THIẾT kế hệ THỐNG điều KHIỂN và GIÁM sát PHÂN tán vườn THÔNG MINH sử DỤNG VI điều KHIỂN THÔNG QUA MẠNG LORA và INTERNET 2

Mô hình được thiết kế sát với các điều kiện thực tế, sử dụng vi điều khiển ESP8266 làm bộ điều khiển của trạm điều khiển trung tâm, Arduino làm bộ điều khiển tại các trạm khu vực.. Thiết

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ

Người hướng dẫn: TS Phạm Thanh Phong

Sinh viên thực hiện: Đặng Quốc Dũng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ

Người hướng dẫn: TS Phạm Thanh Phong

Sinh viên thực hiện: Đặng Quốc Dũng

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN

TÓM TẮT

Đề tài này trình bày về kết quả thiết kế hệ thống điều khiển, giám sát phân tán vườn thông minh thông qua mạng Lora và Internet Mô hình được thiết kế sát với các điều kiện thực tế, sử dụng vi điều khiển ESP8266 làm bộ điều khiển của trạm điều khiển trung tâm, Arduino làm bộ điều khiển tại các trạm khu vực Trạm điều khiển trung tâm giao tiếp với Server thông qua Internet, đồng thời trạm điều khiển trung tâm giao tiếp, truyền nhận dữ liệu với các trạm khu vực thông qua mạng Lora Kết cấu của

hệ thống được thiết kế để đáp ứng được mô hình thực tế của vườn thông minh… Mô hình hệ thống vận hành tốt, ổn định, chứng minh được hiệu quả của phương án được

đề xuất trong đề tài Ngoài ra, kết quả đưa ra cho thấy khi sử dụng hệ thống này cho thấy có nhiều ưu điểm như: giảm nhân công, tăng năng suất cũng như giảm chi phí sản xuất …Với các ưu điểm trên chúng ta có thể thấy việc sử dụng hệ thống tự động này phục vụ trong thực tế vừa tận dụng được nguồn nhân công và năng suất, chất lượng đạt mong muốn Hệ thống dễ dàng giám sát cũng như điều khiển Việc tiến hành cải tạo hệ thống đơn giản nhưng mang lại hiệu quả thiết thực, tiết kiệm được khoảng chi phí cũng như cắt giảm được lượng lớn nhân công

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: TS Phạm Thanh Phong

Sinh viên thực hiện: Đặng Quốc Dũng Mã SV: 1811505520114

1 Tên đề tài:

Thiết kế hệ thống điều khiển và giám phân tán vườn thông minh sử dụng vi điều

khiển thông qua mạng Lora và Internet

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

− Tham khảo sách và các tài liệu liên quan đến đề tài

− Tìm hiểu, tham khảo các đề tài liên quan đến đề tài của nhóm

3 Nội dung chính của đồ án:

1 Khảo sát về vườn thông minh và các thông số cần có của một vườn thông minh

2 Đưa ra các chức năng chính của hệ thống, yêu cầu thiết kế và phạm vi sử dụng

3 Thiết kế mô hình toàn hệ thống

4 Thiết kế các trạm thu thập dữ liệu và điều khiển tại các khu vực nhỏ của vườn

sử dụng vi điều khiển Arduino

5 Thiết kế trạm thu thập dữ liệu và điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển ESP8266, kết nối với các trạm khu vực thông qua mạng Lora và truyền thông với Server bằng Internet

6 Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển vườn

7 Báo cáo, thuyết minh đề tài

4 Các sản phẩm dự kiến

− Mô hình vườn thông minh

− Chương trình điều khiển

− Giao diện giám sát, điều khiển

− Báo cáo, thuyết minh đề tài

-i

LỜI NÓI ĐẦU

Vườn thông minh là một bài toán đã và đang được ứng dụng rất nhiều trong thực

tế hiện nay Dùng sức người, công việc này đỏi hỏi nhân công và có tính lặp đi lặp lại nên các công nhân khó đảm bảo được sự chính xác trong công việc Chưa kể đến có những công việc chăm sóc vườn cần một lượng lớn nhân công Điều đó sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới tiến độ, chất lượng sản phẩm và uy tín của nhà sản xuất Vì vậy, hệ thống vườn thông minh ra đời là một sự phát triển tất yếu nhằm đáp ứng nhu cầu cấp bách này

Sau khi tham quan gián tiếp trên mạng các hệ thống vườn thông minh, nhóm chúng em nhận thấy công nghệ điều khiển tự động hóa được áp dụng chiếm khoảng 80-90% Giảm được một lượng lớn nhân công, đồng thời sự chính xác gần như hoàn hảo trong quá trình làm việc đã mang tới năng suất rất cao cho đơn vị sản xuất

Hơn nữa, các hệ thống vườn thông minh này sử dụng các dây dẫn để truyền tín hiệu cảm biến thu thập được về bộ xử lý trung tâm để xử lý Điều này làm cho hệ thống trở nên phức tạp, rườm rà Đồng thời, ở các khu nông trại hoặc những khu vườn rộng lớn, việc truyền tín hiệu bằng dây dẫn rất khó thực hiện vì chi phí cho dây dẫn khá lớn Tuy nhiên, ta có thể sử dụng các phương án khác như truyền bằng tín hiệu không dây, vừa an toàn mà chi phí lại thấp

Bên cạnh đó, nhiều khu vườn cũng như nông trại tại nước ta chưa áp dụng các

mô hình vườn thông minh do giá cả hoặc lý do khác Vì lẽ đó, chúng em đã lên ý tưởng và thực hiện đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát phân tán vườn thông minh sử dụng vi điều khiển thông qua mạng Lora và Internet”

Là sinh viên ngành Tự động hóa, việc trang bị cho mình những kiến thức về điều khiển tự động là một điều cần thiết Và Đồ án tốt nghiệp là một công cụ hữu hiệu để

em bổ sung, mở rộng và tổng kết kiến thức căn bản về điện, về ngành tự động Mặc dù vậy, với vị trí là một sinh viên còn đang ngồi trên ghế nhà trường, với kiến thức và kinh nghiệm thực tế chưa nhiều chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được nhiều ý kiến góp ý của quý thầy cô trong hội đồng để chúng em

có thêm những kiến thức quý báu Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy

TS Phạm Thanh Phong, người đã tận tình hướng dẫn chúng em trong suốt quá trình

thực hiện đồ án này

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

-ii

CAM ĐOAN

Nhóm chúng em xin cam đoan

1 Sẽ cố gắng dùng những kiến thức đã có và học trên trường, cũng như được thầy

TS Phạm Thanh Phong hướng dẫn tận tình để nghiên cứu thiết kế ra hệ thống vườn thông minh này, cũng như thiết kế đưa ra ý tưởng hệ thống này và kết quả cuối cùng là hoàn thiện mô hoạt động theo ý muốn đã đề ra và dễ dàng điều khiển, giám sát

2 Những nội dung trong đồ án này là do nhóm chúng em thực hiện dưới sự hướng

dẫn trực tiếp của thầy TS Phạm Thanh Phong Mọi tham khảo tài liệu dùng trong đồ

án đều được nhóm chúng em trích dẫn rõ ràng tên tác giả, thời gian, địa điểm công bố

