hệ thống giám sát và điều khiển cho nông trại trồng rau trong nhà kính ứng dụng công nghệ iot

Với mong muốn tạo ra một hệ thống giám sát, điều khiển hoàn toàn tự động được ứng dụng trong nông nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực trồng trọt, có thể mang lại tiện ích cho người sử dụn

MỤC LỤC

Trang bìa i

Nhiệm vụ đồ án ii

Lịch trình iii

Cam đoan iv

Lời cảm ơn v

Mục lục vi

Liệt kê hình vẽ ix

Liệt kê bảng vẽ xi

Tóm tắt xii

Chương 1 TỔNG QUAN 1

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

MỤC TIÊU 2

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2

GIỚI HẠN 3

BỐ CỤC 3

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 ỨNG DỤNG IoT TRÔNG NÔNG NGHIỆP 5

2.1.1 Giới Thiệu 5

2.1.2 Cấu Trúc Cơ Bản Của Hệ Thống Ứng Dụng Công Nghệ IoT 5

2.2 CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU, CHUẨN KẾT NỐI, CƠ SỞ DŨ LIỆU VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN 6

2.2.1 Chuẩn Giao Tiếp SPI 6

2.2.2 Giao Thức Truyền Dữ Liệu Bằng LoRa 7

2.2.3 Giao Thức MQTT 9

2.2.4 Hệ Quản Trị Cơ Sở Dữ Liệu MySQL 10

2.2.5 Bộ Điều Khiển PID 10

2.3 LÝ THUYẾT VỀ RAU CẢI XANH – ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU TRONG ĐỀ TÀI [7] 11

2.3.1 Đặc điểm và yêu cầu của cây trồng 11

2.2.2 Photo-synthetically Active Radiation và Photosynthetic Photon Flux Density 12

2.2.3 Chọn màu ánh sáng sử dụng cho cây 14

2.4 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 15

vii

2.4.1 Giới Thiệu Board Arduino Uno R3 [8] 15

2.4.2 Giới Thiệu Raspberry Pi 18

a Raspberry Pi là gì 18

b Cấu Trúc Phần Cứng Của Raspberry Pi [9] 18

2.4.3 Module Cảm Biến Độ Ẩm Và Nhiệt Độ DHT11 [10] 21

2.4.4 Module Cảm Biến Ánh Sáng GY-30 [11] 22

2.4.4 Module Cảm Biến Độ Ẩm Đất [12] 23

2.4.4 Module LoRa SX1278 Ra_02 [13] 25

2.4.5 Mạch công suất cầu H (L298N) [14] 28

2.4.6 Động Cơ Bơm Chìm Mini 5VDC 30

2.4.7 Led Dây 5050 30

Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 33

3.1 YÊU CẦU ĐIỀU KHIỂN 33

3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 33

2.1 Thiết Kế Sơ Đồ Khối Của Hệ Thống 33

3.2.2 Tính Toán Thiết Kế Mạch 35

Khối xử lý trung tâm 35

a Khối cảm biến 37

b Khối thu thập dữ liệu 39

c Khối nhận lệnh điều khiển 40

d Khối thiết bị ngoại vi 41

e Khối nguồn 43

3.2.3 Thiết Kế Mô Hình Nhà Kính 44

Chương 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 45

4.1 GIỚI THIỆU 45

4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 45

4.2.1 Thi Công Board Mạch 45

4.2.1.1 Thi Công Board Mạch Thu Thập Dữ Liệu 45

4.2.1.2 Thi Công Board Mạch Điều Khiển 46

4.2.1.3 Thi Công Gateway 48

4.2.1.4 Thi Công Mô Hình Nhà Kính 48

4.2.1.5 Lắp Ráp Và Kiểm Tra 49

4.3 THI CÔNG MÔ HÌNH 50

4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 51

4.4.1 Lưu Đồ Giải Thuật 51

4.4.1.1 Lưu Đồ Giải Thuật Của Khối Thu Thập Dữ Liệu 52

4.4.1.2 Lưu Đồ Giải Thuật Của Khối Nhận Lệnh Điều Khiển 54

4.4.1.3 Lưu Đồ Giải Thuật Của Khối Xử Lý Trung Tâm 56

4.4.2 Phần Mềm Lập trình 58

4.4.2.1 Phần Mềm Arduino IDE 58

4.4.2.2 Phần Mềm Python IDLE 59

4.4.2.3 Phần Mềm Node-Red 62

Chương 5 KẾT QUẢ THỰC HIỆN 64

5.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 64

5.2 MỘT SỐ HÌNH ẢNH ĐẠT ĐƯỢC TỪ ĐỀ TÀI 64

5.2.1 Kết Quả Phần Cứng 64

5.2.2 Kết Quả Phần Mềm 67

5.4 NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG 72

5.4.1 Nhận xét 72

a Ưu điểm 72

b Hạn chế 72

5.4.2 Đánh giá 72

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 73

6.1 KẾT LUẬN 73

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

PHỤ LỤC 76

ix

LIỆT KÊ HÌNH VẼ

Hình 2 1 Minh họa về ứng dụng IOT trong nông nghiệp 5

Hình 2 2 Bốn cấu phần cơ bản của một hệ thống IoT 6

Hình 2 3 Giao diện bốn dây SPI 7

Hình 2 4 Radio packet của LoRa 8

Hình 2 5 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID 11

Hình 2 6 Các loại màu cần thiết cho rau cải xanh 14

Hình 2 7 Board Arduino UNO R3 16

Hình 2 8 Sơ đồ chán vi điều khiển ATMEGA328P-PU 17

Hình 2 9 Board mạch raspberry pi 18

Hình 2 10 Các thành phần cơ bản của raspberry 19

Hình 2 11 Sơ đồ chán GPIO của Raspberry Pi 21

Hình 2 12 Hình ảnh DHT11 ngoài thực tế 22

Hình 2 13 Module cảm biến ánh sáng ngoài thực tế 23

Hình 2 14 Module cảm biến độ ẩm đất ngoài thực tế 24

Hình 2 15 Sơ đồ nguyên lý cảm biến độ ẩm đất 24

Hình 2 16 Mạch Thu Phát RF SPI Lora SX1278 433Mhz Ra-02 26

Hình 2 17 Sơ đồ chán SX1278 26

Hình 2 18 Module L298N ngoài thực tế 28

Hình 2 19 Sơ đồ nguyên lý L298N 29

Hình 2 20 Động Cơ Bơm Chìm Mini 5VDC 30

Hình 2 21 Led Dây 5050 32

Hình 3 1 Sơ đồ khối hệ thống 33

Hình 3 2 Sơ đồ kết nối tổng quan khối xử lý trung tâm 35

Hình 3 3 Sơ đồ kết nối chân của Raspberry Pi với Ra_02 36

Hình 3 4 Sơ đồ kết nối của khối thu thập dữ liệu 39

Hình 3 5 Sơ đồ kết nối của khối nhận lệnh điều khiển 40

Hình 3 6 Module L298N 41

Hình 3 7 Động cơ bơ chìm mini 5V 42

Hình 3 8 Led dây 5050 42

Hình 3 9 Nhà kính được thiết kế sử dụng cho mô hình 44

Hình 4 1 Sơ đồ mạch in của mạch thu thập dữ liệu 46

Hình 4 2 Sơ đồ bố trí linh kiện của mạch thu thập dữ liệu 46

Hình 4 3 Sơ đồ mạch in của mạch điều khiển 47

