(Đồ án HCMUTE) ứng dụng IOT trong thiết kế và thi công hệ thống trồng rau xà lách

Nội dung thực hiện đề tài: Tìm hiểu về các loại cảm biến dùng trong đề tài và công nghệ truyền thông LoRa, tiến hành thiết kế sơ đồ khối, giải thích chức năng các khối, thiết kế sơ đồ m

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

GVHD: NGUYỄN MẠNH HÙNG SVTH : LÊ ANH KHOA MAI ĐĂNG KHOA

S K L 0 0 9 3 3 2

ỨNG DỤNG IOT TRONG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

HỆ THỐNG RAU XÀ LÁCH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG IOT TRONG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

HỆ THỐNG TRỒNG RAU XÀ LÁCH

NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Sinh viên: Lê Anh Khoa 18161090

GVHD: TS Nguyễn Mạnh Hùng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG IOT TRONG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

HỆ THỐNG TRỒNG RAU XÀ LÁCH

NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

GVHD: TS Nguyễn Mạnh Hùng

TP Hồ Chí Minh, 8/2022

Tp Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 02 năm 2022

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1 Tên đề tài: Ứng dụng IoT trong thiết kế và thi công hệ thống trồng rau xà lách

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu: Kiến thức cơ bản của các môn học về điện tử, kiến thức về lập trình arduino, ứng dụng android, đồ án môn học 2: thiết kế và thi công

mô hình hệ thống chăm sóc và giám sát vườn lan

3 Nội dung thực hiện đề tài: Tìm hiểu về các loại cảm biến dùng trong đề tài và công nghệ truyền thông LoRa, tiến hành thiết kế sơ đồ khối, giải thích chức năng các khối, thiết kế sơ đồ mạch, giải thích nguyên lý hoạt động của mạch, tính toán, lựa chọn linh kiện, tiến hành thi công và xây dựng mô hình, gửi và nhận dữ liệu từ Firebase, viết ứng dụng android bằng phần mềm Android Studio, viết Web và kết nối dữ liệu với Firebase, hoàn thiện hệ thống và kiểm thử, cuối cùng là viết báo cáo và làm bài thuyết trình

4 Sản phẩm: Mô hình hệ thống vườn rau xà lách gồm hai trạm con là hệ thống thu

dữ liệu tại vườn và trạm chính là trung tâm thu thập dữ liệu từ trạm con, có thể điều khiển trực tiếp hoặc thông qua ứng dụng Android cũng như Web

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ***

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Tên đề tài: Ứng dụng IoT trong thiết kế và thi công hệ thống trồng rau xà lách

Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Mạnh Hùng

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm: ….… (Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022

Giáo viên hướng dẫn

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ***

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Tên đề tài: Ứng dụng IoT trong thiết kế và thi công hệ thống trồng rau xà lách

Họ và tên Giáo viên phản biện:

NHẬN XÉT 1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm: ……… (Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022 Giáo viên phản biện CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

*** LỜI CAM ĐOAN

Nhóm cam đoan rằng đề tài này là do nhóm thực hiện dựa vào kiến thức tích lũy được cũng như dựa vào một số tài liệu kham khảo đã được trích dẫn nguồn và chú thích rõ ràng dưới sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn và không sao chép từ tài liệu hay công trình nghiên cứu đã có trước đó Các kết quả trình bày trong báo cáo

là hoàn toàn trung thực, nếu có sao chép nhóm xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Sinh viên thực hiện

Lê Anh Khoa – Mai Đăng Khoa

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên nhóm thực hiện đề tài xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến

TS Nguyễn Mạnh Hùng Trong quá trình nghiên cứu và tìm hiểu, nhóm đã nhận

được sự quan tâm, hướng dẫn tận tình của thầy, tạo điều kiện tốt nhất cho nhóm trong suốt quá trình thực hiện đề tài và đã đi cùng nhóm để hoàn thành khóa luận một cách trọn vẹn Bên cạnh đó, nhóm cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến công sức của ba,

mẹ đã nuôi dưỡng, động viên và là chỗ dựa tinh thần cho nhóm, cảm ơn các thầy cô

Khoa Điện−Điện tử và Khoa Đào tạo chất lượng cao nói chung và các thầy cô thuộc

ngành CNKT Điện tử - Viễn thông nói riêng đã giúp nhóm có đủ kiến thức để có thể thực hiện đề tài này một cách tốt nhất Đồng thời, nhóm cũng xin cảm ơn đến các bạn

bè đã giúp đỡ cũng như đóng góp ý kiến để nhóm có thể hoàn thành tốt đề tài

Nhóm rất mong sẽ nhận được những ý kiến đóng góp của Thầy/Cô để có thể hoàn thiện đề tài này một cách tốt nhất cũng như tích lũy thêm kinh nghiệm cho bản thân

Sau cùng, nhóm kính chúc quý thầy cô thật dồi dào sức khỏe, luôn tràn đầy nhiệt huyết trên con đường giảng dạy và thành công trong sự nghiệp

Nhóm thực hiện xin chân thành cảm ơn!

