HE THONG iot UNG DUNG GATEWAY

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG IOT PHỤC VỤ CHO NÔNG NGHIỆP ỨNG DỤNG GATEWAY SVTH LÊ PHÚ.

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đề tài:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG IOT

PHỤC VỤ CHO NÔNG NGHIỆP

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP BẢNG NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

I Tiêu chí và điểm đánh giá

Criteria

Grade

Điểm đánh giá

hiện

Thực hiện được nhưng thực tế không cần

Vấn đề vừa sức/Cần phải dành thời gian nghiên cứu

Vấn đề khó/Cần nhiều kiến thức tổng hợp đã học

Vấn đề rất khó/Cần nhiều kiến thức tổng hợp đã học

Có ứng dụng

Thực tế bên ngoài đang cần

Thực tế bên ngoài đang rất cần và cấp thiết

đắn của

đề tài,

phương

pháp

nghiên

cứu hợp

lý

Khôn

g hợp

lý

pháp nghiên cứu, nhưng chưa rõ ràng

Có phương pháp nghiên cứu, định hướng đúng

Phương pháp nghiên cứu rõ ràng, định hướng đúng

Phương pháp nghiên cứu rõ ràng, khoa học, phù hợp với đề tài, sáng

tạo

Mục 4:

Giải

pháp &

công

nghệ, thi

công/mô

phỏng

Khôn

g có

Giải pháp

sơ sài

Giải pháp rõ ràng, có thi công mô hình/mô phỏng

Giải pháp rõ ràng, có quy trình thực hiện thi công/mô phỏng vận hành được

Giải pháp rõ ràng, có quy trình thực hiện thi công/mô phỏng vận hành được, kết quả mô phỏng/vận hành tốt, sáng tạo

Mục 5:

Xem đĩa

CD

trình

bày báo

cáo nội

dung LV

Nội

dung

không

phù

hợp

với

mục

tiêu

Báo cáo đơn giản, chưa đầy

đủ cấu trúc, nội dung như

đã đề ra

Có đủ cấu trúc, nội dung

Có đầy đủ cấu trúc nội dung, trình bày hợp

lý, khoa học

Có đầy đủ cấu trúc nội dung, trình bày hợp lý, khoa học, logic, rõ ràng,

dễ hiểu, đúng quy định

về trình bày luận văn, không có lỗi chính tả, sáng tạo

Điểm tổng kết (quy đổi

về thang 10)

II Các vấn đề cần làm rõ

………

………

………

………

………

………

………

………

………

IV Ý kiến kết luận: Đồng ý hay không đồng ý cho bảo vệ ………

………

Tp HCM, ngày….tháng….năm 2022

Giảng viên phản biện

Để hoàn thành được Đồ án tốt nghiệp, chúng em xin cảm ơn chân thành tới

Thầy PGS.TS Võ Viết Cường - giảng viên khoa Điện-Điện tử, trường Đại học Sư

phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh đã tận tình giúp đỡ, góp ý và chỉ bảo chúng emtrong suốt thời gian làm đồ án này Những lời nhận xét, hướng dẫn và góp ý to lớn

từ thầy chính là động lực để chúng em hoàn thành được đồ án này đúng thời hạn

Chúng em cũng xin cảm ơn quý Thầy Cô khoa điện – điện tử trường Đại học

Sư phạm kỹ thuật Tp.HCM đã dạy cho chúng em những kiến thức liên quan, kiếnthức nền tảng cũng như cung cấp cho chúng em các nguồn tài liệu để chúng em cóthể đúc kết và áp dụng vào đồ án này

Em cũng xin cảm ơn các anh chị quý công ty đã hổ trợ cho chúng em về hìnhảnh, thông tin về đối tượng thiết kế

Cũng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các bạn trong lớp đã nhiệt tình giúp đỡnhóm những lúc khó khăn trong học tập

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 07 năm 2022

Người thực hiện đề tài:

Lê Phú Quý Phạm Văn Phúc

Ngày nay phát triển ngành nông nghiệp đang là một hướng đi mang lại nguồnlợi kinh tế cho nước nhà Nhưng nếu áp dụng phương pháp nông nghiệp truyềnthống có lẽ hiệu quả trồng trọt cũng như hiệu quả kinh tế sẽ rất thấp Chính vì vậy ápdụng công nghệ kỹ thuật là một hướng đi thông minh nhằm kế thừa cũng như pháthuy những công nghệ kỹ thuật mà ngành khoa học ngày nay đã tìm ra IoT chính làhướng đi thông minh, hệ thống sẽ giúp chúng ta giảm bớt áp lực về việc tìm kiếmnguồn nhân công, không vì thế mà giảm chất lượng về việc giảm sát thực trạng, cácnhân tố ảnh hưởng cây trồng, ngược lại thông qua hệ thống cảm biến sẽ cung cấpcho chúng ta một cách đầy đủ và chính xác về các yếu tố ấy như độ ẩm, mức ánhsáng, độ dẫn điện dung dịch phân bón Được sự gợi ý từ giáo viên hướng dẫn, cũngnhư chúng tôi cũng muốn nghiên cứu ứng dụng của IoT vào ngành nông nghiệpnhằm có thể tạo ra một hệ thống có giá thành hợp lý, hiệu quả quan trọng hơn là cóthể mang vào áp dụng cho nông nghiệp nước nhà, chính vì thế chúng tôi quyết địnhnghiên cứu đề tài Thiết kế và thi công hệ thống IoT phục vụ cho nông nghiệp ứngdụng Gateway.

