Bài luận văn đạt điểm 9 trong kì báo cáo luận văn tốt nghiệp . Đề tài thiếu kế mô hình điều khiển nhà trồng rau, điều khiển các thông số cần thiết cho các loại rau như nhiệt độ, đổ ẩm, ánh sáng,.... Có sử dụng Lora, IOT,... Đề tài có nghiên cứu và thiết kế app sử dụng qua điện thoại.
GIỚI THIỆU
Tổng quan về đề tài
Hiện nay, vì ô nhiễm đất, nước, không khí ngày càng gia tăng, rau xanh có nguy cơ nhiễm độc cao ngay cả khi không sử dụng phân bón hay hóa chất bảo vệ thực vật Ngoài ra, các yếu tố như nấm, sâu bệnh trong điều kiện môi trường bình thường cũng có thể gây hại cho rau, ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe người tiêu dùng.
Hình 1.1 Hệ thống nhà kính trồng rau [1]
Việc ứng dụng công nghệ cao trong nông nghiệp giúp kiểm soát các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm và nâng cao năng suất, chất lượng nông sản ổn định hơn Các mô hình nông nghiệp công nghệ cao ngày càng được mở rộng thay thế cho phương pháp truyền thống, nhằm tăng hiệu quả sản xuất Tuy nhiên, tại Việt Nam, việc áp dụng khoa học kỹ thuật và tự động hóa còn gặp nhiều hạn chế, đòi hỏi các ý tưởng và sản phẩm phù hợp hơn để nâng cao hiệu suất canh tác Chính vì vậy, tôi chọn đề tài “Thiết kế và thi công mô hình nhà kính trồng rau sử dụng mạng LoRa” để tăng cường ứng dụng công nghệ trong nông nghiệp.
Một số mô hình nông nghiệp áp dụng công nghệ cao hiện nay
Do hạn chế về thời gian để khảo sát một loại rau cụ thể, đề tài không tập trung áp dụng mô hình cho loại rau nào Các mô hình được xem xét dưới đây mang tính chất chung và tổng quát, phù hợp với nhiều loại rau khác nhau.
1.2.1 Mô hình nhà kính sử dụng công nghệ cao [2]
Hình 1.2 Mô hình nhà kính trồng rau tại Đà Lạt
Nhà kính ngày nay rất phổ biến tại Việt Nam, đặc biệt ở Đà Lạt nhờ vào khí hậu mát mẻ và điều kiện thời tiết thuận lợi Ban đầu, nhà kính được thiết kế để cách ly cây trồng khỏi tác động của thời tiết bên ngoài, bảo vệ và duy trì môi trường lý tưởng cho cây phát triển Qua thời gian, hệ thống kiểm soát khí hậu trong nhà kính đã được nâng cấp, bao gồm điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và hệ thống tưới tiêu tự động, giúp tối ưu hóa năng suất và sự phát triển của cây trồng Hiểu một cách đơn giản, hai hệ thống chính của nhà kính là hệ thống kiểm soát khí hậu bên trong và hệ thống điều khiển tưới tiêu tự động, giúp duy trì môi trường lý tưởng cho cây trồng phát triển mạnh mẽ.
Hệ thống điều khiển tưới bao gồm các thiết bị như đầu tưới nhỏ giọt, đầu tưới phun sương/mưa, bộ châm phân và bộ điều khiển tưới, giúp tối ưu quá trình cung cấp nước và phân bón cho cây trồng Nhờ hệ thống này, việc tưới nước và phân bón trở nên tiết kiệm, hiệu quả và Enables tăng năng suất cây trồng Việc áp dụng hệ thống tưới tự động giúp nông dân giảm chi phí sản xuất, nâng cao lợi nhuận và đảm bảo chất lượng nông sản.
Hệ thống điều khiển vi khí hậu trong nhà kính tích hợp cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm trong và ngoài nhà kính để duy trì điều kiện tối ưu Hệ thống quạt thông gió giúp đối lưu không khí hiệu quả, trong khi đèn chiếu sáng tăng cường ánh sáng khi cần thiết, đảm bảo cây trồng luôn nhận đủ ánh sáng Trạm đo thời tiết cung cấp thông tin về cường độ bức xạ mặt trời, cảnh báo mưa, tốc độ gió và lượng mưa, hỗ trợ điều chỉnh môi trường phù hợp Mục đích chính của hệ thống là giữ môi trường trong nhà kính ổn định, phù hợp với từng loại cây trồng để tăng hiệu quả sản xuất.
Mô hình nhà kính được trang bị đầy đủ các thiết bị điều khiển và đo lường thông số môi trường, giúp quản lý tối ưu các yếu tố bên trong Tuy nhiên, do quy mô lớn của nhà kính, hệ thống vẫn còn hạn chế trong khả năng điều khiển và giám sát từ xa một cách hiệu quả.
Trong nhiều khu vực nông nghiệp, các kính lớn có vai trò quan trọng trong việc giám sát và điều khiển từ xa các khu vực sản xuất Tuy nhiên, người nông dân vẫn cần đến tủ điện của từng khu vực để thao tác và điều chỉnh các thiết bị một cách trực tiếp, đảm bảo hoạt động diễn ra thuận lợi và hiệu quả.
1.2.2 Nông trường thủy canh tại Hội An [3]
Mô hình thủy canh giá thể nhiều tầng Sky Green lần đầu tiên xuất hiện tại Việt Nam, mang lại giải pháp hiệu quả cho nông nghiệp đô thị Hệ thống này nổi bật với khả năng tiết kiệm điện, giúp giảm chi phí vận hành và bảo vệ môi trường Sản phẩm còn đảm bảo tiết kiệm nước, tối ưu hóa nguồn nước sử dụng cho cây trồng Thêm vào đó, Sky Green giúp tiết kiệm diện tích đất, phù hợp với không gian đô thị hạn chế Với các tính năng vượt trội, mô hình thủy canh Sky Green hứa hẹn nâng cao năng suất và chất lượng nông sản tại Việt Nam.
Hệ thống gồm 60 tháp trồng với chiều cao đa dạng từ 3m, 6m đến 9m, được phân bổ hợp lý tại các vị trí phù hợp Máng trồng được kết nối với hệ thống băng chuyền tự động, di chuyển lên trên đỉnh và xuống dưới chân tháp nhờ hệ thống bánh xích, nhằm đảm bảo cây trồng luôn nhận đủ ánh sáng mặt trời trong suốt quá trình sinh trưởng.
Hệ thống cung cấp dinh dưỡng tưới tự động vận hành theo chuyển động lên xuống của hệ thống máng trồng, đảm bảo phân bổ dinh dưỡng đều đặn cho từng cây trồng Thiết bị này được kết nối trực tiếp với bình chứa phân bón và máy châm phân, giúp tối ưu hóa quá trình chăm sóc và nâng cao năng suất cây trồng.
Mô hình này được áp dụng rộng rãi tại các nền nông nghiệp tiên tiến như Nhật Bản, Australia, châu Âu, Mỹ nhờ khả năng tối ưu diện tích và nâng cao năng suất, giúp nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp.
Hình 1.3 Sky Green của VinEco
Nông trường chuyên sản xuất các loại rau ăn lá, rau gia vị và rau ăn quả để đáp ứng nhu cầu thị trường Ngoài ra, nông trại còn trồng các loại trái cây đa dạng như dâu tây, dừa xiêm lùn, lựu đỏ, xoài Thái, xoài Đài Loan, xoài Australia, chà là và táo vàng, góp phần cung cấp sản phẩm chất lượng cao và đa dạng cho khách hàng.
Các mô hình thủy canh hiện nay vẫn chưa đạt đến khả năng điều khiển và giám sát từ xa tự động, đòi hỏi sự can thiệp của con người để quản lý hệ thống Tương tự như mô hình nhà kính, các công nghệ thủy canh truyền thống còn hạn chế về khả năng tự động hóa và tối ưu hóa hoạt động Đề xuất nâng cao hệ thống thủy canh bằng các giải pháp tự động hóa tiên tiến để giảm thiểu sự phụ thuộc vào con người và tăng năng suất Việc tích hợp các hệ thống điều khiển thông minh sẽ giúp quản lý hiệu quả hơn, tối ưu hóa điều kiện trồng trọt và giảm thiểu rủi ro thất thoát.
1.2.3 Hệ thống trồng và chăm sóc rau tự động không cần con người FarmBot
FarmBot là một "cánh tay" máy chuyên dụng với khả năng di chuyển linh hoạt lên xuống và trái phải nhờ vào các trục thép chống gỉ, giúp tự động hóa quá trình trồng trọt một cách chính xác và hiệu quả.
+ Gieo hạt theo đúng mật độ và khoảng cách của từng loại hạt
+ Tự động phân bổ lượng nước thích hợp cho từng loại cây, thời tiết
+ Theo dõi, giám sát cây trồng bằng camera
+ Điều khiển dễ dàng qua điện thoại
+ Tự động loại bỏ cỏ dại
Hình 1.4 Giám sát và điều khiển vườn rau dễ dàng với Farmbot [4]
Dòng sản phẩm thương mại đầu tiên của hệ thống làm vườn tự động chỉ phù hợp cho diện tích nhỏ, với không gian gieo trồng khoảng 2.9 mét chiều dài và 1.4 mét chiều rộng Giới hạn chiều cao cây trồng ở mức 0.5 mét cho thấy công nghệ này hiện vẫn phù hợp hơn với các mô hình nông nghiệp quy mô nhỏ Điều này cho thấy việc ứng dụng công nghệ làm vườn tự động trong các nông trại lớn còn cần thêm thời gian để hoàn thiện và phổ biến rộng rãi.
Mô hình Farmbot có khả năng điều khiển và giám sát từ xa, mang lại tiện ích lớn cho người dùng Tuy nhiên, do đây chỉ là một mô hình nhỏ gọn, việc sử dụng kết nối Wi-Fi để điều khiển là hoàn toàn phù hợp và thuận tiện Công nghệ này giúp nâng cao hiệu quả vận hành và dễ dàng tích hợp với các thiết bị thông minh khác.
