Xây dựng mô hình hệ thống tự động chăm sóc cây trồng tưới tiêu thông minh, giám sát điệ u ki ện môi trường cây trồng từ xa và điều khiển thông qua smart phone

Do đó là một sinh viên ngành Điện tử-Viễn thông, cần nắm bắt được sự phát triển không ngừng của khoa học - kĩ thuật, những tiến bộ công nghệ và những ý tưởng mới lạ để có thể ứng dụng và

LỜI MỞ ĐẦU

Từ trước tới nay nông nghiệp là một trong những lĩnh vực ít được áp dụng công nghệ nhất Đặc biệt là ở những quốc gia đang phát triển và chậm phát triển, nông nghiệp gần như chỉ phụ thuộc vào kinh nghiệm của những người nông dân về đặc tính của cây trồng, về thời tiết… Chính vì vậy, năng suất và hiệu suất canh tác gần như được để ngỏ, mang tính “may, rủi”

Trong khi đó, trước những thách thức về biến đổi khí hậu, gia tăng dân số nhanh chóng, vấn

đề đảm bảo đủ lương thực là một trong những thách thức mang tính toàn cầu Cộng thêm nhu cầu tự trồng, tự chăm sóc đảm bảo có thực phẩm sạch đang là xu hướng của cư dân thành thị hay các khu đô thị Ngành nông nghiệp phải tìm kiếm những phương thức tốt hơn để gia tăng hiệu quả sản xuất Cách duy nhất chính là áp dụng công nghệ mới vào hoạt động sản xuất, canh tác

Do đó là một sinh viên ngành Điện tử-Viễn thông, cần nắm bắt được sự phát triển không ngừng của khoa học - kĩ thuật, những tiến bộ công nghệ và những ý tưởng mới lạ để có thể ứng dụng vào cuộc sống hiệu quả hơn, bên cạnh đó sâu xa hơn là thúc đẩy sự phát triển của nền nông nghiệp nước nhà nói chung và nông nghiệp tiểu canh hộ gia đình, khu đô thị nói riêng, nắm bắt và đi cùng với xu thế phát triển đó, em đã chọn đề tài “Xây dựng mô hình hệ thống tự động chăm sóc cây trồng tưới tiêu thông minh, giám sát điệu kiện môi trường cây trồng từ xa và điều khiển thông qua smart phone” để làm đề tài cho đồ án tốt nghiệp đại học của sinh viên

Bình Định, tháng 1 năm 2019 Sinh viên thực hiện

LỜI CẢM ƠN

Qua những năm tháng học tập và rèn luyện tại Đại học Quy Nhơn, nhận được sự chỉ bảo vàgiảng dạy nhiệt tình của quý thầy cô khoa Kỹ Thuật-Công nghệ, khoa mà em đã gắn bó suốt 4,5 nămqua, đã truyền đạt cho em những kiến thức vô cùng quý báu về lý thuyết và thực tiễn trong suốt thờigian học ở giảng đường Cùng với sự nỗ lực của bản thân và với sự tìm tòi nghiên cứu tài liệu hay là

có sự giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác đã góp phần giúp em hoànthành đồ án tốt nghiệp đại học này

Từ những kết quả đạt được này, em xin chân thành cảm ơn: Thầy giảng viên hướng dẫn thạc

sĩ Nguyễn Đức Thiện đã hướng dẫn và góp ý kiến quý báu giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp đạihọc này và cùng với đó là các thầy, cô khoa Kỹ Thuật-Công nghệ, Đại học Quy Nhơn đã nhiệt tìnhgiảng dạy và truyền đạt những kiến thức quý báu, quan trọng và cần thiết cho em trong suốt quá trìnhhọc tập tại trường

Do kiến thức còn thiếu xót, hạn hẹp nên không tránh khỏi những sai sót trong cách xây dựng

và thực hiện đồ án tốt nghiệp đại học này Em rất mong nhận được sự thông cảm và đóng góp ý kiếncủa quý thầy cô để em tiếp thu thêm để làm cho đồ án tốt nghiệp đại học của em đạt được kết quả tốthơn nữa Em xin chân thành cảm ơn!

NHẬN XÉT

(Của giảng viên hướng dẫn)

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

IOT Internet of thing Internet vạn vật

SoC System on chip Hệ thống trên chípMQTT Message queuing

telemetry transport

Là một giao thức gửi dạng publish/subscribeMCU Micro controller

kế nhúngCPU Central processing

unit

Bộ xử lý trung tâmLCD Liquid crystal

Asychronous

Receiver-Transmitter

Là một mạch tích hợp được sử dụng trpng việc truyền dẫn dữ liệu nối tiếp giữa máy tính và các thiết bị ngoại viADC Analog-to-digital

converter

Mạch chuyển đổi tương

tự sang số

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề

Từ trước tới nay nông nghiệp là một trong những lĩnh vực ít được áp dụng công nghệ nhất.Đặc biệt là ở những quốc gia đang phát triển và chậm phát triển, nông nghiệp gần như chỉ phụ thuộcvào kinh nghiệm của những người nông dân về đặc tính của cây trồng, về thời tiết… Chính vì vậy,năng suất và hiệu suất canh tác gần như được để ngỏ, mang tính “may, rủi”

Trong khi đó, trước những thách thức về biến đổi khí hậu, gia tăng dân số nhanh chóng, vấn

đề đảm bảo đủ lương thực là một trong những thách thức mang tính toàn cầu Ngành nông nghiệp phảitìm kiếm những phương thức tốt hơn để gia tăng hiệu quả sản xuất Cách duy nhất chính là áp dụngcông nghệ mới vào hoạt động sản xuất, canh tác

Trong bối cảnh ngày nay xã hội càng lo ngại về chất lượng cũng như an toàn thực phẩm Điềuthen chốt trong việc đánh tan lo ngại này, và góp phần thúc đẩy nâng cao chất lượng sản phẩm nôngnghiệp, là việc nâng cao tính minh bạch, chuyên nghiệp, và khoa học của chuỗi sản xuất nông nghiệp.IoT đóng vai trò lớn trong việc giúp sự minh bạch và chuyên nghiệp này trở nên đáng tin cậy hơn Cóthể lấy vài ví dụ như việc lắp đặt thẻ cảm ứng vào tai lợn để theo dõi và thu thập dữ liệu về quá trìnhchăn nuôi; hay việc quản lí điều kiện môi trường cây trồng, yếu tố dinh dưỡng trong cây trồng, quytrình tự động hóa trong việc chăm sóc cho đến xử lý, đóng gói, bán sỉ và lẻ, giúp từng khuôn thịt khiđến tay người dùng đều kèm theo một hồ sơ quản lý được lưu trữ đáng tin cậy giúp toàn bộ quy trìnhsản xuất trở nên minh bạch hơn

