MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY THIẾT KẾ HỆ THỐNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY GIÁM SÁT TRỒNG RAU TRONG NHÀ KÍNH

Chính vì vậy nhóm đã tìm hiểu và thực hiện đề tài “Thiết kế hệ thống mạng cảm biến không dây đo nhiệt độ, độ ẩm ứng dụng trong trồng rau trong nhà kính”.. Hệ thống giám sát dữ liệu cảm b

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

THIẾT KẾ HỆ THỐNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY GIÁM SÁT TRỒNG RAU TRONG NHÀ KÍNHNhóm thực hiện: 11

Vũ Quang Tú 20174313 Nguyễn Quang Huy 20181529 Nguyễn Văn Đức 20181408

Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Quốc Cường

Bộ môn: Hệ thống đo và tin học công nghiệp

HÀ NỘI, 2/2022

Chữ ký của GVHD

Tóm tắt nội dung bài tập lớn

Cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của IoT, nhu cầu về quản lý, giám sát

từ xa thông qua Internet ngày càng cao Việc ứng dụng IoT vào trong tất cả cácngành đang trở thành xu thế của tương lai, đặc biệt là lĩnh vực nông nghiệp Đất nước ta là một quốc gia mạnh về nông nghiệp, trong bối cảnh đất nước đangchuyển mình bước sang thời kì 4.0 như hiện nay, việc ứng dụng IoT vào nôngnghiệp là một yêu cầu bắt buộc nhằm nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm,đưa nền nông nghiệp của đất nước trở thành nền nông nghiệp thông minh Chính

vì vậy nhóm đã tìm hiểu và thực hiện đề tài “Thiết kế hệ thống mạng cảm biến

không dây đo nhiệt độ, độ ẩm ứng dụng trong trồng rau trong nhà kính”

Để phục vụ cho đề tài, nhóm đã sử dụng các phần cứng rất phổ biến là moduleESP8266, các cảm biến DHT11 cùng những phần mềm để thiết kế, lập trình đểcác phần cứng đó có thể giao tiếp và trao đổi dữ liệu với nhau Hệ thống giám sát

dữ liệu cảm biến trong một chu kì phản hồi nơi các thiết bị điều khiển được kíchhoạt dựa trên các giá trị ngưỡng được xác định trước

Báo cáo gồm có 6 chương:

Chương 1: Tìm hiểu chung về vấn đề quản lí, giám sát các thông số kỹ kỹ thuậttrong việc trồng rau trong nhà kính

Chương 2: Yêu cầu, mục tiêu, kết quả của hệ thống cần đạt được

Chương 3: Kế hoạch thực hiện

Chương 4: Phân tích – Thiết kế

Chương 5: Đánh giá kiểm tra

Chương 6: Kết luận

Trong quá trình tìm hiểu và thiết kế sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, nhómchúng em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy đề đề tài được hoànthiện hơn

MỤC LỤC

Contents

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Tìm hiểu chung về nông sản Việt Nam

1.2 Vấn đề quản lí, giám sát các thông số kỹ thuật trong trồng rau nhà kính hiện nay

1.3 Các thông số quan trọng trong môi trường nông nghiệp

1.4 Xây dựng giải pháp thiết kế hệ thống

CHƯƠNG 2 YÊU CẦU, MỤC TIÊU, KẾT QUẢ CẦN ĐẠT

2.1 Yêu cầu thiết kế

2.2 Mục tiêu thiết kế

CHƯƠNG 3 KẾ HOẠCH THỰC HIỆN

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ

4.1 Phân tích và lựa chọn thiết kế chung

4.2 Thiết kế nút cảm biến

4.2.1 Cấu tạo chung của nút cảm biến không dây

4.2.2 Công suất tiêu thụ của nút cảm biến không dây

4.2.3 Lựa chọn phần cứng

4.3 Thiết kế mạng cảm biến

4.4 Trung tâm điều hành

4.5 Sơ đồ ghép nối phần cứng

4.6 Lập trình

4.6.1 Lập trình cho các nút cảm biến (Client)

4.6.2 Lập trình cho Server

CHƯƠNG 5 ĐÁNH GIÁ KIỂM TRA

5.1 Kết quả mà nhóm đạt được

5.2 Đánh giá

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN

6.1 Kết luận

CHƯƠNG 7 TÀI LIỆU THAM KHẢO

Sinh viên thực hiện

Ký và ghi rõ họ tên

BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô hình trồng rau trong nhà kính

