễ sử dụng, phần mềm GSMTSVB
giúp người dùng giám sát môi trường nước các
bể nuôi sinh vật biển một cách đơn giản, hiệu
quả và khoa học. Các dữ liệu thu được từ các
cảm biến tương ứng tại các hồ nuôi được lưu
trữ trong một cơ sở dữ liệu theo các mẩu tin.
Mỗi lần đo, dữ liệu được lưu lại dưới một mẩu
tin tương ứng với ngày tháng và thời gian đo.
Phần dưới của cửa sổ chính (hình 4), là đồ thị
mô tả biến động của yếu tố nhiệt độ và pH
trong 15 lần đo gần nhất. Ngoài ra, người dùng
cũng có thể sử dụng các công cụ hỗ trợ để truy
xuất những dữ liệu cũ hơn đã được lưu trong cơ
sở dữ liệu.
Từ cửa sổ chính (hình 4), GSMTSVB hỗ
trợ người dùng một thanh công cụ gồm 8 biểu
tượng tương ứng với 8 tác vụ khác nhau. Người
dùng chỉ việc nhắp chuột vào các biểu tượng
này để thực hiện những tác vụ tương ứng như
mô tả trong bảng 2.
Ngoài những biểu tượng trên, GSMTSVB
còn hỗ trợ một số chức năng khác được đặt
trong các trình đơn (menu) của chương trình
như thiết lập thời gian tự động đo hay xuất dữ
liệu ra file Excel, ...
Ngoài ra, để giúp người dùng có cái nhìn
trực quan về biến động của các thông số môi
trường, các giá trị nhiệt độ và pH được biểu thị
bằng 3 màu sắc xanh, vàng và đỏ tương ứng
với 3 cấp độ an toàn của môi trường: Màu
xanh- mô tả số liệu đang nằm trong khoảng an
toàn; Màu vàng- mô tả số liệu nằm trong dải
tạm an toàn; Màu đỏ- mô tả số liệu nằm trong
dải nguy hiểm.
Vũ Văn Tác, Trần Tiến Phức,
296
Bảng 2. Các tác vụ thực thi tương ứng với các biểu tượng.
Biểu tượng Tác vụ thực thi
Lần lượt phát lệnh đo đến tất cả các cảm biến trong hệ thống đồng thời nhận và lưu dữ liệu từ
các cảm biến truyền lên.
Xóa dữ liệu của mẩu tin hiện tại.
In dữ liệu như mô tả trên màn hình máy tính ra máy in (cả dữ liệu và đồ thị).
Di chuyển đến mẩu tin đầu tiên (mỗi lần đo dữ liệu được lưu lại dưới một mẩu tin).
Di chuyển đến mẩu tin liền kề trước mẩu tin hiện tại.
Di chuyển đến mẩu tin liền kề sau mẩu tin hiện tại.
Di chuyển đến mẩu tin cuối cùng.
Thoát khỏi chương trình.
THẢO LUẬN
Qua thời gian triển khai lắp đặt thử nghiệm,
Hệ thống Thu thập dữ liệu môi trường từ xa
qua mạng Zigbee Wireless đã hoạt động tốt, ổn
định và đáp ứng được mục tiêu ban đầu đặt ra.
Tuy nhiên, có một số vấn đề phát sinh mà hệ
thống cần phải được tiếp tục nghiên cứu hoàn
thiện và mở rộng quy mô ứng dụng.
Khoảng cách truyền dữ liệu
Với thiết kế hiện tại, module ZWM có thể
phủ sóng với bán kính 300 m trong điều kiện
không vật cản. Tuy nhiên, trong môi trường
thực tế tại Bảo tàng,Viện Hải dương học có rất
nhiều vật cản là tường nhà dày, nhiều lớp thậm
chí là vách núi dày hàng chục mét, nên module
ZWM chỉ có thể phủ sóng trong bán kính từ 50
- 70 m.