Hình 1.1: Minh họa IoT trong nông nghiêp

Chính vì vậy, người tiêu dùng sản phẩm nông nghiệp cũng nên chờ mong vào ứng dụng IoT

và việc đưa các ứng dụng IoT vào ngành nông nghiệp sẽ giúp minh chứng rõ nhất cho việc IoT đemlại hiệu quả to lớn như thế nào Đó chính là lý do mà nông nghiệp là lĩnh vực đang được quan tâm đầu

tư và được nhiều startup lựa chọn để gọi vốn

1.2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích tổng thể của nghiên cứu là: thiết kế, xây dựng mô hình vườn giám sát điều kiện môitrường cây trồng, tự động bơm tưới thông minh, điều khiển từ xa thông qua smart phone phù hợp vớicây trồng trong nhà tại các khu đô thị hay các khu vườn quy mô vừa và nhỏ Với các mục tiêu cụ thể:

- Tự động: hệ thống vườn điều khiển bơm tưới thông minh có chức năng tự động, giảm thiểu tối đásức ảnh hưởng từ sức lao động

- Năng suất, hiệu quả: có năng suất khá cao, hiệu quả lớn, khi cây được chăm sóc theo nhu cầu củachính cây trồng dựa trên các yếu tố của môi trường trồng như nhiệt độ, độ ẩm hay độ ẩm trong đât

- Tiết kiệm được thời gian: Giảm thiểu tối đa công sức và thời gian chăm sóc cho con người

- Kinh tế: Mô hình vườn thông minh được thiết kế với các bộ phận, linh kiện và công nghệ tối giảnnhất nhằm vừa có thể đáp ứng được yêu cầu và vừa tiết kiệm chi phí để làm sao cho mô hình vừa cóhiệu quả vừa không gây tốn kém kinh tế

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN LÍ THUYẾT 2.1 Khái quát về IoT

2.1.1 Khái niệm

Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là Mạng lưới thiết bị kết nối Internet viết tắt là IoT( Internet of Things) là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp mộtđịnh danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạngduy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính IoT

đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet Nói đơn giản

là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thựchiện một công việc nào đó

Hình 2.1: Mô hình liên kết IoT Một vật trong IoT có thể là một người với một trái tim cấy ghép; một động vật ở trang trại với

bộ chip sinh học; một chiếc xe với bộ cảm ứng tích hợp cảnh báo tài xế khi bánh xe xẹp hoặc bất kỳvật thể tự nhiên hay nhân tạo nào mà có thể gán được một địa chỉ IP và cung cấp khả năng truyền dữliệu thông qua mạng lưới Cho đến nay, IoT là những liên kết máy-đến-máy (M2M) trong ngành sảnxuất, công nghiệp năng lượng, kỹ nghệ xăng dầu Khả năng sản phẩm được tích hợp máy-đến-máythường được xem như là thông minh

2.1.2 Xu hướng và tính chất

• Thông minh

Sự thông minh và tự động trong điều khiển thực chất không phải là một phần trong ý tưởng vềIoT Các máy móc có thể dễ dàng nhận biết và phản hồi lại môi trường xung quanh (ambient

intelligence), chúng cũng có thể tự điều khiển bản thân (autonomous control) mà không cần đến kếtnối mạng Tuy nhiên, trong thời gian gần đây người ta bắt đầu nghiên cứu kết hợp hai khái niệm IoT

và autonomous control lại với nhau Tương lai của IoT có thể là một mạng lưới các thực thể thôngminh có khả năng tự tổ chức và hoạt động riêng lẻ tùy theo tình huống, môi trường, đồng thời chúngcũng có thể liên lạc với nhau để trao đổi thông tin, dữ liệu

Việc tích hợp trí thông minh vào IoT còn có thể giúp các thiết bị, máy móc, phần mềm thuthập và phân tích các dấu vết điện tử của con người khi chúng ta tương tác với những thứ thông minh,

từ đó phát hiện ra các tri thứcmới liên quan tới cuộc sống, môi trường, các mối tương tác xã hội cũngnhư hành vi con người

• Kiến trúc dựa trên sự kiện

Các thực thể, máy móc trong IoT sẽ phản hồi dựa theo các sự kiện diễn ra trong lúc chúnghoạt động theo thời gian thực Một số nhà nghiên cứu từng nói rằng một mạng lưới các sensor chính làmột thành phần đơn giản của IoT

• Là một hệ thống phức tạp

Trong một thế giới mở, IoT sẽ mang tính chất phức tạp bởi nó bao gồm một lượng lớn cácđường liên kết giữa những thiết bị, máy móc, dịch vụ với nhau, ngoài ra còn bởi khả năng thêm vàocác nhân tố mới

• Kích thước

Một mạng lưới IoT có thể chứa đến 50 đến 100 nghìn tỉ đối tượng được kết nối và mạng lướinày có thể theo dõi sự di chuyển của từng đối tượng Một con người sống trong thành thị có thể bị baobọc xung quanh bởi 1000 đến 5000 đối tượng có khả năng theo dõi

• Vấn đề không gian, thời gian

Trong IoT, vị trí địa lý chính xác của một vật nào đó là rất quan trọng Hiện nay, Internet chủyếu được sử dụng để quản lý thông tin được xử lý bởi con người Do đó những thông tin như địa điểm,thời gian, không gian của đối tượng không mấy quan trọng bởi người xử lý thông tin có thể quyết địnhcác thông tin này có cần thiết hay không, và nếu cần thì họ có thể bổ sung thêm Trong khi đó, IoT về

lý thuyết sẽ thu thập rất nhiều dữ liệu, trong đó có thể có dữ liệu thừa về địa điểm, và việc xử lý dữliệu đó được xem như không hiệu quả Ngoài ra, việc xử lý một khối lượng lớn dữ liệu trong thời gianngắn đủ để đáp ứng cho hoạt động của các đối tượng cũng là một thách thức hiện nay

• Luồng năng lượng mới

Hiện nay, IoT đang trải qua giai đoạn phát triển "bộc phát" và điều này xảy ra nhờ vào một

số nhân tố, trong đó gồm IPv6, 4G, chi phí, tính sẵn có của công nghệ Gary Atkinson, Giám đốc tiếpthị sản phẩm nhúng của ARM cho rằng, đã có nhiều thiết bị chứng tỏ rằng có thể thu thập dữ liệu vàtruyền tải dữ liệu trên mạng nhưng chỉ có giá khoảng 40USD/sản phẩm Hiện nay, chúng ta có thểnhìn thấy các bộ vi điều khiển 32-bit nền tảng ARM có giá dưới chỉ trên dưới 1USD (chỉ ở 23.000đồng - thời giá tháng 4/2017) Với bộ vi điều khiển này, bạn có thể làm nhiều điều trên đó Thu thập

và truyền dữ liệu rẻ hơn nhiều: chỉ 50 xu cho một bộ vi điều khiển 32-bit của ARM

ARM đã "nhanh chân" trong việc nhận ra rằng, ổ đĩa có xu hướng sử dụng các bộ vi điềukhiển 32-bit là giải pháp cho những người có ý định thực hiện một số quyết định của riêng họ theomột cách tự động Gary tin rằng, khả năng của các bộ vi điều khiển này ngày càng tăng, điều này cónghĩa là người dùng có thể làm những điều mà trước đây là bất khả.