TÓM TẮT

Trong phạm vi khuôn khổ của đề tài, dựa vào những đề tài liên quan đến IoT trong nông nghiệp đã có trước đó nhóm đã tiến hành nghiên cứu và ứng dụng IoT để thiết kế và thi công mô hình hệ thống vườn rau xà lách có thể thu thập các thông số môi trường để quan sát đồng thời cũng có thể điều khiển các thiết bị công suất như bơm, đèn, mái, … để chăm sóc cây trồng Bên cạnh đó, hệ thống còn ứng dụng công nghệ Wifi và LoRa để có thể giám sát khu vườn rộng lớn hơn hay ở một khoảng cách

xa hơn cũng như liên kết với server gửi, lấy dữ liệu để điều khiển và giám sát thông qua ứng dụng Android và Web, giúp cho việc chăm sóc khu vườn được dễ dàng và thuận tiện hơn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II TÓM TẮT III DANH MỤC CÁC HÌNH VI DANH MỤC CÁC BẢNG IX CÁC TỪ VIẾT TẮT X

Chương 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề và lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục tiêu đề tài 1

1.3 Giới hạn đề tài 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu 2

1.5 Bố cục và nội dung thực hiện 2

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Giới thiệu về đặc tính sinh trưởng của rau xà lách 4

2.2 Giới thiệu chung về các công nghệ truyền dẫn không dây 5

Chương 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG 8

3.1 Yêu cầu và sơ đồ khối hệ thống 8

3.1.1 Yêu cầu của hệ thống 8

3.1.2 Sơ đồ khối và chức năng mỗi khối 8

3.1.3 Hoạt động của hệ thống 10

3.2 Thiết kế phần cứng 10

3.2.1 Thiết kế module Node 12

3.2.2 Thiết kế module Master 21

3.2.3 Thiết kế khối nguồn 37

3.3 Thiết kế phần mềm 42

3.3.1 Viết chương trình điều khiển 42

3.3.2 Viết ứng dụng Android điều khiển 43

3.3.3 Viết Web điều khiển 44

3.3.4 Lưu đồ giải thuật 45

Chương 4: THI CÔNG HỆ THỐNG 52

4.1 Thi công hệ thống 52

4.2 Kết quả hoạt động toàn hệ thống 57

4.3 Kết quả phần mềm 58

4.4 Đánh giá kết quả 62

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 65

5.1 Kết luận 65

5.2 Hướng phát triển 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1 Cây rau xà lách 5

Hình 2.2 Biểu đồ so sánh data rate và range của một số công nghệ không dây 7

Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống 8

Hình 3.2 Vị trí khảo sát 11

Hình 3.3 Biểu đồ khảo sát nhiệt độ 11

Hình 3.4 Biểu đồ khảo sát độ ẩm không khí 12

Hình 3.5 Cảm biến DHT11 13

Hình 3.6 Cảm biến DHT11 3 chân 14

Hình 3.7 Kết nối module DHT11 14

Hình 3.8 Cảm biến độ ẩm đất 15

Hình 3.9 Kết nối module cảm biến độ ẩm đất 15

Hình 3.10 Cảm biến mưa YL-83 16

Hình 3.11 Kết nối cảm biến mưa YL-83 16

Hình 3.12 Cảm biến ánh sáng quang trở 3 chân CDS_NVZ1 17

Hình 3.13 Kết nối cảm biến ánh sáng 17

Hình 3.14 Module LoRa SX1278 18

Hình 3.15 Kết nối module LoRa SX1278 với khối MCU 19

Hình 3.16 Board Arduino Uno 20

Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý mạch Node 1 20

Hình 3.18 Sơ đồ nguyên lý mạch Node 2 21

Hình 3.19 Module cảm ứng điện dung TTP223 22

Hình 3.20 Kết nối nút nhấn với khối MCU 22

Hình 3.21 Module thời gian thực RTC DS1307 23

Hình 3.22 Sơ đồ khối Module RTC DS1307 24

Hình 3.23 Kết nối Module RTC DS1307 với khối MCU 25

Hình 3.24 LCD 20x4 và ký hiệu các chân 25

Hình 3.25 Module giao tiếp I2C 26

Hình 3.26 Kết nối Module I2C với LCD và khối MCU 27

Hình 3.27 Module L298N 28

Hình 3.28 Động cơ giảm tốc JGA25 370 29

Hình 3.29 Công tắc hành trình KW10 – NW 30

Hình 3.30 Kết nối Module L298N và công tắc hành trình với khối MCU 30

Hình 3.31 Servo MG90s và sơ đồ chân 31

Hình 3.32 Module Relay 32

Hình 3.33 Kết nối Module Relay với khối MCU 32

Hình 3.34 Bơm chìm mini 33

Hình 3.35 Máy bơm áp suất phun sương DP–521 33

Hình 3.36 Module NodeMCU ESP8266 34

Hình 3.37 Sơ đồ chân kết nối module NodeMCU ESP8266 35

Hình 3.38 NodeMCU ESP 8266 kết nối với khối MCU 35

Hình 3.39 Board Arduino Mega 2560 36

Hình 3.40 Nguồn xung tổ ong 12V-12A 39

Hình 3.41 Mạch giảm áp Buck DC-DC LM2596 39

Hình 3.42 Mạch ổn áp AMS1117 40

Hình 3.43 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 41

Hình 3.44 Giao diện chính của phần mềm Arduino IDE 42

Hình 3.45 Giao diện chính của phần mềm Android Studio 43

Hình 3.46 Giao diện chính của phần mềm Visual Studio Code 44

Hình 3.47 Lưu đồ chương trình chính 45

Hình 3.48 Lưu đồ chương trình chế độ thủ công 46

Hình 3.49 Lưu đồ chương trình chế độ tự động 47

Hình 3.50 Lưu đồ chương trình chế độ thời gian 48

Hình 3.51 Lưu đồ chương trình giao tiếp với Firebase 51

Hình 4.1 Mạch PCB node 1 và node 2 52

Hình 4.2 Mạch PCB nguồn 52

Hình 4.3 Mạch PCB master 53

Hình 4.4 Một số hình ảnh của mô hình hệ thống hoàn chỉnh 56

Hình 4.5 Giao diện app điều khiển 58

Hình 4.6 Các thông số dữ liệu trên Firebase 59

Hình 4.7 Giao diện web trang giám sát và điều khiển 60

Hình 4.8 Giao diện web trang cài đặt 61

Hình 4.9 Bảng cài đặt giá trị giới hạn 61

Hình 4.10 Giao diện web trang thông tin cây trồng 62

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Các trạng thái của module cảm ứng điện dung TTP223 22

