1.2.2 Mục tiêu Đề tài xây dựng hê thống điều khiển các trạm trong vườn cây tại Bình Thuận sử dụng mang Lora, xây dựng hệ thống điều khiển qua mạng Lora, xây dựng giao diện trên điện tho
THÔNG TIN CHUNG
Thông tin tổng quát
Hệ thống tưới tiêu tự động điều khiển phân tán thông qua mạng không dây lora
1.1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài
(học hàm, học vị) Đơn vị công tác Vai trò thực hiện đề tài
1 Th.S Nguyễn Đức Toàn Khoa Công nghệ Điện Chủ nhiệm đề tài
2 TS Ngô Thanh Quyền Khoa Công nghệ Điện Thành viên Nghiên cứu tổng quan, đánh giá thực trạng, xây dựng lưu đồ giải thuật, sản xuất, vận hành
3 TS Dương Thanh Long Khoa Công nghệ Điện Thành viên khảo sát thực địa, thu thập số liệu
4 ThS Phạm Trung Kiên Khoa Công nghệ Điện Thành viên Nghiên cứu tổng quan hệ thống tưới tiêu tự động
5 ThS Nguyễn Huy Khiêm Khoa Công nghệ Điện Thành viên lập Trình, thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển
6 ThS Lê Long Hồ Khoa Công nghệ Điện Thành viên khảo sát thực địa, thu thập số liệu
7 ThS.Võ Tấn Lộc Khoa Công nghệ Điện Thành viên lắp đặt tủ điều khiển, thử nghiệm tại thực
8 ThS Nguyễn Hoanh Khoa Công nghệ Điện Thành viên lập trình, thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển
9 Nguyễn Văn Hai Nông Dân Bình Thuận Tư vấn, đề xuất những vấn đề khó khăn và thử thách của các hệ thống tưới tiêu tại của vườn cây thanh long Lắp đặt hệ thống, vận hành thử nghiệm
Bảng 1 danh sách chủ trì, thành viên tham gia đề tài
Theo hợp đồng: từ tháng 01 Năm 2019 đến thán 12 năm 2019
Gia hạn (nếu có): đến tháng… năm…
Thực hiện thực tế: từ tháng 01 năm 2019 đến tháng 02 năm 2020
1.1.2 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có):
(Về mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết quả nghiên cứu và tổ chức thực hiện; Nguyên nhân; Ý kiến của Cơ quan quản lý)
1.1.3 Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: 90 triệu đồng
Kết quả nghiên cứu
Bình Thuận là tỉnh duyên hải cực Nam Trung Bộ của Việt Nam, nằm trong khu vực chịu ảnh hưởng của địa bàn kinh tế trọng điểm phía Nam Bình Thuận là một trong những vùng ít mưa nhất cả nước Toàn tỉnh có 7 lưu vực sông chính và hệ thống các hồ chứa, đập dâng lớn nhỏ phân phối ở các vùng đồng bằng, trung du và miền núi phục vụ nhu cầu nước ngày càng tăng nhằm phát triển kinh tế-xã hội đa mục tiêu của tỉnh, trong đó đặc biệt là phát triển nông nghiệp, nâng cao đời sống người dân khu vực nông thôn theo tiêu chí nông thôn mới của Đảng và Nhà nước
Khí hậu Bình Thuận thuộc loại nhiệt đới gió mùa, nắng nóng quanh năm Các số liệu đặc trưng chính như sau: Nhiệt độ trung bình năm từ 26º-27ºC (trung bình của cả nước 21ºC) Độ ẩm không khí trung bình tháng 79% (trung bình của cả nước 83%) Số giờ nắng trung bình năm 2.466 giờ/năm (trung bình của cả nước từ 1400-3000 giờ/năm) Lượng bốc hơi trung bình năm khoảng 930mm Lượng mưa trung bình khoảng 1.500mm/năm, riêng khu vực Tuy Phong và Bắc Bình chỉ mưa khoảng 600-800mm/năm; mùa khô (từ 6-9 tháng) có lượng mưa khoảng 12% tổng lượng mưa năm, mùa mưa (từ 3-6 tháng) chiếm khoảng 88% tổng lượng mưa năm (lượng mưa trung bình cả nước 1.960mm/năm) Hạn hán xảy ra thường xuyên nên nước tích trong các hồ, đập chỉ còn khoảng 20-30%, điều này gây thiệt hại đáng kể cho sản xuất và đời sống nhân dân Năm 2004, tổng thiệt hại do hạn gây ra trên