Trong 5 năm tiếp theo, bạn sẽ thấy ngày càng có nhiều thiết bị trên thị trường Những tháchthức đang diễn ra là quản lý dữ liệu và chuyển sang IPv6 (IPv6 đã sẵn sàng và chạy với địa chỉ đãđược cấp phát IPv4 đã cạn kiệt và 2011 chỉ còn lại những địa chỉ cuối cùng)

Axel Pawlik, Giám đốc Quản lý của RIPE NCC lý giải tại sao IPv6 cần thiết cho tương laicủa IoT, với IPv6 chúng ta sẽ có lượng địa chỉ phong phú và điều này sẽ mở ra khả năng gán địa chỉcho mỗi thiết bị (gadget) và chip Các giải pháp sẽ dễ dàng và đơn giản hơn, rõ ràng hơn, có thể phụchồi đến từng mục địa chỉ riêng, và phạm vi phát triển vô cùng to lớn

Lan Pearson, nhà tương lai học với thành tích ấn tượng tại những hãng như BT, Canon vàFujitsu cho rằng, những gì mà chúng ta thấy ở đây là chưa có tiền lệ hội tụ và phát triển nhanh chóng,không giống như bất kỳ điều gì chúng ta từng thấy trước đó Động lực cho việc này chính là áp lựchướng đến công nghệ mới, để giúp chúng ta tạo ra những chiếc máy tính nhanh hơn, những ổ đĩa cótốc độ quay nhanh hơn

Hình 2.2: Xu hướng và tính chất

2.1.3 Ứng dụng

Theo Gartner, Inc (một công ty nghiên cứu và tư vấn công nghệ), sẽ có gần 26 tỷ thiết bị trênIoT vào năm 2020 ABI Research ước tính rằng hơn 30 tỷ thiết bị sẽ được kết nối không dây với "Kếtnối mọi thứ" (Internet of Everything) vào năm 2020 Theo một cuộc khảo sát và nghiên cứu gần đâyđược thực hiện bởi Dự án Internet Pew Research, một phần lớn các chuyên gia công nghệ đã hưởngứng tham gia sử dụng Internet of Things với 83% đồng ý quan điểm cho rằng Internet / Cloud ofThings, nhúng và tính toán đeo (và các hệ thống năng động, tương ứng) sẽ có tác động rộng rãi vàmang lại lợi ích đến năm 2025 Như vậy, rõ ràng là IoT sẽ bao gồm một số lượng rất lớn các thiết bịđược kết nối với Internet

Tích hợp với mạng Internet có nghĩa rằng thiết bị này sẽ sử dụng một địa chỉ IP như là mộtđịnh danh duy nhất Tuy nhiên, do sự hạn chế không gian địa chỉ của IPv4 (cho phép 4,3 tỷ địa chỉ duynhất), các đối tượng trong IOT sẽ phải sử dụng IPv6 để phù hợp với không gian địa chỉ cực kỳ lớn cầnthiết Các đối tượng trong IoT sẽ không chỉ có các thiết bị có khả năng cảm nhận xung quanh, mà còncung cấp khả năng truyền động (ví dụ, củ hoặc khóa điều khiển thông qua Internet) Ở một mức độlớn, tương lai của Internet of Things sẽ không thể không có sự hỗ trợ của IPv6; và do đó việc áp dụngtoàn cầu của IPv6 trong những năm tới sẽ rất quan trọng cho sự phát triển thành công của IOT trongtương lai.

Khả năng kết nối vào mạng của thiết bị nhúng với CPU, bộ nhớ giới hạn và năng lượng bền

bỉ IoT được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực Hệ thống như vậy có thể có nhiệm vụ thu thậpthông tin trong các thiết lập khác nhau, từ các hệ sinh thái tự nhiên cho các tòa nhà và các nhà máy, do

đó việc tìm kiếm các ứng dụng trong lĩnh vực cảm biến môi trường và quy hoạch đô thị

Mặt khác, hệ thống IoT cũng có thể thực hiện các hành động, không chỉ cảm nhận mọi thứxung quanh Hệ thống mua sắm thông minh, ví dụ, có thể theo dõi thói quen người dùng cần ở mộtcửa hàng bằng cách theo dõi điện thoại di động của họ Người dùng sau đó có thể được cung cấp cáccập nhật trên sản phẩm yêu thích của họ,hoặc thậm chí là vị trí các mục mà họ cần, hay tủ lạnh của họcần Tất cả đã tự động chuyển vào điện thoại, ví dụ bổ sung các cảm biến trong các ứng dụng phảnứng lại với nhiệt độ môi trường, điện và quản lý năng lượng,cũng như hỗ trợ hành trình của các hệthống giao thông vận tải

Tuy nhiên, các ứng dụng của IoT không chỉ giới hạn trong lĩnh vực này Tường hợp sử dụngchuyên ngành khác của IoT cũng có thể tồn tại Một cái nhìn tổng quan về một số lĩnh vực nổi bật nhấtđược cung cấp ở đây Dựa trên các miền ứng dụng, sản phẩm IoT có thể chia thành năm loại khácnhau: thiết bị đeo thông minh, nhà thông minh, thành phố thông minh, môi trường thông minh, vàdoanh nghiệp thông minh Các sản phẩm và giải pháp IoT trong mỗi thị trường có đặc điểm khácnhau

Hình 2.3: Ứng dụng của IoTIoT có ứng dụng rộng vô cùng, có thể kể ra một số thứ như sau:

- Quản lý chất thải

- Quản lý và lập kế hoạch quản lý đô thị

- Quản lý môi trường

- Phản hồi trong các tinh huống khẩn cấp

- Mua sắm thông minh

- Quản lý các thiết bị cá nhân

- Đồng hồ đo thông minh

- Tự động hóa ngôi nhà

Một trong những vấn đề với IoT đó là khả năng tạo ra một ứng dụng IoT nhanh chóng Đểkhắc phục, hiện nay nhiều hãng, công ty, tổ chức trên thế giới đang nghiên cứu các nền tảng giúp xâydựng nhanh ứng dụng dành cho IoT Đại học British Columbia ở Canada hiện đang tập trung vào một

bộ toolkit cho phép phát triển phần mềm IoT chỉ bằng các công nghệ/tiêu chuẩn Web cũng như giaothức phổ biến Công ty như ioBridge thì cung cấp giải pháp kết nối và điều khiển hầu như bất kì thiết

bị nào có khả năng kết nối Internet, kể cả đèn bàn, quạt máy

Broadcom mới đây cũng đã giới thiệu hai con chip có mức tiêu thụ điện thấp và giá rẻ dànhcho các thiết bị "Internet of things" SoC đầu tiên, BCM4390, được tích hợp một bộ thu phát sóng Wi-

