Friendly Environment Monitoring (Giám sát môi trường thân thiện)

Đặt vấn đề:

Đề bài của Friendly Environment Monitoring là giám sát một cụm điểm môi trường và bật tín hiệu thể hiện trạng thái môi trường của cụm điểm đó. Các trạng thái của môi trường gồm:

• Green (Xanh lá cây): Môi trường trong trạng thái bình thường;
• Yellow (Vàng): Môi trường trong trạng thái cảnh báo;
• Red (Đỏ): Môi trường trong trạng thái báo động;

Ở đầu hiện trường chúng ta thiết kế một bộ đọc dữ liệu đo cảm biến môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, khí CO, khí Co2, độ pH của nước, ... Đặc tả yêu cầu (Requirement Specification) cho bộ đọc chỉ dừng ở mức đơn giản. Thiết bị là một hộp hình khối mỏng dẹt (cỡ của một chiếc máy tính bảng). Bên ngoài phía mặt trước có một đèn led chỉ thị có nguồn hay không và một nút dùng tắt/bật nguồn. Thiết bị được cài đặt thông qua một máy tính kết nối với thiết bị bằng USB. Chúng ta đặt tên hệ thống là Fem_RYG (Viết tắt của Friendly Environment Monitoring _ Red-Yellow-Green). Mối liên kết được thể hiện như trong hình vẽ sau:

Diễn giải:

• Người dùng sử dụng 1 app (hoặc giao tiếp web) trên PC/Tablet/Smartphone có kết nối Internet để xem tình trạng môi trường của một hoặc nhiều cụm điểm. Mỗi một cụm điểm thể hiện duy nhất một trong 3 màu: xanh, vàng, đỏ. Khi xem nhiều cụm điểm thì có thể cụm A có màu xanh, cụm B màu vàng, cụm C màu đỏ, …;
• Dữ liệu hiển thị trên app được lấy từ Hệ chuyên gia (Expert System). Hệ chuyên gia được lưu và vận hành theo phương thức điện toán đám mây (Cloud Computing). Hệ chuyên gia suy diễn theo một hàm của dữ liệu thời gian thực từ Fem_RYG và dữ liệu trong quá khứ của Fem_RYG. Dữ liệu trong quá khứ của Fem_RYG được lưu trong cơ sở dữ liệu của Hệ chuyên gia;
• Hệ chuyên gia lập các quy tắc suy diễn từ Kiến thức chuyên gia. Hệ chuyên gia được xây dựng tùy thuộc vào nhu cầu giám sát môi trường. Việc giám sát môi trường nước nuôi trồng thủy sản khác với giám sát môi trường không khí ở đô thị, khác với giám sát môi trường cảnh báo cháy rừng, … Người quản trị Hệ chuyên gia có thể đọc dữ liệu trực tiếp từ Fem_RYG để tiện cho việc điều chỉnh các tham số của Hệ chuyên gia.
• Tín hiệu sẽ được truyền/nhận qua mạng Internet kết nối với Fem_RYG, sử dụng bộ giao thức TCP/IP. Việc truyền tin được thực hiện qua modem. Modem kết nối với Fem_RYG bằng wi-fi;
• Mỗi Fem_RYG có một địa chỉ IP (IPv6, 128 bit). Fem_RYG kết nối với các thiết bị đo bằng các giao thức khác. Trong một số trường hợp, Fem_RYG có thể phải kết nối hữu tuyến với thiết bị đo. Tuy nhiên, trong phần lớn các trường hợp, Fem_RYG kết nối vô tuyến với thiết bị đo.  Xu thế hiện nay trên thế giới đang sử dụng mạng Low Power Wide Area Network (LPWAN) để kết nối các thiết bị IoT.
• Fem_RYG là một hệ thống nhúng (embedded system), hoạt động độc lập. Hệ thống nhúng thường có phần cứng là bản mạch đơn (Single-Board Microcontroller), bộ nhớ trong SRAM và bộ nhớ ngoài Flash/EEPROM. Trong bước đầu chúng ta nên dựa vào giải pháp Arduino (https://en.wikipedia.org/wiki/Arduino), giải pháp này là giải pháp phần cứng mở và phần mềm nguồn mở. Một tùy chọn khác là chúng ta có thể dựa vào Raspberry Pi (https://en.wikipedia.org/wiki/Raspberry_Pi). Hai tiếp cận này có nhiều điểm tương đồng.