Hình 4.1 Ba cấu trúc mạng phổ biến

Hình 4.2 Mô hình kết nối của mạng cảm biến

Hình 4.3 Cấu tạo cơ bản của nút cảm biến

Hình 4.4 Sơ đồ thiết kế mạng cảm biến trong nhà kính

Hình 4.5 Chế độ Access point

Hình 4.6 Chế độ truy cập station

Hình 4.7 Sơ đồ ghép nối một nút cảm biến

Hình 5.1 Test các nút trên board

Hình 5.2 Giao diện khi chưa có nút kết nối

Hình 5.3 Giao diện khi có nhiều nút kết nối

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Tìm hiểu chung về nông sản Việt Nam

Nông nghiệp là một trong những ngành kinh tế quan trọng nhất tại ViệtNam Bên cạnh việc sản xuất để phục vụ nhu cầu ngày càng tăng ở trong nước,Việt Nam còn là nước xuất khẩu lượng nông sản lớn mỗi năm Để đảm bảo chấtlượng cho nông sản, ta cần áp dụng khoa học và công nghệ Người quản lý cầnthu thập và theo dõi sát sao các chỉ số sinh trưởng của cây trồng trong từng thời

kỳ Nhờ quá trình giám sát và thu thập số liệu về nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, độPH,… nhà nông có thể theo dõi được sự phát triển của cây trồng, quyết định thờiđiểm thu hoạch thích hợp Biết được các thông số trong nhà kính, cho phép ngườicanh tác điều chỉnh hoạt động canh tác của mình một cách phù hợp để đạt đượcnăng suất tối ưu của nông sản

1.2 Vấn đề quản lí, giám sát các thông số kỹ thuật trong trồng rau nhà kính hiện nay

Có thể thấy việc nắm bắt được các thông số về nhiệt độ, độ ẩm, độ PH của đất vàcường độ ánh sáng là những thông số quan trọng trong việc trồng rau sạch trongnhà kính Tuy nhiên một số vấn đề phát sinh liên quan đến việc áp dụng các loạicảm biến đo vào trong một không gian lớn, khoảng cách xa, số lượng cảm biếnnhiều Chính vì vậy, thiết kế một mạng cảm biến để dễ dàng cho việc giám sát,

đo đạc là một việc cần thiết Người quản lý có thể giám sát các thông số trongnhà kính bằng trên máy tính, điện thoại, từ đó đưa ra các quyết định phù hợp cho

sự phát triển của từng loại rau

Hình 1.1 Mô hình trồng rau trong nhà kính

Tuy nhiên, cũng có nhiều thách thức trong vấn đề sử dụng mạng cảm biến trongtrồng rau sạch trong nhà kính là vấn đề tiêu thụ năng lượng, sự ăn mòn các cảmbiến trong môi trường nóng ẩm trong nhà kính

6

1.3 Các thông số quan trọng trong môi trường nông nghiệp

Nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh sáng, carbon dioxide (CO2) và pH là một sốthông số quan trọng có thể ảnh hưởng đến sự phát triển của thực vật Các thông

số này cũng có thể được sử dụng để chỉ ra sự khỏe mạnh của cây trồng hoặc nguy

cơ mắc bệnh của cây

Độ ẩm là một trong những thông số rất quan trọng trong lĩnh vực nôngnghiệp Độ ẩm tương đối (RH) là tỷ số giữa lượng hơi nước trong không khí sovới lượng hơi nước tối đa mà không khí có thể giữ ở một nhiệt độ và áp suất nhấtđịnh RH gián tiếp khuyến khích sự phát triển của sâu bệnh và các loại bệnh thựcvật RH khỏe mạnh đối với cây trồng nằm trong khoảng 50% đến 70%