Bảng 3.2 Chức năng các chân của module RTC DS1307 24

Bảng 3.3 Thông số các chân IC PCF8574 26

Bảng 3.4 Thông số các chân module L298N 28

Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật của động cơ JGA25 370 29

Bảng 3.6 Thống kê áp và dòng tiêu thụ của các linh kiện sử dụng nguồn 5V 37

Bảng 3.7 Thống kê áp và dòng tiêu thụ của các linh kiện sử dụng nguồn 12V 38

Bảng 4.1 Kiểm tra độ trễ nút nhấn gửi dữ liệu lên Firebase (giây) 62

Bảng 4.2 Độ trễ gửi dữ liệu từ node về master (giây) 63

CÁC TỪ VIẾT TẮT

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề và lý do chọn đề tài

Việt Nam là nước thuộc nhóm các nước đang phát triển trên thế giới hiện nay với nông nghiệp vẫn là ngành mũi nhọn chiếm tỷ trọng lớn trong tổng GDP của cả nước Tuy nhiên, trong những năm gần đây, tỷ trọng của nền nông nghiệp đang có xu hướng sụt giảm, trong khi tỷ trọng của các ngành khác lại dần tăng lên Trên đà phát triển của khoa học kỹ thuật và công nghệ, những tiến bộ về công nghệ đó đều đã được ứng dụng vào hầu hết các ngành và lĩnh vực

Áp dụng công nghệ vào nông nghiệp đang là xu hướng của những năm gần đây, nó càng trở nên mạnh mẽ trong thời đại nền công nghiệp 4.0 Chủ yếu là áp dụng việc trồng các loại cây hoa màu, rau củ quả trong nhà kính, nhà lưới, thủy canh hay thậm chí là trồng ngay trong ban công của một căn chung cư Giúp người làm vườn

và người nông dân có thể giảm được thời gian làm việc tại vườn, cắt giảm nhân công

mà chất lượng của nông sản vẫn đảm bảo đạt chuẩn Việc tự động chăm sóc cây trồng thông qua các thông số cảm biến thu được cũng chính xác hơn rất nhiều

Qua tìm hiểu, và khảo sát một số vườn rau lớn như trang trại Langbiang ở Đà Lạt thì trang trại rộng khoảng 20ha hay nhà vườn Organic có diện tích 4ha trồng hơn

100 loại rau củ quả khác nhau đều được phân thành nhiều khu với diện tích trồng

là do người nông dân chăm sóc là chính Từ những hiệu quả mà IoT đem lại cũng như qua việc khảo sát một số vườn và trang trại ở trên thì nhóm nhận thấy được sự cần thiết khi ứng dụng IoT vào canh tác nông nghiệp nên nhóm quyết định chọn đề tài “Ứng dụng IoT trong thiết kế và thi công hệ thống trồng rau xà lách” để nghiên cứu, tìm hiểu và thi công hệ thống giúp giảm tối thiểu sức lao động của người nông dân cũng như thời gian và chi phí canh tác

1.2 Mục tiêu đề tài

Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế và thi công được mô hình mô phỏng nhỏ

của môi trường và hoạt động với ba chế độ thủ công, tự động và thời gian, giám sát

thông qua màn hình LCD và điều khiển các thiết bị công suất như bơm, đèn, mái che, rèm, phun sương ứng dụng công nghệ LoRa và mạng Wifi

Bên cạnh đó, có thể viết được chương trình giao tiếp được giữa Arduino Mega, module ESP8266 đưa thông tin giám sát cũng như điều khiển lên Google Firebase, dùng module LoRa để truyền nhận dữ liệu qua lại giữa các node và master Viết được ứng dụng Android cũng như Web để có thể truyền nhận dữ liệu qua Google Firebase thông qua Wifi để điều khiển và giám sát hệ thống từ xa

1.3 Giới hạn đề tài

Các thông số giới hạn của đề tài bao gồm:

- Thiết kế một mô hình tượng trưng có kích thước dài x rộng x cao xấp xỉ là 40x28x60 cm với 3 chế độ thủ công, tự động và thời gian

- Các loại cảm biến sử dụng trong đề tài có sai số khoảng 2 – 5% và chỉ thích hợp để làm mô hình mô phỏng và nghiên cứu

- Dữ liệu và các thông số được hiển thị trên LCD 20x4, ứng dụng Android và Web

- Ứng dụng điều khiển là ứng dụng chạy trên hệ điều hành Android, ứng dụng

và Web chỉ điều khiển được hệ thống khi có kết nối mạng Wifi

- Không có nguồn dự phòng

Dựa vào các sản phẩm vườn ứng dụng IoT đã có trên thị trường, datasheet của các cảm biến và các module, kiến thức của các môn học đã học, những hiểu biết về Firebase cũng như cách lập trình cho Arduino, ESP, lập trình ứng dụng Android và Web Qua đó, tiến hành phân tích, tính toán, thiết kế và thi công mô hình hệ thống, cuối cùng là đánh giá kết quả đã thực hiện và đưa ra hướng phát triển

1.5 Bố cục và nội dung thực hiện

Ngoài chương 1 là chương tổng quan đã được trình bày ở trên, phần nội dung còn lại của đề tài bao gồm những chương dưới đây:

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này tập trung trình bày về các lý thuyết cơ bản có liên quan đến những nội dung nghiên cứu trong đề tài

Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống

Chương này trình bày sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý và giải thích nguyên lý hoạt động, tính toán thiết kế và lựa chọn linh kiện, lưu đồ giải thuật và phần ứng dụng cũng như Web điều khiển