TPHCM: Thành phố Hồ Chí Minh

IoT(Internet of Things): Internet vạn vật

LoRa(Long Range Radio): giao thức không dây

KH&CN: Khoa học công nghệ

PCB (Printed Circuit Board):Bảng mạch in

VOM(Volt- Ohm- Miliammeter): Đồng hồ vạn năng

pH(Potential of Hydrogen): Chỉ số đo hoạt động của các ion (H+)EC(Electrical Conductivity): Độ dẫn điện

PC(Personal Computer): máy tính cá nhân

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống

Hình 3.2 Mô hình tổng thể

Hình 3.3 Module ESP32 wrover

Hình 3.4 STM32F103C8T6

Hình 3.5 Module Lora RA02

Hình 3.6 Sơ đồ kết nối giữa STM32 với Lora RA02

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngành nông nghiệp là một ngành truyền thống của nước ta thế nhưng khôngphát triển một cách mạnh mẽ chúng ta còn gặp phải rất nhiều hạn chế, hiệu quảkhông cao Việc áp dụng công nghệ, kỹ thuật mới sẽ là một hướng đi mới mang lại

“làn gió mới” cho ngành nông nghiệp nước nhà Việc ứng dụng IoT vào nôngnghiệp sẽ mang lại rất nhiều thuận lợi cho người nông dân, quan trọng hơn là nângcao hiệu quả trồng trọt, cũng như nâng cao hiệu quả kinh tế

Như chúng ta đều biết khí hậu ngày càng trở nên khắc nghiệt, thế nên việccon người tự theo dõi thời tiết và can thiệp, chăm sóc cây trồng sao cho kịp với sựthay đổi của khí hậu, quả thật tốn rất nhiều thời gian công sức, hiệu quả lại khôngcao Thế nhưng với sự can thiệp của máy móc, hệ thống cảm biến sẽ giúp ngườinông dân giám sát một cách chính xác và hiệu quả nhất Điều này có thể đạt đượcbằng cách giám sát các thông số liên quan đến sinh trưởng, phát triển của cây trồngnhư: ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm…

Từ các thông số thu thập, có thể điều chỉnh lượng nước tưới, độ ẩm khôngkhí hay cường độ ánh sáng phù hợp theo nhu cầu phát triển của cây trồng

Hiện nay, các hướng nghiên cứu về ứng dụng công nghệ cao trong giám sát

từ xa các thông số môi trường trong nông nghiệp thường sử dụng các công nghệtruyền thông truyền thống như: Zigbee, Wifi, GSM/GPRS, Bluetooth Trong nhữngcông nghệ truyền thông đó có phạm vi hoạt động không cao từ 10 đến 100m Vớiphạm vi hoạt động như vậy, các chuẩn truyền thông trên chỉ phù hợp cho việc giámsát trong một khu vực nhỏ

Khi khu vực giám sát lớn hoặc có nhiều khu vực, thì việc xây dựng mạngcảm biến trở lên phức tạp và tốn kém chi phí hơn Bên cạnh đó, việc tiêu thụ nhiềunăng lượng cũng dẫn đến thời lượng sử dụng pin của nút cảm biến bị giảm xuống

Nhằm mở rộng nhu cầu kết nối số lượng lớn cảm biến trên phạm vi rộng vàtiêu thụ ít năng lượng phục vụ cho nhu cầu vận hành bảo trì, chuẩn truyền thôngLORA đã ra đời với nhiều ưu điểm vượt trội so với các công nghệ sẵn có.

Khoảng cách truyền thông có thể lên tới 2 - 20km và có thể hoạt động trênbăng tần không phải cấp phép với tốc độ thấp từ 0,3 kbps đến 50kbps Thời gian cóthể duy trì kết nối và chia sẻ dữ liệu lên đến 1 năm với năng lượng pin

1.2 PHÂN TÍCH

1.2.1 Hiện trạng

Ứng dụng Iot trong nông nghiệp thông minh đóng vai trò vô cùng quan trọng trongthời buổi công nghiệp hiện nay Đây được coi là chìa khóa thành công của rất nhiềuthương hiệu nông sản lớn với nhiều lợi ích như :

- Hiệu quả vượt trội: Áp dụng IoT trong nông nghiệp giúp nhà nông đạt năng suất caotrong thời gian ngắn

- Phủ sóng nông nghiệp: Nếu như trước kia bạn sẽ luôn phải chọn một mảnh đất lớn

để nuôi trồng với những ảnh hưởng mà nó mang lại Thì với công nghệ IoT cùngphương pháp trồng trong nhà kính, thủy canh, một số mô hình trang trại có thể đặtngay trong thành phố

- Nhanh chóng: Với sự hỗ trợ từ hệ thống IoT, môi trường sống và phát triển của câytrong từng giai đoạn đều nằm ở mức lý tưởng Điều này giúp cây phát triển rấtnhanh chóng và nhanh cho thu hoạch

- Cải thiện chất lượng nông sản Không chỉ nhanh chóng, với sựu chăm sóc liên tục24/7 của hệ thông IoT nói riêng và hệ thống nông nghiệp thông minh nói chung.Nông sản của bạn sẽ được nâng tầm chất lượng, tăng giá trị dinh dưỡng cũng nhưgiá trị sản phẩm

1.2.2 Khảo sát

Theo số liệu dự báo, vào năm 2050, dân số thế giới dự kiến sẽ chạm ngưỡng 9.8

tỷ người, tăng khoảng 25% so với con số hiện tại Xu hướng đô thị hóa sẽ tiếp tục tăngvới tốc độ nhanh chóng, khoảng 70% dân số thế giới được dự đoán trở thành dân sốthành thị đến năm 2050 (so với hiện nay là 49%) Hơn nữa, mức thu nhập sẽ tăng lêngấp đôi so với hiện tại, điều này thúc đẩy nhu cầu lương thực tăng cao, đặc biệt là ở cácnước đang phát triển Để nuôi sống một lượng dân số thành thị lớn này thì sản lượnglương thực phải tăng gấp đôi vào năm 2050