Độ pH của đất là một thông số quan trọng khác đối với sự phát triển củathực vật và cây trồng vì nó ảnh hưởng đến sự sẵn có của các chất dinh dưỡngtrong đất Do đó, kiến thức về độ pH sẽ giúp bà con tối ưu hóa việc sử dụng phânbón Nói cách khác, nông dân sử dụng đúng loại phân bón, đúng thời điểm

Trong nhà kính, quản lý nhiệt độ là rất quan trọng vì nó ảnh hưởng đến độ ẩm vàquá trình quang hợp Quang hợp là một quá trình quan trọng đối với sự phát triểncủa cây Nhiệt độ thấp sẽ ảnh hưởng đến quá trình quang hợp và kết quả là câysinh trưởng bị chậm lại Nhiệt độ thích hợp là rất quan trọng đối với mỗi nhà máy

để có được kết quả tốt nhất

Một trong những thông số quan trọng nhất, cần được kiểm soát chặt chẽ lànồng độ CO2 trong không khí Đây là yếu tố chính để có được chất lượng, sốlượng và kích thước tốt của nấm sản xuất và được đo bằng ppm và Các giá trịcủa thông số này khác nhau đối với các loại nấm khác nhau Thông thường, trongquá trình đẻ trứng, mức độ tập trung CO2 có thể đạt đến mức rất cao - có thểvượt qua con số 10 000 ppm

1.4 Xây dựng giải pháp thiết kế hệ thống

Qua những tìm hiểu khái quát bên trên, có thể thấy việc thiết kế một hệ thốngmạng cảm biến không dây ứng dụng trong trồng rau trong nhà kính có những ưuđiểm như:

- Giúp người quản lí giám sát được các thông số như nhiệt độ, độ ẩm, ánhsáng từ đó đưa ra những quyết định

- Kết hợp với hệ thống làm mát, chiếu sáng, phun sương tạo thành một hệthống giám sát, điều khiển thông số môi trường thông minh (Tự động hoặc

do người điều khiển)

- Tích hợp với các hệ thống web, app cho phép người dùng cuối có thể theodõi được điều kiện môi trường trong nhà kính

- Phục vụ mục đích cuối là giúp cho chất lượng nông sản cao nhất

Do đó nhóm em đưa ra giải pháp thiết kế một hệ thống mạng cảm biến, giúp choviệc thu thập các thông tin ngay tại hiện trường diễn ra liên tục, chính xác và hiệuquả hơn

CHƯƠNG 2 YÊU CẦU, MỤC TIÊU, KẾT QUẢ CẦN ĐẠT 2.1 Yêu cầu thiết kế

Giả định thiết kế mạng cảm biến không dây đo các thông số nhiệt độ, độ ẩm, ánhsáng, nồng độ PH của đất cho một nhà kính trồng rau có diện tích là 2000m2,chiều dài là 50m, chiều rộng là 40m

- Xây dựng được mạng cảm biến đo lường chính xác các thông số nhiệt độ,

độ ẩm, độ PH, nồng độ CO2, cường độ ánh sáng trong nhà kính trồng rau

- Mạng cảm biến đo bao phủ được toàn bộ nhà kính

- Các thông số của cảm biến được gửi về trung tâm, hiển thị trên máy tính

- Hệ thống hoạt động ổn định, tiêu tốn ít năng lượng, không cần nhiều thời

gian bảo hành bảo trì

- Đưa ra cảnh báo khi các thông số vượt ngưỡng kỹ thuật

2.2 Mục tiêu thiết kế

Nhóm em sẽ đưa ra những mục tiêu thiết kế với các thành phần: Nút cảm biến vàServer