Chương 4: Kết quả thực hiện

Chương này trình bày những kết quả đạt được trong quá trình thực hiện đề tài như mô hình hệ thống sau khi thi công, ứng dụng và Web sau đó đưa ra những đánh giá về kết quả

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Dựa vào kết quả đã trình bày ở chương 4, rút ra kết luận chung, những đánh giá, nhận xét, so sánh với mục tiêu đề ra của đề tài, từ đó đưa ra hướng phát triển để

có thể giải quyết những vấn đề chưa làm được và những điểm có thể phát triển được của đề tài để đồ án có thể hoàn thiện hơn

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Giới thiệu về đặc tính sinh trưởng của rau xà lách

Xà lách là một loại rau rất quen thuộc đối với nhiều người, nhiều vùng miền khác nhau trong mỗi bữa ăn hằng ngày, nó là một nguồn thực phẩm rất tốt cho sức khỏe do chứa nhiều vitamin và chất xơ Để có thể trồng được cây xà lách phát triển một cách tốt nhất thì cần phải đảm bảo đủ những yếu tố cần thiết và dưới đây là một

số đặc tính sinh trưởng cũng như yêu cầu kỹ thuật khi trồng xà lách

Với nhiệt độ và độ ẩm không khí thì xà lách là loại cây dễ trồng, dễ thích nghi, thu hoạch trong khoảng từ 35 – 45 ngày Ưa thời tiết ẩm ướt, mát mẻ, tốt nhất nên trồng vào mùa xuân và mùa thu, thậm chí còn không phải lo lắng về thời tiết lạnh giá

vì cây con có thể chịu được sương giá nhẹ Hạt nảy mầm trong nhiệt độ thấp tới 40℉ (4℃) nhưng nhiệt độ nảy mầm và phát triển lý tưởng của nó là từ 60 đến 65℉ (16 đến 18℃), độ ẩm không khí thích hợp cho cây phát triển rơi vào khoảng 65 – 75%

Còn với độ ẩm đất thì do xà lách có rễ ăn nông nên cây cần tưới nước đều đặn

và trồng ở nơi đất có thể thoát nước tốt, tốt nhất nên nằm trong 60 – 70% Nên tưới nước 2 lần /ngày vào sáng sớm và chiều mát nếu đất khô và tưới tới 1 inch (2.5cm) Các thùng xà lách cần được tưới nước thường xuyên hơn so với các luống vườn, đặc biệt là vào mùa hè, xà lách thích độ pH trong đất từ 6,2 đến 6,8 Vào mùa mưa thì nên tránh tưới nước nhiều và nên có bạt che chắn để cây không bị úng nước Để tránh làm hư hạt giống mới trồng, hãy tưới nước bằng cách phun sương nhẹ nhàng lên khu vực đó bằng vòi phun mịn cho đến khi đất ẩm Khi gieo hạt trực tiếp vào vườn, cân nhắc sử dụng bạt che để bảo vệ hạt giống không bị rửa trôi do mưa lớn

Cuối cùng là yêu cầu về ánh sáng thì xà lách phát triển mạnh và nhanh nhất trong điều kiện ánh nắng đầy đủ, ít nhất là sáu đến tám giờ nắng trực tiếp khi đó sẽ giúp cây tạo ra lá nhanh hơn Có thể trồng trong bóng râm một phần (ba đến bốn giờ nắng), nhưng trong điều kiện ánh sáng yếu Ở những vùng nóng thì nên chọn một điểm có bóng râm vào buổi chiều hoặc có mái che để cây phát triển tốt nhất [1]

2.2 Giới thiệu chung về các công nghệ truyền dẫn không dây

Ngành công nghiệp IoT đã và đang mang lại rất nhiều giá trị và giải pháp cho

xã hội với các nhà sản xuất chip đầu tư mạnh vào thị trường đang phát triển này theo cấp số nhân Tuy nhiên, nó không phải là không có những thách thức, với việc triển khai IoT đang lan rộng trên các thị phần và ứng dụng, các yêu cầu của cơ chế giao tiếp cơ bản cũng khác nhau nên không có giải pháp chung nào cho tất cả vì các nhu cầu là khác nhau trong trường hợp liên quan đến thông lượng, phạm vi, mức tiêu thụ điện năng,

Một trong những thách thức chính trong việc xây dựng một hệ thống IoT là đảm bảo cho những thiết bị, những node trong hệ thống có thể giao tiếp với internet

Có nhiều công nghệ truyền thông không dây, chẳng hạn như không dây tầm ngắn, mạng di động, LPWAN, Ta có thể thấy Wifi ở khắp mọi nơi vào thời điểm này nhưng nó sử dụng rất nhiều năng lượng và truyền rất nhiều dữ liệu, mặc dù điều này

là rất tốt nhưng nó không phải là giải pháp hoàn hảo cho các thiết bị IoT không dùng nhiều năng lượng hay chỉ cần gửi một lượng nhỏ dữ liệu Ngoài ra chúng ta còn có Bluetooth, cho phép giao tiếp cục bộ nhưng có phạm vi rất hạn chế trong phiên bản 4.0 và chúng cũng đòi hỏi quá nhiều điện năng, ngay cả các thiết bị Bluetooth Low Energy (BLE) mới hơn vẫn tiêu thụ nhiều năng lượng hơn mức cần thiết Cho đến nay, công nghệ tốt nhất hiện có trên thị trường là ZigBee với module công suất thấp ZigBee, có thể truyền qua khoảng cách xa hơn và tốc độ truyền thấp, thường là vài