Fi 802.11 b/g/n hiệu suất cao để có thể dùng với các vi điều khiển 8 hoặc 16-bit Broadcom nói rằng

sản phẩm này có thể dùng trong các nồi nấu ăn thông minh, bóng đèn, hệ thống an ninh cũng như cácthiết bị gia dụng có khả năng điều khiển và quản lý từ xa SoC thứ hai, BCM20732, thì được tích hợp

bộ thu phát tín hiệu Bluetooth và nhắm đến những máy móc như bộ đo nhịp tim, bộ đo bước chạy,thiết bị cảnh báo khi có vật gì đến gần hoặc ổ khóa cửa thông minh Broadcom cũng đã đóng góp cáctập lệnh phần mềm hỗ trợ cho cả công nghệ Bluetooth thường và Bluetooth Smart vào dự án AndroidOpen Source (AOSP) Hiện bản mẫu của hai con chip nàyđang được giao đến đối tác phần cứng và dựkiến sẽ được sản xuất đại trà trong quý 4 năm nay

vụ, tăng lần và giảm chi phí hoạt động trong tất cả các lĩnh vực cơ sở hạ tầng liên quan Ngay cả cáclĩnh vực như quản lý chất thải đứng được hưởng lợi từ tự động hóa và tối ưu hóa có thể được đưa vàobởi IoT

• Y tế

Thiết bị IoT có thể được sử dụng để cho phép theo dõi sức khỏe từ xa và hệ thống thông báokhẩn cấp Các thiết bị theo dõi sức khỏe có thể dao động từ huyết áp và nhịp tim màn với các thiết bịtiên tiến có khả năng giám sát cấy ghép đặc biệt, chẳng hạn như máy điều hòa nhịp hoặc trợ thính tiêntiến, cảm biến đặc biệt cũng có thể được trang bị trong không gian sống để theo dõi sức khỏe và thịnhvượng chung là người già, trong khi cũng bảo đảm xử lý thích hợp đang được quản trị và hỗ trợ ngườidân lấy lại mất tính di động thông qua điều trị là tốt Thiết bị tiêu dùng khác để khuyến khích lối sốnglành mạnh, chẳng hạn như, quy mô kết nối hoặc máy theo dõi tim mạch, cũng là một khả năng củaIoT

• Xây dựng và tự động hóa nhà

Thiết bị IoT có thể được sử dụng để giám sát và kiểm soát các hệ thống cơ khí, điện và điện tửđược sử dụng trong nhiều loại hình tòa nhà (ví dụ, công cộng và tư nhân, công nghiệp, các tổ chức,hoặc nhà ở) Hệ thống tự động hóa, như các tòa nhà tự động hóa hệ thống, thường được sử dụng đểđiều khiển chiếu sáng, sưởi ấm, thông gió, điều hòa không khí, thiết bị, hệ thống thông tin liên lạc, giảitrí và các thiết bị an ninh gia đình để nâng cao sự tiện lợi, thoải mái, hiệu quả năng lượng và an ninh

• Giao thông

Các sản phẩm IoT có thể hỗ trợ trong việc tích hợp các thông tin liên lạc, kiểm soát và xử lýthông tin qua nhiều hệ thống giao thông vận tải Ứng dụng của IoT mở rộng đến tất cả các khía cạnhcủa hệ thống giao thông, tức là xe, cơ sở hạ tầng, và người lái xe hoặc sử dụng Năng động, tương tácgiữa các thành phần của một hệ thống giao thông vận tải cho phép truyền thông giữa nội và xe cộ, điều

khiển giao thông thông minh, bãi đậu xe thông minh, hệ thống thu phí điện tử, quản lý đội xe, điềukhiển xe, an toàn và hỗ trợ đường bộ.

Còn rất nhiều các ứng dụng từ nhỏ đến lớn khác mà IoT có thể tạo nên và đề tài cũng đangứng dụng IoT vào nghiên cứu và xây dựng mô hình IoT trong nông nghiệp

2.1.4 Một số tác nhân cản trở sựu phát triển của IoT

• Chưa có một ngôn ngữ chung

Ở mức cơ bản nhất, Internet là một mạng dùng để nối thiết bị này với thiết bị khác Nếu chỉriêng có kết nối không thôi thì không có gì đảm bảo rằng các thiết bị biết cách nói chuyện nói nhau Ví

dụ, bạn có thể đi từ Việt Nam đến Mỹ, nhưng không đảm bảo rằng bạn có thể nói chuyện với ngườiMỹ.Để các thiết bị có thể giao tiếp với nhau, chúng sẽ cần một hoặc nhiều giao thức (protocols), có thểxem là một thứ ngôn ngữ chuyên biệt để giải quyết một tác vụ nào đó Chắc chắn bạn đã ít nhiều sửdụng một trong những giao thức phổ biến nhất thế giới, đó là HyperText Transfer Protocol (HTTP) đểtải web Ngoài ra chúng ta còn có SMTP, POP, IMAP dành cho email, FTP dùng để trao đổi file Những giao thức như thế này hoạt động ổn bởi các máy chủ web, mail và FTP thường khôngphải nói với nhau nhiều, khi cần, một phần mềm biên dịch đơn giản sẽ đứng ra làm trung gian để haibên hiểu nhau Còn với các thiết bị IoT, chúng phải đảm đương rất nhiều thứ, phải nói chuyện vớinhiều loại máy móc thiết bị khác nhau Đáng tiếc rằng hiện người ta chưa có nhiều sự đồng thuận vềcác giao thức để IoT trao đổi dữ liệu Nói cách khác, tình huống này gọi là "giao tiếp thất bại", mộtbên nói nhưng bên kia không thèm (và không thể) nghe

• Hàng rào subnetwork

Như đã nói ở trên, thay vì giao tiếp trực tiếp với nhau, các thiết bị IoT hiện nay chủ yếu kếtnối đến một máy chủ trung tâm do hãng sản xuất một nhà phát triển nào đó quản lý Cách này cũngvẫn ổn thôi, những thiết bị vẫn hoàn toàn nói chuyện được với nhau thông qua chức năng phiên dịchcủa máy chủ rồi Thế nhưng mọi chuyện không đơn giản như thế, cứ mỗi một mạng lưới như thế tạothành một subnetwork riêng, và buồn thay các máy móc nằm trong subnetwork này không thể giaotiếp tốt với subnetwork khác