Giải pháp trồng rau thông minh
Sau khi đã tìm hiểu 3 mô hình nông nghiệp công nghệ cao kể trên, ta có bảng so sánh dưới đây:
Giải pháp Nhà kính truyền thống Mô hình thủy canh Hệ thống FarmBot
Không yêu cầu công nghệ cao
Yêu cầu công nghệ vừa phải
Yêu cầu công nghệ cao
Chi phí Nhỏ Trung bình Cao
Không cần lao động có kĩ thuật cao, nông dân cũng có thể sử dụng
Cần phải có kĩ sư, lao động có trình độ cao
Không cần lao động có kĩ thuật cao, nông dân cũng có thể sử dụng
Mức độ phù hợp với đề tài
Phù hợp Không phù hợp Không phù hợp
Mô hình trồng rau được khảo sát dựa trên mô hình nhà kính truyền thống tại Đà Lạt, nơi có khí hậu mát mẻ và đất đai rộng lớn Điều này giúp tối ưu hóa điều kiện phát triển các nông trại và nâng cao hiệu quả sản xuất rau sạch Đà Lạt là địa phương phù hợp để áp dụng các phương pháp trồng rau công nghệ cao nhờ vào đặc điểm khí hậu và thổ nhưỡng thuận lợi.
Cũng từ bảng so sánh này, ta đặt ra các yêu cầu đối với hệ thống nhà kính trồng rau được thực hiện trong đề tài:
Nhà kính quy mô vừa, có diện tích từ 5 đến 10 km², yêu cầu các giải pháp kiểm soát hiệu quả toàn bộ diện tích để đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả Việc áp dụng công nghệ phù hợp giúp quản lý môi trường trong nhà kính một cách toàn diện, từ hệ thống điều khiển nhiệt độ, độ ẩm đến kiểm soát ánh sáng Điều này giúp duy trì điều kiện lý tưởng cho sự phát triển của cây trồng và tối ưu hóa năng suất Giải pháp kiểm soát toàn diện là yếu tố then chốt để vận hành nhà kính quy mô vừa một cách hiệu quả và bền vững.
Hệ thống giám sát và điều khiển hiện đại cho phép quản lý dễ dàng tại chỗ hoặc qua mạng internet, giúp theo dõi các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và độ ẩm đất một cách chính xác và nhanh chóng Thiết bị đơn giản, dễ sử dụng, phù hợp với mọi người dùng, từ người mới bắt đầu đến chuyên nghiệp Việc tích hợp công nghệ internet làm tăng khả năng kiểm soát từ xa, nâng cao hiệu quả và tiện lợi trong quản lý môi trường Các giải pháp này đảm bảo sự liên tục và chính xác trong giám sát các yếu tố môi trường để duy trì điều kiện lý tưởng cho cây trồng hoặc hoạt động sản xuất.
Tóm tắt chương 1
Chương 1 trình bày lý do lựa chọn đề tài dựa trên các nhu cầu thực tế hiện nay của ngành nông nghiệp Trong đó, các mô hình nông nghiệp công nghệ cao trong và ngoài nước được khảo sát nhằm xác định những phương pháp canh tác tiên tiến và hiệu quả Từ các mô hình này, đề xuất mô hình canh tác phù hợp để áp dụng nhằm nâng cao năng suất và phát triển bền vững nông nghiệp.
Cũng qua chương này, các yêu cầu thực tiễn của hệ thống nhà kính cũng được đặt ra và sẽ tiếp tục được giải quyết ở chương tiếp theo.
TÌM HIỂU MỘT SỐ KHÁI NIỆM, CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG
Tổng quan về Internet of Things
2.1.1 Internet of Things là gì?
IoT (Internet of Things) – là một cuộc cách mạng công nghệ lần thứ 4 của thế giới
Nó không chỉ mở ra cái nhìn toàn diện hơn về các công nghệ và ứng dụng tiềm năng trong tương lai mà còn thể hiện khả năng ứng dụng thực sự đáng kinh ngạc.
Hình 2.1 Internet of Things đang ngày càng gắn liền với cuộc sống của chúng ta
IoT là hệ thống các thiết bị công nghệ liên kết với nhau qua một giao thức chung, đó chính là mạng truyền thông hoặc Internet, giúp kết nối mọi vật xung quanh đời sống hàng ngày.
Bạn chỉ cần một thiết bị kết nối internet để có thể dễ dàng điều khiển và kiểm tra mọi thiết bị trong nhà, bao gồm TV, máy giặt, tủ lạnh và máy tính, bất kể đang ở đâu Chìa khóa để thực hiện điều này là thiết lập một giao thức chung, đó chính là IoT (Internet of Things) Công nghệ IoT giúp kết nối tất cả các thiết bị trong nhà thành một hệ thống thống nhất, mang lại sự thuận tiện và hiệu quả trong quản lý cuộc sống hàng ngày.
Ngôi nhà của bạn trở nên siêu việt khi kết nối hàng loạt thiết bị thông minh, biến không gian sống thành một hệ thống công nghệ hiện đại Thay vì phải bật từng công tắc một cách thủ công vào buổi sáng, các thiết bị sẽ tự động hoạt động theo một quy trình đã được lập trình sẵn, mang lại sự tiện lợi tối đa Đèn ngủ sẽ tự sáng, máy pha cà phê bật lên, cửa sổ và quạt thông gió mở ra để cung cấp không khí trong lành, giúp bạn bắt đầu ngày mới một cách dễ dàng và thoải mái.
Gần đây, FPT đã ứng dụng công nghệ IoT vào hệ thống giao thông để nâng cao quản lý và điều phối phương tiện Việc lắp đặt và kết nối các camera thành mạng lưới trực tuyến giúp theo dõi chính xác lượng xe trên đường và các hoạt động liên quan trong phạm vi thành phố Nhờ hệ thống này, dữ liệu về giao thông được cập nhật liên tục, cho phép kiểm soát vị trí của các phương tiện và người đi bộ trong khu vực Các phương tiện như xe cá nhân cũng có thể liên lạc với hệ thống giao thông thành phố, góp phần giảm ùn tắc và cải thiện luồng di chuyển Công nghệ IoT trong giao thông của FPT mở ra bước tiến mới trong việc xây dựng hệ thống giao thông thông minh, an toàn và hiệu quả hơn.
2.1.2 IoT là công nghệ tương lai của cả thế giới
Ngay sau khi thu hút sự chú ý của cộng đồng, IoT đã thể hiện tiềm năng lớn với các số liệu ấn tượng, trong đó dự báo của Cisco – nhà cung cấp giải pháp và thiết bị mạng hàng đầu – cho biết đến năm 2020 sẽ có khoảng 50 tỷ đồ vật kết nối internet, chứng minh sức mạnh và khả năng mở rộng của công nghệ này.
BKAV là thương hiệu Việt Nam nổi bật với những thành tựu đáng kể trong lĩnh vực Internet of Things (IoT) Hệ thống nhà thông minh SmartHome của BKAV tích hợp nhiều thiết bị thông minh trong ngôi nhà, đều được kết nối Internet, giúp tự động hóa và dễ dàng điều khiển qua smartphone.
Các tập đoàn lớn như Google, Apple, Samsung và Microsoft đã công khai hướng tới việc xâm nhập thị trường IoT, hứa hẹn một cuộc cạnh tranh sôi động trong thời gian tới Sự cạnh tranh này sẽ thúc đẩy việc đưa kỷ nguyên Internet vạn vật (IoT) đến với người tiêu dùng một cách sớm hơn, mang lại nhiều đột phá công nghệ và tiện ích trong cuộc sống hàng ngày.
Tổng quan về MQTT [5]
MQTT là một giao thức truyền thông dạng publish/subscribe, chuyên dụng cho các thiết bị Internet of Things (IoT) có khả năng hoạt động hiệu quả trong môi trường mạng lưới không ổn định Giao thức này đặc trưng bởi độ băng thông thấp và độ tin cậy cao, giúp đảm bảo việc giao tiếp giữa các thiết bị IoT diễn ra liên tục và ổn định Đây là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu trao đổi dữ liệu nhanh chóng, an toàn trong môi trường mạng truyền thông yếu hoặc mất kết nối đột ngột.
Giao thức này sử dụng băng thông thấp trong môi trường có độ trễ cao, làm cho nó trở thành một lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng IoT và M2M Nhờ khả năng hoạt động hiệu quả trong điều kiện mạng hạn chế, giao thức này phù hợp để kết nối các thiết bị IoT và hệ thống machine-to-machine Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền dữ liệu và giảm thiểu chi phí liên quan đến băng thông.
2.2.1 Mô hình Publish, Subscribe trong MQTT
Trong hệ thống sử dụng giao thức MQTT, nhiều node trạm (mqtt client) kết nối tới một MQTT broker để trao đổi dữ liệu hiệu quả Mỗi client đăng ký các kênh (topics) như "/client1/channel1" hoặc "/client1/channel2" thông qua quá trình "subscribe", giúp nhận dữ liệu từ các nguồn phù hợp Khi một client gửi dữ liệu đến một kênh đã đăng ký, gọi là "publish", tất cả các client đã "subscribe" sẽ nhận được thông báo phù hợp Hệ thống MQTT đảm bảo truyền tải dữ liệu linh hoạt, nhanh chóng và đáng tin cậy giữa các thiết bị kết nối.
2.2.2 Qualities of Service (QoS) trong MQTT Ở đây có 3 tuỳ chọn QoS khi "publish" và "subscribe":
• QoS0 broker/client sẽ gởi dữ liệu đúng 1 lần, quá trình gởi được xác nhận bởi chỉ giao thức TCP/IP, giống kiểu đem con bỏ chợ
Trong giao thức MQTT, QoS1 đảm bảo rằng broker hoặc client sẽ gửi dữ liệu ít nhất một lần xác nhận từ phía nhận, nghĩa là dữ liệu có thể được xác nhận nhiều lần để đảm bảo tin cậy truyền thông Các yếu tố này giúp tăng tính ổn định và đảm bảo rằng thông điệp không bị mất trong quá trình truyền tải Việc sử dụng QoS1 phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu độ tin cậy cao nhưng không cần thiết phải đảm bảo đúng một lần.
• QoS2 broker/client đảm bảm khi gởi dữ liệu thì phía nhận chỉ nhận được đúng
1 lần, quá trình này phải trải qua 4 bước bắt tay
Hình 2.2 Các loại QoS trong giao thức MQTT
Trong hệ thống MQTT, một gói tin có thể được gửi với bất kỳ mức QoS nào, và các client cũng có thể đăng ký nhận dữ liệu với yêu cầu QoS khác nhau Điều này có nghĩa là client sẽ lựa chọn mức QoS tối đa mà nó hỗ trợ để nhận tin, đảm bảo độ tin cậy phù hợp Ví dụ, nếu một gói dữ liệu được xuất bản với QoS 2, nhưng client đăng ký với QoS 0, thì broker sẽ gửi dữ liệu xuống client này với QoS 0 để phù hợp với yêu cầu của họ Ngược lại, nếu có client khác đăng ký cùng kênh với QoS 2, thì broker sẽ gửi dữ liệu với QoS 2 để đáp ứng mức độ tin cậy cao hơn của khách hàng này.