287 tỷ đồng, trong đó nông nghiệp khoảng 264 tỷ
Bình Thuận có diện tích thanh long khoảng hơn 27 ngàn ha, tập trung ở Hàm Thuận Nam, Hàm Thuận Bắc, Bắc Bình… sản lượng thu hoạch 277.079 tấn Tuy nhiên, thời gian qua, hiệu quả sản xuất thanh long Bình Thuận vẫn chưa cao, sản phẩm làm ra chất lượng vẫn còn thấp, việc xuất khẩu đến các thị trường khó tính vẫn còn nhiều gian nan Theo Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Bình Thuận, hiện nay hầu hết các doanh nghiệp và hợp tác xã thanh long tiêu thụ trái theo dạng tiểu ngạch sang Trung Quốc
14 Để phát triển cây thanh long, Bình Thuận quy hoạch diện tích trồng thanh long đến năm
2020 đạt 28.000 ha, năng suất 28 tấn/ha, sản lượng đạt 750.000 tấn Đến năm 2025, sẽ mở rộng diện tích lên 30.000 ha, năng suất bình quân đạt 30 tấn/ha, sản lượng trên 850.000 tấn Nhằm đạt được mục tiêu đề ra, Bình Thuận định hướng phát triển thanh long trong thời gian tới sẽ tập trung phát triển thanh long theo hướng tăng năng suất, chất lượng, an toàn thực phẩm Đẩy mạnh sản xuất thanh long an toàn theo tiêu chuẩn GAP Chú trọng đầu tư phát triển về bảo quản, sơ chế, chế biến thanh long,… để nâng cao giá trị sản phẩm, sức cạnh tranh, đa dạng sản phẩm và thị trường tiêu thụ
1.2.2 Mục tiêu Đề tài xây dựng hê thống điều khiển các trạm trong vườn cây tại Bình Thuận sử dụng mang Lora, xây dựng hệ thống điều khiển qua mạng Lora, xây dựng giao diện trên điện thoại
Android để điều khiển các trạm Hệ thống hoạt động trong mọi điều kiện môi trường ban ngày, ban đêm, mưa nắng… Kích thước hệ thống nhỏ gọn, đặt ở vị trí độc lập khoảng cách điều khiển mạng Lora trong phạm vi 1.5 Km ngoài trời, tiêu hao ít năng lượng, ít lỗi, dễ mở rộng, khả năng tương thích cao bảo mật dữ liệu tốt
Nhóm nghiên cứu đã đến thăm và tìm hiểu vườn thanh long rộng 5 ha của ông Nguyễn Văn Hai (Phan Thiết, Bình Thuận), ông Hai cũng là 1 trong các “nhà sáng chế nông dân” đến tọa đàm tại trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM ngày 30/01/2018 Trên tinh thần hỗ trợ nhau về ý tưởng sáng tạo, kinh nghiệm thực tiễn, con người và trang thiết bị hiện đại, cũng như mục tiêu phối hợp nghiên cứu, chuyển giao công nghệ giữa nhà trường và các nhà sáng chế; nhóm nghiên cứu đã lắng nghe những chia sẻ của ông Hai về khó khăn, trở ngại trong tưới tiêu vườn thanh long nhà ông, cũng như những đề nghị hỗ trợ về kỹ thuật
Nhóm nghiên cứu đã có những khảo sát, đo đạc thực tế và tham quan mô hình tưới tiêu hiện đang có của vườn thanh long nhà ông Hai Đồng thời đưa ra những ý kiến, sản phẩm phác thảo, cũng như những giải pháp kỹ thuật nhằm tiết kiệm thời gian tưới; quản lý được lưu lượng nước tưới, áp suất bơm nước, công sức của người làm vườn, cũng như xây dựng Hệ thống tưới tiêu một cách khoa học, phát triển bền vững Sản phẩm hoàn thiện sẽ được ứng
15 dụng rộng rãi trong thị trường, giúp đỡ nông dân làm vườn thanh long ở Bình Thuận nói riêng và cả nước nói chung
Nhóm nghiên cứu đã đến thăm và tìm hiểu vườn thanh long rộng 5 ha của ông Nguyễn Văn Hai (Phan Thiết, Bình Thuận), ông Hai cũng là 1 trong các “nhà sáng chế nông dân” đến tọa đàm tại trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM ngày 30/01/2018 Trên tinh thần hỗ trợ nhau về ý tưởng sáng tạo, kinh nghiệm thực tiễn, con người và trang thiết bị hiện đại, cũng như mục tiêu phối hợp nghiên cứu, chuyển giao công nghệ giữa nhà trường và các nhà sáng chế; nhóm nghiên cứu đã lắng nghe những chia sẻ của ông Hai về khó khăn, trở ngại trong tưới tiêu vườn thanh long nhà ông, cũng như những đề nghị hỗ trợ về kỹ thuật