* Các yêu mục tiêu với Server:

Hệ thống mạng cảm biến được nhúng trong một hệ thống quản lí theo dõi cácthông số môi trường phục vụ việc giám sát các thông số trong nhà kính Trong đóviệc thu thập dữ liệu để theo dõi giám sát như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng là mộtphần của hệ thống Chính vì thế cần một giao diện để hiển thị và theo dõi Em đặt

ra các mục tiêu đối với server và giao diện như sau:

- Đối với giao diện: cần phải thân thiện, dễ sử dụng, phải đảm bảo các chứcnăng cơ bản đó là:

o Hiển thị các thông tin từ các cảm biến gửi lên như nhiệt độ,

độ ẩm, ánh sáng,…

o Điều khiển hệ thống quạt gió, đèn chiếu sáng, hệ thống phunsương

o Cấu hình các node cảm biến từ Server

- Đối với server, yêu cầu phải có khả năng xử lí được luồng dữ liệu từ nhiềunode cảm biến gửi lên

* Đối với các node cảm biến (client):

Các node cảm biến phải đáp ứng được những yêu cầu sau:

- Đo được các thông số như nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh sáng môi trường.

- Có khả năng kết nối không dây với gateway hoặc kết nối thẳng lên server.

- Có khả năng gửi tất cả các thông số đo được lên server.

- Đáp ứng yêu cầu tiêu thụ năng lượng thấp.

Ngoài ra thiết bị phải đáp ứng các yêu cầu sau:

- Khả năng làm việc ổn định trong thời gian dài ở điều kiện khắc nghiệt

- Khả năng kết nối ổn định với server

- Khả năng lưu trữ dữ liệu

BẢNG KẾT HOẠCH THỰC HIỆN

đạt được

Tuần Quang Tú Quang Huy Văn Đức

7 Tìm đề tài, xin tài liệu từ các nhóm năm học trước Tìm ra được hai đề

tài tiềm năng: bãi đỗ

xe và vườn rau Tìmđược hai bài báo cáocủa năm học trước

8 Thảo luận về các vấn đề trong đề tài đã chọn: Thực trạng: ngày

càng nhiều vườn raunhà kính, cần nhiềucông nhân, quy môrộng khó theo dõiđược hết toàn bộ

Thực trạng

(Đạt)

Vấn đề khó khăn(Đạt)

Cách giảiquyết

Tìm hiểu vềcác phươngthức truyềnthông

Chọn phương thứctruyền thông wifi,

mô hình mạng hìnhsao

10 Tìm hiểu về các linh kiện ESP8266, các cảm biến

DHT11, HC SR04, BH 1750, DFROBOT,… ĐẠT Đã tìm hiểuđược các thông số

kỹ thuật, cách ghépnối, cách đọc cảmbiến…

11 Tìm hiểu về

webserver Tìm hiểu về giaotiếp giữa hai

esp8266

Tìm hiểu cáchtruyền dữ liệucảm biến lênwebserver

Đạt Tìm hiểu đượccác chế độ AP hoặcSTA của esp8266.Lựa chọn chế độSTA

12 Đi mua linh

kiện, tìm hiểu

ghép nối phần

cứng

Học codearduino Học codearduino Đã mua đượcDHT11, HC SR04

Đã giao tiếp đượcgiữa hai esp8266 ở

chế độ AP, đã đọcđược giá trị các cảmbiến

Code đọc cảmbiến Đã tạo đượcwebserver, giao tiếp

được hai conesp8266, đọc đượccảm biến

và đẩy dữ liệulên server

Học thiết kếgiao diện webbằng html

Đã đọc được cảmbiến và đẩy dữ liệulên Server

15 Nạp code và mô phỏng thực tế Hệ thống hoạt động

chưa ổn định, đã đẩyđược lên webserverhiển thị lên máy tínhcho người dùng theodõi Đã có giao diệnổn