Sinh viên thực hiện Đặng Quốc Dũng Huỳnh Tấn Vũ

-iii

MỤC LỤC

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ vi

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ix

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG VƯỜN THÔNG MINH 2

1.1 Tổng quan sơ lược về hệ thống vườn thông minh 2

1.2 Lợi ích của vườn thông minh 3

1.2.1 Đạt hiệu quả cao 3

1.2.2 Nhân rộng nông nghiệp 3

1.2.3 Tiết kiệm tài nguyên, nhân công và chi phí sản xuất 3

1.2.4 Quy trình sạch, nhanh chóng 4

1.2.5 Nâng cao năng suất, chất lượng và hiệu quả sản xuất 4

1.3 Một số mô hình về vườn thông minh trong và ngoài nước 4

1.3.1 Tình hình ngoài nước 4

1.3.2 Tình hình trong nước 6

1.4 Lý do chọn đề tài 7

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH VƯỜN THÔNG MINH TRONG ĐỀ TÀI 9

2.1 Các điều kiện, đặc tính sinh trưởng của cây trồng 9

2.1.1 Đặc tính quang hợp của cây xanh 9

2.1.2 Ảnh hưởng của ánh sáng đến quang hợp 9

2.1.3 Ảnh hưởng của nồng độ CO2 10

2.1.4 Ảnh hưởng của nước 11

2.1.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ 11

-iv

2.1.6 Ảnh hưởng của nguyên tố khoáng 12

2.2 Tăng năng suất cây trồng 12

2.3 Các phương án có thể áp dụng 12

2.3.1 Hệ thống điều khiển, giám sát tập trung 13

2.3.2 Hệ thống điều khiển, giám sát phân tán 14

2.4 Kết luận 15

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH VƯỜN THÔNG MINH PHÂN TÁN TRONG ĐỀ TÀI 17

3.1 Sơ đồ khối và chức năng của toàn bộ hệ thống 17

3.2 Tính toán lựa chọn linh kiện phần cứng 19

3.2.1 Phần cứng trạm điều khiển trung tâm 19

3.2.2 Phần cứng trạm thu thập dữ liệu khu vực 23

3.3 Các chuẩn truyền thông chính được chọn trong đề tài 32

3.3.1 Chuẩn truyền thông Lora 32

3.3.2 Chuẩn truyền thông Internet 37

3.3.2.5 Kết luận 39

3.3.3 Chuẩn truyền thông không dây Wi-Fi 39

3.3.4 Dữ liệu JSON 41

3.4 Quy trình hoạt động của mô hình vườn thông minh điều khiển phân tán 44

3.4.1 Lựa chọn quy trình công nghệ 44

3.4.2 Nguyên lý hoạt động 45

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MẠCH PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM CHO CÁC TRẠM THU THẬP DỮ LIỆU KHU VỰC VÀ TRUNG TÂM TRONG ĐỀ TÀI 46

4.1 Trạm điều khiển trung tâm 46

4.1.1 Thiết kế phần cứng 46

4.1.2 Lưu đồ thuật toán 48

4.2 Trạm thu thập dữ liệu khu vực 56

4.2.1 Thiết kế phần cứng 56

-v

4.2.2 Lưu đồ thuật toán 59

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ GIAO DIỆN GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN 63

5.1 Thiết kế Server của đồ án 63

5.2 Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển 65

5.3 Xây dựng cơ sở dữ liệu (Database) 68

5.3.1 Tạo Database 68

5.3.2 Tạo các trường lưu dữ liệu 70

KẾT LUẬN 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1

PHỤ LỤC 3

-vi

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Bảng 2 1: So sánh hai phương án xây dựng mô hình hệ thống 15

Bảng 3 1: Sơ đồ chân và chức năng của mạch RF [7] Error! Bookmark not defined Bảng 3 2: Bảng sơ đồ chân cảm biến độ ẩm đất [11] 26

Bảng 3 3: Thông số của Arduino Uno R3 [12] 28

Bảng 3 4: Thông số kỹ thuật Arduino Nano [13] 30

Bảng 3 5: Kết nối các chân ICSP với vi điều khiển khác khi Arduino là mạch nạp [13] 32

Hình 1 1: Minh họa về ứng dụng IoT trong nông nghiệp [1] 2

Hình 1 2 Mô hình vườn rau thẳng đứng tại Nhật Bản [3] 5

Hình 1 3: Hình ảnh giao diện người dùng, thiết bị và khu vực làm việc 6

Hình 1 4 Hệ thống tưới cây tự động của kỹ sư Vi Toàn Nghĩa [3] 7

Hình 2 1: Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến cường độ quang hợp 9

Hình 2 2: Cường độ hấp thụ ánh sáng của các loại sắc tố quang hợp [5] 10

Hình 2 3:Sự phụ thuộc của quang hợp vào nồng độ CO2 [5] 10

Hình 2 4: Sự phụ thuộc của quang hợp vào nồng độ CO2 [5] 11

Hình 2 5: Sơ đồ mô hình điều khiển tập trung của hệ thống thời gian thực 13

Hình 2 6 Cấu trúc điều khiển phân tán 14

Hình 3 1: Sơ đồ toàn bộ hệ thống vườn thông minh 17

Hình 3 2 Sơ đồ khối của toàn bộ mô hình hệ thống 17 Hình 3 3: Mạch thu phát sóng RF SPI Lora SX1278 433Mhz Ra-02 Ai-Thinker [7] 19

-vii

Hình 3 4: Module ESP-01 [8] 22

Hình 3 5: Module thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CH340 [9] 22

Hình 3 6: Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 [10] 24

Hình 3 7: Sơ đồ kết nối cảm biến DHT11 với vi điều khiển [10] 25

Hình 3 8: Cảm biến độ ẩm đất (Soil Moisture Sensor) [11] 25

Hình 3 9: Arduino Board [12] 27

Hình 3 10: Arduino IDE 27

Hình 3 11: Sơ đồ chân Arduino Nano [13] 31

Hình 3 12: Chân ICSP của Arduino Nano [13] 32

Hình 3 13: Khoảng cách sử dụng của Lora [14] 33

Hình 3 14: Radio Packet của Lora [15] 35

Hình 3 15: LoraWAN 36

Hình 3 16 Nguyên tắc hoạt động của mạng Wi-Fi 40

Hình 4 1: Sơ đồ mạch nguyên lý của trạm điều khiển trung tâm 46

Hình 4 2: Mạch in phần cứng trạm điều khiển trung tâm 47

Hình 4 3: Hình ảnh mạch điều khiển trung tâm thực tế 47

Hình 4 4: Lưu đồ thuật toán của chương trình trạm điều khiển trung tâm 48

Hình 4 5: Hình ảnh Webserver thực tế khi kết nối Wi-Fi 50

Hình 4 6: Lưu đồ thuật toán việc nhận dữ liệu thông qua Lora 51

Hình 4 7: Lưu đồ thuật toán nhận dữ liệu từ CSDL 53

Hình 4 8: Lưu đồ thuật toán nhận dữ liệu từ trạm khu vưc 54

Hình 4 9: Lưu đồ thuật toán chương trình xác định chế độ hoạt động của hệ thống 55