Hình 2.1 Cây rau xà lách

km nhưng vẫn rất ngắn và giá thành cũng khá cao Đối với mạng di động thì có thể chúng ta cũng đã quen với với công nghệ mạng diện rộng như mạng 4G và 5G di động cho phép truyền dữ liệu với khoảng cách xa, tuy nhiên mạng WAN di động vẫn tiêu thụ rất nhiều năng lượng

Bây giờ hãy nghĩ về một giải pháp IoT, trong đó có các node cảm biến không dây trải dài vài km để truyền các giá trị cảm biến của chúng qua mạng vài chục lần mỗi giờ, dữ liệu truyền đi sẽ nhỏ và rời rạc Hơn nữa, các node này hoạt động bằng pin được cho là sẽ chạy ít nhất trong vài năm Trong những điều kiện như vậy, chúng

ta cần một mạng không dây tiêu thụ điện năng rất thấp nhưng cũng hoạt động trong khoảng cách lớn hơn so với mạng Wifi và đó là LoRa

gửi một lượng nhỏ dữ liệu ở khoảng cách xa Hai tính năng này làm cho nó trở thành một giải pháp hấp dẫn để ứng dụng trong các sản phẩm thuộc ngành công nghiệp IoT

Công nghệ LoRa hoạt động ở nhiều dải tần khác nhau trong từng khu vực khác nhau như ở Hoa Kỳ hoạt động ở băng tần 902 MHz đến 928 MHz, ở Châu Âu hoạt động ở băng tần 868 MHz và ở Châu Á hoạt động ở băng tần 433 MHz, 865 đến

867 MHz, 920 đến 923 MHz và đặc biệt là những tần số đó đều không cần có giấy

tín hiệu có thể trải dài trong một khoảng cách đáng kể (có phạm vi phủ sóng rất rộng khoảng 2.5 km trong khu vực nội thành và 15 km ở khu vực ngoại thành), việc xây dựng mạng rẻ và triển khai cũng nhanh hơn nhiều [2]

Để có một cái nhìn tổng quan hơn, hãy xem biểu đồ ở hình 2.2 [3], biểu đồ so sánh một số công nghệ không dây trên 2 phương diện – phạm vi truyền và tốc độ bit

Có thể thấy, tốc độ bit LoRa khá thấp, nó theo thứ tự hàng chục kilobit mỗi giây Nhưng điều này đi kèm với một phạm vi truyền lớn hơn nhiều và công suất truyền thấp hơn nhiều

Hình 2.2 Biểu đồ so sánh data rate và range của một số công nghệ không dây

Chương 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG

3.1 Yêu cầu và sơ đồ khối hệ thống

3.1.1 Yêu cầu của hệ thống

Hệ thống bao gồm 3 chế độ: Thủ công, tự động và thời gian Chế độ thủ công cho phép điều khiển trực tiếp trên hệ thống thông qua các nút nhấn cảm ứng Ở chế

độ tự động thì hệ thống sẽ tự động hoạt động mà không cần con người tác động điều khiển nhờ các giá trị giới hạn đã được người dùng cài đặt từ trước như nhiệt độ giúp đảm bảo biên độ nhiệt cho rau phát triển, độ ẩm đất đảm bảo cung cấp nước đầy đủ tránh cho cây bị khô héo, độ ẩm không khí và ánh sáng thì giúp đảm bảo sự thông thoáng Chế độ thời gian sẽ cài đặt thêm thời gian để hẹn giờ tưới, Tất cả các thông

số của môi trường, thiết bị và giá trị cài đặt sẽ được hiển thị trên màn hình LCD để quan sát tại vườn và được gửi lên Firebase Từ Firebase, ứng dụng Android và Web

sẽ lấy những dữ liệu đó về để hiển thị, đồng thời còn có thể điều khiển thiết bị và cài

giới hạn thông qua Wifi

3.1.2 Sơ đồ khối và chức năng mỗi khối

KHỐI

XỬ LÝ TRUNG TÂM

KHỐI NGUỒN

KHỐI GIAO TIẾP

KHỐI ĐỘNG CƠ MÁI

KHỐI ĐỘNG CƠ RÈM KHỐI HIỂN THỊ

WEB

KHỐI CHUYỂN TIẾP DỮ LIỆU

KHỐI

XỬ LÝ TRUNG GIAN

Giải thích chức năng các khối trong sơ đồ khối hình 3.1

▪ Khối xử lý trung tâm (MCU): Điều khiển hệ thống hoạt động, nhận và xử lý

dữ liệu thu được từ các khối LoRa, khối Realthời gian, khối nút nhấn, sau đó gửi đến khối hiển thị để hiển thị và khối công suất để điều khiển Ngoài ra,

còn giao tiếp với module LoRa và ESP8266

▪ Khối giao tiếp Wifi: Giao tiếp với khối MCU để đưa dữ liệu lên Firebase để

ứng dụng và Web có thể lấy dữ liệu đó về, đồng thời cũng nhận dữ liệu thay

đổi từ Firebase (do ứng dụng và Web điều khiển) sau đó gửi về khối MCU

▪ Khối xử lý trung gian: Giống với khối MCU nhưng chỉ có nhiệm vụ nhận dữ

liệu từ các cảm biến ở các node sau đó qua module LoRa để truyền dữ liệu thu

được đó tới khối MCU

▪ Khối LoRa: Sử dụng module LoRa để truyền nhận dữ liệu từ các node ở vườn đến module LoRa ở khối MCU với lượng điện năng tiêu thụ ít nhất có thể

▪ Khối cảm biến: Có chức năng thu thập các thông số nhiệt độ, độ ẩm đất, độ

ẩm không khí, ánh sáng, trạng thái mưa từ môi trường

▪ Khối nút nhấn: Dùng để điều khiển các thiết bị ở chế độ Thủ công, chuyển

chế độ, chuyển màn hình và cài đặt giá trị giới hạn ở chế độ Tự động và thời gian ở chế độ Thời gian