Hình 4 4 Sơ đồ bố trí linh kiện của mạch điều khiển 47

Hình 4 5 Thi công Gateway trong thực tế 48

Hình 4 6 Mô hình nhà kính được sử dụng trong đề tài 48

Hình 4 7 Sơ đồ bố trí linh kiện của mạch thu thập dữ liệu 49

Hình 4 8 Sơ đồ bố trí linh kiện của mạch điều khiển 49

Hình 4 9 Mô hình nhà kính chụp từ trên cao 50

Hình 4 10 Hình chụp bên trái của mô hình nhà kính 50

Hình 4 11 Hình chụp bên phải của mô hình nhà kính 51

Hình 4 12 Hình chụp từ phía sau của mô hình 51

Hình 4 13 Lưu đồ giải thuật của khối thu thập dữ liệu 52

Hình 4 14 Lưu đồ giải thuật của chương trình gửi dũ liệu lên gateway 53

Hình 4 15 Lưu đồ giải thuật của khối nhận lệnh điều khiển 54

Hình 4 16 Lưu đồ của chương trình điều khiển thiết bị 55

Hình 4 17 Lưu đồ giải thuật của khối xử lý trung tâm 57

Hình 4 18 Giao diện phần mềm lập trình Arduino 58

Hình 4 19 Viết chương trình trên phần mềm Arduino IDE 59

Hình 4 20 Biểu tượng python 3 60

Hình 4 21 Giao diện làm việc của Python IDLE 61

Hình 4 22 Chương trình được viết trên phần mềm Python IDLE 61

Hình 4 23 Biểu tượng Node-Red 62

Hình 4 24 Giao diện lập trình của node_red 63

Hình 4 25 Khu vực lập trình cho từng khối 63

Hình 5 1 Mạch thu thập dữ diệu đã thi công hoàn chỉnh 65

Hình 5 2 Mạch điều khiển đã thi công hoàn chỉnh 65

Hình 5 3 Khối xử lý trug tâm 66

Hình 5 4 Mô hình nhà kính được chụp từ trên cao 66

Hình 5 5 Mô hình nhà kính được chụp một bên 66

Hình 5 6 Dữ liệu được nhận được trên gateway 67

Hình 5 7 Dữ liệu được đưa vào database và gửi đến email người dùng 67

Hình 5 8 Giao diện hiển thị trên webserver 68

Hình 5 9 Giao diện điều khiển trên webserver 68

Hình 5 10 Gửi dữ liệu đến người dùng 69

Hình 5 11 Thiết lập giá trị và gửi lệnh xuống thiết bị điều khiển 69

Hình 5 12 Thiết lập giá trị độ ẩm đất mức 29% và ánh sáng mức 9 lx 69

Hình 5 13 Kết quả đo được khi chọn giá trị độ ẩm đất 29% và ánh sáng 9 lx 70

Hình 5 14 Cường độ ánh sáng của đèn khi thiết lập ở mức 50 lx từ webserver 70

Hình 5 15 Cường độ ánh sáng của đèn khi thiết lập ở mức 200 lx từ webserver 71

Hình 5 16 Kết quả khi điều khiển PI cường độ ánh sáng 71

xi

LIỆT KÊ BẢNG Bảng Trang Bảng 2 1 Cấu trúc tổng quát Arduino UNO R3 17

Bảng 2 2 Bảng mô tả chức năng các chân 28

Bảng 3 1 Thống kê dòng điện tiêu thụ cho khối xử lý trung tâm 36

Bảng 3 2 Chức năng chân của cảm biến độ ẩm đất 37

Bảng 3 3 Chức năng chán của module cảm biến ánh sáng 39

Bảng 3 4 Danh sách linh kiện sử dụng và dòng điện, điện áp tương ứng 43

Bảng 4 1 Danh sách linh kiện sử dụng trong mạch thu thập dữ liệu 45

Bảng 4 2 Danh sách linh kiện được sử dụng trong mạch điều khiển 47

tế cao Với mong muốn tạo ra một hệ thống giám sát, điều khiển hoàn toàn tự động được ứng dụng trong nông nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực trồng trọt, có thể mang lại tiện ích cho người sử dụng, nhóm quyết định chọn đề tài: “Hệ thống giám sát và điều khiển cho nông trại trồng rau trong nhà kính ứng dụng công nghệ IoT”

Phương pháp thực hiện là dùng Raspberry Pi xây dựng thành một khối điều khiển trung tâm (gatetway), dùng các Arduino Uno làm các điểm thu thập dữ liệu (node thu thập) để đọc các dữ liệu cảm biến như: Nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, ánh sáng và tiến hành gửi dữ liệu lên gatetway thông qua sóng LoRa Tại gateway sẽ tiến hành so sánh với các thông số đã cài đặt trước để điều khiển các thiết bị ngoại vi, đồng thời nhận các dữ liệu từ các node thu thập để đưa vào database và cho hiển thị lên webserver Trên webserver sẽ hiện thị các giá trị đọc được từ cảm biến và có thể gửi các lệnh điều khiển xuống các điểm điều khiển (node điều khiển) Tại node điều khiển có thể bật, tắt các thiết bị như: máy bơm, đèn Đồng thời có thể điều chỉnh cường độ ánh sáng bằng bộ điều khiển PID

Chương 1 TỔNG QUAN

ĐẶT VẤN ĐỀ

Theo số liệu mới nhất được thống kê vào ngày 20/06/2019 từ Liên Hợp Quốc thì dân số hiện tại của Việt Nam là hơn 97 triệu người, chiếm 1,27% dân số thế giới [1] Tỷ lệ dân số Việt Nam làm việc trong lĩnh vực nông nghiệp chiếm đến 48% dân

số cả nước nhưng đóng góp vào GDP của cả nước rất nhỏ, năng suất lao động trong lĩnh vực này còn thấp, khả năng tăng năng suất còn chậm [2]

Nông nghiệp là ngành sản xuất vật chất cơ bản, giữ vai trò to lớn trong việc phát triển kinh tế ở hầu hết cả nước, nhất là ở các nước đang phát triển Tuy nhiên,

ở nước ta, việc quan tâm đến năng suất và chất lượng nông sản chỉ được chú trọng trong vài năm gần đây Ở những vùng nông thôn, đại bộ phận sống bằng nghề nông, tuy tỷ lệ dân số làm nông nghiệp ở Việt Nam chiếm đến 48% dân số cả nước nhưng

tỷ lệ người trẻ tuổi làm việc trong lĩnh vực này vẫn còn rất ít, phải di chuyển lên thành phố để tìm việc Một trong những lý do của việc này chính là tính chất công việc của lĩnh nông nghiệp Công việc này yêu cầu người nông dân phải bỏ ra rất nhiều thời gian, công sức và không thể đi đây đi đó khi đã bắt đầu vào mùa vụ Cùng với đó, lĩnh vực nông nghiệp phải chịu ảnh hưởng rất lớn từ thiên nhiên như gió, bão… nhất là trong lĩnh vực trồng trọt rau, củ quả thì yếu tố thời tiết như nhiệt