16 Chỉnh sửa các lỗi còn tồn tại như mạch hoạt động

chập chờn, lúc đọc cảm biến lúc không, cảm biến đọc

bị sai khi ghép code, giao diện còn lỗi một số chỗ

Đạt

17 Quay video demo

và thuyết trình Làm báo cáo Làm báo cáo Chưa hoàn thành

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ

Chương này sẽ trình bày chi tiết về thiết kế, lựa chọn và chế tạo các thành phầncủa hệ thống Bao gồm từ thiết kế tổng thể sơ đồ khối hệ thống đến đi vào thiết

kế chi tiết từng khối nhỏ

4.1 Phân tích và lựa chọn thiết kế chung

Khi thiết kế hệ thống cảm biến thu thập thông tin hiện trường, em dựa trên cơ sởcủa một hệ thống mạng cảm biến thông thường Do đó, hệ thống bao gồm rấtnhiều các node cảm biến kết nối với nhau Từ đó em đưa ra 2 phương án thiết kếnhư sau:

- Phương án 1: Các node cảm biến hoạt động độc lập, chúng sẽ thu thậpcác dữ liệu và kết nối trực tiếp đến một bộ thu thập và xử lí trung tâm, gọichung là gateway Gateway sẽ truyển nhận dữ liệu lên server

- Phương án 2: Các node cảm biến vẫn hoạt động độc lập với nhau, chúngthu thập dữ liệu và kết nối trực tiếp đến server thông qua internet

Ngoài ra, nhóm em đưa ra 3 kiến trúc kết nối phổ biến của mạng cảm biến nhưsau:

- Cấu trúc hình sao: Star

- Cấu trúc hình cây: Tree

- Cấu trúc Mesh

- Dễ tính toán, thiết kế và triển khai

- Không cần yêu cầu sử dụng thêm Gateway do có thể dụng luôn Router trong

hệ thống mạng wifi hoăc các thiết bị thông minh như smartphone nếu sửdụng mạng BLE

- Phần cứng sử dụng kết nối wifi đang ngày cảng rẻ và phổ biến làm cho chi

phí thiết kế và triển khai hệ thống được giảm đi đáng kế so với sử dụng cácchuẩn như Lora hay Zigbee

Hình 4.2 thể hiện cụ thể mô hình kết nối của mạng cảm biến mà nhóm sẽ sử dụngtrong Project

Hình 4.3 Mô hình kết nối của mạng cảm biến

4.2 Thiết kế nút cảm biến

4.2.1 Cấu tạo chung của nút cảm biến không dây

Một nút cảm biến không dây: bản chất là một thiết bị đo nhỏ gọn, tiêu thụ nănglượng thấp, dễ di chuyển và lắp đặt, sử dụng công nghệ truyền tin không dây

Hình 4.4 Cấu tạo cơ bản của nút cảm biến

Như trên hình, về cơ bản, nút cảm biến gồm 4 thành phần sau đây:

 Khối nguồn: do đặc trưng của nút cảm biến là làm việc độc lập, dễ dichuyển, có thể được gắn ở những vị trí, môi trường làm việc nguy hiểmhay xa trung tâm, vì vậy, nguồn sử dụng cho nút cảm biến thường là loạinguồn như pin lithium, ắc quy, hoặc pin sạc lại được Có thể sử dụng cácnguồn năng lượng tái tạo từ môi trường như mặt trời, nhiệt, ma sát, sóngđiện từ… Xu hướng hiện tại là nút cảm biến không sử dụng pin

 Tuy nhiên, do điều kiện học online, nhóm đã lựa chọn dùng nguồn trựctiếp từ adapter

 Khối thu thập dữ liệu: bao gồm các cảm biến được lựa chọn tùy thuộc vàomục đích sử dụng của nút cảm biến

- Ánh sáng: thu thập thông tin cường độ ánh sáng.