Ví dụ, khi một client đăng ký với QoS2 nhưng gửi dữ liệu vào kênh đó với QoS0, broker sẽ gửi dữ liệu với QoS0, phản ánh sự khác biệt về độ tin cậy giữa các mức QoS Các mức QoS cao hơn như QoS2 đảm bảo độ tin cậy tuyệt đối nhưng đồng thời yêu cầu băng thông và độ trễ cao hơn, trong khi QoS thấp hơn như QoS0 phù hợp cho các dữ liệu không cần độ tin cậy cao và yêu cầu truyền tải nhanh chóng.
Khi RETAIN được thiết lập bằng 1, mỗi khi Client gửi một gói tin, Broker sẽ lưu trữ lại gói tin này cùng với QoS và chuyển tiếp nó đến bất kỳ Client nào đăng ký theo dõi cùng một kênh trong tương lai Client khi kết nối và subscribe vào Broker sẽ nhận được gói tin cuối cùng có RETAIN = 1 liên quan đến topic mà họ đăng ký Tuy nhiên, nếu Broker nhận được gói tin có QoS = 0 và RETAIN = 1, Broker sẽ xóa tất cả các gói tin có RETAIN để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu.
= 1 trước đó Và phải lưu gói tin này lại, nhưng hoàn toàn có thể huỷ bất kỳ lúc nào
Khi phát hành một gói dữ liệu đến Client, Broker cần đặt RETAIN = 1 nếu gói dữ liệu gửi đi là kết quả của việc đăng ký mới của Client, giống như một tin nhắn xác nhận (ACK) thành công đăng ký Ngược lại, RETAIN phải bằng 0 nếu Broker không quan tâm đến kết quả của quá trình đăng ký Điều này giúp đảm bảo rằng thông tin quan trọng về đăng ký mới được lưu trữ và gửi lại cho Client khi kết nối được thiết lập lại Việc sử dụng đúng giá trị RETAIN là yếu tố quan trọng để tối ưu hóa quá trình giao tiếp giữa Broker và Client theo nguyên tắc của MQTT.
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Tác giả có 1 cảm biến, nó gởi những dữ liệu quan trọng và rất không thường xuyên
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Tổng quan về LoRa [6]
LoRa được nghiên cứu và phát triển bởi Cycleo, sau đó được mua lại bởi công ty Semtech vào năm 2012, mang lại giải pháp truyền dữ liệu hiệu quả Công nghệ LoRa cho phép truyền dữ liệu qua khoảng cách hàng km mà không cần mạch khuếch đại công suất, giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ Nhờ đó, LoRa ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thu thập dữ liệu như mạng cảm biến (sensor network), nơi các nút cảm biến có thể gửi dữ liệu đo đạc về trung tâm từ xa hàng km và hoạt động với pin trong thời gian dài, giảm thiểu tần suất thay pin.
Hình 2.3 Hình minh họa thành phố thông minh sử dụng mạng Lora
LoRaWAN, còn được gọi là mạng LoRa, là mạng không dây tầm xa sử dụng công nghệ LoRa để kết nối các thiết bị Internet of Things (IoT) Tương tự như mạng di động 4G, LoRaWAN hoạt động trên băng tần riêng biệt, sử dụng kỹ thuật điều chế đặc trưng để đảm bảo truyền dữ liệu ổn định và hiệu quả Mạng LoRaWAN phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi phạm vi truyền tải xa, tiết kiệm năng lượng và độ tin cậy cao trong các hệ thống IoT.
Hình 2.4 Bảng so sánh các số thông số của một vài mạng không dây
LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế Chirp Spread Spectrum (CSS), trong đó dữ liệu được băm bằng các xung cao tần để tạo ra tín hiệu có dãy tần số cao hơn tần số của dữ liệu gốc, gọi là chipped Tín hiệu cao tần này sau đó được mã hóa theo chuỗi chirp signals, là các tín hiệu hình sin có tần số thay đổi theo thời gian, gồm upchirp tăng dần tần số và downchirp giảm dần tần số Nguyên tắc mã hóa của LoRa sử dụng upchirp cho bit 1 và downchirp cho bit 0, trước khi phát ra tín hiệu qua antenna để truyền đi.
Theo Semtech, nguyên lý này giúp giảm độ phức tạp và độ chính xác cần thiết của mạch nhận để giải mã và điều chế dữ liệu LoRa không yêu cầu công suất phát lớn, vẫn có thể truyền dữ liệu xa do tín hiệu LoRa có thể được nhận ở khoảng cách xa ngay cả khi độ mạnh tín hiệu thấp hơn mức nhiễu môi trường xung quanh.
Băng tần làm việc của LoRa từ 430MHz đến 915MHz cho từng khu vực khác nhau trên thế giới:
• 433MHz hoặc 866MHz cho châu Âu
Sử dụng tín hiệu chirp giúp các tín hiệu LoRa với các chirp rate khác nhau hoạt động cùng lúc trong cùng một khu vực mà không gây nhiễu lẫn nhau Điều này cho phép nhiều thiết bị LoRa truyền dữ liệu đồng thời trên nhiều kênh, mỗi kênh tương ứng với một chirp rate khác nhau Nhờ đó, hệ thống LoRa trở nên linh hoạt và hiệu quả hơn trong việc quản lý giao tiếp không dây.
LoRa nổi bật với thời gian sử dụng pin vượt trội so với các mạng không dây khác, như 4G chỉ có thể hoạt động trung bình 18 tháng với viên pin 2000mAh Trong khi đó, công nghệ LoRaWAN có thể duy trì hoạt động lên đến 105 tháng, tức hơn 8 năm, giúp giảm thiểu thời gian và chi phí thay pin Chính đặc điểm này giúp LoRa phù hợp cho các ứng dụng cần mở rộng trong thời gian dài mà không cần bảo trì thường xuyên.
Các khái niệm SpreadingFactor, CodingRate sẽ được giới thiệu ở phần tiếp theo Ở đây chúng ta chỉ tập trung vào các dữ liệu trong 1 radio packet của LoRa, bao gồm:
• Preamble: Là chuỗi binary để bộ nhận detect được tín hiệu của LoRa packet trong không khí
• Header: chứa thông tin về size của Payload cũng như có PayloadCRC hay không Giá trị của Header cũng được check CRC kèm theo
• Payload: là dữ liệu ứng dụng truyền qua LoRa
• PayloadCRC: giá trị CRC của Payload Nếu có PayloadCRC, LoRa chip sẽ tự kiểm tra dữ liệu trong Payload và báo lên nếu CRC OK hay không
2.3.3 Cấu trúc một mạng LoraWAN
Một thiết bị hỗ trợ LoraWAN sẽ có cấu trúc software như sau:
Hình 2.5 Cấu trúc của một thiết bị hỗ trợ LoraWAN
Thiết bị đầu cuối định hướng hai chiều (Class A) cho phép truyền thông hai chiều, trong đó mỗi thiết bị truyền đường lên theo sau bởi hai cửa sổ thu nhận đường xuống ngắn, phù hợp với nhu cầu truyền thông riêng biệt Các khe truyền dẫn được lên kế hoạch dựa trên nhu cầu của thiết bị và có một biến thể nhỏ dựa trên cơ sở thời gian ngẫu nhiên, như giao thức ALOHA Hoạt động của Class A là hệ thống thiết bị đầu cuối thấp nhất, chủ yếu cho các ứng dụng chỉ cần truyền thông đường xuống từ máy chủ ngay sau khi gửi đường truyền đường lên; liên lạc đường xuống từ máy chủ có thể phải chờ đợi nếu không có đường truyền đường lên mới.
Thiết bị đầu cuối định hướng hai chiều lớp B có các khe tiếp nhận theo lịch trình, ngoài các cửa sổ nhận ngẫu nhiên của lớp A Các thiết bị lớp B mở thêm các cửa sổ nhận theo lịch cố định để đảm bảo giao tiếp hiệu quả Để thiết bị mở cửa sổ nhận đúng thời gian, nó nhận được chỉ dẫn đồng bộ hóa thời gian từ gateway, giúp máy chủ xác định chính xác thời điểm thiết bị đầu cuối đang nghe Điều này tối ưu hóa quá trình trao đổi dữ liệu và nâng cao hiệu suất hệ thống mạng.
Thiết bị đầu cuối định hướng hai chiều với khe tiếp nhận cực đại (Class C) hoạt động liên tục mở các cửa sổ nhận dữ liệu, chỉ đóng lại khi tiến trình truyền dữ liệu bắt đầu Đây là loại thiết bị thường xuyên duy trì trạng thái sẵn sàng để nhận thông tin, đảm bảo hiệu quả truyền tải dữ liệu trong mạng Với khả năng mở rộng linh hoạt, thiết bị Class C phù hợp cho các hệ thống yêu cầu tiếp nhận liên tục mà không gián đoạn, tối ưu hóa hiệu suất mạng.
Hình 2.6 Các tầng giao thức của mạng LoraWAN
LoraWAN bao gồm các lớp MAC (Class A, Class B, Class C) hoạt động dựa trên chip Lora PHY Mỗi vùng địa lý trên thế giới yêu cầu thiết bị LoraWAN được cấu hình phù hợp để vận hành trong các băng tần cho phép như 433MHz hoặc 915MHz Việc cấu hình đúng các tần số này là yếu tố then chốt để đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của hệ thống IoT dựa trên LoraWAN.
2.3.4 Các thông số của mạng LoRaWAN [7]
Sau khi đã hiểu “LoRa là gì” và khả năng ứng dụng trong lĩnh vực IoT, chúng ta sẽ tìm hiểu các thông số radio của LoRa để nắm rõ ảnh hưởng của từng thông số đến quá trình truyền dữ liệu Việc hiểu rõ các thông số này giúp chúng ta điều chỉnh phù hợp với yêu cầu thực tế của từng ứng dụng, từ đó tối ưu hiệu suất truyền tải và đảm bảo kết nối ổn định.
Hình 2.7 Radio packet của Lora a Spreading Factor – SF
SF xác định số lượng xung chirp cần thiết để mã hóa tín hiệu đã được điều chế tần số (chipped signal) của dữ liệu Ví dụ, nếu SF = 12, thì mỗi mức logic của chipped signal sẽ được mã hóa bằng 12 xung chirp, giúp tối ưu hóa quá trình truyền và nhận dữ liệu trong hệ thống RF.