Không chỉ đối với lương thực, mà lĩnh vực sản xuất cây trồng cũng trở nên quantrọng không kém đối với ngành công nghiệp Các loại cây trồng như bông, cao su,đang đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế của nhiều quốc gia Những nhu cầu nàyđang làm tăng thêm áp lực đối với các nguồn tài nguyên nông nghiệp vốn đã khanhiếm

Bằng cách triển khai các công nghệ cảm biến và IoT trong thực tiễn nông nghiệp

đã làm thay đổi mọi khía cạnh của phương pháp canh tác truyền thống IoT giúp cảithiện các giải pháp về canh tác truyền thống như ứng phó với hạn hán, tối ưu hóa năngsuất, tính phù hợp đất đai, tưới tiêu và kiểm soát dịch hại

bảo hiệu xuất cây trồng mang đến hiệu quả cao, tiết kiệm thời gian và công sức laođộng của người nông dân.

1.4 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu về một số giống cây trồng:

- Thời gian sinh trưởng và phát triển

- Các điều kiện lý tưởng để cây sinh trưởng và phát triển tốt

1.5 NỘI DUNG THỰC HIỆN

- Chọn cảm biến và các linh kiện cần thiết

- Thiết kế, thi công truyền, nhận dữ liệu cảm biến qua hệ thống Lora

- Thiết kế ứng dụng Android hiển thị thông số môi trường và điều khiển các thiết

bị trong nông trại

- Thiết kế – thi công mô hình

- Chạy thử nghiệm hệ thống

- Nhận xét –đánh giá kết quả thực hiện Hoàn thiện mô hình

- Hoàn thành luận văn

1.6 GIỚI HẠN

Đề tài chỉ tập trung vào hoạt động của hệ thống chính vì thế các số liệu vềđiều kiện môi trường phát triển của cây trồng được sử dụng lại chứ không phải donghiên cứu

• Thiết kế mô hình có kích thước dài, rộng, cao là 45 x 35 x 60 cm

• Thiết kế phần cứng bộ trung tâm Gateway và Lora node

• Sử dụng cảm biến ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, pH, EC

• Điều khiển đèn, phun sương, lưới cắt nắng, bơm hồi lưu trên mô hình

1.7 BỐ CỤC

Chương 1: Tổng Quan: Chương này trình bày về đặt vấn đề dẫn nhập lý do

chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết: Trong chương này trình bày về các lý thuyết

có liên quan đến các vấn đề mà đề tài sẽ dùng để thực hiện thiết kế, thi công cho đềtài

Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế: Chương này giới thiệu tổng quan về các

yêu cầu của đề tài mà mình thiết kế và các tính toán, thiết kế gồm những phần nào.Như: thiết kế sơ đồ khối hệ thống, tính toán thiết kế mạch

Chương 4: Thi Công Hệ Thống:Chương này trình bày về quá trình cài đặt

các thiết bị, đo kiểm tra mạch, lắp ráp mô hình Thiết kế app và viết chương trìnhcho hệ thống Hướng dẫn quy trình sử dụng hệ thống

Chương 5: Kết Quả: Trình bày về những kết quả đã được mục tiêu đề ra sau

quá trình nghiên cứu thi công Từ những kết quả đạt được để đánh giá quá trìnhhoàn thành được bao nhiêu phần trăm

Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển: Chương này trình bày về

những kết quả mà đồ án đạt được, những hạn chế, từ đó rút ra kết luận và hướng

phát triển để giải quyết các vấn đề tồn đọng để đồ án hoàn thiện hơn.

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ IOT

2.1.1 Internet Of Things là gì?

Internet of Things (IoT) – Mạng lưới thiết bị kết nối Internet là một viễn cảnhcủa thế giới, khi đó mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh (tương tựID) của riêng mình Tất cả chúng sẽ có khả năng truyền tải, trao đổi dữ liệu qua mộtmạng duy nhất mà không cần sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay giữangười với máy tính IoT là sự kết hợp của công nghệ không dây, công nghệ vi cơđiện tử và internet Layers) Nói một cách đơn giản, Internet of Things là khi tất cảmọi thứ đều được kết nối với nhau qua mạng Internet, người dùng (chủ) có thể kiểmsoát mọi đồ vật của mình qua mạng chỉ bằng một thiết bị thông minh, chẳng hạn nhưsmartphone, tablet, PC

2.1.2 Kiến trúc một hệ thống Internet of Things

Một hệ thống Iot cơ bản được tạo thành bởi 4 phần: Vạn vật (Things), trạmkết nối (Gateways), hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud) vàcác lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services-creation and Solutions Layers )

+ Vạn vật (Things): Ngày nay có hàng tỷ vật dụng đang hiện hữu trên thịtrường gia dụng và công nghệ, ở trong nhà hoặc trên tay của người dùng Chẳng hạnnhư xe hơi, thiết bị cảm biến, thiết bị đeo và điện thoại di động đang được kết nốitrực tiếp thông qua băng tầng mạng không dây và truy cập vào Internet

+ Trạm kết nối (Gateways): Một rào cản chính khi triển khai IoT đó là gần85% các vật dụng đã không được thiết kế để có thể kết nối với Internet và không thểchia sẻ dữ liệu với điện toán đám mây Để khắc phục vấn đề này, các trạm kết nối sẽđóng vai trò là một trung gian trực tiếp, cho phép các vật dụng có sẵn này kết nốivới điện toán đảm máy một cách bảo mật và dễ dàng quản lý

+ Hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cơ sở hạ tầng kết nối:Internet là một hệ thống toàn cầu của nhiều mạng IP được kết nối với nhau và liênkết với hệ thống máy tính Cơ sở hạ tầng mạng này bao gồm thiết bị định tuyến,trạm kết nối, thiết bị tổng hợp, thiếp bị lặp và nhiều thiết bị khác có thể kiểm soátlưu lượng dữ liệu lưu thông và cũng được kết nối đến mạng lưới viễn thông và cáp -được triển khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ.