Nhóm nghiên cứu trích lại phát biểu của thầy Hiệu trưởng trong cuộc tọa đàm ngày 31/08/2018 :“ Chúng tôi muốn các đề tài đó có thể thành sản phẩm cụ thể phục vụ bà con
Hình 1 Tham quan thực tế hệ thống tưới tiêu của Ông Nguyễn Văn Hai tại Bình
16 nông dân, phục vụ xã hội, nhưng lại không am hiểu nhu cầu thực tế bằng các anh chị Đây là dịp hai bên ngồi lại bàn giải pháp, để sản phẩm nghiên cứu của trường sớm ra thị trường Ngược lại, các nhà sáng chế nếu bế tắc trong nghiên cứu học thuật có thể phối hợp với chúng tôi"
Nhóm nghiên cứu đã có những khảo sát, đo đạc thực tế và tham quan mô hình tưới tiêu hiện đang có của vườn thanh long nhà ông Hai Đồng thời đưa ra những ý kiến, sản phẩm phác thảo, cũng như những giải pháp kỹ thuật nhằm tiết kiệm thời gian tưới; quản lý được lưu lượng nước tưới, áp suất bơm nước, công sức của người làm vườn, cũng như xây dựng Hệ thống tưới tiêu một cách khoa học, phát triển bền vững Sản phẩm hoàn thiện sẽ được ứng dụng rộng rãi trong thị trường, giúp đỡ nông dân làm vườn thanh long ở Bình Thuận nói riêng và cả nước nói chung
Hình 2 Nhóm nghiên cứu của trường ĐHCN TP đang xem tủ điều khiển bơm nước trung chuyển của anh Hai
Hình 3 Tủ điều khiển máy bơm nước chuyển vào hồ chức trung gian quá cũ không tin cậy và không an toàn cho người vận hành ngoài trời
Hình 4 Đường ống dẫn nước dỡ và nước trong hồ chứa trung gian hết không thể kiểm soát từ xa
Hình 5 Nhóm nghiên cứu của trường ĐHCN TP HCM chụp hình lưu niệm với anh Hai
Hình 6 Hệ thống tưới tiêu sử dụng cầu trục do anh Hai chế tạo tại vườn thử nghiệm của anh
Hình 7 Nhóm nghiên cứu đang tham quan bên trong của hệ thống cầu trục của anh Hai
Hình 8 Một số hình ảnh nhóm nghiên cứu đi khảo sát thực địa tại vườn thanh long của Ông Nguyễn Văn Hai Tại Bình Thuận
1.2.4 Tổng kết về kết quả nghiên cứu
Lắp đặt hệ thống lora ở bình thuận lần 1
Hình 9 giao diện điện thoại và module trạm điều khiển
Hình 10 Thực nghiệm kiểm tra đường ống đường ống và bơm đầu nguồn
Kết quả thí nghiệm đạt được ở lần 1
Giao diện điện thoại tốt nhưng chưa có phản hồi từ hệ thống thiết bị chạy hoặc không chạy không phản hồi lên giao diện, đường ống nước 90 value điện từ mở tưới thanh long đạt yêu cầu đặt ra của vườn
Modul lora chỉ phát được 300m từ trạm chủ đến trạm phụ chưa đạt được yêu cầu đặt ra
Thay đổi lại giao diện gắn thêm logo của trường, làm thêm phản hồi từ hệ thống giao diện và phần cứng, các trạm thụ lora được mắc anten chiều dài 2m để các tủ có thể để dưới đất gần val, làm thêm phần cộng thêm các tính năng phù hợp với thực tế nhằm tăng các trạm cho nhà vườn, thêm tính năng nhiệt độ và độ ẩm để ứng dụng cho các vườn khác, thêm tính năng chọn xác định IP và kết nối wifi từ các mạng khác
Lắp đặt hệ thống lora ở bình thuận lần 2
Hình 11 Giao diện điện thoại trạm điều khiển đã cải tiến
Hình 12 Thực nghiệm lắp đặt trạm Lora và tủ điều khiển
Kết quả đạt được lần thí nghiệm lần 2:
Các trạm ở dưới đất anten trên cao nên khoảng cách truyền giữa trạm chủ và tớ 1km đạt được yêu cầu đề ra