Với chipset SX1276/77/78/79 của SemTech thì SF có giá trị từ 6 đến 12 Giá trị cho
SF càng lớn thì thời gian truyền dữ liệu sẽ lâu hơn nhưng khoảng cách truyền sẽ xa hơn
Hệ số trải phổ SF (Spreading Factor) thường được sử dụng cho các thiết bị đặt xa Gateway hoặc bị che chắn bởi tường, tòa nhà để đảm bảo tín hiệu truyền tải ổn định Trong khi đó, SF=7 thường phù hợp cho các thiết bị nằm gần Gateway nhằm tối ưu tốc độ truyền dữ liệu Bên cạnh đó, bandwidth (Băng thông) đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tốc độ và khả năng truyền dữ liệu của hệ thống mạng không dây.
BW xác định biên độ tần số mà tín hiệu chirp có thể thay đổi, ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian mã hóa của tín hiệu Khi bandwidth càng cao, thời gian mã hóa của tín hiệu chipped sẽ càng ngắn, giúp giảm thời gian truyền dữ liệu Tuy nhiên, điều này cũng đồng nghĩa với việc khoảng cách truyền dữ liệu sẽ bị rút ngắn, giới hạn phạm vi hoạt động của hệ thống Cùng với đó, Coding Rate (CR) đóng vai trò quan trọng trong việc cân bằng giữa tốc độ truyền dữ liệu và độ bảo vệ chống sai lệch, giúp tối ưu hiệu quả truyền dữ liệu trong các hệ thống thông tin không dây.
CR (Coding Rate) là số lượng bit bổ sung được thêm vào mỗi Payload trong gói tin LoRa nhằm giúp mạch nhận có khả năng phục hồi dữ liệu đã bị lỗi, đảm bảo dữ liệu được truyền một cách chính xác Việc chọn CR càng cao sẽ tăng khả năng chống lỗi, giúp dữ liệu truyền đi ít sai sót hơn, nhưng đồng thời cũng làm tăng lượng dữ liệu cần gửi, có thể dẫn đến thời gian truyền dữ liệu qua không khí lâu hơn Sử dụng CR phù hợp là yếu tố quan trọng để cân bằng giữa độ tin cậy và hiệu quả truyền tải trong hệ thống LoRa.
Với chipset SX1276/77/78/79 thì chúng ta có 4 giá trị cho CR là 4/5, 4/6, 4/7 và 4/8 Tương ứng mỗi giá trị của CR thì số lượng dữ liệu tăng thêm lần lượt 1.25, 1.5, 1.75, 2
Tóm tắt chương 2
Chương này giới thiệu khái niệm và phân tích nguyên lý hoạt động của các giao thức, công nghệ chính liên quan đến đề tài Bên cạnh đó, nó còn đề cập đến các giao thức và công nghệ khác để cung cấp cái nhìn tổng quan toàn diện về lĩnh vực Nhờ đó, bài viết làm rõ các ưu điểm của giải pháp đề xuất, giúp độc giả hiểu rõ hơn về lợi ích và tính ưu việt của công nghệ sử dụng trong đề tài.
THIẾT KẾ MÔ HÌNH CHO NHÀ KÍNH
Lên ý tưởng thiết kế cho mô hình trồng rau
Ý tưởng thiết kế mô hình điều khiển và giám sát nhà kính trồng rau sơ bộ như bảng sau
Bảng 3.1 Ý tưởng thiết kế cho đề tài
Khối điều khiển trung tâm
Khối thiết bị Máy chủ
Tác dụng - Đo nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng
- Gởi dữ liệu đo được về bộ điều khiển trung tâm
- Thu thập dữ liệu từ bộ đo lường
- Gởi dữ liệu lên server
- Nhận lệnh từ server hoặc lệnh thủ công để điều khiển bật tắt các relay
- Thu Giám sát, điều khiển từ xa
Tìm hiểu, lựa chọn các phương pháp truyền thông cho nhà kính
Hiện nay, có nhiều giao thức và công nghệ truyền thông khác nhau, nhưng để chọn được giao thức phù hợp cho nhà kính trong đề tài, cần so sánh ưu nhược điểm của từng phương pháp Bảng so sánh dưới đây giúp xác định các ưu điểm và nhược điểm của các giao thức tiềm năng, từ đó lựa chọn phương án tối ưu phù hợp với yêu cầu của đề tài.
Dưới đây là các giao thức có tính khả thi cao nhất cho đề tài của bạn, giúp tối ưu hóa hiệu quả kết nối và truyền dữ liệu Một số giao thức khác như RS485, NFC cũng được nghiên cứu, nhưng không được đưa vào so sánh để giữ cho bài viết rõ ràng và dễ hiểu hơn.
Vào tháng 12 năm 2018, Viettel đã thành công thử nghiệm 30 trạm phát sóng sử dụng công nghệ NB-IoT tại Hà Nội, đánh dấu bước tiến quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ mạng IoT mới Tuy nhiên, thời gian chính thức triển khai và ra mắt công nghệ NB-IoT vẫn chưa được công bố rõ ràng.
Bảng 3.2 Bảng so sánh các giao thức có thể sử dụng trong nhà kính
Giao thức 3G/4G LoRa RS485 Wifi Bluetooth
Phạm vi truyền nhận dữ liệu
3G/4G có phạm vi truyền rộng, chỉ cần ở nơi đó có sóng điện thoại thì sẽ có 3G/4G
Khoảng cách lý thuyết của 3G là 200km cách cột sóng nhà mạng điện thoại
Khoảng cách lý thuyết khoảng 10km đối với tần số 433Mhz
Khoảng cách truyền khoảng 1200m, tuy nhiên vì là giao tiếp có dây nên khó ứng dụng vào các hệ thống nhà kính lớn (chi phí dây lớn)
Khoảng cách tầm 50m, có thể tăng phạm vi truyền nhận dữ liệu bằng cách thêm nhiều module
Phạm vi tầm 50 – 150m (đối với BLE)
Tần số, giấy 1800- Có nhiều loại Giao tiếp có Tần số từ 2.4Ghz
Tần số mạng cao tuy nhiên việc xin giấy phép là của nhà cung cấp dịch vụ tần số, trong đó ở VN sử dụng tần số
433 MHz, và không cần xin giấy phép sử dụng dây 2.4Ghz –
5Ghz Không yêu cầu giấy phép
Không yêu cầu giấy phép
Tốc độ truyền dữ liệu
Tốc độ trung bình 5.5kbps tùy thuộc vào các giá trị
Tối đa có thể đạt
Dòng tiêu thụ đỉnh: 28 mA
Chi phí Thấp Thấp Cao Thấp Thấp
Qua bảng và các yêu cầu của nhà kính được nêu trong chương 1, ta có thể thấy:
- 3G/4G có khoảng cách truyền xa, tốc độ truyền dữ liệu cao đến mức không cần thiết, chi phí và nguồn năng lượng tiêu thụ lớn
RS485 là giao tiếp có dây có nhược điểm khiến hệ thống nhà kính trở nên cồng kềnh và khó thi công, đặc biệt đối với các mô hình nhà kính cũ Ngoài ra, chi phí dây dẫn cao cũng là một điểm hạn chế của giải pháp này.
- Bluetooth tiêu thụ ít năng lượng tuy nhiên lại có khoảng cách truyền ngắn
Wifi có tốc độ truyền dữ liệu cao và chi phí thấp, nhưng lại hạn chế về khoảng cách truyền dữ liệu Việc mở rộng phạm vi truyền thông qua nhiều module sẽ làm tăng đáng kể chi phí hệ thống.
Lora là công nghệ truyền dữ liệu có khả năng truyền xa, tốc độ dữ liệu phù hợp và tiêu thụ ít năng lượng, giúp tiết kiệm chi phí Hơn nữa, sử dụng Lora không yêu cầu phải xin giấy phép, giúp dễ dàng triển khai và ứng dụng.
Qua việc so sánh các tiêu chí, có thể thấy rõ việc lựa chọn Lora làm giao thức truyền thông cho đề tài là hợp lý.
Tìm hiểu, lựa chọn các phương pháp điều khiển thông số môi trường và thiết bị sử dụng trong nhà kính
Để điều khiển khí hậu trong nhà kính một cách linh hoạt, cần sử dụng các phương pháp và thiết bị phù hợp Việc tìm hiểu và so sánh các phương pháp điều khiển môi trường giúp lựa chọn thiết bị tối ưu, nâng cao hiệu quả sản xuất và đảm bảo sự phát triển bền vững của cây trồng Trong bài viết này, chúng tôi sẽ trình bày các phương pháp điều khiển thông số môi trường để giúp xác định thiết bị phù hợp nhất cho nhà kính của bạn.
3.3.1 Phương pháp, thiết bị để điều khiển độ ẩm đất nhà kính Để nâng cao độ ẩm đất trong nhà kính cách đơn giản và hiệu quả nhất hiện nay chính là tưới nước cho đất, vì vậy cần tìm hiểu, lựa chọn giải pháp tưới thích hợp đối với mô hình, từ đó lựa chọn thiết bị tưới Dưới đây là bảng so sánh các giải pháp tưới hiện nay: tưới truyền thống, tưới nhỏ giọt, tưới phun sương
Bảng 3.3 Bảng so sánh các giải pháp tưới cho hệ thống nhà kính
Giải pháp tưới Tưới truyền thống Tưới nhỏ giọt Tưới phun sương Ưu điểm - Không mất chi phí đầu tư ban đầu
- Không cần có trình độ, kĩ thuật chuyên môn cao
- Đảm bảo phân bố độ ẩm đều trong tầng đất
- Cung cấp lượng nước tưới một cách đều đặn, tránh hiện
- Tiết kiệm nước, đảm bảo phân bố độ ẩm đều trong đất
- Tiết kiệm được tiền thuê công nhân tưới
- Không cần diện tích để lắp đặt các thiết bị tưới tự động tượng tập trung muối trong nước tưới và trong đất
- Tiết kiệm được tiền thuê công nhân tưới
- Tưới nhỏ giọt góp phần ngăn chặn sự phát triển của cỏ dại quanh gốc cây và sâu bệnh vì lượng nước chỉ cung cấp làm ẩm gốc cây
- Thiết bị lắp đặt là tự động chỉ cần điều chỉnh và sử dụng
- Có tác dụng cải tạo vi khí hậu khu vực tưới
- Hạn chế sâu bệnh, cỏ dại phát triển
- Kết hợp được tưới tưới phun mưa với phun thuốc trừ sâu, bón phân hóa học
- Có khả năng làm mát cây và rửa lá giúp cây quang hợp tốt hơn
- Thiết bị lắp đặt là tự động chỉ cần điều chỉnh và sử dụng
Nhược điểm - Gây lãng phí nước
- Độ ẩm không được phân bố đều, dễ gây xói mòn đất
- Tốn chi phí để thuê công nhân, về lâu dài thì chi phí có thể lớn hơn các phương pháp khác
- Hệ thống ống rất dễ tắc nghẽn
Tưới nhỏ giọt không thể làm mát cây và cải thiện vi khí hậu như tưới phun mưa, đồng thời không có khả năng rửa lá giúp cây quang hợp tốt hơn, do đó hạn chế hiệu quả trong việc duy trì sự phát triển của cây trồng.