+ Trung tâm dữ liệu/ hạ tầng điện toán đám mây: Các trung tâm dữ liệu và hạtầng điện toán đám mây bao gồm một hệ thống lớn các máy chủ, hệ thống lưu trữ vàmạng ảo hóa được kết nối

+ Các lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services-Creation and Solutions Layers):Intel đã kết hợp những phần mềm quản lý API hàng đầu (Application ProgmramingInterface) là Masher* và Aepona* để giúp đưa các sản phẩm và giải pháp IoT ra thịtrường một cách chóng và tận dụng được hết giá trị của việc phân tích các dữ liệu từ

hệ thống và tài sản đang có sẵn

2.1.3 Các ứng dụng của IoT

Với những hiệu quả thông minh rất thiết thực mà IoT đem đến cho con người,IoT đã và đang được tích hợp trên khắp mọi thứ, mọi nơi xung quanh thế giới màcon người đang sống Từ chiếc vòng đeo tay, những đồ gia dụng trong nhà, nhữngmãnh vườn đang ươm hạt giống, cho đến những sinh vật sống như động vật hay conngười…đều có sử dụng giải pháp IoT

Hình 2.1 Tổng quan về ứng dụng của IoT.

 Ứng dụng trong lĩnh vực vận tải

Ứng dụng điển hình nhất trong lĩnh vực này là gắn chíp lấy tọa độ GPS lên xechở hàng, nhằm kiểm soát lộ trình, tốc độ, thời gian đi đến của các xe chở hàng.Ứng dụng này giúp quản lý tốt khâu vận chuyển, có những xử lý kịp thời khi xe đikhông đúng lộ trình hoạt bị hỏng hóc trên những lộ trình mà ở đó mạng di độngkhông phủ sóng tới được, kiểm soát được lượng nhiên liệu tiêu hao ứng với lộ trình

đã được vạch trước…

Hình 2.2 Theo dõi lộ trình đi của xe chở hàng

 Ứng dụng trong lĩnh vực sản xuất nông nghiệp

Quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng trải qua nhiều giai đoạn từ hạtnảy mầm đến ra hoa kết trái Ở mỗi giai đoạn cần có sự chăm sóc khác nhau về chấtdinh dưỡng cũng như chế độ tưới tiêu phù hợp Những yêu cầu này đòi hỏi sự bền bỉ

và siêng năng của người nông dân từ ngày này sang ngày khác làm cho họ phải vất

vả Nhưng nhờ vào ứng dụng khoa học kỹ thuật, sử dụng cảm biến để lấy thông sốnhiệt độ, độ ẩm, độ pH của đất trồng, cùng với bảng dữ liệu về quy trình sinh trưởngcủa loại cây đó, hệ thống sẽ tự động tưới tiêu bón lót cho cây trồng phù hợp vớitừng giai đoạn phát triển của cây trồng Người nông dân bây giờ chỉ kiểm tra, quansát sự vận hành của hệ thống chăm sóc cây trồng trên một màn hình máy tính có nốimạng

Hình 2.3 Theo dõi tình trạng sinh trưởng của cây trồng

 Ứng dụng trong nhà thông minh

Vài năm trở lại đây, khi thế giới đang dần tiến vào kỷ nguyên Internet ofThings, kết nối mọi vật qua Internet, nhà thông minh trở thành một xu hướng công

nghệ tất yếu, là tiêu chuẩn của nhà ở hiện đại Trong căn hộ thông minh, tất cả cácthiết bị từ rèm cửa, điều hoà, dàn âm thanh, hệ thống ánh sáng, hệ thống an ninh,thiết bị nhà tắm… được kết nối với nhau và hoạt động hoàn toàn tự động theo kịchbản lập trình sẵn, đáp ứng đúng nhu cầu sử dụng của khách hàng.

IoT sẽ biến nông nghiệp từ một lĩnh vực sản xuất định tính thành một lĩnh vựcsản xuất chính xác dựa vào những số liệu thu thập, tổng hợp và phân tích thống kê

Việc ứng dụng IoT vào trong nông nghiệp không chỉ đem lại cho người làmnông đạt năng suất và sản lượng cao, IoT còn giúp cho người làm nông tiếp cận đượcvới nền khoa học kỹ thuật tối tân của nhân loại, cùng với đó đem đến cho người sửdụng vô vàn những lợi ích không tưởng

2.2.2 Những lợi ích của việc ứng dụng IoT vào trong nông nghiệp

- Hiệu quả vượt trội

IoT trong nông nghiệp đóng một vài trò cực kỳ quan trọng, IoT sẽ cho phépngười nông dân theo dõi sản phẩm và điều kiện của họ trong thời gian thực

- Độ phủ sóng của nông nghiệp

Việc sử dụng nhà kính và thủy canh dựa trên IoT đặt trong lòng thành phố sẽ

là một giải pháp rất phù hợp, ngoài việc cung cấp nguồn thực phẩm như trái cây vàrau tươi ngắn hạn cho người dân trong thành phố, IoT còn cho phép các hệ thốngnông nghiệp trở nên khép kín thông minh hơn