Lấy ví dụ như xe ô tô chẳng hạn Một chiếc Ford Focus có thể giao tiếp cực kì tốt đến cácdịch vụ và trung tâm dữ liệu của Ford khi gửi dữ liệu lên mạng Nếu một bộ phận nào đó cần thay thế,

hệ thống trên xe sẽ thông báo về Ford, từ đó hãng tiếp tục thông báo đến người dùng Nhưng trongtrường hợp chúng ta muốn tạo ra một hệ thống cảnh báo kẹt xe thì mọi chuyện rắc rối hơn nhiều bởi

xe Ford được thiết lập chỉ để nói chuyện với server của Ford, không phải với server của Honda, Audi,Mercedes hay BMW Lý do cho việc giao tiếp thất bại? Chúng ta thiếu đi một ngôn ngữ chung Và đểthiết lập cho các hệ thống này nói chuyện được với nhau thì rất tốn kém, đắt tiền

Một số trong những vấn đề nói trên chỉ đơn giản là vấn đề về kiến trúc mạng, về kết nối màcác thiết bị sẽ liên lạc với nhau (Wifi, Bluetooth, NFC, ) Những thứ này thì tương đối dễ khắc phụcvới công nghệ không dây ngày nay Còn với các vấn đề về giao thức thì phức tạp hơn rất nhiều, nóchính là vật cản lớn và trực tiếp trên còn đường phát triển của Internet of Things

• Có quá nhiều "ngôn ngữ địa phương"

Bây giờ giả sử như các nhà sản xuất xe ô tô nhận thấy rằng họ cần một giao thức chung để xecủa nhiều hãng có thể trao đổi dữ liệu cho nhau và họ đã phát triển thành công giao thức đó Thếnhưng vấn đề vẫn chưa được giải quyết Nếu các trạm thu phí đường bộ, các trạm bơm xăng muốngiao tiếp với xe thì sao? Mỗi một loại thiết bị lại sử dụng một "ngôn ngữ địa phương" riêng thì mụcđích của IoT vẫn chưa đạt được đến mức tối đa Đồng ý rằng chúng ta vẫn có thể có một trạm kiểmsoát trung tâm, thế nhưng các thiết bị vẫn chưa thật sự nói chuyện được với nhau.

• Tiền và chi phí

Cách duy nhất để các thiết bị IoT có thể thật sự giao tiếp được với nhau đó là khi có một độnglực kinh tế đủ mạnh khiến các nhà sản xuất đồng ý chia sẻ quyền điều khiển cũng như dữ liệu mà cácthiết bị của họ thu thập được Hiện tại, các động lực này không nhiều Có thể xét đến ví dụ sau: mộtcông ty thu gom rác muốn kiểm tra xem các thùng rác có đầy hay chưa Khi đó, họ phải gặp nhà sảnxuất thùng rác, đảm bảo rằng họ có thể truy cập vào hệ thống quản lý của từng thùng một Điều đókhiến chi phí bị đội lên, và công ty thu gom rác có thể đơn giản chọn giải pháp cho một người chạy xekiểm tra từng thùng một

2.2 Kit nodeMCU/esp8266

2.2.1 Lịch sử hình thành và khái niệm

NodeMCU được tạo ra ngay sau khi ESP8266 ra mắt Vào ngày 30 tháng 12 năm 2013,Espressif Systems đã bắt đầu sản xuất ESP8266 ESP8266 là một Wi-Fi SoC (System on Chip) tíchhợp với một lõi Tensilica Xtensa LX106, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng IoT NodeMCUbắt đầu vào ngày 13 tháng 10 năm 2014, khi cam kết tệp đầu tiên của phần mềm nodemcu đếnGitHub Hai tháng sau, dự án mở rộng bao gồm một nền tảng phần cứng mở khi nhà phát triển Huang

R đã tạo ra tệp gerber của một bảng ESP8266, đặt tên devkit v0.9 Cuối tháng đó, Tuan PM đã chuyểnthư viện khách hàng MQTT (MQ Telemetry Transport or Message Queue Telemetry Transport) từContiki sang nền tảng SoC của ESP8266 và cam kết dự án NodeMCU, sau đó NodeMCU đã có thể hỗtrợ giao thức IQ của MQTT, sử dụng Lua để truy cập vào môi giới MQTT Một bản cập nhật quantrọng được thực hiện vào ngày 30 Tháng Một 2015, khi Devsaurus chuyển các u8glib cho dự ánNodeMCU, cho phép NodeMCU dễ dàng kết nối LCD, màn hình, màn hình OLED, thậm chí mànhình VGA

Vào mùa hè năm 2015, những người sáng tạo đã từ bỏ dự án phần mềm và một nhóm các nhàđóng góp độc lập nhưng đã dành riêng Đến mùa hè năm 2016, NodeMCU bao gồm hơn 40 mô-đunkhác nhau Do hạn chế nguồn lực, người dùng cần chọn các mô đun có liên quan đến dự án của họ vàxây dựng một phần mềm phù hợp với nhu cầu

Như vậy:

ESP8266 được định nghĩa là một chip Wi-Fi chi phí thấp với đầy đủ giao thức TCP / IP và viđiều khiển (MCU)

Hình 2.4: ESP8266 NodeMCU là một nền tảng IoT nguồn mở Nó bao gồm phần mềm chạy trên ESP5266 Wi-FiSoC của Espressif Systems và phần cứng dựa trên mô đun ESP-12 Thuật ngữ "NodeMCU" mặc định

đề cập đến là bộ công cụ phát triển

Hình 2.5: kit nodeMCU

2.2.2 Tổng quan về nodeMCU/esp8266

NodeMCU/ESP8266 cung cấp một giải pháp mạng Wi-Fi hoàn chỉnh và khép kín, cho phép

nó lưu trữ các ứng dụng hoặc để offload tất cả các chức năng mạng Wi-Fi từ ứng dụng của tiến trìnhkhác

Khi NodeMCU/ESP8266 lưu trữ ứng dụng, và khi nó là bộ xử lý ứng dụng duy nhất trongthiết bị thì nó có thể khởi động trực tiếp từ một đèn flash bên ngoài Thiết bị đã tích hợp bộ nhớ cache

để cải thiện hiệu suất của hệ thống trong các ứng dụng như vậy, và để giảm thiểu yêu cầu bộ nhớ Ngoài ra, thiết bị phục vụ như một bộ chuyển đổi Wi-Fi, truy cập internet không dây có thểđược thêm vào bất kỳ thiết kế vi điều khiển nào dựa trên với kết nối đơn giản thông qua giao diệnUART hoặc CPU giao diện cầu AHB

