Thiết kế mô hình IoT đa chức năng - Nhà thông minh - INSYS
Giới thiệu
Bài này thiết kế nền tảng mô hình thí nghiệm để giảng dạy học phần IoT (Internet of Things) ở trường đại học. Ý tưởng thiết kế bao gồm các khía cạnh quan trọng được xét đến đó là dễ dàng thực hiện, chi phí thấp, có khả năng mở rộng đa trạm kết nối, thu thập dữ liệu và điều khiển được các thiết bị công nghiệp. Nền tảng mô hình thí nghiệm bao gồm 4 thành phần như thiết bị “IoT Gateway” sử dụng máy tính nhúng Raspberry Pi 3 B+; các “IoT Node” sử dụng vi điều khiển TMS320; “IoT Networks” sử dụng mạng LoRaWAN, Modbus RTU và Internet để trao đổi dữ liệu giữa các “IoT Node” và giữa “IoT Node” ” và “IoT Gateway”; và Server lưu trữ dữ liệu điện toán đám mây sử dụng “ThingSpeak IoT”. Kết quả kiểm chứng cho thấy, mô hình thí nghiệm đề xuất chạy ổn định, thu thập dữ liệu và điều khiển các thiết bị công nghiệp khá chính xác, dễ dàng triển khai các bài thí nghiệm theo tiếp cận học qua dự án PBL (Project Based Learning) từ đơn giản đến nâng cao cho người học.
Từ Khóa: IoT, LoRaWAN, Raspberry Pi 3, Project Based Learning.
-
Thiết kế và thi công
Sơ đồ khối các thành phần mô hình thí nghiệm IoT được đề xuất như hình 1, trong đó bao gồm 3 thành phần chính như sau: “IoT Node”, “IoT Gateway” và máy chủ (Server).
Hình 1. Sơ đồ khối các thành phần mô hình thí nghiệm IoT.
“IoT Node”
Chức năng của “IoT Node” là thu thập thông tin của các cảm biến thông qua mô-đun A/D hoặc thông qua truyền thông nối tiếp (RS232, RS485), song song (SPI, I2C) và xuất tín hiệu điều khiển các thiết bị chấp hành thông qua mô-đun A/D, PWM hoặc truyền thông nối tiếp (RS232, RS485), song song (SPI, I2C). “IoT Node” sẽ thực hiện việc truyền thông với “IoT Gateway” thông qua mạng không dây LoRa. Sơ đồ khối của “IoT Gateway” được trình bày trong hình 2.
Hình 2. Sơ đồ khối của mô-đun “IoT Node”.
Phần cứng của “IoT Node” bao gồm: Bộ xử lý trung tâm, phần truyền thông, phần thu thập dữ liệu và điều khiển, phần nguồn.
Bộ xử lý trung tâm được xây dựng dựa trên nền tảng là vi điều khiển STM32F411 (ARM Cortex M4) chạy ở tốc độ 100 MHz. Họ vi điều khiển STM32F411 tích hợp 256 – 512KB Flash và 128 KB SRAM, 3 cổng USART chạy với tốc độ lên tới 12,5Mbit/s, 5 cổng SPI (đa hợp với I2S) chạy với tốc độ lên tới 50 Mbit/s, 3 cổng I²C , 1 cổng SDIO chạy ở tốc độ 48 MHz, ADC 12 bit đạt 2,4 MSPS, 11 bộ định thời 16 và 32 bit.
Phần truyền thông bao gồm truyền thông mạng không dây LoRa và mạng có dây RS485. Phần cứng LoRa được thiết kế dựa trên mô-đun LoRa Ra-02 SX1278 được kết nối với chân SPI của vi điều khiển và phần cứng RS485 được thiết kế dựa trên vi mạch MAX485 được kết nối với các chân TXD và RXD của vi điều khiển.
Phần thu thập dữ liệu và điều khiển sẽ thực hiện việc thu thập thông tin cảm biến thông qua mô-đun ADC hoặc giao tiếp nối tiếp RS485 và tạo ra các tín hiệu điều khiển truyền tới các cơ cấu chấp hành thông qua các ngõ ra số, PWM hoặc giao tiếp nối tiếp RS485.
- Phần nguồn được thiết kế để hỗ trợ các mức điện áp nguồn theo chuẩn công nghiệp 24VDC, 5VDC và 3.3VDC cung cấp điện áp làm việc cho tất cả các phần của “IoT Node”.