- Cải thiện tốc độ và thích nghi với điều kiện thời tiết phức tạp

Trong điều kiện thời tiết thay đổi thất thường và khắc nghiệt như hiện nay,nhờ hệ thống giám sát và dự đoán thời gian thực, người làm nông có thể nhanhchóng phản ứng với mọi thay đổi về thời tiết, độ ẩm, chất lượng không khí cũng nhưsức khỏe của từng loại cây trồng khác nhau hoặc đất đai trên đồng ruộng

- Giảm thiểu tài nguyên

Bằng việc sử dụng IoT dựa trên dữ liệu thu thập từ các cảm biến khác nhau sẽgiúp người nông dân phân bổ chính xác để sử dụng vừa đủ tài nguyên cần thiết choquá trình sản xuất

- Quy trình sạch hơn

Việc sử dụng thuốc trừ sâu và phân bón trong nông nghiệp truyền thông là một điều rất phổ biến Đối với nông nghiệp thông minh, nông nghiệp số dựa trên IoT để canh tác chính xác giúp người nông dân tiết kiệm năng lượng và nước, không chỉ làm cho nông nghiệp xanh hơn, mà nó còn làm giảm đáng kể việc sử dụng thuốc trừ sâu và phân bón qua hệ thống IoT

- Cải thiện chất lượng nông sản

Với việc sử dụng cảm biến đất và cây trồng, giám sát bằng máy bay khôngngười lái (Drone) trên không và việc lập bản đồ trang trại, người nông dân có thểhiểu rõ hơn sự phụ thuộc chi tiết giữa các điều kiện và chất lượng của cây trồng.

2.2.3 Khó khăn của dự án khi áp dụng

Người nông dân chưa quen với việc thay đổi cách canh tác, so với cách canhtác truyền thống thì khi áp dụng công nghệ người nông dân sẽ giao tiếp với vườnthông qua thiết bị thông minh

Vấn đề khi áp dụng công nghệ vào trong nông nghiệp khi chỉ áp dụng đượccho doanh nghiệp có quy mô trung bình và lớn cùng với đó là yêu cầu hệ thống nhàkính

Nhân tố chính trong nền nông nghiệp Việt Nam là các nông hộ, hợp tác xãcòn bỡ ngỡ với công nghệ trong ứng dụng IoT vào nông nghiệp ngoài ra vấn đề vềbao tiêu sản phẩm còn hạn chế Vì vậy cần có người đứng ra bao tiêu, áp dụng quytrình và áo dụng công nghệ linh hoạt để nông sản có hiệu quả và trở thành hàng hóa

có giá trị và chất lượng

2.2.4 Cơ hội của dự án khi áp dụng

- Mang lại cho người nông dân một giải pháp canh tác hiện đại, giúp giảm sứclao động

- Giúp xóa bỏ hạn chế của tài nguyên khi mà giải pháp sẽ đưa ra những thông

số, chỉ số của loại đất và cây trồng sau đó tính toán và điểu chỉnh sao cho phùhợp với quá trình phát triển của cây trồng

- Có thể tích hợp mã truy xuất nguồn gốc giúp sản phẩm đạt giá trị cao hơn

2.2.5 Thách thức của dự án khi áp dụng

- Hiện tại Việt Nam chưa có nhiều hệ thống nông nghiệp thông minh chủ yếunông nghiệp vấn canh tác theo lối truyền thống do đó việc áp dụng công nghệvào trong nông nghiệp bước đầu sẽ gặp đôi chút khó khăn

- Các nhân tố trong sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam chiếm chủ yếu là các cánhân, hợp tác xã, các doanh nghiệp vừa và nhỏ còn ít do đó việc áp dụngcông nghệ sẽ gặp nhiều khó khăn.

Khó khăn trong việc tiêu thụ nông sản hiện nay vấn là một vấn đề nan giảitrong nền nông nghiệp Việt Nam

2.3 GIỚI THIỆU VỀ LORA

2.3.1 Công nghệ LoRa là gì?

Thuật ngữ LoRa viết tắt của Long Range Radio được nghiên cứu và phát triểnbởi Cycleo và sau này được mua lại bởi công ty Semtech năm 2012 LoRa là mộtcông nghệ không dây được phát triển để cho phép truyền tốc độ dữ liệu thấp trênmột khoảng cách lớn bởi các cảm biến và bộ truyền động cho M2M và IoT cũngnhư các ứng dụng IoT LoRa hướng tới các kết nối M2M ở khoảng cách lớn Nó cóthể hỗ trợ liên lạc ở khoảng cách lên tới 15 – 20 km, với hàng triệu node mạng.Nó

có thể hoạt động trên băng tần không phải cấp phép, với tốc độ thấp từ 0,3kbps đếnkhoảng 30kbps Với đặc tính này, mạng LoRa phù hợp với các thiết bị thông minhtrao đổi dữ liệu ở mức thấp nhưng duy trì trong một thời gian dài

Hiện nay trên thị trường phổ biến gồm các module giao tiếp với vi điều khiểnthông qua giao tiếp SPI hoặc tích hợp chuyển đổi UART-USB Qua tìm hiểu, chúngtôi nhận thấy rằng module LoRa SX1278 433MHz RA-02 với giao tiếp SPI có ưuđiểm là phổ biến trên thị trường, không cần bộ chuyển đổi UART do đó có thể hoạtđộng với các kit không hỗ trợ đầu USB cùng với đó là giá thành rẻ, các thông số cóthể trực tiếp can thiệp bằng lập trình, khoảng cách truyền lý thuyết lên đến 10km,phù hợp với những yêu cầu đặt ra của đề tài nên chúng tôi sẽ sử dụng module nàytrong đề tài của mình