độ, độ ẩm, ánh sáng… rất quan trọng đến cây trồng

Hiện nay, phần lớn khu vực canh tác nông nghiệp thường đặt cách xa nhà ở của người dân từ vài trăm mét đến vài km, thậm chí đến hàng chục km Chính vì vậy việc quản lý, chăm sóc rất khó khăn, mất nhiều thời gian để di chuyển từ nhà đên khu canh tác Hơn thế nữa, việc kiểm soát các thông số như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng… rất khó khăn, ảnh hưởng không tốt đến chất lượng sản phẩm, nhất là đối tượng canh tác chính là rau, củ thì những yếu tố thời tiết đấy đóng vai trò quyết định đến chất lượng sản phẩm

Chính vì vậy, việc tìm kiếm những giải pháp mới để ổn định và nâng cao chất lượng sản phẩm, năng suất thu hoạch, thu hút nguồn nhân lực trẻ quay trở lại nông nghiệp trở thành ưu tiên hàng đầu của nhà nước trong những năm qua Do đó, những ứng dụng công nghệ được đưa vào trong việc chăm sóc, thu hoạch trong

nông nghiệp để khắc phục vấn đề thiên tai, môi trường, cũng như tiết kiệm nhân lực, gia tăng năng suất cây trồng, đơn giản hóa việc quản lý

Một trong những ứng dụng công nghệ nổi bật được đưa vào trong nông nghiệp trong những năm gần đây là Internet of Thing (IoT) đã và đang đem lại nhiều kết quả thành công, dần dần được áp dụng và phổ biến trên nhiều diện tích canh tác nông nghiệp, vì vậy chúng em chọn đề tài “Hệ thống giám sát và điều khiển cho nông trại trồng rau trong nhà kính ứng dụng công nghệ IoT” nhằm có hiểu biết thêm về tác động của công nghệ tới khả năng phát triển của cây trồng, cũng như quản lý của người điều khiển, bên cạnh đó là nghiên cứu thêm về các ứng dụng công nghệ điện tử được đưa vào

MỤC TIÊU

Mục tiêu của đề tài là xây dựng được một hệ thống IoT trong nông nghiệp có khả năng giám sát nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng (thông qua các cảm biến), ổn định điều kiện môi trường (thông qua bơm nước và đèn) Hệ thống này cho phép thực hiện các thao tác giám sát – điều khiển trên một trang web thông qua WiFi và sóng LoRa

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

 NỘI DUNG 1: Tìm hiểu và tham khảo các tài liệu, giáo trình, nghiên cứu các chủ đề, các nội dung liên quan đến đề tài

 NỘI DUNG 2: Xây dựng sơ đồ nguyên lý cho hệ thống

 NỘI DUNG 3: Tìm hiểu về các Module LoRa SX1278 Ra 02, các loại cảm biến, Arduino Uno, Raspberry Pi

 NỘI DUNG 4: Tiến hành đọc dữ liệu cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí,

độ ẩm đất, ánh sáng và gửi dữ liệu lên gateway qua sóng LoRa

 NỘI DUNG 5: Lập trình giao tiếp giữa module SX1278 Ra 02 với Raspberry

Pi, nhận dữ liệu từ các node thu thập và đưa dữ liệu vào database

 NỘI DUNG 6: Xử lý dữ liệu nhận được và tiến hành lập trình hệ thống

 NỘI DUNG 7: Thiết kế giao diện hiển thị trên web và lập trình các tính năng cho trang web

 NỘI DUNG 8: Thiết kế, thi công mô hình nhà kính, thi công mạch điều

 NỘI DUNG 9: Chạy thử nghiệm, cân chỉnh hệ thống và hoàn thiện mô hình

 NỘI DUNG 10: Hoàn thành luận văn

GIỚI HẠN

Đề tài “Hệ thống giám sát và điều khiển cho nông trại trồng rau trong nhà kính” đã đạt được những yêu cầu đặt ra là đo được các thông số môi trường từ nhiều nơi khác nhau, gửi dữ liệu không dây với khoảng cách xa đến trạm quản lý bằng sóng LoRa, đưa các thông số đo được vào database, hiển thị và điều khiển được trên webserver Tuy nhiên, đề tài chỉ giới hạn ở công việc:

 Chỉ lấy thông số từ hai nơi khác nhau thay vì nhiều nơi

 Mỗi điểm thu thập dữ liệu chỉ đo bốn thông số là nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, cường độ ánh sáng

 Các thông số đo được có độ chính xác tương đối

 Khoảng cách truyền dữ liệu bằng sóng LoRa đối với mô hình chỉ được trên 500m thay vì 10km đối với khoảng cách thực của sóng LoRa

 Webserver chỉ truy cập được trong mạng wifi local, chưa có điều kiện publish lên internet

 Chỉ có thể điều khiển chính xác lượng ánh sáng bằng bộ điều khiển PID, còn

độ ẩm đất thì kiểm soát bằng việc đóng mở bơm nước

BỐ CỤC

 Chương 1: Tổng Quan

Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án

 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Chương này trình bày về các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài

sẽ dùng để thực hiện thiết kế, thi công cho đề tài

 Chương 3: Tính Toán và Thiết Kế

Trình bày tổng quan các yêu cầu của để tài về thiết kế và các tính toán hệ thống bao gồm sơ đồ nguyên lý toàn mạch và của từng phần của hệ thống

 Chương 4: Thi Công Hệ Thống

Phần này có thể gồm có 2 phần là kết quả thi công phần cứng và những kết quả hình ảnh trên màn hình hay mô phỏng tín hiệu, kết quả thống kê Cụ thể, phần

này nêu quá trình thi công PCB, lắp ráp và kiểm tra mạch, hình vẽ được chụp từ mô hình thực của hệ thống bên ngoài, hình chụp các kết quả chạy và được sắp xếp có hệ thống để người đọc dễ dàng hiểu và hình dung hệ thống mình thi công

 Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá

Chương này trình bày kết quả thực hiện được của đề tài, bao gồm kết quả phần cứng, kết quả phần mềm, chạy chương trình cho mô hình hoàn chỉnh Nhận xét và đánh giá kết quả đạt được

 Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển

Nêu kết luận cho hệ thống, trình bày những mục tiêu đã đạt được, những mục tiêu chua đạt được, hướng phát triển cho hệ thống

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 ỨNG DỤNG IoT TRÔNG NÔNG NGHIỆP

2.1.1 Giới Thiệu

Từ khi lần đầu được giới thiệu cách đây gần 20 năm, cho tới hiện nay các ứng dụng IoT là một trong những mảng công nghệ phát triển nhất trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, nó xuất hiện và tác động tích cực tới từng ngành, từng lĩnh vực rong đó có ngành nông nghiệp Ứng dụng IoT trong nông nghiệp góp phần tạo nên một môi trường sản xuất năng động, khoa học và giải phóng sức lao động, tang năng suất, mang lại hiệu quả kinh tế cao, giúp nâng cao tính chuyên nghiệp và cải thiện bộ mặt cho cho nền nông nghiệp trong tương lai gần

Hình 2 1 Minh họa về ứng dụng IOT trong nông nghiệp

2.1.2 Cấu Trúc Cơ Bản Của Hệ Thống Ứng Dụng Công Nghệ IoT

Kiến trúc của IOT gồm bốn thành phần cơ bản chính gồm: Vạn vật (Things), trạm kết nối (Gateways), hạ tầng mạng (Internet) và cuối cùng là lớp dịch vụ (Service)