Giao diện điện thoại đã có logo của trường thân thiện với người sử dụng, người sử dụng có thể thêm trạm và thêm các tính năng điều nhiệt độ và áp suất Độ ổn định của các trạm tốt
Kiến nghị ( về phát triển các kết quả nghiên cứu của đề tài)
Phụ lục sản phẩm ( liệt kê minh chứng các sản phẩm nêu ở Phần III)
Tp HCM, ngày tháng năm
Chủ nhiệm đề tài Phòng QLKH&HTQT (ĐƠN VỊ)
Trưởng (đơn vị) (Họ tên, chữ ký)
BÁO CÁO CHI TIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
TỔNG QUAN
Bình Thuận là tỉnh duyên hải cực Nam Trung Bộ của Việt Nam, nằm trong khu vực chịu ảnh hưởng của địa bàn kinh tế trọng điểm phía Nam Bình Thuận là một trong những vùng ít mưa nhất cả nước Toàn tỉnh có 7 lưu vực sông chính và hệ thống các hồ chứa, đập dâng lớn nhỏ phân phối ở các vùng đồng bằng, trung du và miền núi phục vụ nhu cầu nước ngày càng tăng nhằm phát triển kinh tế-xã hội đa mục tiêu của tỉnh, trong đó đặc biệt là phát triển nông nghiệp, nâng cao đời sống người dân khu vực nông thôn theo tiêu chí nông thôn mới của Đảng và Nhà nước
Khí hậu Bình Thuận thuộc loại nhiệt đới gió mùa, nắng nóng quanh năm Các số liệu đặc trưng chính như sau: Nhiệt độ trung bình năm từ 26º-27ºC (trung bình của cả nước 21ºC) Độ ẩm không khí trung bình tháng 79% (trung bình của cả nước 83%)
Số giờ nắng trung bình năm 2.466 giờ/năm (trung bình của cả nước từ 1400-3000 giờ/năm) Lượng bốc hơi trung bình năm khoảng 930mm Lượng mưa trung bình khoảng 1.500mm/năm, riêng khu vực Tuy Phong và Bắc Bình chỉ mưa khoảng 600-800mm/năm; mùa khô (từ 6-9 tháng) có lượng mưa khoảng 12% tổng lượng mưa năm, mùa mưa (từ 3-6 tháng) chiếm khoảng 88% tổng lượng mưa năm (lượng mưa trung bình cả nước 1.960mm/năm) Hạn hán xảy ra thường xuyên nên nước tích trong các hồ, đập chỉ còn khoảng 20-30%, điều này gây thiệt hại đáng kể cho sản xuất và đời sống nhân dân Năm 2004, tổng thiệt hại do hạn gây ra trên 287 tỷ đồng, trong đó nông nghiệp khoảng 264 tỷ
Bình Thuận có diện tích thanh long khoảng hơn 27 ngàn ha, tập trung ở Hàm Thuận Nam, Hàm Thuận Bắc, Bắc Bình… sản lượng thu hoạch 277.079 tấn Tuy nhiên, thời gian qua, hiệu quả sản xuất thanh long Bình Thuận vẫn chưa cao, sản phẩm làm ra chất lượng vẫn còn thấp, việc xuất khẩu đến các thị trường khó tính vẫn còn nhiều gian nan Theo Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Bình Thuận, hiện nay hầu hết các doanh nghiệp và hợp tác xã thanh long tiêu thụ trái theo dạng tiểu ngạch sang Trung Quốc Để phát triển cây thanh long, Bình Thuận quy hoạch diện tích trồng thanh long đến năm 2020 đạt 28.000 ha, năng suất 28 tấn/ha, sản lượng đạt 750.000 tấn Đến năm
2025, sẽ mở rộng diện tích lên 30.000 ha, năng suất bình quân đạt 30 tấn/ha, sản lượng trên 850.000 tấn Nhằm đạt được mục tiêu đề ra, Bình Thuận định hướng phát triển thanh long trong thời gian tới sẽ tập trung phát triển thanh long theo hướng tăng năng suất, chất lượng, an toàn thực phẩm Đẩy mạnh sản xuất thanh long an toàn theo tiêu chuẩn GAP Chú trọng đầu tư phát triển về bảo quản, sơ chế, chế biến thanh long,… để nâng cao giá trị sản phẩm, sức cạnh tranh, đa dạng sản phẩm và thị trường tiêu thụ
- Đề tài xây dựng hê thống điều khiển các trạm trong vườn cây tại Bình Thuận sử dụng mang Lora, xây dựng hệ thống điều khiển qua mạng Lora, xây dựng giao diện trên điện thoại Android để điều khiển các trạm Hệ thống hoạt động trong mọi điều kiện môi trường ban ngày, ban đêm, mưa nắng… Kích thước hệ thống nhỏ gọn, đặt ở vị trí độc lập khoảng cách điều khiển mạng Lora trong phạm vi 1.5 Km ngoài trời, tiêu hao ít năng lượng, ít lỗi, dễ mở rộng, khả năng tương thích cao bảo mật dữ liệu tốt