- Chi phí lắp đặt ban
- Các loại vòi tưới phun mưa rất dễ bị tắc
- Yêu cầu trình độ nhất định trong thiết kế, xây dựng và quản lý hệ thống tưới phun mưa
- Vốn đầu tư ban đầu cao
- Các đường ống đầu khá cao tưới phun mưa và thiết bị hay hư hỏng, dễ bị mất mát, phá hoại do con người và côn trùng
Sau khi so sánh các phương pháp, giải pháp tưới phun sương được xác định là tối ưu nhất cho hệ thống nhà kính trồng rau Đây là phương pháp hiệu quả giúp kiểm soát độ ẩm, tối ưu hóa sự phát triển của cây trồng trong nhà kính Lựa chọn thiết bị tưới phun sương phù hợp sẽ đảm bảo hiệu quả tưới tiêu, tiết kiệm nước và năng lượng Áp dụng hệ thống tưới phun sương sẽ nâng cao năng suất và chất lượng rau củ trồng trong nhà kính, đáp ứng các yêu cầu sản xuất hiện đại.
Hệ thống tưới phun sương sẽ gồm 2 phần chính: máy bơm và hệ thống vòi phun sương
Hình 3.2 Máy bơm phun sương
3.3.2 Phương pháp, thiết bị để điều khiển độ ẩm không khí trong nhà kính
- Để giảm độ ẩm trong nhà kính có 2 cách là sử dụng quạt hút và mở cửa sổ nhà kính, dưới đây là bảng so sánh 2 giải pháp
Bảng 3.4 Bảng so sánh các giải pháp điều khiển độ ẩm không khí
Giải pháp Mở cửa thông gió Lắp quạt hút Ưu điểm
- Không khiến ánh sáng và gió lồng vào nhà kính
Nhược điểm - Có thể khiến ánh sáng và gió lọt vào nhà kính -
Phải lắp thêm thiết bị, tốn thêm chi phí
Dựa trên bảng so sánh, cả hai giải pháp đều có thể áp dụng trong nhà kính, tuy nhiên sử dụng quạt hút được ưu tiên hơn để kiểm soát khí hậu bên trong Việc chọn quạt hút giúp tránh tình trạng ánh sáng và gió quá mức, từ đó duy trì sự cân bằng khí hậu ổn định trong nhà kính Điều này đảm bảo môi trường trồng trọt đạt hiệu quả cao nhất, giảm thiểu tác động của các yếu tố bên ngoài.
Hình 3.3 Quạt hút ẩm sử dụng trong nhà kính
+ Sử dụng nhà kính có cửa thông gió
Hình 3.4 Nhà kính có cửa thông gió
- Độ ẩm không khí cũng có thể được tăng bằng cách tưới phun sương như đã nêu ở trên
3.3.3 Phương pháp, thiết bị để điều khiển độ sáng trong nhà kính
- Để tạo ánh sáng trong nhà kính thì ta có thể sử dụng 2 phương pháp là: mở cửa sổ (ban ngày) hoặc sử dụng bóng đèn
Bảng 3.5 Bảng so sánh các giải pháp điều khiển độ sáng trong nhà kính
Giải pháp Mở cửa sổ Sử dụng bóng đèn Ưu điểm
Tăng ánh sáng tự nhiên Không tốn điện
- Điều khiển linh hoạt bằng cách bật tắt
Có thể khiến gió lọt vào nhà kính
Gây giảm nhiệt độ, độ ẩm nhà kính
Có thể tăng nhiệt độ của phòng
Qua đó ta có thể kết hợp cả 2 giải pháp (đối với nhà kính có cửa sổ) hoặc sử dụng đèn cho nhà kính thông thường
Hình 3.5 Đèn LED quang hợp dùng trong nhà kính [8]
Để giảm ánh sáng cho nhà kính, bạn có thể sử dụng các loại vải hoặc tấm nilon nhằm phủ kín Tuy nhiên, phương pháp này thường đòi hỏi thao tác thủ công, khiến quá trình tự động hóa trong mô hình trở nên khó thực hiện.
3.3.4 Phương pháp, thiết bị để điều khiển nhiệt độ không khí trong nhà kính
Sử dụng máy sấy trong nhà kính giúp tăng nhiệt độ không khí một cách nhanh chóng mà không cần điều chỉnh ánh sáng, mang lại hiệu quả kiểm soát nhiệt độ dễ dàng hơn Tuy nhiên, phương pháp này cũng đồng nghĩa với việc tiêu thụ nhiều điện năng hơn, dẫn đến chi phí vận hành cao hơn Do đó, việc cân nhắc giữa hiệu quả và chi phí là yếu tố quan trọng khi lựa chọn sử dụng máy sấy trong quá trình chăm sóc nhà kính.
Hình 3.6 Máy sấy không khí
Các phương pháp như sử dụng quạt hút, tưới phun sương và mở cửa sổ là các giải pháp hiệu quả giúp giảm nhiệt độ không khí trong nhà kính, tạo điều kiện lý tưởng để cây trồng phát triển.
Đề xuất mô hình cho đề tài
Vì chưa chọn được giao thức và các loại thiết bị đo, linh kiện nên sơ đồ khối chung của hệ thống nhà kính được triển khai như sau:
Hình 3.7 Sơ đồ khối chung của hệ thống nhà kính
Bộ đo lường bao gồm các thiết bị đo hoặc cảm biến, có chức năng giám sát các thông số quan trọng trong hệ thống Các cảm biến này gửi dữ liệu về vi xử lý qua các giao thức có dây hoặc không dây, giúp hệ thống thu thập thông tin chính xác và hiệu quả để đưa ra các quyết định phù hợp.
+ Vi xử lý: xử lý dữ liệu nhận được từ bộ đo lường để điều khiển các thiết bị điện
+ Thiết bị điện: nhận lệnh từ vi xử lý để bật/tắt các thiết bị, giúp điều khiển các thông số của nhà kính theo ý muốn
+ Router: phát wifi để vi xử lý có thể truy cập và giao tiếp dữ liệu với server hoặc ứng dụng điện thoại.
Tóm tắt nội dung chương 3
Trong chương này, đã lựa chọn các phương pháp và giải pháp truyền thông phù hợp cho hệ thống nhà kính, giúp nâng cao hiệu quả vận hành và quản lý Việc áp dụng mạng LoRa được đề xuất vì lý do cung cấp khả năng kết nối liên kết xa, tiết kiệm điện năng và phù hợp với môi trường nhà kính Đồng thời, sơ đồ khối đơn giản của hệ thống đã được lập để hỗ trợ việc lựa chọn công nghệ và linh kiện phù hợp cho các chương tiếp theo Ứng dụng điện thoại thông minh cũng góp phần nâng cao khả năng theo dõi và điều khiển hệ thống một cách thuận tiện và hiệu quả.
LỰA CHỌN LINH KIỆN, CÁC CÔNG CỤ SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI
Lựa chọn linh kiện phần cứng, thiết bị sử dụng trong đề tài
Hình 4.1 Bảng so sánh các dòng vi xử lý phổ biến trên thị trường [9]
Bảng trên so sánh các dòng vi điều khiển như: 8051, AVR, PIC, ARM qua nhiều tiêu chí khác nhau, ta có thể thấy:
- 8051 là một loại thì hạn chế về các giao tiếp, ít chức năng, tiêu thụ dòng lớn và cũng đã lỗi thời
- Dòng PIC lại có giá thành cao hơn so với AVR hay ARM, cộng đồng hỗ trợ bị hạn chế
AVR là dòng kit Arduino tích hợp sẵn chip, giúp người dùng có một thiết bị đa năng, dễ sử dụng và có khả năng xử lý mạnh mẽ gần như tương đương ARM Với mức giá cạnh tranh, kit Arduino dựa trên AVR là lựa chọn lý tưởng cho các dự án DIY và học tập công nghệ.
- ARM có giá thành rẻ và khả năng xử lý kinh khủng nhưng lại rất khó sử dụng bởi hệ thống thư viện quá đồ sộ
Qua so sánh và phân tích, ARM là sự lựa chọn tối ưu cho đề tài của bạn Tuy nhiên, do còn thiếu kinh nghiệm và kiến thức chuyên môn, nên việc sử dụng kit Arduino sẽ giúp quá trình thực hiện trở nên dễ dàng và thuận tiện hơn.
4.1.1 Lựa chọn linh kiện cho khối Gateway
Hệ thống của chúng tôi có nhiệm vụ nhận dữ liệu cảm biến từ khối đo lường (LoRa Node) để theo dõi tình trạng môi trường và thiết bị một cách chính xác Dữ liệu sẽ được hiển thị trực tiếp trên màn hình giám sát tại chỗ, đảm bảo người dùng dễ dàng theo dõi tình hình thực tế Hệ thống còn hỗ trợ kết nối internet để giám sát từ xa, giúp quản lý và điều chỉnh thiết bị mọi lúc mọi nơi Ngoài ra, hệ thống được tích hợp vi xử lý để thực hiện điều khiển các thiết bị qua relay hoặc theo kịch bản lập trình sẵn, đảm bảo tính tự động và tối ưu hóa hoạt động.