Để có thể phủ hết sóng trong phạm vi của
Viện, hệ thống đã được thiết kế để truyền dữ
liệu theo cơ chế bắc cầu, tức các nút mạng gần
được lập trình để tiếp sóng cho những nút mạng
xa hơn. Với cách thức này, việc phủ sóng đến
các nút mạng được giải quyết nhưng cũng có
một hạn chế là khi một nút mạng chính bị hỏng
sẽ ảnh hưởng đến toàn bộ các nút mạng con mà
nó có nhiệm vụ tiếp sóng. Vì vậy, phương án
tối ưu để cho hệ thống hoạt động hiệu quả là
thiết lập phân bố các module cho hợp lý và kết
hợp lập trình hệ thống để khi mất đường này hệ
thống sẽ tự tìm đường khác để kết nối (giống
như mạng Mobi).
Giải pháp để cảm biến pH hoạt động chính
xác
Cảm biến đo pH được chế tạo dựa trên
phương pháp điện cực. Bản chất của phương
pháp này là so sánh nồng độ các ion trong một
mẫu nước chuẩn (có pH=7) với nồng độ các ion
trong môi trường nước cần đo. Khi cấp nguồn
điện cho cảm biến, đầu điện cực của cảm biến
sẽ hút các ion H+ trong môi trường nước cần
đo. Giá trị hiệu điện thế đo được giữa 2 đầu của
điện cực (1 đầu đặt trong mẫu nước chuẩn, 1
đầu đặt trong môi trường nước cần đo) sẽ phản
ánh độ pH thực của môi trường nước cần đo.
Với nguyên lý hoạt động như vậy, để có được
độ chính xác thì trước mỗi lần đo cần phải tắt
nguồn của cảm biến trong một khoảng thời gian
nhất định để điện cực nhả các ion ra. Điều này
rất bất tiện trong việc tự động hóa các quá trình
Thiết kế và thực hiện hệ thống thu thập
297
đo đạc. Để giải quyết vấn đề này, các module
ZWM cần phải được cải tiến để có thể tự động
tắt nguồn (thậm chí đảo cực) sau mỗi lần đo.
Giải pháp bảo quản các cảm biến khỏi việc
ăn mòn kim loại do nước mặn
Việc gắn cố định các cảm biến tại các hồ
nuôi sinh vật biển và nhúng liên tục trong môi
trường nước mặn sẽ dẫn đến việc các cảm biến
mau hư hỏng. Vì vậy, để bảo quản cho các cảm
biến, hệ thống cần lặp đặt thêm bộ phận motor
để tự động thả cảm biến xuống trước khi đo và
kéo lên sau khi đo xong. Tất nhiên, các quá trình
này phải được điều khiển tự động từ máy tính.
Giải pháp cho trường hợp bị mất điện
Theo thiết kế của hệ thống, các module
ZWM có thể dùng điện lưới hoặc nguồn pin
9V-1A. Tuy nhiên, tất cả các lệnh điều khiển
đo và thu dữ liệu đều được xuất phát từ máy
tính. Điều này có nghĩa là nếu máy tính mất
điện thì hệ thống bị dừng và việc giám sát sẽ bị
gián đoạn.
Hiện tại, với nhu cầu chỉ thực hiện đo 2 đến
3 lần trong một ngày thì việc cúp điện không
phải là vấn đề lớn vì chỉ cần máy tính laptop
kết nối với hệ thống trong khoảng 5 phút là
thực hiện xong việc đo đạc. Tuy nhiên, nếu nhu
cầu thực tế cần thiết thì hoàn toàn có thể phát
triển các module ZWM thành các máy đo độc
lập, chúng tự động đo và lưu trữ dữ dữ liệu vào
trong EEPROM ngoài như AT24Cxxx hoặc
một thẻ nhớ. Và khi đó máy tính sẽ truy cập
vào các thiết bị nhớ này để đọc dữ liệu.