▪ Khối Realthời gian: Đọc thời gian thực cho hệ thống dùng cho chế độ Thời

gian để hẹn giờ tắt mở bơm, đèn và còn dùng để quan sát thời gian thực hiện tại

▪ Khối hiển thị: Sử dụng một màn hình LCD 20x4 để hiển thị dữ liệu thu được

từ cảm biến và các thông tin hoạt động của hệ thống

▪ Khối công suất (bao gồm khối động cơ rèm, khối động cơ mái, khối relay):

Nhận tín hiệu điều khiển từ MCU để điều khiển relay bật đèn, mở bơm nước, bơm phun sương, module L298N và servo để đóng mở mái che và rèm

▪ Khối Server: Sử dụng Google Firebase làm server trung gian để gửi dữ liệu

lên và lấy dữ liệu xuống

▪ Khối ứng dụng Android: Nhận dữ liệu về các thông số môi trường từ

Firebase do khối Wifi gửi lên và gửi dữ liệu điều khiển cũng như cài đặt giới hạn lên Firebase qua Wifi bằng điện thoại Android

▪ Khối Web: Chức năng tương tự như khối ứng dụng Android nhưng được dùng

thông qua Web

▪ Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho toàn mạch hoạt động

3.1.3 Hoạt động của hệ thống

Khi bắt đầu cấp nguồn thì các cảm biến sẽ thu thập các giá trị thông số của môi trường ở các module Node sau đó qua khối xử lý trung gian và module LoRa, các dữ liệu thu được đó cùng với khối thời gian thực đọc thời gian thực cho hệ thống

và tín hiệu điều khiển thu được từ nút nhấn ở module Master sẽ được gửi về MCU để

xử lý

Sau khi xử lý thì MCU sẽ đưa dữ liệu ra LCD để hiển thị các thông tin hoạt động của hệ thống đồng thời điều khiển khối công suất hoạt động Ở chế độ Thủ công thì người dùng có thể điều khiển các thiết bị bằng nút nhấn cảm ứng Còn ở chế độ Tự động và Thời gian thì phải cài đặt các thông số giới hạn như nhiệt độ, độ ẩm đất trên/dưới và ánh sáng và thời gian để hệ thống có thể tự nhận biết sự thay đổi của các thông số môi trường, thời gian so với các giới hạn đã cài đặt và đưa ra tín hiệu điều khiển khối công suất một cách hợp lý

Ngoài ra, hệ thống còn gửi các thông số giá trị lên Firebase thông qua khối giao tiếp Wifi Từ Firebase ứng dụng Android và Web sẽ lấy dữ liệu của các thông

số môi trường đó về để hiển thị, đồng thời cũng có thể gửi dữ liệu điều khiển cũng như cài đặt giới hạn lên Firebase thông qua Wifi để khối giao tiếp Wifi lấy và gửi về MCU để xử lý

3.2 Thiết kế phần cứng

Do mục tiêu của nhóm là thiết kế được hệ thống chăm sóc vườn rau với diện

kết quả ở hình 3.3 và 3.4 dưới đây

Nhóm đã tiến hành khảo sát giá trị nhiệt độ, độ ẩm tại các vị trí như hình 3.2, sau bốn lần đo bắt đầu lúc 9 giờ sáng, mỗi lần cách nhau 10 phút và cho ra kết quả được thống kê qua hai biểu đồ ở hình 3.3 và hình 3.4 Nhóm nhận thấy các giá trị này không chênh lệch quá nhiều, chỉ dao động trong một khoảng rất nhỏ nên đối với quy

ở giữa vườn thu thập giá trị nhiệt độ, độ ẩm không khí và độ ẩm đất, module còn lại được đặt trên cao, ở mái của mô hình để thu thập giá trị ánh sáng và trạng thái mưa, sau đó gửi về cho module Master có thể đặt ở bất kỳ đâu trong phạm vi lý tưởng là 1000m, vị trí của module Master chính là trung tâm điều khiển chính của hệ thống

3.2.1 Thiết kế module Node

Với module Node 1 thì nhóm thiết kế bao gồm có cảm biến DHT11 cần phải đặt gần vườn để lấy giá trị nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến độ ẩm đất thì cần phải cắm thẳng trực tiếp đầu dò vào đất nên với module Node 1 này nhóm quyết định đặt ở chính giữa vườn giúp thuận tiện cho việc lấy những giá trị đó Còn module Node 2 thì sẽ

46.5

47 46.5

45.5 46 46.5 47 47.5

bao gồm hai cảm biến còn lại là cảm biến mưa và cảm biến ánh sáng được đặt ở phía trên cùng của hệ thống để phát hiện mưa cũng như thu thập được giá trị ánh sáng chính xác nhất

Để có thể đưa những giá trị cảm biến đã đo được đó về cho module Master thì

do công nghệ truyền không dây mà nhóm chọn sử dụng trong đề tài là công nghệ LoRa nên ở mỗi module Node sẽ có thêm một module LoRa để chuyển những giá trị

đó về tới module LoRa ở module Master, bên cạnh đó còn cần thêm một khối MCU

để xử lý tất cả những tác vụ đó Chi tiết về các khối có trong hai module Node sẽ lần lượt được trình bày dưới đây

3.2.1.1 Khối cảm biến nhiệt độ, độ ẩm

Trên thị trường có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ, độ ẩm với đủ kiểu dáng, hình dạng thiết kế và độ chính xác khác nhau như họ DHT, AHT, SHT… Và ở đề tài này nhóm chọn cảm biến DHT11, là cảm biến dùng các ứng dụng cần đo đạc các thông số nhiệt độ, độ ẩm của môi trường và cũng rất thông dụng hiện nay với sinh viên vì chi phí rẻ và nhóm cũng đã sử dụng qua nhiều lần trong các môn học của những học kỳ trước So sánh với cảm biến cùng họ nhưng đời mới hơn là DHT22 thì