- Nhiệt độ: thu thập thông tin nhiệt độ môi trường.

- Độ ẩm: thu thập các thông số độ ẩm của đất, độ ẩm không khí.

- pH: theo dõi độ pH của đất trồng.

- Mức: đo mức nước trong bình chứa phục vụ cho việc tưới tiêu tự động

Lựa chọn các đầu đo cảm biến có độ nhạy và chính xác cao hay thấp tùythuộc vào ứng dụng

Ngoài ra còn có các bộ A/D converter nhưng sẽ không được đề cập sâu

 Khối xử lý trung tâm: Đảm nhận việc tập hợp dữ liệu từ khối thu thập dữliệu sau đó điều khiển khối giao tiếp để truyền về nút quản lý vùng Cónhiệm vụ xử ly tất cả các sự kiện xảy ra đối với nút cảm biến và có ảnhhướng lớn nhất tới chất lượng, chu kỳ đo, độ chính xác của thiết bị đo

 Khối truyền thông : Sau khi khối trung tâm xử lý tập hợp dữ liệu và gửicho khối truyền thông, khối truyền thông sẽ làm nhiệm vụ truyền nhận dữliệu giữa các nút cảm biến với nhau trong mạng cảm biến Nếu mạng cảmbiến sử dụng truyền thông bằng dây nối thì các chuẩn truyền thông cấptrường như PLC, CAN, Profibus thường là giải pháp thích hợp được lựachọn Khi đó, các khối truyền thông và giao thức truyền được tích hợpngay trên chính các bộ vi xử lý của mỗi nút cảm biến Nếu mạng cảm biến

sử dụng truyền thông không dây, một số giải pháp truyền thông tin khôngdây như: sử dụng sóng vô tuyến, truyền thông quang học, sóng siêu âm

4.2.2 Công suất tiêu thụ của nút cảm biến không dây

Để đảm bảo công suất tiêu thụ thấp khi thiết kế, chúng ta cần hiểu rõ về các vấn

đề tiêu thụ năng lượng của từng phần tử trong cảm biến và mạng;

Năng lượng tiêu thụ của mạng được tính bằng thời gian cảm biến truyền haynhận hay ngủ

Năng lượng tiêu thụ của cảm biến gồm hai phần:

- Năng lượng tiêu thụ của mỗi linh kiện cấu tạo nên nút cảm biến

- Năng lượng truyền nhận sóng khi các nút cảm biến trong mạng trao đổi

thông tin với nhau (năng lượng cung cấp cho các bộ khuếch đại côngsuất phía trước ăng ten trong bộ truyền nhận sử dụng sóng vô tuyến,công suất phát lựa chọn, khung bản tin)

Một nút cảm biến có 3 chế độ hoạt động:

- Chế độ hoạt động tích cực: Nút cảm biến thực hiện các nhiệm vụ đo

lường, phát hiện sự kiện, truyền thông tin đi hay nhận thông tin về vớicác thiết bị khác trong mạng Ở chế độ này, khối xử lý MCU của nútcảm biến luôn luôn hoạt động và gần như tất cả các khối còn lại cũngđều hoạt động Các khối có thể đồng thời hoạt động hoặc lần lượt hoạtđộng

- Chế độ ngủ: Là chế độ mà khoảng thời gian ấy nút cảm biến chưa phải

thực hiện một nhiệm vụ cảm biến hay truyền thông nào, tuy nhiên, nútcảm biến vẫn tham gia hoạt động trong mạng, và sau một thời gian nghỉ

t nhất định, nút sẽ hoạt động trở lại Ở chế độ này, khối xử lý MCU củanút cảm biến luôn ở trạng thái ngủ, các khối còn lại có thể nghỉ hoặcngủ Các khối còn lại có thể nghỉ hoặc ngủ Thực tế việc chuyển giữa