 Vạn vật (Things): Ngày nay có vô vàn vật dụng đang hiện hữu trong cuộc sống, ở trên các khu canh tác, ở trong nhà hoặc trên chính các thiết bị lưu động của người dùng Giải pháp IoT giúp các thiết bị thông minh được sang lọc, kết nối và quản lý dữ liệu của đối tượng nông nghiệp một cách cục bộ, còn các thiết bị chưa thông minh thì có thể kết nối được thông qua các trạm kết nối Từ đó, các thiết bị, vật dụng sẽ có thể thực hiện nhiệm vụ của mình đối với đối tượng nông nghiệp cần quản lý

 Trạm kết nối (Gateways): Các trạm kết nối sẽ đóng vai trò là một vùng trung gian trực tiếp, cho phép các vật dụng có sẵn này kết nối với điện toán đám mây một cách bảo mật và dễ dàng quản lý Gateways có thể là một thiết bị vật lý hoặc là một phần mềm được dùng để kết nối giữa Cloud (điện toán đám mây) và bộ điều khiển, các cảm biến, các thiết bị thông minh

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

 Lớp dịch vụ (Service): Là các ứng dụng được các hãng công nghệ, hoặc thậm chí người dùng tạo ra để dễ dàng sử dụng các sản phẩm IOT một cách hiệu quả và tận dụng được hết giá trị của sản phẩm

Hình 2 2 Bốn cấu phần cơ bản của một hệ thống IoT

2.2 CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU, CHUẨN KẾT NỐI, CƠ SỞ DŨ LIỆU VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN

2.2.1 Chuẩn Giao Tiếp SPI

SPI (Serial Peripheral Interface) là một chuẩn đồng bộ nối tiếp để truyền dữ liệu ở chế độ song công toàn phần full-duplex (hai chiều, hai phía), do công ty Motorola thiết kế nhằm đảm bảo sự liên hợp giữa các vi điều khiển và thiết bị ngoại

vi một cách đơn giản và giá rẻ Đôi khi SPI còn được gọi là giao diện bốn-dây

Khác với cổng nối tiếp chuẩn (standard serial port) SPI là giao diện đồng bộ, trong đó bất cứ quá trình truyền nào cũng được đồng bộ hóa với tín hiệu đồng hồ tăctơ chung, tín hiệu này sinh ra bởi thiết bị chủ động (bộ vi xử lý) Thiết bị ngoại vi bên phía nhận (bị động) làm đồng bộ quá trình nhận chuỗi bit với tín hiệu đồng hồ tăctơ Có thể kết nối một số vi mạch vào mỗi giao diện ngoại vi nối tiếp của vi mạch-thiết bị chủ động Thiết bị chủ động chọn thiết bị động để truyền dữ liệu bằng cách kích hoạt tín hiệu "chọn chip" (chip select) trên vi mạch bị động Thiết bị ngoại vi nếu không được chọn bởi bộ vi xử lý sẽ không tham gia vào quá trình truyền theo giao diện SPI [3]

Trong giao diện SPI có sử dụng bốn tín hiệu số:

 MOSI hay SI: Cổng ra của bên chủ động, cổng vào của bên bị động, dành cho việc truyền dữ liệu từ thiết bị chủ động đến thiết bị bị động

 MISO hay SO: cổng vào của bên chủ động, cổng ra của bên bị động dành cho việc truyền dữ liệu từ thiết bị bị động đến thiết bị chủ động

 SCLK hay SCK: tín hiệu đồng hồ tăctơ nối tiếp, dành cho việc truyền tín hiệu đồng hồ tăctơ dành cho thiết bị động

 CS hay SS: chọn vi mạch, chọn bên bị động

Hình 2 3 Giao diện bốn dây SPI

2.2.2 Giao Thức Truyền Dữ Liệu Bằng LoRa

LoRa là viết tắt của Long Range Radio được nghiên cứu và phát triển bởi Cycleo và sau này được mua lại bởi công ty Semtech năm 2012 Công nghệ này có thể truyền dữ liệu với khoảng cách lên hàng km mà không cần các mạch khuếch đại công suất; từ đó giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ khi truyền/nhận dữ liệu Do đó, LoRa có thể được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng thu thập dữ liệu như sensor network trong đó các sensor node có thể gửi giá trị đo đạc về trung tâm cách xa hàng km và có thể hoạt động với battery trong thời gian dài trước khi cần thay pin

LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế gọi là Chirp Spread Spectrum Có thể hiểu nôm na nguyên lý này là dữ liệu sẽ được băm bằng các xung cao tần để tạo ra tín hiệu có dãy tần số cao hơn tần số của dữ liệu gốc (cái này gọi là chipped); sau đó tín hiệu cao tần này tiếp tục được mã hoá theo các chuỗi chirp signal (là các tín hiệu hình sin có tần số thay đổi theo thời gian; có 2 loại chirp signal là up-chirp có tần số tăng theo thời gian và down-chirp có tần số giảm theo thời gian; và việc mã hoá theo nguyên tắc bit 1 sẽ sử dụng up-chirp, và bit 0 sẽ sử dụng down-chirp) trước khi truyền ra anten để gửi đi [4]

Băng tần làm việc của LoRa từ 430MHz đến 915MHz cho từng khu vực khác nhau trên thế giới:

 430MHz cho châu Á

 780MHz cho Trung Quốc

 433MHz hoặc 866MHz cho châu Âu

 915MHz cho USA

Nhờ sử dụng chirp signal mà các tín hiệu LoRa với các chirp rate khác nhau

có thể hoạt động trong cùng 1 khu vực mà không gây nhiễu cho nhau Điều này cho phép nhiều thiết bị LoRa có thể trao đổi dữ liệu trên nhiều kênh đồng thời (mỗi kênh cho 1 chirprate)

Hình 2 4 Radio packet của LoRa

 Preamble: Là chuỗi binary để bộ nhận detect được tín hiệu của LoRa packet

 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

Các Thông số của LoRa:

Spreading Factor (SF): xác định số lượng chrip signal khi mã hóa tín hiệu đã được điều chế tần số (chipped signal) của dữ liệu Ví dụ nếu SF=12 có nghĩa là 1 mức logic của chipped signal sẽ được mã hóa bởi 12 xung chirp signal

Bandwidth (BW): xác định biên độ tần số mà chirp signal có thể thay đổi Nếu bandwidth càng cao thì thời gian mã hóa chipped signal càng ngắn; từ đó thời gian truyền dữ liệu cũng giảm xuống nhưng đổi lại khoảng cách truyền cũng ngắn lại

Coding Rate (CR): là số lượng bit được tự thêm vào mỗi trong Payload trong LoRa radio packet bởi LoRa chipset để mạch nhận có thể sử dụng để phục hồi lại 1

số bit dữ liệu đã nhận sai và từ đó phục hồi được nguyên vẹn dữ liệu trong Payload

Do đó, sử dụng CR càng cao thì khả năng nhận dữ liệu đúng càng tăng; nhưng bù lại chip LoRa sẽ phải gửi nhiều dữ liệu hơn (có thể làm tăng thời gian truyền dữ liệu trong không khí)