Hình 4 10: Sơ đồ mạch điều khiển chính trạm khu vực sử dụng Arduino Uno 57

Hình 4 11: Sơ đồ mạch điều khiển chính trạm khu vực sử dụng Arduino Nano 57

Hình 4 12: Sơ đồ mạch điện cơ cấu chấp hành của các khu vực trung tâm 58

Hình 4 13: Sơ đồ mạch in sử dụng Arduino Uno 58

-viii

Hình 4 14: Sơ đồ mạch in sử dụng Arduino Nano 59

Hình 4 15: Lưu đồ thuật toán chương trình chính của trạm khu vực 59

Hình 4 16: Lưu đồ thuật toán nhận dữ liệu Lora của trạm khu vực 60

Hình 4 18: Sơ đồ mạch điện thực tế ở trạm khu vực sử dụng Arduino Nano 61

Hình 4 17: Sơ đồ mạch điện thực tế ở trạm khu vực sử dụng Arduino Uno 62

Hình 5 1: Thông tin dịch vụ Hosting của đồ án 64

Hình 5 2: Free Hosting của đồ án 64

Hình 5 3: Thư mục public_html trong cPanel của Hosting 65

Hình 5 4: Trang đăng nhập vào giao diện giám sát của hệ thống 66

Hình 5 5: Giao diện giám sát của hệ thống 67

Hình 5 6: Giao diện điều khiển thiết bị của hệ thống 67

Hình 5 7: Biểu đồ giám sát nhiệt độ, độ ẩm 68

Hình 5 8: Mục DATABASE trong cPanel 69

Hình 5 9: Vùng nhập liệu tạo mới database 69

Hình 5 10: Tạo tên đăng nhập và mật khẩu truy cập Database 69

Hình 5 11: Cấp quyền truy cập Database 70

Hình 5 12: Giao diện quản lý Database 70

Hình 5 13: Giao diện tạo mới bảng lưu dữ liệu 71

Hình 5 14: Bảng sau khi đã tạo các trường lưu dữ liệu 71

-ix

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

CHỮ VIẾT TẮT:

Database/

JSON Javascript Object Nation Kiểu định dạng dữ liệu

LoraWAN Long Range Wide Mạng không dây tầm xa

Area Network Wi-Fi Wireless Fidelity Truy cập Internet không dây

HTTP/HTTPS HyperText Transfer Protocol Giao thức truyền tải siêu văn bản

MỞ ĐẦU

Hiện nay, việc phát triển của thế giới điện tử số ngày càng nhanh chóng và mạnh mẽ, điện tử số - cụ thể là vi xử lí ngày càng trở nên đa dạng và các ứng dụng cũng gần gũi với chúng ta hơn Cùng với sự phát triển đa dạng của ngành công nghệ

vi xử lí nên tài nguyên của vi xử lý cũng được nâng cao để đáp ứng các ứng dụng khác trong thực tế Mạng Internet ngày càng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của đời sống xã hội Công nghệ ngày càng phát triển đòi hỏi nhu cầu ứng dụng vào ngành công nghiệp nhằm giảm lao động, giúp con người kiểm tra và giám sát một cách nhanh chóng và hiệu quả, đảm bảo sức khỏe nhân công để không ảnh hướng xấu đến chất lượng sản phẩm, yêu cầu xử lý vấn đề nhanh chóng đạt mục tiêu mình mong muốn, … đem lại hiệu quả cao cho nền công nghiệp và nông nghiệp ngày càng tiên tiến Sự phát triển của kĩ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ là những yếu tố cần thiết cho hoạt động của con người, đạt hiệu quả cao và tiện lợi Một trong những ứng dụng quan trọng trong công nghệ điện tử là kỹ thuật điều khiển từ xa Nó đã góp phần rất lớn trong việc điều khiển các thiết bị từ xa nhằm đáp ứng nhu cầu của con người, giúp tiết kiệm thời gian và quản lý dễ dàng hơn

Bắt nguồn từ cảm hứng và những nhu cầu cần thiết đó nhóm em đã quyết định

chọn đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển và giám phân tán vườn thông minh sử

dụng vi điều thông qua mạng Lora và Internet”

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG VƯỜN THÔNG MINH

1.1 Tổng quan sơ lược về hệ thống vườn thông minh

Thời đại mới cùng với sự phát triển của kĩ thuật công nghệ Ngày nay con người với sự hỗ trợ của công nghệ đã biến cuộc sống của mình trở nên thuận tiện và dễ dàng hơn Một trong những bước tiến quan trọng trong nông nghiệp phải kể đến đó là việc ứng dụng IoT vào hệ thống nông nghiệp (Hình 1.1) Một trong những phát minh tạo ra bước tiến lớn cho lĩnh vực nông nghiệp đó là vườn thông minh

Hình 1 1: Minh họa về ứng dụng IoT trong nông nghiệp [1]

Tuy nhiên, nền nông nghiệp của nước ta vẫn còn lạc hậu cũng như chưa có nhiều ứng dụng khoa học kĩ thuật được áp dụng vào thực tế Rất nhiều quy trình kĩ thuật trồng trọt, chăm sóc được tiến hành một cách chủ quan và không đảm bảo được đúng yêu cầu Có thể nói trong nông học, ngoài những kĩ thuật trồng trọt, chăm sóc thì tưới nước là một trong các khâu quan trọng nhất trong trồng trọt, để đảm bảo cây sinh trưởng và phát triển bình thường, tưới đúng và tưới đủ theo yêu cầu nông học của cây trồng sẽ không sinh bệnh, hạn chế thuốc trừ sâu cho sản phẩm an toàn, đạt năng suất cao, hiệu quả cao

Đồng thời, hiện nay nước ta đang trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa các thiết bị máy móc tự động được đưa vào phục vụ thay thế sức lao động của con người ngày càng nhiều hơn Vì vậy thiết bị giám sát, vận hành tự động đang được nghiên cứu, thiết kế chế tạo đưa vào sử dụng thực tiễn được áp dụng ngày càng nhiều

Việc tính toán để lựa chọn thiết bị cho hệ thống giám sát các thông số trong vườn cũng như các các thiết bị tưới tiêu, chiếu sáng phù hợp với các loại cây trồng, điều kiện kinh tế, kỹ thuật là việc cần thiết [1]

Thiết kế một hệ thống giám sát, tưới tiêu tự động giúp người trồng không phải tốn chi phí nhân công cũng như công sức lao động Với hệ thống này, việc giám sát, tưới tiêu sẽ là tự động theo nhiệt, độ ẩm cao hay thấp, … Hoặc người dùng có thể giám sát cũng như điều khiển các thiết bị trong khu vườn của mình thông qua một thiết bị thông minh có kết nối Interet như điện thoại thông minh, laptop, máy tính bảng, …