độ chính xác của DHT11 kém hơn nhưng do giá thành rẻ hơn, tần số lấy mẫu khá nhanh (1lần/s) với sai số khoảng 5% và dễ dùng nên vẫn phù hợp cho việc làm mô hình mô phỏng của đề tài Vì sử dụng chuẩn giao tiếp one wire nên khi viết chương

trình cần phải khai báo thêm thư viện Wire (#include <Wire.h>) và để sử dụng được

DHT 11 thì cũng cần khai báo thư viện DHT (#include <DHT.h>) Hình 3.5 phía dưới là hình ảnh thực tế và ký hiệu nguyên lý của cảm biến DHT11

a Hình ảnh thực tế b Ký hiệu nguyên lý

Hình 3.5 Cảm biến DHT11

Ngoài loại 4 chân, trên thị trường còn có loại DHT11 3 chân như hình 3.6 (chân 3 đã được lược bỏ) và nhóm đã lựa chọn sử dụng loại 3 chân để thuận tiện cho việc kết nối

Chân Data của cảm biến được nối với chân (4) của khối xử lý trung gian hình 3.7

3.2.1.2 Khối cảm biến độ ẩm đất

Cảm biến độ ẩm đất thường được dùng trong các hệ thống tưới nước tự động

và cũng có rất nhiều loại, có loại tích hợp với relay để đóng mở bơm, có loại có cả LCD hiển thị thông số Bên cạnh đó sự khác nhau về đầu dò cũng ảnh hưởng đến giá thành của sản phẩm, có loại có đầu dò chống ăn mòn do khi sử dụng loại cảm biến này thì đầu dò phải cắm xuống đất, nếu để một thời gian lâu sẽ bị ăn mòn…Và nhóm chọn loại cảm biến độ ẩm đất sử dụng IC so sánh LM393 như ở hình 3.8_a, đầu dò cũng là loại thường vì loại này giá thành rẻ hơn rất nhiều so với những loại đã kể trên nhưng vẫn có đủ các chức năng cần thiết

Hình 3.6 Cảm biến DHT11 3 chân

Hình 3.7 Kết nối module DHT11

Với cảm biến này thì dùng chân (A0) nối với chân (A0) của khối xử lý trung gian được trình bày ở hình 3.9

3.2.1.3 Khối cảm biến mưa

Như tên gọi thì loại cảm biến này được dùng để phát hiện mưa bằng một bộ phận cảm biến khi bị ướt sẽ gửi tín hiệu về Thiết kế gồm có 2 phần là một tấm chắn nhỏ dùng để nhận biết có mưa khi có nước xuất hiện trên bề mặt và phần module

chuyển đổi tín hiệu (hình 3.10_a)

Cũng như cảm biến độ ẩm đất thì cảm biến mưa cũng có loại tích hợp với relay để điều khiển động cơ (như trong công nghiệp có loại VELT-RMS-RO) hoặc các loại có công suất nhỏ hơn như FC−37, YL−83, …Cũng có cả loại tốt với đầu

Hình 3.8 Cảm biến độ ẩm đất

Hình 3.9 Kết nối module cảm biến độ ẩm đất

dò có chất lượng tốt và khả năng chống oxi hóa cao, có thể sử dụng lâu dài mà không cần phải thay đầu dò thường xuyên Với giá thành rẻ và thiết kế đơn giản, dễ kết nối, kích thước tấm cảm biến cũng phù hợp cho mô hình mô phỏng (54x40mm)

và sử dụng vật liệu tốt, bề mặt mạ niken, chống oxy hóa nên nhóm quyết định sử dụng cảm biến YL−83 cho đề tài Hình ảnh thực tế và ký hiệu nguyên lý của

module cảm biến mưa được mô tả ở hình 3.10 Sử dụng chân (A0) của module kết nối với chân (A1) của khối xử lý trung gian như hình 3.11

3.2.1.4 Khối cảm biến ánh sáng

Hình 3.10 Cảm biến mưa YL-83

Hình 3.11 Kết nối cảm biến mưa YL-83

Với loại cảm biến này thì nhóm sẽ sử dụng cảm biến ánh sáng quang trở CDS có biến trở so sánh mức tín hiệu để nhận biết và bật tắt đèn theo cường độ ánh sáng môi trường, rất phù hợp với yêu cầu đề tài Tín hiệu xuất ra của cảm biến có thể

là digital để bật tắt thiết bị điện tự động mà không cần tác động vào hoặc là analog để quan sát cường độ ánh sáng, độ nhạy của cảm biến có thể được điều chỉnh bằng một biến trở có gắn trên nó

Nối chân (D0) của cảm biến với chân (4) của khối xử lý trung gian

Hình 3.12 Cảm biến ánh sáng quang trở 3 chân CDS_NVZ1

Hình 3.13 Kết nối cảm biến ánh sáng

3.2.1.5 Khối chuyển tiếp dữ liệu

Đối với việc chuyển tiếp dữ liệu từ module Node tới module Master thì có thể

sử dụng nhiều loại module với các công nghệ khác nhau có sẵn trên thị trường hiện

nói ở trên thì để có thể truyền dữ liệu trong khoảng cách xa cũng như tiêu tốn ít năng lượng và giá thành rẻ, nhóm quyết định chọn module chuyển tiếp dữ liệu LoRa sử dụng chuẩn giao tiếp LoRa (Long Range), cụ thể là module LoRa SX1278 Là module

là truyền thông không dây tầm xa và công suất thấp có thể gửi một lượng nhỏ dữ liệu ở khoảng cách xa sử dụng tần số 433Mhz, sử dụng điện áp từ 1.8 đến 3.6V, có thể truyền được phạm vi 3000m (lý tưởng) trong môi trường không có vật cản và tín hiệu nhiễu

a Hình ảnh thực tế

Module LoRa SX1278 có 12 chân, để sử dụng thì kết nối hai chân giao tiếp SPI MISO, MOSI của module LoRa với MOSI (51) và MISO (50) của MCU, các chân (RESET), (DI00), (NSS), (SLCK) lần lượt nối với chân (9), (8), SS (53) và SCK (52) của MCU như hình 3.15