2.3.2 Vai trò của LoRa trong IoT

Với điểm mạnh là không tiêu tốn quá nhiều điện năng trong quá trình sửdụng, nó giúp dẫn truyền dữ liệu với khoảng cách xa Đồng thời, chi phí của nó cũng

sẽ thấp hơn nhiều khi gửi bằng hệ thống mạng di động bình thường

Điều này sẽ giúp hạn chế việc thay pin trong quá trình hoạt động, nhờ vậy màquá trình hoạt động và kết nối của các cảm biến của các thiết bị thuộc IoT sẽ không

bị gián đoạn nữa Bạn có thể sử dụng điện thoại hay là máy tính để điều khiển cácthiết bị trong IoT với một mức độ ổn định cao

2.3.3 Ưu Nhược điểm của công nghệ LoRa

 Ưu Điểm

Dễ dàng phổ biến: Công nghệ LoRa hiện nay có thể được sử dụng một cách

rộng rãi và miễn phí (không có bản quyền) Quá trình lắp đặt các thiết bị cảm biến

có giá cả phải chăng, đồng thời kiến trúc cũng đơn giản Hiện nay công nghệ LoRa

đã được ứng dụng nhiều trong IoT/M2M, đồng thời có cả liên minh các nhà sản xuất

sử dụng công nghệ này

Hoạt động ở tầm xa với lượng điện năng tiêu thụ thấp: Như đã đề cập, lợi thếlớn nhất của công nghệ LoRa đó là việc điện năng tiêu thụ thấp, nhưng vẫn có thểdẫn truyền dữ liệu ở tầm xa được Ngoài ra, công suất hoạt động không vì thế mà bịgiảm sút, và công nghệ LoRa có thể hỗ trợ hàng triệu tin nhắn từ trạm gốc

Độ bảo mật cao:Các tín hiệu này sẽ được mã hoá 2 lớp, bao gồm 1 lớp dànhcho ứng dụng có mã hoá AES và 1 lớp dành cho bảo mật mạng

 Nhược điểm

Tải trọng và tốc độ thấp hơn: Đây có lẽ là nhược điểm lớn nhất của côngnghệ LoRa, bởi việc phát ra sóng ở tần số đó sẽ làm giảm tốc độ truyền tải, đồngthời tải trọng của công nghệ cũng sẽ đạt đến mức 100 byte Cũng vì vậy mà độ trễcủa công nghệ LoRa sẽ cao hơn so với các phương pháp khác.

Hạn chế trong việc lắp đặt gateway: Việc khó lặp đặt cá gateway trong nộithành cũng là cản trở trong việc phổ biến công nghệ LoRa trong khu đông dân cư

2.4 TỔNG QUAN VỀ GATEWAY

Gateway là một điểm khởi đầu vì tất cả các thiết bị trên mạng phải có thể truyền dữ liệu của chúng trở lại gateway Các hệ thống LoRa quy mô lớn chạy trên nhiều gateway Số lượng cảm biến hoặc thiết bị tối đa trên mỗi gateway phụ thuộc vào một số yếu tố như tốc độ dữ liệu và kích thước gói dữ liệu nhưng có thể đạt được hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn trên mỗi gateway

Gateway là một thành phần quan trọng để chạy mạng không dây hiệu quả chocác cảm biến và thiết bị

Hình 2.5 Mô hình IoT kết hợp Gateway

Qua Gateway, các máy tính trong các mạng sử dụng cách thức khác nhau cóthể dễ dàng “nói chuyện" được với nhau Gateway không chỉ phân biệt các giao thức

mà còn có thể phân biệt ứng dụng như cách bạn chuyển thư điện tử từ mạng nàysang mạng khác, chuyển đổi một phiên làm việc từ xa

Trên thị trường có rất nhiều vi xử lý phù hợp với các tiêu chỉ trên để dùnglàm Gateway nhưng với mục tiêu của đề tài là yêu cầu phải giao tiếp giữa node vàserver với hai phương thức truyền không dây là LoRa và cần lưu trữ dữ liệu từ cácnode gửi lên

2.5 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP

2.5.1 Chuẩn giao tiếp UART

UART là viết tắt của Universal Asynchronous Receiver – Transmitter cónghĩa là truyền dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ UART chuyển đổi giữa dữ liệu nối tếp

và song song Một chiều, UART chuyển đổi dữ liệu song song bus hệ thống ra dữliệu nối tiếp để truyền đi Một chiều khác, UART chuyển đổi dữ liệu nhận đượcdạng dữ liệu nối tiếp thành dạng dữ liệu song song cho CPU có thể đọc vào bus hệthống Để truyền được dữ liệu thì cả bên phát và bên nhận phải tự tạo xung clock cócùng tần số và thường được gọi là tốc độ baud, ví dụ như 2400 baud, 4800 baud,

9600 baud

UART của PC hỗ trợ cả hai kiểu giao tiếp là giao tiếp đồng thời và khônggiao tiếp đồng thời Giao tiếp đồng thời tức là UART có thể gửi và nhận dữ liệu vàocùng một thời điểm.Còn giao tiếp không đồng thời (không kép) là chỉ có một thiết bị

có thể chuyển dữ liệu vào một thời điểm, với tín hiệu điều khiển hoặc mã sẽ quyếtđịnh bên nào có thể truyền dữ liệu Giao tiếp không đồng thời được thực hiện khi mà

cả 2 chiều chia sẻ một đường dẫn hoặc nếu có 2 đường nhưng cả 2 thiết bị chỉ giaotiếp qua một đường ở cùng một thời điểm

Thêm vào đường dữ liệu, UART hỗ trợ bắt tay chuẩn RS232 và tín hiệu điềukhiến như RTS, CTS, DTR, DCR RT và CD.