1.2 Lợi ích của vườn thông minh

1.2.1 Đạt hiệu quả cao

Việc áp dụng IoT (Internet of Things – kết nối các thiết bị vật lý thông qua Internet, giúp thu thập và chia sẽ dữ liệu với nhau) vào vườn thông minh giúp đạt được năng suất cao trong thời gian ngắn, cây trồng phát triển và sinh trưởng trong môi trường lý tưởng với các hệ thống tự động Việc trồng trọt số lượng lớn cây nông nghiệp với diện tích đất ngày càng thu hẹp cũng như sự biến đổi khí hậu toàn cầu đang

là bài toán đối với những người nông dân Vì vậy mà việc ứng dụng IoT vào việc trồng trọt giúp nắm bắt kịp thời các nhân tố ảnh hưởng tới sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng là điều phi thường cần thiết, giúp ta có thể xử lý sớm cũng như dự phòng

tình huống tiếp theo có thể xảy ra một cách chính xác hơn

1.2.2 Nhân rộng nông nghiệp

Nếu trước kia người làm nông phải có diện tích đất lớn để gieo trồng, ngày nay, với công nghệ IoT cùng nhiều phương pháp trồng như khí canh, thủy canh, nhà kính,

có thể canh tác tại trong thành phố Việc diện tích đất ở ngày càng tăng, đồng nghĩa với việc diện tích đất trồng trọt nông sản cũng ngày càng giảm Bên cạnh đó, số lượng người dân sinh sống tại các khu vực đô thị ngày càng nhiều Do đó, áp lực về chất lượng và giá của nông sản ngày càng cao Vì vậy, việc trồng trọt, canh tác trong các hệ thống thủy canh hay nhà kính dựa trên IoT sẽ là một sự lựa chọn hoàn hảo để giải quyết các vấn đề trên Việc canh tác trong một hệ thống khép kín, tự động cho phép mọi người có thể trồng trọt các các nông sản cần thiết tại nơi mong muốn như trên sân thượng, trong vườn, ban công hay là các khu vực hẹp khác, …

1.2.3 Tiết kiệm tài nguyên, nhân công và chi phí sản xuất

Nhờ khả năng tối ưu hóa tài nguyên nước, đất đai, năng lượng, … nên vườn thông minh trong nông nghiệp hiện đại tiết kiệm rất nhiều tài nguyên mà vẫn đảm bảo năng suất cao Việc canh tác bằng hệ thống IoT sẽ giúp ta tiết kiệm rất nhiều chi phí sản xuất dựa trên các kết quả giám sát được thu thập từ các cảm biến Từ đó sẽ giúp ta phán đoán chính xác việc sinh trưởng của cây trồng và mức tài nguyên cần cung cấp

để cây trồng có thể sinh trưởng và phát triển một cách tốt nhất

1.2.4 Quy trình sạch, nhanh chóng

Với sự hỗ trợ của công nghệ và IoT, quy trình trồng và chăm sóc cây phát triển nhanh hơn, hạn chế tối đa việc dùng các chất độc hay phân bón hóa học Từ đó, sẽ giúp các nhà sản suất giảm chi phí, nước, … làm cho nông nghiệp xanh, sạch hơn Đây

là một yếu tố rất quan trọng, bởi vì có thể ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người trong thời điểm các sản phẩm có hàm lượng phân bón hóa học cao như hiện nay khi canh tác bằng phương pháp truyền thống Đồng thời việc sinh trưởng của cây trồng được giám sát và thay đổi thông qua các kết quả giám sát được từ hệ thống IoT để người nông dân có thể đưa ra các quyết định chính xác cho sự phát triển của cây trồng Đồng thời người nông dân cũng có thể canh tác các loại nông sản trong điều kiện thời tiết biến đổi bất thường như hiện nay khi ứng dụng các công nghệ cao vào quy trình

canh tác

1.2.5 Nâng cao năng suất, chất lượng và hiệu quả sản xuất

Với sự chăm sóc liên tục, nhanh chóng dựa trên các ứng dụng công nghệ thông minh, nông sản được nâng tầm chất lượng, tăng giá trị dinh dưỡng cũng như giảm giá thành sản phẩm Nông nghiệp xanh sẽ cho ra các sản phẩm có chất lượng tốt dựa trên nền tảng công nghệ

Nhu cầu của con người về lương thực, thực phẩm không bao giờ giảm, đặt biệt là trong tình hình hiện nay Vì vậy mà việc phát triển của lĩnh vực nông nghiệp không bao giờ ngừng lại Do đó, ứng dụng IoT sẽ là một bước tiến, bước ngoặc quan trọng

trong việc thay đổi nền nông nghiệp nước ta

1.3 Một số mô hình về vườn thông minh trong và ngoài nước

1.3.1 Tình hình ngoài nước

Từ những năm ở thế kỉ XX, việc xây dựng các khu nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao giúp kinh tế phát triển đã được các nước quan tâm đến Đầu những năm 80 của thế kỉ trước, Hoa Kỳ đã có hơn 100 khu khoa học công nghệ cao Năm 1988, đã có

38 khu vườn khoa học, công nghệ cao và tiên tiến với sự tham gia của trên 800 doanh nghiệp ở Anh quốc Phần lớn các khu công nghiệp ở đây đều phân bố tại nơi tập trung các trường đại học, viện nghiên cứu để nhanh chóng ứng dụng những thành tựu khoa học công nghệ cải tiến và kết hợp với các kinh nghiệm kinh doanh từ trước để hình thành nên một khu khoa học với các chức năng sản xuất, nghiên cứu ứng dụng, tiêu thụ và dịch vụ [2]

Bên cạnh đó, không chỉ là các nước tiên tiến, nhiều nước và khu vực lãnh thổ ở Châu Á cũng đã chuyển sang nền nông nghiệp chất lượng từ nền nông nghiệp theo số lượng Ứng dụng các công nghệ tự động hóa, công nghệ sinh học, cơ giới hóa, tin học hóa, … để tạo ra sản phẩm có chất lượng cao, an toàn và hiệu quả

Có thể nói Israel, Singapore và Nhật Bản là những quốc gia đi tiên phong trong phát triển nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao với những công nghệ chăm sóc cây trồng vô cùng độc đáo như hệ thống tưới nhỏ giọt, hệ thống tưới phun sương, phun mưa hay hệ thống tưới cảnh quan và ngay cả hệ thống thủy canh trồng cây không đất

Và gần đây nhất, hướng đến nhu cầu trồng cây trong những diện tích nhỏ hẹp (xem Hình 1.2) đang là điều rất được quan tâm tại nhiều nơi hiện nay bởi vừa tận dụng tối

đa diện tích canh tác, vừa cho rau sạch với sản lượng lớn, phục vụ nhu cầu cho nhiều

hộ gia đình [3]

Hình 1 2 Mô hình vườn rau thẳng đứng tại Nhật Bản [3]

Một ví dụ thực tế đó là một hệ thống điều khiển, giám sát việc trồng trọt cây trồng trong nhà kính đã được thực hiện bởi nhóm sinh viên trường đại học Chiết Giang, Hàng Châu, Trung Quốc Việc giám sát các dữ liệu trong nhà kính thực hiện thông qua các khối cảm biến gắn bên trong nhà kính thu thập dữ liệu và gửi về khối xử

lý trung tâm là một PC thông qua giao thức Modbus RS-485 Người dùng sẽ giám sát

và điều khiển các thiết bị cần thiết trong nhà kính thông qua giao diện trên PC như Hình 1.3:

Hình 1 3: Hình ảnh giao diện người dùng, thiết bị và khu vực làm việc

trong nhà kính [4]

Trên đây là một ví dụ về một hệ thống điều khiển, giám sát vườn thông minh trong nhà kính tại nước ngoài Nói tóm lại, việc áp dụng mô hình “Vườn thông minh” tại nước ngoài đã diễn ra từ rất lâu và rất nhiều nơi, thậm chí tại các hộ gia đình Bởi vì

sự tiện lợi mà nó đem lại, vườn thông minh đang ngày càng được áp dụng phổ biến trên toàn thế giới