“IoT Gateway”
Chức năng của mô-đun “IoT Gateway” là nhận thông tin được gửi từ các “IoT Node” thông qua mạng không dây LoRa, xử lý các thông tin nhận được và sau đó gửi các thông tin này đến Server ThingSpeak. Hơn nữa, “IoT Gateway” cũng có khả năng thu thập được các thông tin cảm biến và điều khiển được các thiết bị chấp hành công nghiệp. Sơ đồ khối của “IoT Gateway” được trình bày trong Hình 3.
Hình 3. Sơ đồ khối của “IoT Gateway”.
Các thành phần chính của mô-đun bao gồm: Bộ xử lý trung tâm, phần truyền thông, phần thu thập dữ liệu và điều khiển.
- Bộ xử lý trung tâm được xây dựng dựa trên nền tảng là mô-đun Raspberry Pi 3 B+.
- Phần truyền thông bao gồm truyền thông cục bộ (được xây dựng dựa trên nền tảng là mạng không dây LoRa và mạng có dây RS485) và truyền thông toàn cầu (được xây dựng trên nền tảng là mạng Internet).
- Phần thu thập dữ liệu và điều khiển được thiết kế để thu thập thông tin từ các cảm biến công nghiệp và được tích hợp thêm các mô-đun Relay để có thể điều khiển được các thiết bị chấp hành công nghiệp. Đây là điểm nổi bật của nền tảng phần cứng của bài báo.
IoT ThingSpeak
Trong phần này, đám mây điện tử lưu trữ dữ liệu được sử dụng trong mô hình thí nghiệm đề xuất sử dụng nền tảng ThingSpeak. ThingSpeak một ứng dụng cung cấp mã nguồn mở cho các ứng dụng của “Internet of Things”. Mã nguồn này hỗ trợ các API lưu trữ và truy xuất dữ liệu từ các thiết bị qua giao thức HTTP hoặc MQTT qua Internet hoặc mạng cục bộ. ThinkSpeak được phát triển bởi ioBridge và được OpenSource trên GITHUB https://github.com/iobridge/thingspeak.
Kiểm tra chức năng thu thập dữ liệu và điều khiển
Trường hợp 1: Dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm được thu thập mỗi 5 phút tại mô-đun “IoT Node” bằng cảm biến DHT22. “IoT Node” cũng được tích hợp trên đó 4 ngõ ra Relay để điều khiển trực tiếp các thiết bị chấp hành dùng điện áp xoay chiều. Sơ đồ khối thực hiện thí nghiệm như mô tả ở hình 4.
Hình 4. Thu thập dữ liệu và điều khiển
Thiết bị này được đặt trong phòng trống để thu thập dữ liệu trong vòng 7 ngày, từ ngày 06/07/2019 đến ngày 13/07/2019. Dữ liệu được truyền từ mô-đun “IoT Node” đến mô-đun “IoT Gateway” thông qua truyền thông LoRa và từ sau đó dữ liệu này được gửi từ mô-đun cổng IoT lên đám mây để lưu trữ.
ÁP DỤNG GIẢNG DẠY
Việc thiết kế các bài LAB để giảng dạy thí nghiệm IoT cho sinh viên Đại học được tiếp cận theo mức độ phức tạp từ dễ đến khó và tiếp cận học tập dựa trên dự án PBL (Project based learning). Các dự án hiệu quả là những vấn đề thu hút sự quan tâm của sinh viên và thúc đẩy họ khám phá để hiểu sâu hơn về các yêu cầu đã cho. Các dự án tốt yêu cầu học sinh hình thành ý tưởng hoặc phán đoán dựa trên các sự kiện có thể là kiến thức trước, thông tin được đưa ra trong kịch bản và logic.
Sau khi học mô hình này, người học có khả năng: tư duy phân tích và lựa chọn thiết bị phần cứng, truyền thông và phần mềm cho một ứng dụng IoTs trong công nghiệp; Thiết kế, lập trình và chạy thử nghiệm một ứng dụng IoTs. Do đó, các nội dung được thiết kế cho người học như hình 5.
Hình 5. Các khối kiến thức được đề xuất trong bài giảng
Chi tiết mô hình IoT LAB xem link: https://doi.org/10.46242/jst-iuh.v45i03.554
Design by Dr.SNg
Bản quyền thuộc insys.vn