Hình 2.6 Giao tiếp UART

2.5.2 Chuẩn giao tiếp I2C

I2C là một chuẩn truyền nối tiếp theo mô hình chủ — tớ Một thiết bị chủ cóthể giao tiếp với nhiều thiết bị tớ Muốn giao tiếp với thiết bị nào, thiết bị chủ phảigửi đúng địa chỉ để kích hoạt thiết bị đó rồi mới được phép ghi hoặc đọc dữ liệu

Hình 2.7 Giao tiếp I2C

Một giao tiếp I2C gồm có 2 dây: Serial Data (SDA) và Serial Clock (SCL).SDA là đường truyền dữ liệu 2 hướng, còn SCL là đường truyền xung đồng hồ và

chỉ theo một hướng Như hình vẽ trên, khi một thiết bị ngoại vi kết nối vào đườngI2C thì chân SDA của nó sẽ nối với dây SDA của bus, chân SCL sẽ nối với dây SCL.

Mỗi dây SDA hãy SCL đều được nối với điện áp dương của nguồn cấp thôngqua một điện trở kéo lên Sự cần thiết của các điện trở kéo này là vì chân giao tiếpI2C của : mẩng hở Giá trị của các điện trở này khác nhau các thiết bị ngoại vithường là dạng cực mát tùy vào từng thiết bị và chuẩn giao tiếp, thường dao độngtrong khoảng 1K đến 4.7k

Như hình trên, ta thấy có rất nhiều thiết bị cùng được kết nối vào một busI2C, tuy nhiên sẽ không xảy ra chuyện nhầm lẫn giữa các thiết bị, bởi mỗi thiết bị sẽđược

2.5.3 Chuẩn giao tiếp SPI

Chuẩn giao tiếp SPI (Serial Peripheral Bus) là chuẩn truyền thông nối tiếp tốc

độ cao hãng Motorola đề xuất Một chip Slaves điều phối qua trình truyền thông vàcác chip Slaves được điều khiển bởi Master và Slaves SPI là một cách truyền songcông (full duplex) nghĩa là tại cùng một thời điểm quá trình truyền và nhận có thể xy

ra đồng thời Người ta còn có thể gọi nó là chuẩn truyền thông “4 dây” vì có 4đường giao tiếp

SCK: Xung giữ nhịp cho giao tiếp SPI, vì SPI là chuẩn truyền đồng bộ nên

cần I đường giữ nhịp, mỗi nhịp trên chân SCK báo 1 bit dữ liệu đến hoặc đi Đây làđiểm khác biệt với truyền thông không đồng bộ mà chúng ta đã biết trong chuẩnUART.Sự tồn tại của SCK giúp quá tuyển ít bị lỗi vì thế tốc độ truyền của SPI có thểđạt rất cao Xung nhịp chi được tạo ra bởi chip Master

MISO– Master Input / Slave Output; nếu là chip Master thì đây là đường

Input còn nếu là chip Slave thi MISO lại là Output MISO của Master và các Slavesđược nối trực tiếp với nhau MOSI – Master Output / Slave Input: nếu là chipMaster thì đây là đường Output còn nếu là chip Slave thi MOSI là Input MOSI củaMaster và các Slaves được nối trực tiếp với nhau

SS – Slave Select: SS là đường chọn Slavề cần giap tiếp, trên các chip Slave

đường SS sẽ ở mức cao khi không làm việc Nếu chip Master kéo đường SS của mộtSlave nào đó xuống mức thấp thì việc giao tiếp sẽ xảy ra giữa Master và Slave đó.Chỉ có 1 đường SS trên mỗi Slave nhưng có thể có nhiều đường điều khiển SS trênMaster tùy thuộc vào thiết kế của người dùng

Nói một cách vắn tắt và dễ hiểu

MISO - Mang các dữ liệu từ các thiết bị SPI về arduino

SS - Chọn thiết bị SPI cần làm việc

SCK - dòng đồng bộ

MOSI - Mang các dữ liệu từ Arduino đến các thiết bị SPI

Hình 2.8 Giao tiếp với 1 thiết bị

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 3.1 GIỚI THIỆU

Đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống loT phục vụ cho nông nghiệp ứng dụng Gateway” bao gồm:

Các Node (tạm gọi là Node 1, Node 2 ) thu thập các thông số của môi trườngnhư nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ pH Dữ liệu của các Node sẽ được gửi tớiGateway thông qua LoRa

Tại Gateway, dữ liệu sẽ được gửi lên server và truyền lên ứng dụng hiển thịcho người dùng Tại đây, người dùng có thể quan sát được dữ liệu tại các Node cũngnhư giám sát tình hình tại cây trồng Hơn nữa, người dùng có thể tự thiết lập để điềukhiển thiết bị tại các Node một cách tự động hoặc thủ công

3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống

Chức năng của hệ thống gồm có thu thập và giám sát các giá trị môi trường(nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng), giá trị dinh dưỡng (pH, ec) Điều khiển các thiết bị nhưmáy bơm nước, quạt thông gió, lưới cắt nắng…

Hệ thống được chia làm 4 phần:

- Phần app: giám sát và điều khiển các thiết bị thông qua internet.