1.3.2 Tình hình trong nước

Khi mô hình vườn thông minh ngày càng phổ biến trên toàn thế giới, thì Việt Nam cũng là một nước đang nghiên cứu áp dụng mô hình vào sản xuất nông nghiệp Với thế mạnh là một nước đi lên từ ngành nông nghiệp, nước ta có nhiều kinh nghiệm trong sản xuất, chăm sóc cây trồng Do đó việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng mô hình vườn thông minh vào sản xuất là điều dễ dàng Tuy nhiên, mô hình chưa được nhân rộng, phổ biến do chi phí đầu tư khá cao do phải nhập chủ yếu từ ngước ngoài Tuy vậy trong nước cũng có rất nhiều nghiên cứu như hệ thống tưới cây tự động của kỹ sư Vi Toàn Nghĩa năm 2013 được thể hiện trong Hình 1.4, sau đó là hàng loạt

công trình nghiên cứu hệ thống trồng cây điều khiển từ xa, hệ thống trồng cây tự động Nhưng hạn chế của các nghiên cứu này là chưa tận dụng được cơ sở hạ tầng Internet hiện có để mở rộng hệ thống giám sát điều khiển từ xa với giao diện người dùng, kể cả khi không có thời gian Bên cạnh đó, việc sử dụng đây điện để truyền nhận dữ liệu từ các cảm biến đến bộ xử lý trung tâm làm cho hệ thống trở nên rườm rà, có thể sẽ truyền không chính xác [3]

Hình 1 4: Hệ thống tưới cây tự động của kỹ sư Vi Toàn Nghĩa [3]

1.4 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, ta có thể đã thấy được rất nhiều công nghệ thông minh trong ngôi nhà, hoặc là cả một ngôi nhà ứng dụng các công nghệ thông minh Tuy nhiên, việc tự động hóa các khu vườn, khu nông nghiệp vẫn còn ít phổ biến hơn Đối với việc làm vườn truyền thống, người trồng sẽ phải quan sát vườn hằng ngày để giám sát các yếu tố nhiệt độ, độ ẩm cũng như trạng thái cây trồng trong vườn Việc tưới tiêu cũng như giám sát đều do người trồng thực hiện bằng tay chân, tốn nhân công, chi phí sản xuất Nhận thấy nhu cầu của các gia đình về mặt thực phẩm xanh ngày càng tăng cao,

và việc trồng trọt của người nông dân vẫn còn thủ công, vừa tốn nhân công, chi phí sản

xuất mà năng suất cũng như chất lượng sản phẩm không đạt được hiệu quả cao Do vậy ý tưởng về một khu vườn thông minh đã ra đời

Để ứng dụng được mô hình này vào bối cảnh nông nghiệp ở nước ta, cần có sự

hỗ trợ của các thiết bị kỹ thuật có khả năng đo đạc, điều khiển các thông số môi trường như: nhiệt độ, độ ẩm đất, độ ẩm không khí phù hợp với các loại cây trồng Đồng thời, việc tiến bộ của khoa học kĩ thuật đã đem lại cho con người rất nhiều thành tựu khoa học kĩ thuật thiết yếu, trong đó có mạng không dây, tiêu biểu là Internet và Lora Và việc ứng dụng được thành tựu khoa học kĩ thuật này vào hệ thống vườn thông minh là một việc thiết yếu, và là một hướng đi quan trọng Việc sử dụng mạng Lora và Internet

sẽ giúp ta ứng dụng được mô hình vào các khu vườn rộng lớn hàng Km

Xuất phát từ thực tiễn trên, nhóm em đã tiến hành nghiên cứu và thiết kế: “Hệ thống điều khiển và giám sát phân tán vườn thông minh sử dụng vi điều khiển thông qua mạng Lora và Internet”

Việc áp dụng IoT vào ngành nông nghiệp là bước đi mới mẻ trong thời đại kỷ nguyên số Đề tài được xây dựng trên nền tảng IoT và được ứng dụng công nghệ mạng diện rộng công suất thấp – LoRa cùng mạng toàn cầu - Internet sẽ giúp giảm nhân công, tăng năng suất và mang lại hiệu quả cao trong việc canh tác nông nghiệp Hệ thống có thể giúp người dùng giám sát được đối tượng canh tác của mình ở xa mà không cần phải đến nông trại thường xuyên Người dùng có thể tự mình điều chỉnh các yếu tố môi trường sao cho phù hợp với đối tượng canh tác

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH VƯỜN THÔNG MINH

TRONG ĐỀ TÀI

2.1 Các điều kiện, đặc tính sinh trưởng của cây trồng

2.1.1 Đặc tính quang hợp của cây xanh

Quang hợp ở cây xanh là quá trình trong đó năng lượng ánh sáng mặt trời được diệp lục hấp thụ để tạo ra cacbonhidrat từ khí CO2 và nước

Như vậy đặc tính quang hợp của cây trồng phụ thuộc vào các yếu tố chính như: cường độ ánh sáng, nhiệt độ, lượng CO2 và nước

2.1.2 Ảnh hưởng của ánh sáng đến quang hợp

Ánh sáng ảnh hưởng đến quang hợp về hai mặt: cường độ sáng và quang phổ sáng

2.1.2.1 Cường độ sáng

Hình 2 1: Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến cường độ quang hợp

khi nồng độ CO2 tăng [5]

Có hai trị số liên quan đến quang hợp đó là điểm bù sáng và điểm bão hòa ánh sáng

− Điểm bù sáng: là cường độ sáng mà tại đó cường độ quang hợp cân bằng với cường độ hô hấp

− Điểm bão hòa ánh sáng: là trị số ánh sáng mà từ đó cường độ quang hợp không tăng thêm (đạt cực đại) mặc dù cường độ ánh sáng tiếp tục tăng [5]

Quan sát Hình 2.1, ta có thể thấy được ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến

cường độ quang hợp khi nồng độ CO2 tăng

2.1.2.2 Quang phổ của ánh sáng

Các tia sáng khác nhau ảnh hưởng khác nhau đến quang hợp Quang hợp chỉ xảy

ra khi ở miền ánh sáng xanh, đỏ và tím như trong Hình 2.2 bên dưới Thành phần ánh

sáng biến động phụ thuộc vào độ sâu (trong môi trường nước), thời gian của ngày, cây mọc dưới tán

Hình 2 2: Cường độ hấp thụ ánh sáng của các loại sắc tố quang hợp [5]

2.1.3 Ảnh hưởng của nồng độ CO 2

Hình 2 3:Sự phụ thuộc của quang hợp vào nồng độ CO2 [5]

Cây quang hợp được ở nồng độ CO2 thấp nhất là 0.008-0.01% Khi tăng nồng độ CO2 lúc đầu cường độ quang hợp tăng tỉ lệ thuận sau đó tăng chậm cho tới khi đến trị

số bão hòa CO2 Vượt quá mức đó thì cường độ quang hợp lại giảm Sự phụ thuộc của quang hợp vào nồng độ CO2 được biểu diễn như trong hình 2.3