Hình 3.14 Module LoRa SX1278

3.2.1.6 Khối xử lý trung gian

Nhóm sử dụng khối này để điều khiển module Node, do chỉ cần kết nối với 2 module cảm biến (mỗi module 1 chân data) cộng với module Lora (dùng 6 chân kết nối), tổng cộng là 8 chân I/O và có thể sử dụng chuẩn giao tiếp SPI thì ở đây có thể dùng board Arduino Nano, vừa nhỏ, có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu

và 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V Bên cạnh đó, nó còn có đầy đủ chức năng cộng với việc cùng chung loại với khối xử lý trung tâm giúp dùng chung phần mềm

để viết chương trình nhưng do giá thành sau dịch covid của các board MCU này đều tăng cao và vì nhóm hiện đang có sẵn 2 board Arduino Uno cũng cùng họ Arduino như Nano nên nhóm quyết định sẽ sử dụng board này làm khối xử lý trung gian cho

mô hình hệ thống

Với module Lora khi kết nối với khối xử lý trung gian này thì sẽ kết nối lần lượt các chân (MISO), (MOSI), (SLCK), (NSS), (DI00), (RESET) với các chân (12), (11), (13), (10), (2), (9) của board Arduino Uno Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý của module Arduino Uno được mô tả ở hình 3.16

Hình 3.15 Kết nối module LoRa SX1278 với khối MCU

Hình 3.16 Board Arduino Uno

Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý mạch Node 1

3.2.2 Thiết kế module Master

3.2.2.1 Khối nút nhấn

Khối nút nhấn có chức năng điều khiển hệ thống bằng tay ở chế độ Thủ công

và cài đặt các giá trị giới hạn ở chế độ Tự động và Thời gian Trong đề tài này nhóm

sử dụng 7 nút nhấn, trong đó 5 nút nhấn được dùng để điều khiển các thiết bị: bơm tưới nước, bơm phun sương, đèn, mái che, rèm; 1 nút nhấn dùng để chuyển chế độ: thủ công, tự động, thời gian và 1 nút nhấn dùng để chuyển màn hình hiển thị LCD (một màn hình giám sát, một màn hình cài giới hạn cho chế độ tự động, một màn hình cài thời gian cho chế độ thời gian và một màn hình hiển thị thời gian)

Ở khối này nhóm lựa chọn module cảm ứng điện dung TTP223 làm nút nhấn

do nó được ứng dụng cho việc mở tắt thiết bị bằng cách chạm nhẹ, đáp ứng rất nhanh chóng và dễ sử dụng, dễ dàng nhận biết thao tác chạm thông qua điện dung của tay người, không những thế còn có thể phát hiện xuyên qua các phi kim như kính, nhựa, acrylic có độ dày tối đa 5mm Ngoài ra kích thước nhỏ gọn và giá thành rẻ, tính thẩm

mĩ cao, đỡ phải dùng thêm trở như nút nhấn cơ thông thường cũng là lý do mà nhóm chọn loại nút nhấn này

Hình 3.18 Sơ đồ nguyên lý mạch Node 2

a Hình ảnh thực tế b Ký hiệu nguyên lý Kết nối lần lượt các chân (23), (25), (27), (29), (31), (33), (35) của Board Arduino Mega với chân I/O của các nút nhấn Mod, switch screen, rèm, đèn, bơm nước, phun sương và mái che như hình 3.20

Bảng 3.1 Các trạng thái của module cảm ứng điện dung TTP223

Hình 3.19 Module cảm ứng điện dung TTP223

Hình 3.20 Kết nối nút nhấn với khối MCU

3.2.2.2 Khối Realthời gian

Với khối thời gian thực thì trên thị trường cũng có rất nhiều loại với thiết kế

tương tự nhau như DS1307, DS1302, DS3231, … chúng khá giống nhau về chức

năng và thiết kế nhưng điểm khác là DS1302 thì dùng chuẩn giao tiếp one wire còn DS1307 thì dùng I2C và DS3231 thì như DS1307 nhưng được nâng cấp là pin có thể sạc được Vì phổ biến trong các ứng dụng cần thời gian thực, giá thành ổn và có đầy

đủ tính năng cần thiết, chính xác về thời gian với thạch anh tích hợp sẵn, dùng chuẩn giao tiếp giống với LCD là I2C Mạch còn có sẵn pin backup, tách biệt và không liên quan đến nguồn chính đảm bảo cho việc giữ thời gian chính xác ngay cả khi hệ thống mất điện và do mô phỏng nên không cần phải dùng pin sạc vì thế nhóm quyết định chọn Module thời gian thực RTC DS1307 Module được mô tả chi tiết ở hình 3.21

Hình 3.21 Module thời gian thực RTC DS1307

Sơ đồ khối chi tiết của module DS1307 được thể hiện ở hình 3.22 và chức năng của mỗi chân trong module được liệt kê ở bảng 3.2

Bảng 3.2 Chức năng các chân của module RTC DS1307

tới 10 năm)

SDA (Serial Data

và chân SDA (5) của module DS1307 lần lượt nối với chân SCL và SDA của khối

Hình 3.22 Sơ đồ khối Module RTC DS1307