Từ các nhiệm vụ trên, trong đề tài sẽ sử dụng kit ESP32 LoRa của Heltec để làm gateway
Hình 4.2 Module ESP32 Wifi Lora
- Điện áp hoạt động: 3.3V đến 7V
- Nhiệt độ hoạt động: -40°C đến +90°C
- Hỗ trợ chế độ Sniffer, Station, softAP và Wi-Fi Direct
- Tốc độ truyền dữ liệu: 150 Mbps 802.11n (HT40),72 Mbps 802.11n (HT20),54 Mbps 802.11g, 11 Mbps 802.11b
- Công suất phát: 19,5 dBm 802.11b, 16,5 dBm 802.11g, 15,5 dBm 802.11n
- IC trung tâm: ESP32 ARM SoC Wifi BLE
- Chip nạp và giao tiếp UART: CP2102
- Tích hợp IC RF Lora SX1278 433Mhz giao tiếp SPI khoảng cách truyền tối đa 3.6 Km
- Tích hợp Oled 0.96 inch độ phân giải 128 x 64 pixel, Driver SSD1306 giao tiếp I2C
- Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc Jack nguồn Pin Lipo 3.7~4.2VDC
- GIPO giao tiếp mức 3.3VDC
- Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Program
- Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino
Các ưu điểm của ESP32 Lora Wifi kit:
Tích hợp sẵn vi xử lý ESP32
Tích hợp sẵn màn hình OLED 0.96 inch
Có hỗ trợ giao thức Lora: để truyền nhận dữ liệu với các node
Có hỗ trợ kết nối internet qua WIFI
Hình 4.3 Sơ đồ ra chân của ESP32 Wifi Lora [10]
4.1.2 Lựa chọn linh kiện cho các Lora node a Bộ xử lý trung tâm:
Nhiệm vụ chính của hệ thống là kết nối với các cảm biến để thu thập các thông số quan trọng như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và độ ẩm đất, đảm bảo dữ liệu chính xác và kịp thời để quản lý nhà kính hiệu quả Dữ liệu sau đó được gửi đến gateway thông qua giao tiếp LoRa, giúp truyền tải thông tin ổn định và tiết kiệm năng lượng Hệ thống còn có khả năng điều khiển các thiết bị trong nhà kính dựa trên các dữ liệu thu thập được, tối ưu hóa môi trường sinh trưởng của cây trồng và nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp.
Trong dự án này, các nhu cầu thiết yếu bao gồm thu thập dữ liệu từ cảm biến và giao tiếp qua các phương tiện như LoRa và IO Vi xử lý Arduino UNO (Vietduino Uno) sẽ được sử dụng để đảm nhiệm các nhiệm vụ chính, nhờ vào khả năng xử lý linh hoạt và dễ dàng tích hợp Ưu điểm của Arduino UNO là dễ lập trình, phù hợp cho các ứng dụng IoT cần thu thập dữ liệu cảm biến và truyền thông hiệu quả qua các giao diện không dây như LoRa, giúp hệ thống vận hành ổn định và đáng tin cậy.
Có đầy đủ các giao tiếp 1 dây, SPI, I2C
Có hỗ trợ kết nối internet qua WIFI
Giá thành rẻ Đủ số lượng chân IO cần thiết
Hình 4.4 Kit Arduino UNO phiên bản Việt
Điện áp đầu vào tới hạn 6-20V
Chân vào ra số là 14 chân (trong đó có 6 chân băm xung PWM)
Chân đầu vào tương tự có 6 chân
Dòng DC vào ra trên chân là 40mA
Dòng đầu ra ở chân 3.3V là 50mA
Bộ nhớ Flash 32KB(ATMega328) trong đó 0.5KB sử dụng cho bootloader
Hình 4.5 Sơ đồ khái quát một số bộ phận của Arduino UNO b Bộ phận điều khiển thiết bị
Trong đề tài sẽ sử dụng module 4 relay có opto để bật tắt thiết bị tự động
Hình 4.6 Module relay 4 kích mức thấp có sử dụng opto
Relay là một công tắc (khóa K) Nhưng khác với công tắc ở một chỗ cơ bản, relay được kích hoạt bằng điện thay vì dùng tay người
Trên thị trường có hai loại module relay chính: module relay hoạt động ở mức thấp, khi nối cực âm vào chân tín hiệu thì relay sẽ đóng, và module relay hoạt động ở mức cao, khi nối cực dương vào chân tín hiệu thì relay sẽ đóng Cả hai loại này thường có thông số kỹ thuật tương tự, phần lớn linh kiện bên trong đều giống nhau, riêng điểm khác biệt nằm ở transistor của mỗi module, trong đó có loại NPN kích ở mức cao và PNP kích ở mức thấp.
Dưới đây là schematic của 1 trong 4 relay của module relay 4 ở hình phía trên
Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của một relay
Khi dòng điện chạy qua relay, nó tạo ra một từ trường hút tác động lên đòn bẩy bên trong, giúp đóng hoặc mở các tiếp điểm điện Quá trình này làm thay đổi trạng thái của relay, giúp điều khiển các mạch điện một cách chính xác và hiệu quả.
Relay có hai mạch độc lập hoạt động song song, trong đó một mạch dùng để điều khiển cuộn dây của relay, quyết định relay ở trạng thái ON hoặc OFF dựa trên dòng điện chạy qua cuộn dây Mạch còn lại kiểm soát dòng điện cần thiết truyền qua relay, đảm bảo dòng điện có thể đi qua hay không tùy theo trạng thái ON hoặc OFF của relay Việc này giúp đảm bảo điều khiển chính xác và an toàn cho hệ thống điện của bạn.
Dòng điện qua cuộn dây điều khiển relay cần đủ lớn để kích hoạt, nhưng hầu hết các chip không thể cung cấp dòng này trực tiếp Vì vậy, cần sử dụng một transistor BJT để khuếch đại dòng điện nhỏ từ đầu ra của chip thành dòng lớn hơn, đủ để hoạt động của relay.
Trên relay có 3 kí hiệu là: NO, NC và COM
Trong các mạch điện, chân COM (Common) đóng vai trò là chân chung, luôn được kết nối với một trong hai chân còn lại của relay Việc chân COM kết nối với chân nào còn lại phụ thuộc vào trạng thái hoạt động của relay, điều này ảnh hưởng đến quá trình điều khiển và bật tắt các thiết bị điện trong hệ thống.
• NC (Normally Closed): Bình thường nó sẽ đóng Nghĩa là khi relay ở trạng thái OFF, chân COM sẽ nối với chân này
• NO (Normally Open): Khi relay ở trạng thái ON (có dòng chạy qua cuộn dây) thì chân COM sẽ được nối với chân này
Ngoài ra, relay còn sử dụng opto để cách ly quang, nguyên lý như sau:
Khi cung cấp điện áp vào chân số 1 của module, LED trong Opto-coupler nối giữa chân số 1 và 2 sáng lên, kích hoạt hiệu ứng quang điện Điều này dẫn đến việc thông mạch giữa chân 3-4, giúp mức logic chuyển từ 1 xuống 0 một cách tự động mà không cần tác động trực tiếp.
Hình 4.8 Sơ đồ mạch của một opto
- Điện áp hoạt động: 5VDC
- Dòng tiêu thụ: 200mA/1Relay
+ Tiếp điểm đóng ngắt max: 250VAC-10A hoặc 30VDC-10A
- Kích thước: 72mm * 55mm * 19mm c Giao tiếp Lora:
- Có khả năng giao tiếp được Lora ở tần số 433Mhz( tần số cho phép tại VN)
- Có thể chỉnh được các thông số BW, CR, SF để tùy chỉnh tầm xa cho Lora sau này
Hiện nay trên thị trường có 2 loại module Lora phổ biến là E32(sử dụng giao tiếp UART) và Ra-02 ( sử dụng giao tiếp SPI)
Hình 4.9 Module Lora E32 sử dụng giao tiếp UART
Hình 4.10 Module Lora Ra-02 sử dụng giao tiếp SPI
Dưới đây là bảng so sánh 2 module để lựa chọn ra module phù hợp sử dụng cho đề tài
Bảng 4.1 Bảng so sánh 2 module Ra-02 và E32 thông số SF, BW, CR, thông số SF, BW, CR, …
Giá thành Thấp Cao ( gấp 2 lần Ra-02)
Chip sử dụng SX1278 SX1278
Chuẩn giao tiếp SPI UART
Tốc độ truyền 300 Kbps 0.3 - 19.2 Kbps ( mặc định
Khả năng tùy biến Có thể chỉnh được các Không thể chỉnh được các
Sử dụng module Ra-02 (giao tiếp SPI) mang lại khả năng tùy biến cao hơn so với E32 (giao tiếp UART), mặc dù giao tiếp SPI yêu cầu cấu hình phức tạp hơn Trong khi đó, E32 có chi phí cao và hạn chế về khả năng tùy biến, khiến nó ít phù hợp cho các dự án cần tùy chỉnh linh hoạt Do đó, lựa chọn tối ưu cho đề tài của chúng ta là sử dụng module Ra-02 để đảm bảo hiệu quả và khả năng mở rộng.
Tìm hiểu các cảm biến cần dùng trong đề tài
Đối với các loại cảm biến sử dụng trong đề tài, cần đáp ứng được các nhu cầu thiết yếu sau:
- Dễ dàng giao tiếp với vi xử lý
- Giá thành không quá cao
- Dễ dàng tìm thấy trên thị trường
- Tùy vào loại cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, độ ẩm đất) mà có mức thang đo phù hợp
- Khả năng đo được ánh sáng ở khoảng 1 - 2000 lux (ánh sáng trời nắng ban ngày)
Từ các tiêu chí ở trên, có thể dễ dàng tìm thấy một số loại cảm biến trên thị trường hiện nay như: TSL2561, BH1750
Bảng 4.2 Bảng so sánh giữa 2 loại cảm biến ánh sáng thông dụng trên thị trường
Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 giúp đo cường độ ánh sáng chính xác theo đơn vị lux Với tích hợp ADC nội và bộ tiền xử lý, cảm biến cung cấp giá trị đo trực tiếp mà không cần qua xử lý hoặc tính toán phức tạp Kết quả đo được truyền qua giao tiếp I2C, đảm bảo độ chính xác và dễ dàng tích hợp trong các dự án điện tử.
Hình 4.11 Cảm biến ánh sáng BH1750
- Điện áp hoạt động: 3 – 5V DC
- Cường độ ánh sáng trong một số môi trường như sau:
• Trời sáng trăng: 0.02 - 0.3 lx Trời mây trong nhà: 5 - 50 lx
• Trời mây ngoài trời: 50 - 500 lx
• Trời nắng trong nhà: 100- 1000 lx
4.2.2 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm
- Khả năng đo được nhiệt độ ở khoảng 0 – 50 °𝐶 (nhiệt độ tối đa mà nhà kính có thể đạt đến)
- Khả năng đo được độ ẩm không khí ở khoảng 20 – 80 %
Bảng 4.3 Bảng so sánh thông số của DHT11 và DHT22
Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 là cảm biến phổ biến, tích hợp đo nhiệt độ và độ ẩm với mức độ chính xác phù hợp cho nhiều ứng dụng Mặc dù DHT11 không chính xác như DHT22, nhưng giá thành hợp lý giúp tiết kiệm chi phí Vì đây là mô hình thử nghiệm, nên việc sử dụng DHT11 là lựa chọn phù hợp cho các dự án yêu cầu đo đạc cơ bản.