2.1.4 Ảnh hưởng của nước

Hàm lượng nước trong không khí và lá ảnh hưởng đến quá trình thoát hơi nước,

do đó tác động đến sự đóng mở khí khổng, trực tiếp ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ CO2 vào lá để tiến hành các phản ứng quang hợp Nước quyết định tốc độ vận chuyển các sản phẩm quang hợp ra khỏi lá Thiếu nước sản phẩm quang hợp sẽ bị tắc nghẽn dẫn đến ức chế quang hợp Khi cây thiếu nước đến 40-60% thì quang hợp sẽ giảm hoặc ngưng quang hợp Khi thiếu nước, cây chịu hạn hạn có thể duy trì quang hợp hơn cây trung sinh và cây chịu ẩm Bên cạnh đo nước cũng là nguyên liệu trực tiếp cho quá trình quang hợp với việc cung cấp H+ và electron cho phản ứng sáng [5]

2.1.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ ảnh hưởng đến các phản ứng Enzim chủ yếu trong pha tối của quang hợp Đối với một số loại cây khả năng quang hợp tăng theo nhiệt độ đến giá trị tối ưu Trên ngưỡng đó quang hợp sẽ giảm dần

Khi nhiệt độ quá lạnh 0˚C, một số cây trồng sẽ có hiện tượng chết rét; thời tiết nóng ở trên 40˚C Cây khô héo và có thể bị chết Cây trồng quang hợp hiệu quả ở nhiệt

độ như sau: 12˚C-24˚C; 18˚C-21˚C; 24˚C, … tùy theo từng loại cây trồng

Hình 2 4: Sự phụ thuộc của quang hợp vào nồng độ CO2 [5]

Hình 2.3 miêu tả sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến quang hợp của cây cà chua và cây khoai tây

2.1.6 Ảnh hưởng của nguyên tố khoáng

Các nguyên tố khoáng tham gia vào việc cấu thành nên Enzim quang hợp và diệp lục của lá cây, điều tiết độ đóng mở của khí khổng và liên quan đến quá trình phân ly nước

2.2 Tăng năng suất cây trồng

Để tăng năng suất cây trồng có nhiều cách như lựa chọn giống mới, cải tạo đất, tuy nhiên biện pháp hữu hiệu nhất là tăng năng suất cây trồng thông qua sự điều khiển

Để duy trì được các thông số khí hậu cơ bản trên phù hợp với yêu cầu về nông học của cây rau và hoa thì thiết bị kiểm soát khí hậu trong vườn có một tập hợp tiểu hệ thống linh hoạt:

− Hệ thống điều khiển cường độ ánh sáng: Hệ thống lưới cắt nắng, vật liệu che

phủ mái, bổ sung cường độ ánh sáng

− Hệ thống tưới phun sương

− Hệ thống tưới tiêu

− Hệ thống tưới phân bón

Đối với các yêu cầu về hệ thống như trên, ta có thể xây dựng hệ thống theo hai cách như sau:

− Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát tập trung

− Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát phân tán

2.3.1 Hệ thống điều khiển, giám sát tập trung

Trong một hệ thống điều khiển tập trung, một thành phần được chỉ định làm bộ điều khiển và chịu trách nhiệm quản lý việc thực thi các thành phần khác trong hệ thống Nếu ta thực hiện việc xây dựng hệ thống giám sát tập trung, ta sẽ phải sử dụng một vi điều khiển dùng để thu nhận dữ liệu từ cảm biến, xử lý, tính toán dữ liệu để thực hiện các tiến trình xử lý vận hành, hiển thị lên giao diện người dùng như hình 2.5:

Hình 2 5: Sơ đồ mô hình điều khiển tập trung của hệ thống thời gian thực

Mô hình này thường được sử dụng trong các hệ thống thời gian thực mềm không

có giới hạn thời gian quá chặt chẽ Bộ điều khiển trung tâm quản lý việc thực hiện một tập hợp các quy trình liên kết với các cảm biến và cơ cấu chấp hành Các cảm biến và

cơ cấu chấp hành nối trực tiếp, điểm – điểm với bộ điều khiển trung tâm qua các cổng vào ra của nó

Đây là cấu trúc điều khiển tiêu biểu trong những năm 1965 – 1975 Ngày nay, cấu trúc mô hình điều khiển tập trung thích hợp cho các ứng dụng điều khiển tự động hóa vừa và nhỏ, điều khiển các loại máy móc và thiết bị bởi sự đơn giản, dễ thực hiện

và giá thành một lần cho bộ điều khiển Điểm chú ý ở đây là sự tập trung toàn bộ trí tuệ, tức chức năng xử lý thông tin trong một thiết bị điều khiển duy nhất [6]

Quá trình hoạt động của bộ điều khiển hệ thống quyết định khi nào các quá trình nên được bắt đầu hoặc dừng tùy thuộc vào các biến trạng thái của hệ thống Nó kiểm tra xem các quá trình khác có tạo ra thông tin cần xử lý hay không hoặc chuyển thông tin cho chúng để xử lý Bộ điều khiển thường lặp lại liên tục việc thăm dò cảm biến và các quy trình khác để kiểm tra các sự kiện hoặc sự thay đổi trạng thái Vì lý do này,

mô hình này đôi khi được gọi là mô hình vòng lặp sự kiện

2.3.2 Hệ thống điều khiển, giám sát phân tán

Trong đa số các ứng dụng có quy mô vừa và lớn, phân tán là tính chất cố hữu của

hệ thống Một hệ thống thường được phân chia thành nhiều phân đoạn, có thể bố trí tại nhiều nơi cách xa nhau Để khắc phục sự phụ thuộc vào một bộ điều khiển trung tâm trong cấu trúc điều khiển tập trung và tăng tính linh hoạt của hệ thống, ta có thể điều khiển mỗi phân đoạn bằng một hoặc một số trạm điều khiển cục bộ, như Hình 2.6 minh họa

Hình 2 6 Cấu trúc điều khiển phân tán Các trạm điều khiển cục bộ thường được đặt rải rác tại các khu vực của từng phân đoạn, ở vị trí không xa với quá trình kĩ thuật Các phân đoạn có liên hệ, tương tác với nhau, do đó muốn điều khiển quá trình tổng hợp cần có sự điều khiển phối hợp giữa các bộ điều khiển trung tâm Trong phần lớn trường hợp, các trạm điều khiển trung tâm được nối mạng với nhau và với một hoặc nhiều trạm điều khiển trung tâm

thông qua bus hệ thống Giải pháp này dẫn đến các hệ thống có cấu trúc điều khiển phân tán, hay được gọi là các hệ điều khiển phân tán

Ưu thế của cấu trúc điều khiển phân tán không chỉ dừng lại ở độ linh hoạt cao hơn so với cấu trúc tập trung Hiệu năng cũng như độ tin cậy tổng thể của hệ thống được nâng cao nhờ sự phân tán chức năng xuống các cấp dưới Việc phân tán chức năng xử lý thông tin và phối hợp điều khiển có sự giám sát từ các trạm vận hành mở ra khả năng ứng dụng mới, tích hợp trọn vẹn trong hệ thống như lập trình cao cấp, điều khiển trình tự, điều khiển theo công thức và ghép nối với cấp điều hành sản xuất [6]

2.4 Kết luận

Dựa trên hai cách xây dựng hệ thống đã nêu ở trên, ta sẽ chọn một trong hai phương án để xây dựng mô hình hệ thống cho đề tài Để có thể chọn phương án phù hợp, ta cần nắm giữ được những ưu nhược điểm của cả hai phương pháp trên