Khuyến cáo nghiên cứu:

• Phần cứng:         Nhìn vào toàn bộ hệ thống của Friendly Environment Monitoring thì vấn đề còn tương đối mới đối với cộng đồng là phần cứng của Fem_RYG. Cụ thể ở đây là hệ thống nhúng phần cứng - hệ thống đơn mạch. Tuy là hệ thống đơn mạch nhưng Fem_RYG là một hệ vi xử lý đầy đủ: Bộ xử lý  (Processor) – 8 bit, 16 bit, 32 bit, Bộ nhớ trong (RAM), Bus, Bộ nhớ ngoài (Flash, EEPROM), các cổng (serial port, USB port, …), ngoại vi.
  
  Ngoài ra, để đọc được thông tin từ các cảm biến (sensor), chúng ta phải hiểu nguyên lý của các thiết bị mà chúng ta sẽ phải đọc thông tin (nhiệt độ, độ ẩm, CO2, pH, …).
  
  Khuyến cáo: Nghiên cứu Arduino và Raspberry Pi, mua một bộ Arduino và/hoặc Raspberry Pi.

• Phần mềm:         Phần mềm của Friendly Environment Monitoring chủ yếu gồm:
  
  a) Phần mềm điều khiển và cài đặt Fem_RYG. Phần mềm này chạy trên PC/Tablet. Chúng ta đặt tên là Fem_Set;
  
  b) App được viết để chạy được trên iOs, Android. Chúng ta đặt tên là Fem_App; 
  
  c) Giao tiếp Web chạy được trên tất cả các bộ duyệt (Browser). Chúng ta đặt tên là Fem_Web;
  
  d) Hệ chuyên gia dùng để suy diễn các dữ liệu đọc được từ các bộ đo thành Xanh/Vàng/Đỏ. Chúng ta đặt tên là Fem_Expert;
  
  e) Hệ điều hành nhúng (Embedded Operating System). Chúng ta đặt tên là Fem_OS.
  
  Các phần mềm trên PC/Tablet/Smartphone, trên Web đều là các vấn đề mà cộng đồng đã quen thuộc. Chỉ duy nhất một vấn đề còn tương đối mới đối với cộng đồng là hệ điều hành nhúng.
  
  Khuyến cáo:
  - Đối với các phần mềm chạy trên PC/Tablet/Smartphone và trên Web: cộng đồng sử dụng các công cụ mà mình quen dùng;
  - Đối với hệ thống nhúng: chúng tôi khuyến cáo nên sử dụng bộ Adruino IDE (Adruino Integrated Development Environment).

• Giao thức/Chuẩn: Fem_RYG cần phải liên lạc với 2 loại đối tượng.
  
  Loại đối tượng thứ nhất là các phần mềm chạy trên PC/Tablet/Smartphone. Đối với loại đối tượng này Fem_RYG cần sử dụng bộ giao thức TCP/IP.
  
  Loại đối tượng thứ hai là các cảm biến môi trường.
  
  Khác với các ứng dụng thông thường, đo môi trường không cần tần suất lấy dữ liệu quá cao. Trong nhiều trường hợp, một ngày chỉ cần đo vài lần là đủ.
  
  Một số trường hợp như giám sát môi trường một nhà máy, thậm chí chúng ta có thể dùng kết nối hữu tuyến. Tuy nhiên, môi trường được giám sát thường diễn ra trên diện rộng. Các giao thức phổ thông như Wi-fi, Bluetooth, Zigbee không thích hợp. Hiện nay trên thế giới người ta đang ứng dụng mạng Low Power Wide Area Network (LPWAN). Các thiết bị kết nối vào mạng này chạy ở chế độ tiêu thụ điện cực thấp để kéo dài tuổi thọ của pin nguồn.
  
  Khuyến cáo: Tập trung nghiên cứu các giao thức/chuẩn LoRaWan và Symphony Link. Tuy các giao thức/chuẩn này khá mới, chúng ta vẫn cần nghiên cứu, hiểu nguyên lý và phân tích các ưu điểm, nhược điểm để đón đầu công nghệ và đầu tư.