Hình 4.12 Module DHT11 đã ra chân
- Điện áp hoạt động: 3 – 5V DC
- Dòng sử dụng tối đa: 2.5mA (khi truyền dữ liệu)
- Khoảng đo độ ẩm: 20% - 80% - Khoảng đo nhiệt độ: 0 - 50 0 C
- Độ chính xác đo độ ẩm: ±5%
- Độ chính xác đo nhiệt độ: < ±2 0 C
- Độ phân giải: độ ẩm: 0.1% ; nhiệt độ: 0.1 0 C
- Kích thước: 15*12*5.5mm - Thời gian dò: 1s
Hình 4.13 Sơ đồ giao tiếp giữa DHT11 với MCU Để có thể giao tiếp với DHT11 theo chuẩn 1 chân vi xử lý thực hiện theo 2 bước:
• Gửi tin hiệu muốn đo (Start) tới DHT11, sau đó DHT11 xác nhận lại
• Khi đã giao tiếp được với DHT11, cảm biến sẽ gửi lại 5 bytes dữ liệu và nhiệt độ đo được
- Bước 1: gửi tín hiệu Start
Hình 4.14 Xung tín hiệu Start
MCU thiết lập chân DATA là dạng Output và kéo chân xuống 0 trong thời gian trên 18ms để DHT11 nhận biết rằng MCU đang yêu cầu đo nhiệt độ và độ ẩm Sau đó, MCU đưa chân DATA lên mức 1 và thiết lập lại chân là đầu vào để nhận dữ liệu từ cảm biến DHT11, đảm bảo quá trình đo diễn ra chính xác.
+ Sau khoảng 20 - 40us, DHT11 sẽ kéo chân DATA xuống thấp Nếu > 40us mà chân DATA ko được kéo xuống thấp nghĩa là ko giao tiếp được với DHT11
Chân DATA của cảm biến DHT11 bắt đầu ở mức thấp 80μs, sau đó được DHT11 kéo lên cao trong cùng khoảng thời gian này Việc giám sát chân DATA giúp MCU xác định chính xác quá trình giao tiếp với DHT11 có thành công hay không, đảm bảo thu thập dữ liệu chính xác về nhiệt độ và độ ẩm.
42 không Nếu tín hiệu đo được DHT11 lên cao, khi đó hoàn thiện quá trình giao tiếp của MCU với DHT
- Bước 2: đọc giá trị trên DHT11
DHT11 sẽ trả giá trị nhiệt độ và độ ẩm về dưới dạng 5 bytes Trong đó:
Byte 1: giá trị phần nguyên của độ ẩm (RH%)
Byte 2: giá trị phần thập phân của độ ẩm (RH%)
Byte 3: giá trị phần nguyên của nhiệt độ (TC)
Byte 4 : giá trị phần thập phân của nhiệt độ (TC)
Dữ liệu đo lường nhiệt độ và độ ẩm chính xác khi Byte 5 bằng tổng của Byte 1 đến Byte 4 (Byte 5 = Byte 1 + Byte 2 + Byte 3 + Byte 4) Sau khi thiết bị giao tiếp thành công với cảm biến DHT11, cảm biến này sẽ gửi về MCU 40 bit dữ liệu liên tiếp, gồm 5 byte chứa thông tin về nhiệt độ và độ ẩm Việc kiểm tra giá trị Byte 5 là bước quan trọng để xác định tính hợp lệ của dữ liệu đo lường, đảm bảo kết quả chính xác và có ý nghĩa.
Hình 4.15 Tín hiệu bit 0 từ DHT11 gửi về
Hình 4.16 Tín hiệu bit 1 từ DHT11 gửi về
Sau khi tín hiệu được đưa về 0, ta đợi chân DATA của MCU được DHT11 kéo lên
1 Nếu chân DATA là 1 trong khoảng 26-28us thì là 0, còn nếu tồn tại đến 70us là 1 Do đó trong lập trình ta bắt sườn lên của chân DATA, sau đó delay 50us Nếu giá trị đo được là 0 thì ta đọc được bit 0, nếu giá trị đo được là 1 thì giá trị đo được là 1 Cứ như thế ta đọc các bit tiếp theo
4.2.3 Cảm biến độ ẩm đất
Cảm biến độ ẩm đất có thể giao tiếp bằng chân Analog hoặc chân Digital
Khi kết nối chân Analog, người dùng có thể đọc được các mức điện áp tương ứng với độ ẩm đất, giúp xác định chính xác giá trị độ ẩm của đất Điều này cho phép đánh giá tình trạng đất một cách nhanh chóng và chính xác, hỗ trợ quá trình tưới tiêu hợp lý Việc đọc giá trị điện áp từ chân Analog là bước quan trọng để chuyển đổi thành mức độ ẩm đất thực tế, nâng cao hiệu quả trong quản lý cây trồng.
Khi giao tiếp với chân Digital, mức thấp cho biết đất đã đủ nước, trong khi mức cao cho thấy đất đang thiếu nước Độ nhạy của cảm biến phát hiện độ ẩm đất có thể được điều chỉnh dễ dàng bằng cách chỉnh chiết áp màu xanh trên bo mạch.
Hình 4.17 Cảm biến độ ẩm đất
- Điện áp hoạt động: 3,3 – 5V DC
- LED đỏ báo nguồn, LED xanh dùng để báo độ ẩm
Lựa chọn giao thức truyền thông dữ liệu server
- Khả năng trực tuyến xuyên suốt để có thể giám sát, điều khiển thiết bị mà không bị gián đoạn
- Không yêu cầu kích thước dữ liệu lớn, nên chỉ cần tốc độ truyền bit/s cao
Ngoài giao thức MQTT đã được trình bày, HTTP cũng là một lựa chọn phổ biến để truyền và nhận dữ liệu trong các ứng dụng truyền thông Việc so sánh giữa hai giao thức MQTT và HTTP giúp xác định phương án phù hợp nhất cho đề tài của bạn, dựa trên yêu cầu về tốc độ, độ tin cậy và tính tối ưu trong quá trình truyền dữ liệu.
Bảng 4.4 Bảng so sánh giữa MQTT và HTTP
Từ yêu cầu và bảng so sánh, ta chọn MQTT để thực hiện đề tài.
Một số phần mềm hỗ trợ quá trình thực hiện đề tài
Arduino IDE (Arduino Integrated Development Environment) là một trình soạn thảo văn bản, giúp bạn viết code để nạp vào bo mạch arduino
Hình 4.18 Biểu tượng của phần mềm Arduino IDE
Các ưu điểm của Arduino IDE:
- Đơn giản, dễ sử dụng
- Cộng đồng hỗ trợ lớn
- Tương thích với các vi xử lý Arduino
Tốc độ truyền dữ liệu Giao tiếp nhanh Cồng kềnh và chậm chạp
Kích thước dữ liệu Chỉ có thể truyền dữ liệu nhỏ
Có thể truyền dữ liệu lớn như là website
Trực tuyến Mất rất ít byte cho việc kết nối với server và connection nên có thể giữ trạng thái trực tuyến xuyên suốt
Không thể giữ trạng thái trực tuyến xuyên suốt
Sublime Text là trình chỉnh sửa văn bản phổ biến, được viết bằng ngôn ngữ Python và tương thích với nhiều hệ điều hành như Windows, Mac, Linux Phần mềm này hỗ trợ đa dạng ngôn ngữ lập trình, phù hợp cho lập trình viên và nhà phát triển Sublime Text cung cấp cả phiên bản miễn phí và trả phí, mang lại nhiều tính năng ưu việt để tối ưu hóa trải nghiệm lập trình.
• Chạy nhẹ nhàng so với một full IDE mà vẫn thường được dùng trước kia như Eclipse, IntelljIDEA, VS, Dreamware…
Dịch vụ của chúng tôi miễn phí và hoạt động ổn định, gần như không gặp lỗi nào Đặc biệt, hỗ trợ đa nền tảng gồm MacOS, Linux và Windows, giúp người dùng không cần phải thay đổi môi trường lập trình yêu thích của mình.
• Các extensions nhiều, phong phú, tiện lợi, cài đặt dễ dàng, và cũng hầu hết miễn phí
• Chế độ tìm kiếm, replace, highlight rất dễ sử dụng
• Sử dụng thêm phím Ctrl, bạn có thể edit cùng lúc nhiều chỗ khác nhau
Hình 4.19 Biểu tượng của phần mềm Android Studio
Android Studio là môi trường phát triển tích hợp chính thức dành cho phát triển ứng dụng Android, dựa trên nền tảng IntelliJ IDEA, mang lại trải nghiệm lập trình chất lượng cao Với trình soạn thảo mã mạnh mẽ và các công cụ phát triển tối ưu của IntelliJ, Android Studio cung cấp nhiều tính năng nâng cao giúp tăng hiệu suất làm việc khi xây dựng ứng dụng Android, như hỗ trợ coding tự động, quản lý dự án dễ dàng và Debug hiệu quả.
- Một hệ thống xây dựng Gradle linh hoạt
- Trình mô phỏng nhanh và tính năng phong phú
- Một môi trường hợp nhất nơi bạn có thể phát triển cho tất cả các thiết bị Android
- Instant Run để đẩy các thay đổi vào ứng dụng đang chạy của bạn mà không cần xây dựng một APK mới
- Mẫu mã và tích hợp GitHub để giúp bạn xây dựng các tính năng ứng dụng phổ biến và nhập mã mẫu
- Các công cụ và khuôn khổ thử nghiệm mở rộng
- Tích hợp hỗ trợ Google Cloud Platform , giúp dễ dàng tích hợp Google Cloud Messaging và App Engine
4.4.4 Phần mềm thiết kế Sketchup
Hình 4.20 Phần mềm SketchUp giúp mô hình hóa các ý tưởng
Sketchup là phần mềm mô hình hóa 3D phù hợp cho kiến trúc sư, kỹ sư, nhà phát triển game và làm phim, đồng thời dễ sử dụng cho những người mới bắt đầu thiết kế mô hình đơn giản Phần mềm này hỗ trợ quá trình thiết kế và xây dựng bằng các thao tác đơn giản qua các icon, giúp người dùng thao tác nhanh chóng và tiện lợi Với tính năng sáng tạo linh hoạt, Sketchup cho phép mô phỏng các ý tưởng dựa trên cảm nhận như vẽ bằng bút chì và giấy, tạo ra các sản phẩm 3D chất lượng cao một cách dễ dàng Những từ khóa quan trọng như "phần mềm mô hình hóa 3D", "thiết kế đơn giản", "dễ sử dụng", và "tính sáng tạo" giúp tối ưu hóa SEO cho nội dung này.
- Phác họa ý tưởng nhanh chóng với Setchup
- Thiết kế chính xác với Sketchup
- Sự trực quan của Sketchup.