Bảng 2 1: So sánh hai phương án xây dựng mô hình hệ thống

So sánh Điều khiển tập trung Điều khiển phân tán

Đặc điểm

− Phù hợp trong các hệ thống vừa và nhỏ

− Chỉ cần một bộ điều khiển trung tâm

− Phù hợp với các hệ thống lớn, phức tạp

− Cần nhiều trạm điều khiển trung tâm và trạm điều khiển khu vực

Khả năng

mở rộng − Vài chục, vài trăm đến vài

ngàn I/O

− Từ vài ngàn đến vài chục ngàn I/O, thậm chí hàng triệu I/O

Khả năng

hồi tiếp − Không có tính năng hồi tiếp

− Có chức năng hồi tiếp, chống gián đoạn đường truyền

Lập trình − Tập trung toàn bộ tinh hoa vào

trong một bộ điều khiển chính

− Phân tán chương trình ra cho từng phân đoạn

− Độ tin cậy kém

− Việc lập trình, quản lý hệ thống phức tạp hơn

Từ sự so sánh trên ta có thể quyết định ngay việc lựa chọn phương án nào phù hợp với đề tài của mình Đó chính là xây dựng hệ thống theo cấu trúc phân tán Lý do

là vì hệ thống vườn thông minh yêu cầu thu thập dữ liệu từ rất nhiều nơi trong vườn, thậm chí thu thập dữ liệu tại vài ngàn vị trí trong một diện tích vườn vài hecta Đó là điều mà hệ thống điều khiển tập trung không thể đáp ứng vì chi phí quá cao cũng như

sự rườm rà khi đi dây Bên cạnh đó việc xử lý tín hiệu dữ liệu tại nhiều nơi như vậy thì

bộ điều khiển trung tâm không thể làm được Trái ngược với những mặt hạn chế của

hệ thống điều khiển trung tâm, hệ thống điều khiển phân tán bộ lộ ra những ưu điểm vượt trội Việc thu thập, xử lý tín hiệu dường như quá sức đối với hệ thống điều khiển tập trung thì lại tỏ ra nhẹ nhàng đối với hệ thống điều khiển phân tán Bởi vì việc thu thập, xử lý dữ liệu từ cảm biến đã được trạm khu vực thực hiện Bên cạnh đó nhóm sử dụng mạng không dây Lora làm cho việc truyền nhận dữ liệu giữa trạm trung tâm và trạm khu vực trở nên dễ dàng, thuận tiện rất nhiều, cũng như tiết kiệm chi phí Đồng thời, khi mô hình hệ thống vườn thông minh áp dụng cấu trúc điều khiển phân tán thì khả năng mở rộng của hệ thống trở nên rất khả thi thi Ta chỉ cần lắp đặt thêm trạm điều khiển trung tâm cũng như trạm khu vực ở những khu vực ta cần mở rộng, tiền đề

là mô hình hệ thống sử dụng Lora

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH VƯỜN THÔNG MINH PHÂN TÁN TRONG ĐỀ

TÀI

3.1 Sơ đồ khối và chức năng của toàn bộ hệ thống

Từ ý tưởng ban đầu, nhóm em đã đưa ra sơ đồ mô tả toàn bộ hệ thống vườn thông minh như Hình 3.1 và Hình 3.2 sau:

Hình 3 1: Sơ đồ toàn bộ hệ thống vườn thông minh

Hình 3 2 Sơ đồ khối của toàn bộ mô hình hệ thống

Từ hai sơ đồ trên, ta có thể hình dung được quy trình hoạt động của hệ thống Đối với đề tài này, thay vì sử dụng dây điện để truyền dẫn tín hiệu như truyền thống hoặc là các phương thức truyền dữ liệu khác, nhóm em sử dụng mạng Lora để truyền nhận dữ liệu từ ESP8266 với Arduino Lý do là vì Lora có thể truyền dữ liệu với khoảng cách rất xa mà tiêu tốn năng lượng rất thấp So với Lora thì dùng dây điện để truyền thì tiêu hao năng lượng trên dây dẫn khá lớn, khó truyền khoảng cách xa đối với vi điều khiển Cũng có nhiều phương thức truyền dữ liệu không dây như ZigBee, Wi-Fi, Bluetooth, … Nhưng so với Lora, các chuẩn truyền thông này không đáp ứng được nhu cầu của đề tài Vậy thì mạng Lora là gì? Có ưu điểm như thế nào? Chúng ta

sẽ cùng tìm hiểu trong mục 3.3

Trong mô hình hệ thống này bao gồm 4 bộ phận chính, đó là:

− Trạm điều khiển trung tâm

− Trạm thu thập dữ liệu khu vực

− Server

− Giao diện người dùng (giám sát)

Trạm điều khiển trung tâm bao gồm một vi điều khiển ESP8266 chịu trách nhiệm

xử lý dữ liệu nhận từ trạm thu thập dữ liệu khu vực và gửi lên Server Đồng thời nhận các tín hiệu điều khiển từ Server về xử lý Trạm trung tâm truyền và nhận dữ liệu với trạm khu vực thông qua mạng Lora Các dữ liệu mà ESP8266 nhận về bao gồm nhiệt

độ, độ ẩm và trạng thái thiết bị Bên cạnh việc giao tiếp với trạm khu vực, trạm trung tâm còn giao tiếp, truyền nhận dữ liệu với Server thông qua Internet Các dữ liệu nhận

từ Server là tín hiệu điều khiển, chế độ làm việc được đưa vào từ người dùng

Trạm thu thập dữ liệu khu vực bao gồm một vi điều khiển Arduino xử lý việc thu thập dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm tại khu vực nhất định, và đồng thời điều khiển trạng thái các thiết bị vận hành Khi có tín hiệu yêu cầu dữ liệu từ trạm trung tâm thì trạm khu vực sẽ gửi các dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm đã thu thập được cho trạm trung tâm để xử lý Ngược lại nếu đó là tín hiệu điều khiển thiết bị thì Arduino sẽ thực hiện điều khiển trạng thái của thiết bị tương ứng với tín hiệu điều khiển

Server là nơi chứa các dữ liệu mà trạm trung tâm gửi lên, đồng thời cũng là nơi lưu các tín hiệu điều khiển từ người dùng Nơi lưu dữ liệu ở đây là Database

Giao diện người dùng là giao diện giám sát, điều khiển thiết bị dành cho người dùng Trong giao diện giám sát bao gồm các dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm tại vườn cập nhật theo thời gian và các biều đồ biểu diễn các giá trị đó trong một khoảng thời gian nhất

định Ngoài ra còn có giao diện điều khiển thiết bị vận hành cho phép người dùng điều khiển các thiết bị bằng tay hoặc tự động tùy theo chế độ được chọn

Trong phần tiếp theo, việc lựa chọn linh kiện phần cứng trong mô hình và các giao thức truyền thông kết nối để áp ứng được yêu cầu của điều khiển vườn thông minh phân tán sẽ được trình bày

3.2 Tính toán lựa chọn linh kiện phần cứng

Để có thể xây dựng được một mô hình hệ thống vườn thông minh, thì việc tính toán lựa chọn các linh kiện là việc quan trọng vô cùng Với từng trạm, ta có các linh kiện khác nhau, vì vậy trong phần này chúng ta sẽ thực hiện chọn linh kiện cho trạm điều khiển trung tâm và trạm thu thập dữ liệu khu vực

3.2.1 Phần cứng trạm điều khiển trung tâm

Phần cứng của trạm điều khiển trung tâm gồm 2 linh kiện quan trọng chính đó là:

− Vi điều khiển ESP8266

− Mạch thu phát sóng RF SPI Lora SX1278 433Mhz Ra-02 Ai-Thinker

3.2.1.1 Mạch thu phát RF SPI Lora SX1278 433Mhz Ra-02 Ai-Thinker

Hình 3 3: Mạch thu phát sóng RF SPI Lora SX1278 433Mhz Ra-02 Ai-Thinker [7] Mạch thu phát RF SPI Lora SX1278 433Mhz Ra-02 Ai-Thinker (Hình 3.3) được sản xuất bởi Ai-Thinker sử dụng chip SX1278 của nhà sản xuất SEMTECH chuẩn giao tiếp LORA (Long Range), chuẩn LORA mang đến hai yếu tố quan trọng là tiết kiệm năng lượng và khoảng cách phát siêu xa (Ultimate long range wireless solution) Ngoài ra, nó còn có khả năng cấu hình để tạo thành mạng truyền nhận nên hiện tại được phát triển và sử dụng rất nhiều trong các nghiên cứu về IoT [7]

Mạch thu phát RF SPI Lora SX1278 433Mhz Ra-02 Ai-Thinker có thiết kế nhỏ gọn dạng module giúp dễ dàng tích hợp trong các thiết kế mạch, mạch được thiết kế và

đo đạc chuẩn để có thể đạt công suất và khoảng cách truyền xa nhất Ngoài ra mạch còn có chất lượng kinh kiện và gia công tốt nên có độ bền cao và khả năng hoạt động

ổn định [7]

Thông số kỹ thuật:

• Model: Lora Ra-02 Ai_Thinker

• IC chính: SX1278 đến từ SEMTECH

• LoRaTM spread spectrum communication

• +20dBm – 10mW Statble RF output power when input voltage changed

• Half-duplex SPI communication

• Programable bit rate can reach to 300kbps

• Support FSK, GFSK, LoRaTM and OOK Modulation Mode

• 127dB RSSI wave range

• Automatically detect RF signal, CAD mode and super high speed AFC

• With CRC 256 bytes data engine

• Half hole (castellated hole) SMD package

• With metal shielding case

o Receive: less than 10.8mA (LnaBoost closed, Band 1)

o Transmit: less than 120mA (+20dBm)

o Sleep model: 0.2uA

• Working temperature: -40 - +85 degree [7]

Bảng 3.2: Chức năng của một số chân của mạch RF:

- ANT Antenna

3.2.1.2 Vi điều khiển ESP8266

ESP8266, hay gọi đầy đủ là ESP8266EX là một vi mạch Wifi giá rẻ, có hỗ trợ bộ giao thức TCP/IP và có thể tích hợp vào thành phần của vi điều khiển, được sản xuất bởi hãng Espressif Systems ở Thượng Hải, Trung Quốc [8]

Chip ESP8266 lần đầu tiên được các nhà sản xuất phương Tây chú ý vào tháng 8 năm 2014 với module ESP-01 (Hình 3.4), do nhà sản xuất bên thứ ba là Ai-Thinker sản xuất Module cho phép các vi điều khiển kết nối với mạng Wifi và thực hiện các kết nối TCP/IP đơn giản bằng cách sử dụng các lệnh kiểu Hayes (Tập lệnh AT) [8]

Hình 3 4: Module ESP-01 [8]

Hình 3 5: Module thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CH340 [9]

Kit RF thu phát Wifi ESP8266 ModeMCU Lua CH340 (Hình 3.5) là kit phát triển dựa trên nền chip Wifi SoC ESP8266 với thiết kế dễ sử dụng và đặt biệt là có thể

sử dụng trực tiếp trình biên dịch của Arduino để lập trình và nạp code, điều này khiến việc sử dụng và lập trình các ứng dụng trên ESP8266 trở nên rất đơn giản

Kit RF thu phát Wifi ESP8266 ModeMCU Lua CH340 được dùng cho các ứng dụng cần kết nối, thu thập dữ liệu và điều khiển qua sóng Wifi, đặt biệt là các ứng dụng liên quan đến IoT

Các module EPS8266 như ESP-01, ESP-12, … đều được thiết kế từ chip ESP8266EX Trong đồ án này, nhóm em sử dụng Module ESP8266-12_E

Thông số kỹ thuật:

• Tương thích các chuẩn Wifi: 802.11 b/g/n

• Hỗ trợ: Wi-Fi Direct (P2P), soft-AP

• Tích hợp TCP/IP protocol stack

• Tích hợp TR switch, balun, LNA, power amplifier and matching network

• Tích hợp bộ nhân tần số, ổn áp, DCXO and power managerment units

• +25dBm output power in 802.11b mode

• Power down leakage current of <10uA

• Intergrated low power 32-bit CPU could be used as application processor

• SDIO 1.1/2.0, SPI, UART

• STBC, 1x1 MIMO, 2x1 MIMO

• A-MPDU & MSDU aggregation & 0.4ms guard interval

• Wake up and transmit packet in <2ms

• Dòng tiêu thụ ở Standby Mode < 1.0mW (DTIM3) [9]

Các chuẩn giao tiếp và các thông tin khác:

• SDIO 2.0, SPI, UART

• Intergrated RF Switch, balun, 24dBm PA, DCXO, and PMU

• Intergrated RISC processor, onchip memory and external memory interfaces

• Intergrated MAC/baseband processors

• Quality of Service managerment

• I2S interface for high fidelity audio applications

• On-chip low-dropout linear regulators for all internal supplies

• Proprietary spurious-free clock genaration architecture

• Integrated WEP, TKIP, AES, and WAPI engines [9]

3.2.2 Phần cứng trạm thu thập dữ liệu khu vực

Phần cứng của trạm khu vực bao gồm các linh kiện chính sau:

− Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11

− Cảm biến độ ẩm đất

− Vi điều khiển Arduino

− Mạch thu phát sóng RF SPI Lora SX1278 433Mhz Ra-02 Ai-Thinker

3.2.2.1 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11

Hình 3 6: Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 [10]

Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 (Hình 3.6) là cảm biến rất thông dụng hiện nay

vì chi phí rẻ và rất dễ lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1 dây (giao tiếp digital 1 dây truyền dữ liệu duy nhất) Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp trong cảm biến giúp bạn có được dữ liệu chính xác mà không phải qua bất kì tính toán nào Tuy nhiên so với cảm biến đời mới hơn là DHT22 thì DHT11 có khoảng đo và độ chính xác kém hơn [10]

Thông số kỹ thuật:

• Nguồn: 3->5V

• Dòng sử dụng: 2.5mA (Max khi truyền dữ liệu)

• Khoảng đo nhiệt độ: 0-50˚C (sai số 2˚C)

• Khoảng đo độ ẩm: 20%-90% RH (Sai số 5% RH)

• Tần số lấy mẫu tối đa: 1Hz (1 giây 1 lần)

• Kích thước: 15mm x 12mm x 5.5mm

Sơ đồ kết nối cảm biến với vi điều khiển:

Theo như sơ đồ kết nối cảm biển được thể hiện trong Hình 3.7, có thể thấy chân

dữ liệu được kết nối với chân I/O của vi điều khiển và một điện trở kéo lên được sử dụng Chân dữ liệu này xuất ra giá trị của cả nhiệt độ và độ ẩm dưới dạng dữ liệu nối tiếp