ESP8266 trên board xử lý và lưu trữ các khả năng cho phép nó được tích hợp với các cảmbiến và các thiết bị ứng dụng cụ thể thông qua các GPIO của nó với sự phát triển tối thiểu ở phía trước

và tải tối thiểu trong thời gian chạy Với mức độ tích hợp chip cao, bao gồm: chuyển đổi ăng tenbalun, chuyển đổi quản lý năng lượng, nó đòi hỏi các mạch bên ngoài tối thiểu và toàn bộ giải phápbao gồm mô đun đầu cuối, được thiết kế với diện tích PCB tối thiểu

Các tính năng cung cấp hệ thống tinh vi bao gồm: chuyển đổi bối cảnh nhanh / ngủ thành nănglượng VoIP, thích ứng cho hoạt động năng lượng thấp, xử lý tín hiệu trước, và kích hoạt tính năng hủy

bỏ và radio co-existence cho các cellular, Bluetooth, DDR, LVDS, LCD

• Công nghệ năng lượng thấp

ESP8266 được thiết kế cho điện thoại di động, thiết bị điện tử đeo và ứng dụng Internet ofThings với mục đích đạt được tiêu thụ điện năng thấp nhất với sự kết hợp của một số kỹ thuật độcquyền tiên tiến Kiến trúc tiết kiệm năng lượng hoạt động ở 3 chế độ: chế độ hoạt động, chế độ ngủ vàchế độ ngủ sâu

Bằng cách sử dụng các kỹ thuật quản lý năng lượng tiên tiến và logic để tắt chức năng khôngyêu cầu và để điều khiển chuyển đổi giữa chế độ ngủ và hoạt động, ESP8266 tiêu thụ ít hơn 12uA ởchế độ ngủ và ít hơn 1.0mW (DTIM = 3) hoặc nhỏ hơn 0.5mW (DTIM = 10) ở kết nối với điểm truycập

Khi ở chế độ ngủ, chỉ có đồng hồ hiệu chỉnh thời gian thực và cơ quan giám sát vẫn hoạtđộng Thời gian thực đồng hồ có thể được lập trình để đánh thức ESP8266 ở bất kỳ khoảng thời gianyêu cầu nào

ESP8266 có thể được lập trình để đánh thức khi phát hiện một điều kiện cụ thể

Tính năng đánh thức tối thiểu này của ESP8266 có thể được sử dụng bởi thiết bị di độngSOCs, cho phép vẫn ở chế độ chờ nguồn năng lượng thấp cho đến khi cần Wi-Fi

Để đáp ứng nhu cầu điện năng của thiết bị điện tử di động và đeo được, ESP8266 có thể đượclập trình để giảm công suất ra của PA để phù hợp với các yêu cầu ứng dụng khác nhau

2.2.3 Các loại modules ESP

ESP- chúng được gọi chung là "ESP-xx modules" Để tạo thành một hệ thống phát triển khảthi chúng đòi hỏi các thành phần bổ sung, đặc biệt là bộ tiếp hợp TTL-USB (đôi khi được gọi là cầunối USB-to-UART) và nguồn điện 3,3 volt bên ngoài Các nhà phát triển Novice ESP-8266 khuyếnkhích xem xét các bảng phát triển Wi-Fi lớn hơn ESP8266 như NodeMCU bao gồm cầu USB-toUART và một kết nối Micro-USB cùng với bộ điều chỉnh công suất 3,3 volt đã được tích hợp sẵntrong bảng Khi phát triển dự án hoàn thành, chúng ta có thể không cần các thành phần này và có thểxem xét sử dụng các mô-đun ESP-xx rẻ hơn như là một sức mạnh thấp hơn

Bảng 2.1: Các loại module ESPNam

connector

07

mm

2x8 DILcastellated

Yes Ceramic

+ U.FLconnector

No None Yes 17.0 × 16.0 Not FCC

Yes PCB

trace

Yes 24.0 × 16.0 FCC and CE

approved[14

d ]ESP-

12E

mm

2x8 DILcastellated

Yes PCB

trace

Yes 24.0 × 16.0 FCC and CE

approved.Improvedantennaperformance

4 MiB FlashESP-

13

16 1.5

mm

2x9 DILcastellated

14

mm

2x6 DILcastellate

d +6

trace

Yes 24.3 × 16.2

2.4 Cấu tạo và nguyên lí làm việc của nodeMCU/esp8266

• Sơ đồ chân của nodeMCU

Hình 2.6: Sơ đồ chân của nodeMCU

• Sơ đồ nguyên lí các khối trong nodeMCU:

- ESP 12-CORE

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lí khối ESP 12-CORE trong nodeMCU

- USB TO UART

Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lí khối USB TO UART trong nodeMCU

- POWER

Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lí khối POWER trong nodeMCU

- Thiết bị điện tử mang theo

- Thiết bị nhận biết wifi

- Bảo mật thẻ ID

2.3 Cảm biến

2.3.1 Tổng quan về cảm biến

a Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến

Cảm biến – sensor: xuất phát từ chữ “ sense” nghĩa là giác quan – do đó nó như các giác quantrong cơ thể con người Nhờ cảm biến mà mạch điện, hệ thống điện có thể thu nhân thông tin từ bênngoài Từ đó, hệ thống máy móc, điện tử tự động mới có thể tự động hiển thị thông tin về đại lượngđang cảm nhận hay điều khiển quá trình định trước có khả năng thay đổi một cách uyển chuyển theomôi trường hoạt động

Để dễ hiểu có thể so sánh cảm nhận của cảm biến qua 5 giác quan của người như sau:

5 giác quan Thay đổi môi trường Thiết bị cảm biến

Áp suất, nhiệt độ, cơn đau,tiếp xúc, tiệm cận, ẩm, khô

Ngọt, mặn, chua cay, béo

Âm rầm bổng, sóng âm, âmlượng

Mùi của các chất khí, chấtlỏng

Đo độ cồn, thiết bị cảm nhậnkhí ga

Bảng 2.2: So sánh cảm nhận của cảm biến qua 5 giác quan Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không cótính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và xử lý được

Các đại lượng cần đo (m) thường không có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất, ) tác độnglên cảm biến cho ta một đặc trưng (s) mang tính chất điện (như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trởkháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đo Đặc trưng (s) là hàm của đạilượng cần đo (m): s = F(m)

• Các đặc trưng của bộ cảm biến: Một cảm biến được sử dụng khi đáp ứng các tiêu chí kỹ thuật xácđịnh.