2.2.3 Giao Thức MQTT

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) là một giao thức truyền thông điệp (message) theo mô hình publish/subscribe (xuất bản – theo dõi), sử dụng cho các thiết bị [Internet of Things] (tags/IoT) với băng thông thấp, độ tin cậy cao và khả năng được sử dụng trong mạng lưới không ổn định Bởi vì giao thức này sử dụng băng thông thấp trong môi trường có độ trễ cao nên nó là một giao thức lý tưởng cho các ứng dụng M2M [5]

Kiến trúc mức cao (high-level) của MQTT gồm 2 phần chính là Broker và Clients, trong đó:

 broker được coi như trung tâm, nó là điểm giao của tất cả các kết nối đến

software components hoạt động tại edge device nên chúng được thiết kế để có thể hoạt động một cách linh hoạt (lightweight) Client chỉ làm ít nhất một trong 2 việc

là publish các message lên một topic cụ thể hoặc subscribe một topic nào đó để nhận message từ topic này MQTT Clients tương thích với hầu hết các nền tảng hệ điều hành hiện có: MAC OS, Windows, LInux, Androids, iOS

2.2.4 Hệ Quản Trị Cơ Sở Dữ Liệu MySQL

MySQL là hệ quản trị cơ sở dữ liệu tự do nguồn mở phổ biến nhất thế giới và được các nhà phát triển rất ưa chuộng trong quá trình phát triển ứng dụng Vì MySQL là cơ sở dữ liệu tốc độ cao, ổn định và dễ sử dụng, có tính khả chuyển, hoạt động trên nhiều hệ điều hành cung cấp một hệ thống lớn các hàm tiện ích rất mạnh Với tốc độ và tính bảo mật cao, MySQL rất thích hợp cho các ứng dụng có truy cập CSDL trên internet Người dùng có thể tải về MySQL miễn phí từ trang chủ MySQL có nhiều phiên bản cho các hệ điều hành khác nhau: phiên bản Win32 cho các hệ điều hành dòng Windows, Linux, Mac OS X, Unix, FreeBSD, NetBSD, Novell NetWare, SGI Irix, Solaris, SunOS…

MySQL là một trong những ví dụ rất cơ bản về Hệ Quản trị Cơ sở dữ liệu quan hệ sử dụng Ngôn ngữ truy vấn có cấu trúc (SQL)

MySQL được sử dụng cho việc bổ trợ NodeJs, PHP, Perl, và nhiều ngôn ngữ khác, làm nơi lưu trữ những thông tin trên các trang web viết bằng NodeJs, PHP hay Perl

2.2.5 Bộ Điều Khiển PID

Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID- Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được

sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là

bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản (mô hình toán học) về hệ thống điều khiển thì bộ điều khiển PID là sẽ bộ điều khiển tốt nhất Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính

toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống-trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống

Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là P, I, và D Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển hay

bộ nguồn của phần tử gia nhiệt Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ, và D dự đoán các sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại [6]

Hình 2 5 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt Đáp ứng của bộ điều khiển có thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển, giá trị mà

bộ điều khiển vọt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống

2.3 LÝ THUYẾT VỀ RAU CẢI XANH – ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU TRONG ĐỀ TÀI [7]

2.3.1 Đặc điểm và yêu cầu của cây trồng

Đất: Rau cải xanh chịu được đất có độ pH từ 5.5 đến 8.3 Trong điều kiện đất mặn vẫn có thể trồng được Độ ẩm đất dao động từ 21 - 40%

Nhiệt độ: Trên lý thuyết, rau cải khỏe mạnh, phát triển tốt có thể chống chịu được tới mức 25 độ F (- 3.9 độ C) Tuy nhiên, nhiệt độ thích hợp nhất để trồng rau cải xanh là từ 15 – 22 độ C

Độ nhạy với thuốc diệt cỏ: Rau cải xanh rất nhạy cảm với glyphosate cũng như 2,4-D và các loại thuốc diệt cỏ lá rộng khác nhau Chúng cũng có thể bị ảnh hưởng từ thuốc diệt cỏ được sử dụng lên các cây trồng của mùa vụ trước đó

Tăng trưởng: Đạt mức tăng trưởng tối đa sau 1 tháng 10 ngày Nhiệt độ mát

mẻ thường ngăn rau cải ra hạt trước khi đạt mức tăng trưởng tối đa

Ánh sáng: Sử dụng thước đo Photosynthetic Photon Flux Density(PPFD) Đối với cây con: 6-12 mol/m2/d Cần kích thích tăng trưởng thực vật: 12- 17 mol/m2/d

2.2.2 Photo-synthetically Active Radiation và Photosynthetic Photon Flux Density

Photo-synthetically Active Radiation (PAR): Theo thuật ngữ khoa học, ánh sáng có tính chất của cả photon và sóng và trong phổ của ánh sáng khả kiến Ánh sáng mà thực vật có thể hấp thụ được sử dụng cho quang hợp Nói một cách đơn giản: ánh sáng của mặt trời phát ra hàng tấn bước sóng (màu sắc) của ánh sáng khi chiếu sáng Tuy nhiên, thực vật sẽ chỉ hấp thụ một số bước sóng đó, sử dụng chúng quang hợp và phát triển Phần còn lại của những bước sóng thì bị thực vật phản lại, không hấp thụ PAR là ánh sáng có thể sử dụng được đối với thực vật - những bước sóng sẽ được sử dụng để quang hợp Giống như sự khác biệt giữa khu vực trồng trọt

và tán cây, PAR không phải là thước đo của tất cả ánh sáng mà nguồn sáng phát ra,

mà là phép đo bước sóng mà thực vật sẽ hấp thụ

Photosynthetic Photon Flux: PPF là viết tắt của Photosynthetic Photon Flux (dòng quang thông Photon quang hợp), có nghĩa là có bao nhiêu photon ánh sáng mỗi giây tiếp xúc với cây trồng Khi chúng ta sử dụng máy đo PAR để kiểm tra mức độ ánh sáng phát ra PAR tốt như thế nào, chúng ta thực sự đang đo xem có bao nhiêu photon ánh sáng chiếu vào cảm biến của chúng ta mỗi giây Nói cách khác, chúng ta đang đo cường độ ánh sáng được phát ra từ nguồn sáng của bạn mà thực vật sử dụng để quang hợp PAR là ánh sáng có thể sử dụng được đối với thực vật và PPF là một cách để đo lường hiệu quả hoặc cường độ ánh sáng

Photosynthetic Photon Flux Density: PPFD hay Photosynthetic Photon Flux Density (Mật độ quang thông Photon quang hợp), là phép đo mật độ ánh sáng trong một khu vực nhất định Cơ sở toán học để tính toán PPFD: Nếu phân bố công suất quang phổ (SPD) của nguồn sáng được biết qua các bước sóng có liên quan (400-700nm), thì có thể xác định được năng lượng quang hợp có thể cung cấp cho thực vật Dựa trên SPD của nó, một nguồn sáng sẽ có hệ số chuyển đổi có thể được sử dụng để chuyển mật độ quang thông (độ rọi) mà thực vật nhận được thành mật độ quang thông quang hợp (PPFD), tính bằng μmol / s-m2 Một watt của năng lượng bức xạ ở 555nm là theo định nghĩa tương đương với 683 lumens Với hàm hiệu suất phát sáng CIE 1931 V(λ), chúng ta có thể tính được thông lượng bức xạ quang phổ (λ) tính bằng watt trên mỗi nanomet cho mỗi lumen như:

Φ(λ)/lumen = [Wrel(λ)] / [683 * Σ (400-700) [V(λ) Wrel(λ) Δλ]] (2.1)

Trong đó Wrel (λ) là phân bố công suất phổ tương đối và V(λ) là hàm hiệu suất phát sáng ở bước sóng λ Với điều này, có thể tính được thông lượng photon quang hợp (PPF) trên mỗi nanomet tính bằng micromol trên giây trên nanomet:

Cách chuyển đổi PPFD sang lux: Sử dụng công cụ chuyển đổi online do trang Waveform Lightning cung cấp:

https://www.waveformlighting.com/horticulture/convert-ppfd-to-lux-online-calculator

Ta tính được 6-12 mol/m2/d tương đương với 898 lux – 1809 lux

12-17 mol/m2/d tương đương với 1809 lux – 2563 lux

2.2.3 Chọn màu ánh sáng sử dụng cho cây

Thực vật sử dụng ánh sáng chủ yếu để quang hợp và điều này được thực hiện với các hóa chất cụ thể trong lá Ví dụ về các hóa chất quan trọng hơn bao gồm Chất diệp lục A và B Trong phổ hấp thụ (đo lượng ánh sáng được hấp thụ), có thể thấy rõ các đỉnh ở vùng màu xanh và đỏ có nghĩa là các màu này được sử dụng để quang hợp

Hình 2 6 Các loại màu cần thiết cho rau cải xanh Hầu như không có ánh sáng được hấp thụ trong phạm vi màu xanh lá cây Ý tưởng rằng thực vật phát triển tốt chỉ với ánh sáng xanh và đỏ thực tế là một giả thuyết Phổ màu trên là cho chất diệp lục tinh khiết trong ống nghiệm và nó không cho ta thấy những gì xảy ra trong một chiếc lá cây Quang hợp phức tạp hơn và liên quan đến các hóa chất khác như carotene và xanthophyll Phổ màu của ánh sáng được hấp thụ bởi toàn bộ lá cho thấy thực vật sử dụng dải bước sóng rộng hơn, bao gồm cả màu xanh lá cây

Đúng là màu xanh và màu đỏ rất quan trọng và đại diện cho hầu hết ánh sáng được sử dụng bởi thực vật, nhưng các màu khác, bao gồm cả màu xanh lá cây và màu vàng cũng được sử dụng để quang hợp

Các màu sắc khác nhau thực hiện các vai trò khác nhau:

 Ánh sáng đỏ (630 -660nm) rất cần thiết cho sự phát triển của thân cây, cũng như sự giãn nở của lá Bước sóng này cũng quy định sự ra hoa, thời gian ngủ nghỉ và hạt nảy mầm

 Ánh sáng xanh (400 -520nm) cần được trộn cẩn thận với ánh sáng trong các quang phổ khác vì việc tiếp xúc quá nhiều với ánh sáng trong bước sóng này có thể kìm hãm sự phát triển của một số loài thực vật Ánh sáng trong phạm vi màu xanh cũng ảnh hưởng đến hàm lượng chất diệp lục có trong cây cũng như độ dày của lá

 Ánh sáng xanh (500 - 600nm) xuyên qua các tán cây dày trên đỉnh để hỗ trợ các lá ở tán dưới

 Ánh sáng hồng ngoại (720 - 740nm) cũng đi qua các tán cây dày đặc phía trên để hỗ trợ sự phát triển của lá nằm thấp hơn trên cây Ngoài ra, tiếp xúc với ánh sáng hồng ngoại làm giảm thời gian cây cần ra hoa Một lợi ích khác của ánh sáng đỏ là những cây tiếp xúc với bước sóng này có xu hướng tạo ra những chiếc lá lớn hơn những cây không tiếp xúc với ánh sáng trong phổ này

Với mục đích thiết kế mô hình có độ hiệu quả cao nhất cũng như kinh tế nhất thì chọn ánh sáng đơn sắc là phù hợp Bên cạnh đó, cùng 1 công suất thì led RBG không cho hiệu quả cao vì PAR thấp Đối với cây cải xanh, ánh sáng đỏ là ánh sáng phù hợp vì nó sẽ kích thích cây phát triển cũng như cho tán lá rộng Vì vậy nhóm quyết định chọn led đỏ

2.4 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG

2.4.1 Giới Thiệu Board Arduino Uno R3 [8]

Arduino là dự án nguồn mở, làm việc dựa trên bo mạch điện tử bao gồm một

vi điều khiển, các đầu vào/đầu ra, một ngôn ngữ lập trình và một IDE (trình soạn thảo trong môi trường phát triển tích hợp) Arduino là một công cụ để thực hiện các ứng dụng tương tác độc lập hoặc có thể được kết nối với phần mềm trên máy tính (chẳng hạn như là Flash, Max/MSP )

Arduino UNO R3 là dòng mạch phổ biến nhất trong các dòng mạch Arduino, phiên bản R3 là phiên bản mới nhất, có độ chính xác và độ bền cao hơn rất nhiều so với Arduino UNO phiên bản cũ Arduino UNO R3 có thể sử dụng 3 vi điều khiển

họ 8bit AVR là Atmega8, Atmega168, Atmega328 Bộ điều khiển này có thể điều khiển led đơn, điều khiển động cơ, xử lí các tín hiệu, thu thập dữ liệu từ cảm biến để hiển thị lên màn hình LCD và còn rất nhiều ứng dụng khác mà Arduino có thể xử

Điện áp đầu vào (khuyên dùng) 7-12V

Điện áp đầu vào (giới hạn) 6-20V

Chân Digital I/O 14 (Với 6 chân PWM output)

Bảng 2 1 Cấu trúc tổng quát Arduino UNO R3

− 32KB bộ nhớ Flash: những câu lệnh được lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ Flash của vi điều khiển Thường sẽ có vài KB được sử dụng cho Bootlader

− 2KB cho SRAM: Giá trị các biến được khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây Trong chương trình khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM

− 1KB cho EEPROM: là nơi có thể đọc và ghi dữ liệu vào mà không lo bị xóa khi mất điện giống như dữ liệu trên SRAM

Hình 2 8 Sơ đồ chán vi điều khiển ATMEGA328P-PU

2.4.2 Giới Thiệu Raspberry Pi

a Raspberry Pi là gì

Raspberry Pi là một máy tính rất nhỏ gọn, kích thước hai cạnh như bằng khoảng một cái thẻ ATM và chạy hệ điều hành Linux Raspberry Pi được phát triển bởi Raspberry Pi Foundation - một tổ chức phi lợi nhuận với tiêu chí xây dựng hệ thống mà nhiều người có thể sử dụng được trong những công việc tùy biến khác nhau

Hình 2 9 Board mạch raspberry pi Raspberry Pi sản xuất bởi 3 OEM: Sony, Qsida, Egoman Và được phân phối chính bởi Element14, RS Components và Egoman