KẾT LUẬN
Việc ứng dụng mạng không dây Zigbee để
giám sát và điều khiển các thông số môi trường
của hệ thống hồ nuôi và thuần dưỡng các loài
sinh vật biển tại Viện Bảo tàng, Viện Hải
dương học là một hướng đi mới, hiện đại, thiết
thực và hiệu quả. Qua kết quả triển khai thử
nghiệm cho thấy hệ thống có tính ứng dụng
thực tiễn rất cao. Các vấn đề phát sinh như đã
nêu trong phần thảo luận, hoàn toàn có thể khắc
phục để hoàn thiện hệ thống và triển khai ứng
dụng rộng rãi cho toàn bộ hệ thống hồ nuôi tại
Viện Bảo tàng, Viện Hải dương học.
Ngoài ra, với tính năng vượt trội của mạng
không dây như kích thước gọn nhẹ, dễ thi công
lắp đặt, giá thành thấp, ổn định, dễ mở rộng và
khả năng tương thích cao, hệ thống thu thập dữ
liệu trên hoàn toàn có thể phát triển để lắp đặt
cho rất nhiều mục đích khác nhau trong việc
giám sát và điều khiển từ xa, ví dụ như hệ
thống thu thập dữ liệu tự động gắn trên các tàu
khảo sát biển để thay thế cho những đo đạc rất
thủ công như hiện nay, hệ thống mạng quan
trắc các thông số môi trường vùng ven biển và
cửa sông, hệ thống quan trắc mực nước biển tại
các trạm đo thủy triểu, ...
Tóm lại, việc ứng dụng mạng không dây
Zigbee để giám sát và điều khiển từ xa là một
hướng cần được quan tâm và phổ biến rộng rãi
vì nó giải quyết các vấn đề mà chúng ta đang
gặp phải trong các sản phẩm hiện nay như: tiêu
thụ điện năng nhiều, giá thành cao, chi phí cài
đặt lớn, khó bảo trì và sửa chữa, ... Có thể nói,
tương lai của các mạng trong lĩnh vực điện tử -
nhất là điều khiển tự động chính là mạng không
dây Zigbee.
Lời cảm ơn: Tập thể tác giả xin chân thành
cảm ơn ban Lãnh đạo và Hội đồng Khoa học
của Viện Hải dương học đã tạo điều kiện thuận
lợi để chúng tôi thực hiện đề tài này.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Pan, M. S., and Tseng, Y. C., 2006. ZigBee
Wireless Sensor Networks and Their
Applications. National Chiao Tung
University, Hsin-Chu, Taiwan.
2. Microchip Technology Inc., 2007.
Microchip Pic16F688 Data Sheet,
DS41203D: 1-3.
Vũ Văn Tác, Trần Tiến Phức,
298
DESIGN AND IMPLEMENTATION OF REMOTE ENVIRONMENTAL
DATA COLLECTING SYSTEM VIA ZIGBEE WIRELESS NETWORK
FOR THE MUSEUM - INSTITUTE OF OCEANOGRAPHY
Vu Van Tac1, Tran Tien Phuc2, Quach Duc Cuong2
1Institute of Oceanography-VAST
2 Department of Electrical and Electronic Engineering, Hanoi University of Industry
ABSTRACT: This paper presents the main specifications and the trial implementation results
of remote environmental data collecting system via Zigbee wireless network. This system was
designed and implemented by Institute of Oceanography and Faculty of Electrical and Electronic
Engineering, Nha Trang Unisersity, in order to monitor remotely the environmental parameters of
marine pond and tank system of Oceanographic Museum - Institute of Oceanography. In this
system, the environmental sensors are set-up at ponds and tanks. They automatically measure and
send data to user’s computer and the data are saved in a database. The users can easily access this
database to monitor the environment of the marine pond and tank system. This is the first step to lay
the foundations for developing bigger applications to build a “Smart Museum” in the future.
Key words: Remote environmental data collecting system, data collecting system via Zigbee
wireless network.
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- 5163_20922_1_pb_2414_2079653.pdf