- Độ nhạy: Gia số nhỏ nhất có thể phát hiện

- Mức tuyến tính: Khoảng giá trị được biến đổi có hệ số biến đổi cố định

- Dải biến đổi: Khoảng giá trị biến đổi sử dụng được

- Ảnh hưởng ngược: Khả năng gây thay đổi môi trường

- Mức nhiễu ồn: Tiếng ồn riêng và ảnh hưởng của tác nhân khác lên kết quả

- Sai số xác định: Phụ thuộc độ nhạy và mức nhiễu

- Độ trôi: Sự thay đổi tham số theo thời gian phục vụ hoặc thời gian tồn tại (date)

- Độ trễ: Mức độ đáp ứng với thay đổi của quá trình

- Độ tin cậy: Khả năng làm việc ổn định, chịu những biến động lớn của môi trường như sốc các loại

- Điều kiện môi trường: Dải nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, làm việc được

• Phạm vi ứng dụng:

Công nghiệp

Nghiên cứu khoa học

Môi trường, khí tượng

Thông tin viễn thông

b Phân loại cảm biến

Các bộ cảm biến được phân loại theo các đặc trưng cơ bản sau đây:

Theo nguyên lý chuyển đổi giữa kích thích và đáp ứng:

Hiện tượng vật lý:

- Nhiệt điện

- Quang điện

Hiện tượng hoá học:

- Biến đổi hoá học

- Biến đổi điện hoá

- Phân tích phổ

- Biến đổi sinh hoá Hiện tượng sinh học :

- Biến đổi vật lý

- Hiệu ứng trên cơ thể sống

Phân loại theo dạng kích thích :

- Điện trường (biên, pha, phân cực, phổ)

- Điện dẫn, hằng số điện môi

Từ:

- Từ trường (biên, pha, phân cực, phổ)

- Từ thông, cường độ từ trường

- Độ từ thẩm

Quang:

- Biên, pha, phân cực, phổ

- Nghiên cứu khoa học

- Môi trường, khí tượng

- Thông tin, viễn thông

Phân loại theo thông số của mô hình mạch điện thay thế :

+ Cảm biến tích cực có đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng

+ Cảm biến thụ động được đặc trưng bằng các thông số R, L, C, M tuyến tính hoặc phi tuyến

Hình 2.13: Các loại cảm biến

c Vai trò - ứng dụng của cảm biến

Các bộ cảm biến đóng vai trò cực kì quan trọng trong lĩnh vực đo lường và điều khiển Chúngcảm nhận và đáp ứng theo các kích thích thường là các đại lượng không điện, chuyển đổi các đạilượng này thành các đại lượng điện và truyền các thông tin về hệ thống đplường điều khiển, giúpchúng ta nhận dạng, đánh giá, và điều khiển mọi biến trạng thái của đối tượng

Hình 2.15: Kích thước cảm biến DHT11DHT11 có cấu tạo 4 chân như hình Nó sử dụng giao tiếp số theo chuẩn 1 dây.

Hình 2.16: Kết nối DHT11 với vi xử lí

- Nguyên lý hoạt động:

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 byte dữ liệu và nhiệt độ đo được

- Bước 1: gửi tín hiệu Start

Hình 2.17: Gửi tín hiệu Start hoạt động trong DHT11+ MCU thiết lập chân DATA là Output, kéo chân DATA xuống 0 trong khoảng thời gian >18ms.Trong Code mình để 25ms Khi đó DHT11 sẽ hiểu MCU muốn đo giá trị nhiệt độ và độ ẩm

+ MCU đưa chân DATA lên 1, sau đó thiết lập lại là chân đầu vào

+ Sau khoảng 20-40us, DHT11 sẽ kéo chân DATA xuống thấp Nếu >40us mà chân DATA ko đượckéo xuống thấp nghĩa là ko giao tiếp được với DHT11

+ Chân DATA sẽ ở mức thấp 80us sau đó nó được DHT11 kéo nên cao trong 80us Bằng việc giámsát chân DATA, MCU có thể biết được có giao tiếp được với DHT11 ko Nếu tín hiệu đo đượcDHT11 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 byte 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)

Byte 5 : kiểm tra tổng

+ Nếu Byte 5 = (8 bit) (Byte1 +Byte2 +Byte3 + Byte4) thì giá trị độ ẩm và nhiệt độ là chính xác, nếusai thì kết quả đo không có nghĩa.

Hình 2.19: Đọc dữ liệu Bit 1 Sau khi tín hiệu được đưa về 0, ta đợi chân DATA của MCU được DHT11 kéo lên 1 Nếuchân DATA là 1 trong khoảng 26-28 us thì là 0, còn nếu tồn tại 70us là 1 Do đó trong lập trình ta bắtsườn 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

2.3.3 Cảm biến độ ẩm đất

a Giới thiệu

Cảm biến độ ẩm đất: trạng thái đầu ra mức thấp (0V), khi đất thiếu nước đầu ra sẽ là mức cao(5V), độ nhạy cao chúng ta có thể điều chỉnh được bằng biến trở Cảm biến độ ẩm đất có thể sử dung

tưới hoa tự động khi không có người quản lý khu vườn của bạn hoặc dùng trong những ứng dụngtương tự như trồng cây Độ nhạy của Cảm biến phát hiện độ ẩm đất có thể tùy chỉnh được (Bằng cáchđiều chỉnh chiết áp màu xanh trên board mạch)

Phần đầu đo được cắm vào đất để phát hiện độ ẩm của đất, khi độ ầm của đất đạt ngưỡng thiếtlập, đầu ra DO sẽ chuyển trạng thái từ mức thấp lên mức cao

+ DO: Đầu ra tín hiệu số (0 và 1)

+ AO: Đầu ra Analog (Tín hiệu tương tự)

c Nguyên lí hoạt động

Theo sơ đồ mạch nguyên lý dưới:

Hình 2.21: Sơ đồ nguyên lí của cảm biến độ ẩm đất Khi module cảm biến độ ẩm phát hiện, khi đó sẽ có sự thay đổi điện áp ngay tại đầu vào của icLM393 Ic này nhận biết có sự thay đổi nó sẽ đưa ra một tín hiệu 0V để báo hiệu và thay đổi như thếnào sẽ được tính toán để đọc độ ẩm đất

+ Cảm biến độ ẩm đất rất nhạy với độ ẩm môi trường xung quanh, thường được sử dụng để phát hiện

độ ẩm của đất

+ Khi độ ẩm đất vượt quá giá trị được thiết lập, ngõ ra của module D0 ở mức giá trị là 0V

+ Ngõ ra D0 có thể được kết nối trực tiếp với vi điều khiển như (Arduino,PIC,AVR,STM), để pháthiện cao và thấp, và do đó để phát hiện độ ẩm của đất

+ Đầu ra Analog AO có thể được kết nối với bộ chuyển đổi ADC, bạn có thể nhận được các giá trịchính xác hơn độ ẩm của đất

d Ứng dụng

- Nông nghiệp:

Đo độ ẩm của đất là rất quan trọng cho nông nghiệp ứng dụng để giúp nông dân quản lý của

họ các hệ thống tưới tiêu hiệu quả hơn Biết được chính xác độ ẩm của đất trên đồng ruộng của họ,không chỉ nông dân có thể sử dụng ít nước để trồng một vụ, họ cũng có thể tăng sản lượng và chất

lượng của cây trồng bằng cách cải thiện quản lý độ ẩm của đất trong giai đoạn phát triển cây trồngquan trọng

- Thủy lợi cảnh quan:

Ở khu vực đô thị và ngoại ô , cảnh quan và bãi cỏ ở đang sử dụng cảm biến độ ẩm của đất đểgiao tiếp với bộ điều khiển thủy lợi Kết nối một cảm biến độ ẩm đất với một đồng hồ thủy sinh đơngiản sẽ biến nó thành một bộ điều khiển thủy lợi "thông minh" để ngăn ngừa các chu trình tưới khi đất

đã ướt, ví dụ như sau sự kiện mưa gần đây

Các sân gôn sử dụng cảm biến độ ẩm của đất để tăng hiệu quả của hệ thống tưới tiêu nhằmngăn ngừa quá nước tưới và phân bón và các hóa chất khác vào đất

- Nghiên cứu:

Cảm biến độ ẩm của đất được sử dụng trong nhiều ứng dụng nghiên cứu, ví dụ như trong khoahọc nông nghiệp và làm vườn trong đó có quy hoạch thủy lợi, nghiên cứu khí hậu , hoặc khoa học môitrường bao gồm chất tan nghiên cứu giao thông vận tải và các cảm biến như phụ trợ cho hô hấp đất đo

- Cảm biến đơn giản cho người làm vườn:

Các thiết bị tương đối rẻ và đơn giản mà không cần nguồn điện có sẵn để kiểm tra xem cácnhà máy có đủ độ ẩm để phát triển Sau khi chèn một que thăm dò vào trong đất trong khoảng 60 giây,một mét cho biết nếu đất quá khô, ướt hoặc ướt cho cây

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH 3.1 Thiết kế phần cứng

3.1.1 Phương án thiết kế

Thiết kế, xây dựng mô hình cho đề tài nhằm thực hiện các nhiệm vụ:

- Kiểm tra, lưu trữ các điều kiện của môi trường cây trồng

- Hiển thị các thông tin lên màn hình LCD

- Điều khiển thủ công: máy bơm, đèn

- Điều khiển tự động thông minh theo điều kiện của môi trường trông cây

- Điều khiển online từ xa qua smart phone Mô hình xây dựng dựa trên kit nodeMCU/esp8266 làtrung tâm vi xử lí điều hành mọi hoạt dộng của hệ thống Với mục đích tạo ra môi trường cây trồngđược chăm sóc tự động, thống minh nên phương án thiết kế xoay quanh các điều kiện, yếu tố của môitrường để cây trồn có thể phát triển bình thường hay có thể là phát triển nhanh và các yếu tố đây là:nước, độ ẩm, ánh sáng, các chất dinh dưỡng… Với mục đích như vậy chúng ta cần vạch ra phương ánnhư sau:

Khối vi xử lí <-> Chức năng điều khiển toàn hệ thống

Khối cảm biến <-> Chức năng cảm nhận sự biến đổi của các điều kiện yếu tố trong môi trường câytrồng

Khối hiển thị <-> Là nơi hiển thị những thông tin của mà khối cảm biến cảm nhận được

Khối thực thi <-> Thực hiện chức năng tưới tiêu, chiếu sáng

Khối nguồn <-> Cung cấp ngồn nuôi cho toàn hệ thống hoạt động

3.1.2 Sơ đồ khối phần cứng

a Khối nguồn

Mạch sử dụng nguồn chính là nguồn 5 VDC ổn định nhằm cung cấp cho nodeMCU hoạtđộng Từ nodeMCU chúng ta có thể lấy ra các nguồn là 5V và 3.3V để cho các linh kiện khác hoạtđộng là cảm biến DHT11, cảm biến độ ẩm đất, màn hình LCD, relay, nút bấm

Máy bơm và đèn có thể dử dụng các nguồn khác ngoài 2 nguồn 3.3 và 5V tùy vào mỗi loạimáy bơm và đèn

b Khối vi xử lí

Sử dụng kit nodeMCU/esp8266: Là khối xử lý trung tâm tiếp nhận và điều khiển toàn bộ hoạtđộng của hệ thống Từ việc điều khiển toàn bộ thiết bị phần cứng cho đến thiết lập kết nối và điềukhiển phần mềm

• Sơ đồ chân của nodeMCU

Hình 3.2: Sơ đồ chân của nodeMCU

• Thông số kĩ thuật:

- Hỗ trợ STA / AP / STA + AP 3 chế đọ làm việc;

- Tích hợp giao thức TCP / IP, hỗ trợ kết nối TCP Client nhiều kênh (tối đa 5);

0 ~ D8, SD1 ~ SD3: dùng cho GPIO, PWM, IIC, vv; Khả năng điều khiển có thể đạt đến 15mA;

- AD0: một chiều ADC;

- Nguồn vào: 4.5V ~ 9V (10VMAX), hỗ trợ USB được hỗ trợ và gỡ lỗi USB;

- Dòng làm việc: ≈70mA (200mA MAX, tiếp tục) chế độ chờ <200uA ;

- Tốc độ truyền dữ liệu: 110 -460800bps;

- Hỗ trợ giao diện truyền dữ liệu UART/GPIO;

- Hỗ trợ cập nhật phần mền từ xa (OTA);

Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lí của cảm biến độ ẩm đất

+ DO: Đầu ra tín hiệu số (0 và 1)

+ AO: Đầu ra Analog (Tín hiệu tương tự)

• Kết nối với nodeMCU

Bảng 3.2: Kết nối chân của cảm biến độ ẩm với nodeMCUCảm biến độ ẩm đất nodeMCU/esp8266

d Khối hiển thị

Khối hiển thị với vai trò hiển thị kết quả là thông tin nhận về sau khi được xử lí qua khố điềukhiển cho ra khối hiển thị bao gồm hiển thị thông tin về nhiệt độ, độ ẩm,độ ẩm đất của môi trường câytrồng Trong mô hình xây dựng ta sử dụng màn hình lcd 16x4

• Hình dạng: có khả năng hiển thị 4 dòng với mỗi dòng 16 ký tự, màn hình có độ bền cao, rất phổ biến

- Chữ đen, nền xanh lá/xanh dương

- Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 0.1 inch tiện dụng khi kết nối với Breadboard

- Tên các chân được ghi ở mặt sau của màn hình LCD hổ trợ việc kết nối, đi dây điện