Raspberry pi 3 ra đời nhằm tạo ra một máy tính rẻ tiền cho sinh viên, nhưng sau đó pi đã được sự quan tâm của nhiều người Đặc tính của Raspberry Pi xây dựng xoay quanh bộ xử lí SoC Broadcom BCM2835 (là chip xử lí mobile mạnh

mẽ có kích thước nhỏ hay được dùng trong điện thoại di động) bao gồm CPU, GPU, bộ xử lí âm thanh /video và các tính năng khác tất cả được tích hợp bên trong chip có điện năng thấp này

b Cấu Trúc Phần Cứng Của Raspberry Pi [9]

Hình 2 10 Các thành phần cơ bản của raspberry

 Raspberry Pi có hai phiên bản, Model A có giá 25$ và Model B có giá 35$ Model B như hình trên thông dụng hơn cả Model B bao gồm những phần cứng và những cổng giao diện:

 CPU: “Trái tim” của board mạch Raspberry Pi 3 sử dụng vi xử lý BCM2836

của Broadcom Đây là loại SoC (system on chip) tức là trên chip này tích hợp cùng lúc: CPU: 900 MHz ,4 nhân, kiến trúc ARM Cortex-A7 Vì sử dụng ARM Cortex-A7 nên Raspberry Pi 3 có thể chạy được Ubuntu core và Windows 10 core mượt mà SD RAM: 1 GB

 GPU: Broadcom VideoCore IV @ 250 MHz

 Khe cắm thẻ micro SD: Có thể nhận thấy sẽ không có ổ cứng trên Raspberry

Pi và thay vào đó là thẻ nhớ SD Tất cả dữ liệu sẽ được lưu trữ trên thẻ nhớ này Cần dùng ít nhất là thẻ 4GB class 4 (4MB/s) cho Raspberry Pi (khuyên dùng thẻ 8GB class 10)

 Cổng USB: Raspberry Pi 2 có 4 cổng USB 2.0 Đủ để bạn cắm các ngoại

vi

cần thiết như chuột, bàn phím và usb wifi

 Cổng Ethernet: Model 2 có cổng Ethernet chuẩn RJ45

 Cổng HDMI: Dùng để truyền tín hiệu Video và Audio số Có tới 14 chuẩn video được hỗ trợ và tín hiệu HDMI có thể dễ dàng chuyển đổi thành các chuẩn khác như DVI, RCA, hoặc SCART

 Ngõ ra Audio-Video: Ngõ ra này là giắc cắm chuẩn 3.5mm, hỗ trợ cho người

dung không có màn hình hỗ trợ HDMI Âm thanh và hình ảnh lấy ra từ cổng này có chất lượng kém hơn một chút so với từ cổng HDMI

 Cổng cấp nguồn Micro USB: Một trong những điều đầu tiên có thể nhận thấy là Raspberry Pi không có nút nguồn Micro USB được chọn làm cổng cấp nguồn

 Nguồn cấp cho Raspberry Pi là 5v điện áp (bắt buộc) và dòng nên lớn hớn 1A Cấp nguồn quá 5v sẽ rất dễ làm cháy board mạch

 Cổng DSI (Display Serial Interface): Cổng này dùng để kết nối với LCD hoặc màn hình OLED

 Cổng CSI (Camera Serial Interface): Cổng này dùng để kết nối với module camera riêng của Raspberry Pi Module này thu được hình ảnh chất lượng lên đến 1080p

 GPIO (General Purpose Input and Output): Giống như các chân của vi điều

khiển, các IO này của Raspberry Pi cũng được sử dụng để xuất tín hiệu ra led, thiết bị hoặc đọc tín hiệu vào từ các nút nhấn, công tắc, cảm biến Ngoài ra còn có các IO tích hợp các chuẩn truyền dữ liệu UART, I2C và SPI.Sơ đồ chân GPIO Raspberry pi

Hình 2 11 Sơ đồ chán GPIO của Raspberry Pi

 Trong 40 chân GPIO bao gồm:

 26 chân GPIO Khi thiết lập là input, GPIO có thể được sử dụng như chân interupt, GPIO 14 & 15 được thiết lập sẵn là chân input

 1UART, 1 I2C, 2 SPI, 1 PWM (GPIO 4)

 2 chân nguồn 5V, 2 chân nguồn 3.3V, 8 chân GND

2.4.3 Module Cảm Biến Độ Ẩm Và Nhiệt Độ DHT11 [10]

Module cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT11 là module cảm biến dùng để đo nhiệt độ, độ ẩm và các ứng dụng đo nhiệt độ, độ ẩm khác rất thông dụng hiện nay vì chi phí rẻ và rất dễ lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1 wire (giao tiếp digital

1 dây truyền dữ liệu duy nhất) Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp trong cảm biến giúp bạn có được dữ liệu chính xác mà không phải qua bất kỳ tính toán nào

Thông số kỹ thuật:

 Nguồn: 3 -> 5 VDC

 Chuẩn giao tiếp: TTL, 1 wire

 Dòng sử dụng: 2.5mA max (khi truyền dữ liệu)

 Đo tốt ở độ ẩm 20-80%RH với sai số 5%

 Đo tốt ở nhiệt độ 0 to 50°C sai số ±2°C

 Tần số lấy mẫu tối đa 1Hz (1 giây 1 lần)

 Kích thước 15mm x 12mm x 5.5mm

 4 chân, khoảng cách chân 0.1''

Hình 2 12 Hình ảnh DHT11 ngoài thực tế

2.4.4 Module Cảm Biến Ánh Sáng GY-30 [11]

Cảm biến cường độ ánh sáng GY-30 BH1750FVI là một cảm biến ánh sáng

kỹ thuật số Gồm một linh kiện điện tử IC cảm biến ánh sáng cho giao tiếp I2C IC này là thích hợp nhất để nhận diện các dữ liệu ánh sáng xung quanh cho việc điều chỉnh màn hình LCD và bàn phím đèn nền sức mạnh của điện thoại di động Nó có thể phát hiện nhiều ở độ phân giải cao (1-65535 lx)

Thông số kỹ thuật:

 Module cảm biến cường độ sáng sử dụng chíp BH1750FVI

 Điện áp cung cấp: 3V - 5V

 Phạm vi phát hiện sáng: 0- 65535 lux

 Giao tiếp chuẩn với MCU là I2C

Hình 2 13 Module cảm biến ánh sáng ngoài thực tế Đặc trưng cảm biến

 Chuyển từ tín hiệu ánh sáng sang kỹ thuật số

 Nhận tín hiệu trong phạm vi rộng với độ phân giải cao: từ 1-65535lx

 Tiêu thụ điện năng rất thấp nhờ tính năng tự ngắt

 Tính năng giảm nhiễu ánh sáng 50Hz/60Hz

 Giao diện I2C bus

 Không yêu cầu phụ kiện bổ sung ngoài

 Có thể lựa chọn 2 kiểu I2C slave-address

 Có thể phát hiện thấp nhấp là 0.11lx, tối đa 100000lx khi sử dụng tính năng này

2.4.4 Module Cảm Biến Độ Ẩm Đất [12]

Module cảm biến độ ẩm đất có thể được sử dụng cho các ứng dụng nông nghiêp, tưới nước tự động cho các vườn cây khi đất khô, hoặc dùng trong các ứng dụng của hệ thống nhà thông minh

Module cảm biến độ ẩm đất gồm hai phần:

 Đầu dò: Hai đầu đo của đầu dò được cắm vào đất để phát hiện độ ẩm Dùng dây nối giữa cảm biến và module chuyển đổi, khi độ ầm của đất đạt ngưỡng thiết lập, đầu ra DO sẽ chuyển trạng thái từ mức thấp lên mức cao Thông tin về độ ẩm đất sẽ được đọc về và gởi tới module chuyển đổi

 Module chuyển đổi: Module chuyển đổi có cấu tạo chính gồm một IC

so

sánh LM393, một biến trở, 4 điện trở dán 100 ohm và 2 tụ dán Biến trở có chức năng định ngưỡng so sánh với tín hiệu độ ẩm đất đọc về từ cảm biến Ngưỡng so sánh và tín hiệu cảm biến sẽ là 2 đầu vào của IC so sánh LM393 Khi độ ẩm thấp hơn ngưỡng định trước, ngõ ra của IC là mức cao (1), ngược lại là mức thấp (0)

 DO: Đầu ra tín hiệu số (0 và 1)

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

Hình 2 14 Module cảm biến độ ẩm đất ngoài thực tế

Hình 2 15 Sơ đồ nguyên lý 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 IC LM393 IC này nhận biết có sự thay đổi nó sẽ đưa ra một tín hiệu 0V để báo hiệu và thay đổi như thế nào 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

2.4.4 Module LoRa SX1278 Ra_02 [13]

Mạch thu phát RF SPI Lora SX1278 433Mhz Ra-02 sử dụng chip SX1278 của nhà sản xuất SEMTECH chuẩn giao tiếp LORA (Long Range), chuẩn LORA mang đến hai yếu tố quan trọng là tiết kiệm năng lượng và khoảng cách phát siêu xa (Ultimate long range wireless solution), ngoài ra nó còn có khả năng cấu hình để tạo thành mạng truyền nhận nên hiện tại được phát triển và sử dụng rất nhiều trong các nghiên cứu về IoT

Thông số kỹ thuật:

 IC chính: SX1278 từ SEMTECH

 Truyền thông phổ LoRaTM

 + 20dBm – 10mW Công suất đầu ra RF ổn định khi điện áp đầu vào thay đổi

 Truyền thông SPI bán song công

 Tốc độ bit có thể lập trình có thể đạt tới 300kbps

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

 Phạm vi sóng 127dB RSSI

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

 Với công cụ dữ liệu CRC 256 byte

 Gói nửa lỗ (lỗ đúc)

 Với vỏ bảo vệ kim loại

 Chốt pin: 2.0 mm

Hình 2 16 Mạch Thu Phát RF SPI Lora SX1278 433Mhz Ra-02

Hình 2 17 Sơ đồ chán SX1278 Bảng mô tả chức năng các chân:

1 VR_ANA - Regulated supply voltage for analogue

circuitry

3 VBAT_ANA - upply voltage for analogue circuitry

4 VR_DIG - Regulated supply voltage for digital

blocks

9 DIO1/DCLK I/O Digital I/O, software configured

10 DIO2/DATA I/O Digital I/O, software configured

11 DIO3 I/O Digital I/O, software configured

12 DIO4 I/O Digital I/O, software configured

13 DIO5 I/O Digital I/O, software configured

14 VBAT_DIG - Supply voltage for digital blocks

20 RXTX/RF_MOD O Rx/Tx switch control: high in Tx

21 RFI_HF (GND) I (-) RF input for band 1 (Ground)

22 RFO_HF (GND) O (-) RF output for band 1 (Ground)

24 VBAT_RF - Supply voltage for RF blocks

27 PA_BOOST O Optional high-power PA output, all

frequency bands

28 RFO_LF O RF output for bands 2&3

Bảng 2 2 Bảng mô tả chức năng các chân

2.4.5 Mạch công suất cầu H (L298N) [14]

Mạch cầu H L298N cho phép kiểm soát điện áp đầu ra bằng cách kiểm soát xung xuất ra để điều khiển theo mục đích Mạch L298N phù hợp với việc thiết kế một bộ điều khiển PID phù hợp với yêu cầu của đề tài

Cấu tạo Mạch cầu H:

 12V power, 5V power Đây là 2 chân cấp nguồn trực tiếp đến thiết bị muốn điều khiển

 Power GND chân này là GND của nguồn cấp cho thiết bị đầu ra

 2 Jump A enable và B enable: Gồm có 4 chân Input IN1, IN2, IN3, IN4

 Output A: Nối với thiết bị đầu ra 1

 Output B: Nối vơi thiết bị đầu ra 2

Thông số kỹ thuật:

 IC chính: L298 - Dual Full Bridge Driver

 Điện áp đầu vào: 5~30VDC

 Công suất tối đa: 25W 1 cầu (lưu ý công suất = dòng điện x điện áp nên áp cấp vào càng cao, dòng càng nhỏ, công suất có định 25W)

 Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A

 Mức điện áp logic: Low -0.3V~1.5V, High: 2.3V~Vss

 Kích thước: 43x43x27mm

Sơ đồ nguyên lý:

Hình 2 19 Sơ đồ nguyên lý L298N Nguyên lý hoạy động:

Hai chân ENA và ENB dùng để điều khiển các mạch cầu H trong L298 Nếu ở mức logic “1” (nối với nguồn 5V) thì cho phép mạch cầu H hoạt động, nếu ở mức logic “0” thì mạch cầu H không hoạt động

Khi ENA = 0: Không có xung xuất ra với mọi đầu vào

Khi ENA = 1: INT1 = 1, INT2 = 0: Cho phép xuất xung INT1 = 0, INT2 = 1: cho phép xuất xung NT1 = INT2: Không cho phép xuất xung

2.4.6 Động Cơ Bơm Chìm Mini 5VDC

Động cơ bơm chìm Mini 5VDC có kích thước rất nhỏ gọn, sử dụng điện

áp 3~5VDC, vì thuộc dạng bơm chìm nên động cơ có khả năng chống nước

và hoạt động khi ngâm chìm trong nước, ứng dụng để bơm nước, dung dịch trong các thiết kế nhỏ, mô hình tưới cây, hồ cá

Đèn LED dây 5050 là dòng đèn ứng dụng đèn led dây 5050 Dùng để chiếu sang theo yêu cầu và có thể điều khiển được cường đô ánh sang phát ra tùy theo mục đích sử dụng

Ưu điểm LED 5050:

 Tiêu thụ điện năng rất ít,

 Khi thắp sáng tỏa nhiệt không nhiều

 Cho ánh sáng đều, đẹp

 Tuổi thọ rất dài khoảng 65.000 giờ

 Thi công rất đơn giản

 Dùng nguồn điện 12v lên rất an toàn đối với người sử dụng

Hình 2 21 Led Dây 5050

Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

3.1 YÊU CẦU ĐIỀU KHIỂN

Mô hình mà nhóm thực hiện cũng chính là mô hình thực nghiệm, vậy nên mô hình thiết kế và thi công phải đáp ứng được các yêu cầu sau:

 Hiển thị được giá trị nhiệt độ, độ ẩm không khí độ ẩm đất và cường độ ánh sáng trên webserver

 Điều khiển được các thiết bị ngoại vi bằng hai hình thức: bằng tay và tự động

 Mô hình đạt được sự ổn định và tính chính xác cao

 Phù hợp với điều kiện kinh tế

3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

2.1 Thiết Kế Sơ Đồ Khối Của Hệ Thống

Hình 3 1 Sơ đồ khối hệ thống