Tóm tắt chương 4
Trong chương này, chúng tôi đã lựa chọn các linh kiện, vi xử lý và cảm biến phù hợp để thực hiện đề tài một cách hiệu quả Ngoài ra, chương còn đề cập đến các phần mềm hỗ trợ quá trình thiết kế, triển khai và kiểm thử dự án, nhằm đảm bảo sự chính xác và tối ưu hóa hoạt động của hệ thống.
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT, ĐIỀU KHIỂN CÁC THÔNG SỐ CỦA NHÀ KÍNH
Thiết lập sơ đồ khối chi tiết và mô hình của hệ thống nhà kính sử dụng công nghệ Lora
Sau khi lựa chọn các linh kiện, cảm biến, thiết bị và giao thức mạng phù hợp, chúng tôi tiến hành thiết kế sơ đồ khối từng phần để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của hệ thống nhà kính Tiếp theo, sơ đồ khối tổng quát của mô hình được xây dựng nhằm tối ưu hóa quá trình vận hành, giám sát và kiểm soát môi trường trong nhà kính Quá trình này giúp tích hợp các thành phần một cách đồng bộ, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả, đồng thời đáp ứng các tiêu chuẩn về an toàn và tiết kiệm năng lượng.
5.1.1 Thiết kế sơ đồ khối cho một LoRa node
LoRa node đại diện cho một khu vực, thu thập các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm qua cảm biến và gửi dữ liệu về trung tâm xử lý qua mạng LoRa Các thông số này sau đó được trung tâm xử lý đưa lên Gateway để phân tích và quản lý dữ liệu hiệu quả Thiết bị điều khiển có thể được vận hành bằng các nút nhấn tại chỗ hoặc nhận lệnh từ Gateway từ xa, đảm bảo vận hành linh hoạt và chính xác.
Hình 5.1 Sơ đồ khối của Lora Node
5.1.2 Thiết kế sơ đồ khối cho Gateway
Sau khi trung tâm xử lý tiếp nhận dữ liệu từ LoRa node, Gateway sẽ kết nối với wifi và gửi dữ liệu lên server thông qua mạng internet
Gateway nhận lệnh từ khối nút nhấn tại chỗ hoặc từ server trung tâm xử lý rồi truyền xuống LoRa node để thực hiện các nhiệm vụ điều khiển tương ứng Quá trình này đảm bảo hoạt động của hệ thống tự động và chính xác, giúp các thiết bị IoT hoạt động hiệu quả trong mạng lưới LoRa.
Trung tâm xử lý Khối nút nhấn tại chỗ Khối giao tiếp LoRa
Hình 5.2 Sơ đồ khối của Gateway
5.1.3 Thiết lập sơ đồ khối chi tiết cho toàn hệ thống nhà kính
Từ sơ đồ khối của LoRa node và Gateway, ta có sơ đồ khối chi tiết của toàn hệ thống nhà kính
Hình 5.3 Sơ đồ khối toàn hệ thống
Khối nút nhấn tại chỗ
Mô hình này lấy Gateway làm trung tâm, được xây dựng bằng các module wifi và LoRa để tiếp nhận dữ liệu từ các cảm biến như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và độ ẩm đất Gateway có nhiệm vụ chờ nhận dữ liệu LoRa từ cảm biến và sau đó publish dữ liệu đó lên broker Dữ liệu từ broker sẽ được đẩy lên server hoặc gửi về phần mềm điều khiển để quản lý và xử lý hiệu quả.
Gateway kết nối với server hoặc phần mềm qua phương thức MQTT, giúp truyền dữ liệu nhanh chóng với băng thông thấp dựa trên mô hình publish/subscribe Khi nhận dữ liệu LoRa từ các cảm biến, Gateway xử lý và publish dữ liệu lên broker qua một topic, trong khi server hoặc phần mềm subscribe và lắng nghe liên tục các message trên topic đó để cập nhật giá trị mới ngay lập tức Ngược lại, khi server hoặc phần mềm publish dữ liệu, Gateway sẽ subscribe và nhận message từ chúng, sau đó chuyển đổi dữ liệu thành tín hiệu LoRa và truyền đi tức thì đến các thiết bị điều khiển như relay.
Server sử dụng trong đề tài là cloudMQTT của Amazon và phần mềm được xây dựng trên nền tảng Android
5.1.4 Mô phỏng mô hình nhà kính sử dụng công nghệ LoRa
Sau khi xây dựng sơ đồ khối chi tiết cho hệ thống nhà kính ứng dụng công nghệ LoRa, việc mô phỏng mô hình nhà kính bằng phần mềm Sketchup giúp tăng tính trực quan và minh họa rõ hơn về cấu trúc hệ thống.
Hình 5.4 Mô hình nhà kính
Mô hình nhà kính có bề ngang 10 𝑘𝑚 , chia nhà kính thành 2 khu vực:
- Mỗi khu vực gồm 1 Lora node dùng để thu thập thông số và điều khiển các thiết bị như: quạt hút, đèn, máy sấy, dàn tưới phun sương
- Gateway được đặt trong nhà điều khiển cách nhà kính khoảng 1km
Hình 5.5 Mô hình nhà kính và phòng điều khiển
+ Mặt cắt bố trí thiết bị trong nhà kính:
Hình 5.6 Bố trí thiết bị trong nhà kính
+ Mặt cắt phòng điều khiển:
+ Bảng điều khiển Gateway: Bao gồm 1 màn hình để hiển thị thông số, các nút bấm điều khiển kịch bản, …
Hình 5.8 Bảng điều khiển gateway
+ Bảng điều khiển Node: Gồm các nút nhấn điều khiển các thiết bị và đèn LED hiển thị trạng thái
Hình 5.9 Mô hình tủ điện chứa node
Thiết kế và thi công node
5.2.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý
Giải pháp thiết kế Node:
Hình 5.10 Sơ đồ ghép nối phần cứng của node
Sơ đồ khối ghép nối phần cứng node:
Bao gồm có 4 khối chức năng:
Khối nguồn đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nguồn điện ổn định cho toàn bộ hệ thống điều khiển Nó chính là nguồn cung cấp năng lượng cho các thành phần như khối vi điều khiển, cảm biến, bộ điều khiển và các thiết bị truyền thông Việc đảm bảo nguồn điện ổn định là yếu tố then chốt để hệ thống hoạt động hiệu quả và đáng tin cậy.
- Khối 2: Khối vi điều khiển
Khối vi điều khiển Arduino UNO sẽ nhận tín hiệu từ cảm biến và gửi bản tin đến gateway thông qua module truyền thông Ra-02
Ngoài ra, vi điều khiển cũng sẽ nhận tín hiệu điều khiển từ gateway và gửi về các thiết bị
- Khối 3: Khối cảm biến, điều khiển
Khối cảm biến sẽ lắng nghe thay đổi của môi trường, sau đó sẽ gửi tín hiệu về vi điều khiển
Khối điều khiển thì sẽ nhận dữ liệu từ vi xử lý để bật tắt thiết bị tương ứng
- Khối 4: Khối truyền thông SX1278 (Ra-02)
Khối truyền thông có nhiệm vụ gửi các bản tin dữ liệu từ node đến gateway hoặc nhận các bản tin từ gateway về node
Vậy ta sẽ xây dựng được mạch nguyên lý của một Lora node như sau:
Hình 5.11 Sơ đồ nguyên lý của node
Vi xử lý Arduino Uno là trung tâm xử lý chính của node, chịu trách nhiệm xử lý các dữ liệu môi trường sau khi thu thập từ cảm biến Dữ liệu đã được xử lý sẽ được gửi đến gateway qua module LoRa Ra-02, đảm bảo truyền tải dữ liệu hiệu quả và chính xác.
- 1 module LoRa Ra-02: dùng để giao tiếp với gateway thông qua mạng LoRa
- 1 cảm biến độ ẩm, nhiệt độ DHT11: thu thập nhiệt độ, độ ẩm và gửi về Arduino
- 1 cảm biến ánh sáng BH1750: thu thập ánh sáng
- 1 cảm biến độ ẩm đất: tương tự DHT11 và BH1750, cảm biến sẽ thu thập độ ẩm đất và gửi về Arduino
Trong hệ thống điều khiển, có 5 nút nhấn bao gồm 4 nút để điều khiển các thiết bị và 1 nút để reset mạch Các nút nhấn này được lập trình sử dụng nội trở của vi xử lý nhằm đảm bảo tính đơn giản và tối ưu cho mạch điện Nhờ đó, hệ thống trở nên dễ dàng vận hành và bảo trì, đồng thời nâng cao hiệu quả trong quá trình điều khiển thiết bị.
- 4 relay 5V: dùng để bật tắt các thiết bị
- Module nguồn HLK – PM01: sử dụng để biến đổi điện áp 220V thành 5V để cấp cho vi xử lý và các thiết bị khác như: relay, các cảm biến, …
- 1 cầu chì: dùng để phòng trường hợp ngắn mạch xảy ra, đảm bảo an toàn cho mạch
5.2.2 Thiết kế PCB cho mỗi LoRa node
Hình 5.12 Mạch layout của node
Hình 5.13 Dạng 3D Layout khi xem bằng Altium Designer
Mạch sau khi thi công:
Hình 5.14 Mạch sau khi thi công Để bảo vệ cho mạch, ta đặt mạch vào trong hộp sau đó cắm dây ra các cảm biến, nút nhấn
Hình 5.15 Node sau khi được thi công
Thiết kế và thi công gateway
5.3.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý
ESP32 LoRa WiFi là một gateway đa chức năng, tích hợp đầy đủ các tính năng cần thiết cho hệ thống mạng IoT Chỉ cần thêm vài nút bấm để điều khiển các node dễ dàng, giúp nâng cao hiệu quả và linh hoạt trong quản lý hệ thống Thiết bị này phù hợp cho các dự án yêu cầu kết nối không dây mạnh mẽ, ổn định và dễ tích hợp Với khả năng mở rộng dễ dàng, ESP32 LoRa WiFi trở thành lựa chọn lý tưởng cho các giải pháp IoT hiện đại.
Nút RESET: reset gateway khi gặp sự cố
Nút LCD: đổi node hiển thị dữ liệu trên LCD (giữa node 1 và node 2)
Nút MODE: đổi chế độ làm việc của các node (chế độ điều khiển tay hoặc chế độ tự động)
Hình 5.16 Sơ đồ nguyên lý của gateway
5.3.2 Thiết kế PCB cho gateway
Hình 5.17 Mạch PCB của gateway
Sau khi thiết kế, ta tiến hành thi công gateway
Hình 5.18 Mạch gateway sau khi thi công
Tóm tắt chương 5
Chương 5 sẽ thể hiện các quy trình từ thiết kế đến thi công hệ thống thông qua các sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý và sơ đồ mạch in tương ứng.