- Server: lưu trữ, làm trung gian giao tiếp giữa app điện thoại và gateway thông qua

internet

- Gateway (thiết bị trung tâm): thu thập các giá trị cảm biến từ node để gửi lên

server, nhận lệnh điều khiển từ app để gửi cho node thông qua sóng lora 433MHz

- Node: đọc các giá trị môi trường ở nhiều điểm khác nhau trong nhà kính, điều

khiển các thiết bị

Hệ thống hoạt động được dựa trên mô hình được trình bày dưới đây:

Hình 3.2 Mô hình tổng thể

3.2.2 Lựa chọn linh kiện

 Module ESP32 wrover

Hình 3.3 Module ESP32 wrover

Module ESP32-WROVER là một module tích hợp chip ESP32-D0WDQ6 của Espressif Systems cho các ứng dụng WiFi, Bluetooth Low Enegry ESP32-WROVER thích hợp cho các ứng dụng cảm biến cần năng lượng thấp, như mã hóa tiếng nói, streaming video, mã hóa-giải mã MP3

Module ESP32-WROVER có một antenna tích hợp trên PCB Có 2 CPU có thể được điều khiển độc lập trên module, với tần số có thể được điều chỉnh từ 80 MHz đến 240 MHz Bên cạnh đó, module còn hỗ trợ nhiều giao tiếp ngoại vi như cảm biến, cảm biến Hall, giao tiếp SD card, Ethernet, SPI tốc độ cao, UART, I2S va2 I2C

Module có thể được sử dụng để điều khiển các cảm biến trong các dự án IoT, các thiết bị kết nối WiFi, Bluetooth, các dự án tự động hóa, nhà thông minh,

streaming video với camera, mã hóa và xử lí giọng nói,… Việc phát triển các dự án

mã nguồn mở với module thích hợp cho cả kĩ sư phần cứng và phần mềm

- Bộ nhớ : 64 kbytes bộ nhớ Flash, 20 kbytes SRAM

- Clock, reset và quản lý nguồn

- Điện áp hoạt động từ 2.0 → 3.6V

- Sử dụng thạch anh ngoài từ 4Mhz → 20Mhz

- Thạch anh nội dùng dao động RC ở mode 8Mhz hoặc 40Khz

- Chế độ điện áp thấp: Có các mode: ngủ, ngừng hoạt động hoặc hoạt động ở chế độchờ

- Cấp nguồn ở chân Vbat bằng pin ngoài để dùng bộ RTC và sử dụng dữ liệu đượclưu trữ khi mất nguồn cấp chính.

- 2 bộ ADC 12 bit với 9 kênh cho mỗi bộ

- Khoảng giá trị chuyển đổi từ 0 – 3.6 V

- Có chế độ lấy mẫu 1 kênh hoặc nhiều kênh

- DMA: 7 kênh DMA, có hỗ trợ DMA cho ADC, UART, I2C, SPI

- 7 bộ Timer:

+ 3 Timer 16 bit hỗ trợ các mode Input Capture/ Output Compare/ PWM

+ 1 Timer 16 bit hỗ trợ để điều khiển động cơ với các mode bảo vệ ngắtInput, dead-time

+ 2 Watchdog Timer để bảo vệ và kiểm tra lỗi

+ 1 Systick Timer 24 bit đếm xuống cho hàm Delay,…

- Có hỗ trợ 9 kênh giao tiếp: 2 bộ I2C, 3 bộ USART, 2 SPI, 1 CAN

- USB 2.0 full-speed interface

- Kiểm tra lỗi CRC và 96-bit ID

 Module Lora RA02

Hình 3.5 Module Lora RA02

Module Lora Ra-02 SX1278 sử dụng IC SX1278 , hoạt động trên tần số433MHz Là module có chất lượng cao, kích thước rất nhỏ gọn (chỉ có 17 x 16 mm),truyền phổ phạm vi rộng với khả năng chống nhiễu cao và phạm vi hoạt động có thểlên đến 10Km

Những thiết bị này cũng hỗ trợ chế độ (G) FSK hiệu suất cao cho các hệthống bao gồm WMBus, IEEE802.15.4g SX1287 chọn lọc, thu tuyến tính và IIP3cho tiêu thụ điện năng thấp hơn đáng kể so với các thiết bị khác

Đặc điểm:

- Chuẩn không dây: LoRaTM - 433MHz

- Dải tần số: 410 - 525MHz

- Điện áp hoạt động: 1.8V - 3.7V, mặc định 3.3V

- 18dBm - 10mW công suất đầu ra RF ổn định khi điện áp đầu vào thay đổi

- Hỗ trợ FSK, GFSK, MSK, GMSK, LoRaTM và OOK điều chế chế độ

- Phạm vi sóng RSSI: 127dB

- Tự động phát hiện tín hiệu RF, chế độ CAD và AFC tốc độ siêu cao

- CRC 256 byte dữ liệu động cơ

- Tốc độ bit lập trình có thể đạt đến 300kbps

- Nhiệt độ làm việc: -40- 85 độ

Hình 3.6 Sơ đồ kết nối giữa STM32 với Lora RA02

 Cảm biến ánh sáng: Max44009

Hình 3.8 Sơ đồ kết nối cảm biến ánh sáng

 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm: SHT30

Hình 3.9 Cảm biến nhiệt độ,độ ẩm

Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm SHT30 được sử dụng để đo nhiệt độ và độ ẩmvới chuẩn giao tiếp I2C rất dễ dàng để kết nối và giao tiếp với vi điều khiển, vỏchống thấm PE được làm từ vật liệu polyme, chống bụi, chống thấm nước, thoáng

khí tốt Cảm biến có cấu tạo gồm cảm biến SHT30 phía trong, bên ngoài là lớp vỏbảo vệ cảm biến khỏi các tác động vật lý từ môi trường như bụi, nước….

Dây của cảm biến nhiệt độ và độ ẩm SHT30 sử dụng cáp PVC đồng nguyênchất, điện trở thấp, điện áp ổn định, chống mài mòn, mềm và chống cháy Cảm biếnthường được sử dụng trong nhà kính nông nghiệp, môi trường độ ẩm cao, ngoài trời

và hầu hết các loại môi trường, có thể kiểm tra độ ẩm không khí trong đất, khuếchtán nước

- Giao tiếp: I2C

- Chiều dài dây: 1 mét