Nhóm nghiên cứu đã đến thăm và tìm hiểu vườn thanh long rộng 5 ha của ông Nguyễn Văn Hai (Phan Thiết, Bình Thuận), ông Hai cũng là 1 trong các “nhà sáng chế nông dân” đến tọa đàm tại trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM ngày 30/01/2018 Trên tinh thần hỗ trợ nhau về ý tưởng sáng tạo, kinh nghiệm thực tiễn, con người và trang thiết bị hiện đại, cũng như mục tiêu phối hợp nghiên cứu, chuyển giao công nghệ giữa nhà trường và các nhà sáng chế;
38 nhóm nghiên cứu đã lắng nghe những chia sẻ của ông Hai về khó khăn, trở ngại trong tưới tiêu vườn thanh long nhà ông, cũng như những đề nghị hỗ trợ về kỹ thuật
Nhóm nghiên cứu đã có những khảo sát, đo đạc thực tế và tham quan mô hình tưới tiêu hiện đang có của vườn thanh long nhà ông Hai Đồng thời đưa ra những ý kiến, sản phẩm phác thảo, cũng như những giải pháp kỹ thuật nhằm tiết kiệm thời gian tưới; quản lý được lưu lượng nước tưới, áp suất bơm nước, công sức của người làm vườn, cũng như xây dựng Hệ thống tưới tiêu một cách khoa học, phát triển bền vững Sản phẩm hoàn thiện sẽ được ứng dụng rộng rãi trong thị trường, giúp đỡ nông dân làm vườn thanh long ở Bình Thuận nói riêng và cả nước nói chung
1.4 Tổng kết về kết quả nghiên cứu
Hệ thống sau khi xây dựng xong sẽ được tiến hành lắp đặt thực tế trên vườn Thanh Long của Ông Nguyễn Văn Hai Bình Thuận mang logo và địa chỉ tài trợ của Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Sau khi vận hành và hoạt động ổn định áp dụng đại trà rộng rãi trên các vườn khác ở Bình Thuận
LINH KIỆN VÀ MODULE SỬ DỤNG
Phần cứng được nhóm tìm hiểu, thiết kế và bố trí các linh kiện, vi xử lí thành một board mạch điện tử
Trên mạch thiết kế có thể cấp nguồn cho mạch bằng 2 cách
Hình 20 Khối nguồn Lora-IO
Hình 21 Khối hạ áp Lora-IO
Module giảm áp LM2596 là module giảm áp có khả năng điều chỉnh được dòng ra đến 3A LM2596 là IC nguồn tích hợp đầy đủ bên trong Tức là khi cấp nguồn 9v vào module, sau khi giảm áp ta có thể lấy được nguồn 3A < 9v như 5V hay 3.3V
Hình 22 Khối truyền thông Lora-E32:
Mạch thu phát RF UART Lora SX1278 433Mhz 3000m sử dụng chip SX1278 của nhà sản xuất SEMTECH chuẩn giao tiếp Lora, chuẩn LORA mang đến hai yếu tố quan trọng là tiết kiệm năng lượng và khoảng cách phát siêu xa, ngoài ra nó còn có khả năng cấu hình để tạo thành mạng nên hiện tại được phát triển và sử dụng rất nhiều trong các nghiên cứu về IOT
Mạch thu phát RF UART Lora SX1278 433Mhz 3000m được tích hợp phần chuyển đổi giao tiếp SPI của SX1278 sang UART giúp việc giao tiếp và sử dụng rất dễ dàng, chỉ cần kết nối với Software của hãng để cấu hình địa chỉ , tốc độ và công suất truyền là có thể sử dụng
Với các chế độ hỗ trợ như trên thì Module Lora E32 trên Lora-IO có thể tối ưu được năng lượng tiêu thụ bằng cách chuyển sang Mode 2 trong khi chờ nhận tín hiệu radio
Hình 23 Ngõ vào board mạch
Mục đích: nếu có sự cố từ tầng ứng dụng như cháy, chập, tăng áp… thì cũng không làm ảnh hưởng đến tầng điều khiển
Hình 25 Ngõ ra Lora-IO
Hình 26 Khối chuyển đổi chế độ Lora-IO
Nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình, cái đầu tiên mà chúng ta thường nói tới chính là dòng Arduino UNO Hiện dòng mạch này đã phát triển tới thế hệ thứ 3 (R3)
Vi điều khiển Atmega họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC
Tần số hoạt động 16MHz
Dòng tiêu thụ ~30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC
Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)
Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)
Dòng tối đa trên mỗi chân
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nhớ flash 32 KB (atmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader
Bảng 7 Thông số kỹ thuật của Arduino UNO
Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:
32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh bạn lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ
Flash của vi điều khiển Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng cho bootloader nhưng đừng lo, bạn hiếm khi nào cần quá 20KB bộ nhớ này đâu
2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến bạn khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây Bạn khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM Tuy vậy, thực sự thì cũng hiếm khi nào bộ nhớ RAM lại trở thành thứ mà bạn phải bận tâm Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất
1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi bạn có thể đọc và ghi dữ liệu của mình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM
2.2.2 Các cổng vào ra (I/O port):
Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển atmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối)
Module ESP12F là một trong những dòng hoàn hảo nhất của dòng ESP8266 vì nó cho phép bạn sử dụng tất cả các chân so với những dòng trước đó Bạn có thể lập trình Module này ở chế độ hoạt động độc lập với arduino IDE hay LUA như NodeMCU
Nó có 1 quang trở và 1 LED WS2812 được tích hợp sẵn trên board cho cho các project mẫu của bạn Module ESP-12 được kết hợp với một module USB CH340 để dễ dàng nạp chương trình
Khi thiết kế mạch sử dụng board ESP12E, cần chú ý đảm bảo board sẽ hoạt động tốt ở cả hai chế độ là Run mode (load code từ bộ nhớ flash khi reset hoặc cấp nguồn) và Flash mode (nạp code mới), cụ thể như yêu cầu từ nhà sản xuất
Trước khi nạp code cần cấu hình mức logic các chân của ESP8266 như sau:
MCU ESP8266EX, vi điều khiển 32bit, tiết kiệm năng lượng
Hỗ trợ bảo mật WPA/WPA2
Tích hợp giao thức TCP/IP
11 (tất cả các chân I/O đều có Interrupt/PWM/I2C/One-wire, trừ chân D0)
Số chân Analog Input 1 chân analog - 10bit (điện áp vào tối đa
Bộ nhớ Flash 4MB Điện áp hoạt động 3.3V Điện áp ra I/O Tối đa 3.6V
Chế độ hoạt động AP, STA và (AP + STA)
Bảng 8 Thông số kỹ thuật ESP8266 ESP-12F
Kết nối ESP12E với module USBTTL theo sơ đồ và tiến hành nạp code
Lưu ý: ESP8266 sử dụng điệp áp 3v3 cho nên không được kết nối nhầm VCC với chân 5v trên USB-TTL sẽ làm hỏng vi điều khiển
Sau khi nạp code xong, để thoát khỏi chế độ flash mode chuyển về chế độ run mode ta cần giữ các chân của ESP8266 ở các mức điện áp theo yêu cầu của nhà sản xuất như sau:
Theo sơ đồ nguyên lý gợi ý trên thì các bạn tháo jumper – Chân GPIO0 sẽ về mức HIGH
Hình15 Sơ đồ nguyên lí Esp_mini
Khối ESP mini dùng để dò wifi và kết nối wifi với các mạng sẳn có của các hộ dân
- Sơ đồ layout mạch ESP_mini:
Hình 29 Sơ đồ layout mạch ESP_mini
Hình 30 3D mạch ESP_mini mặt trước
49 Hình 31 3D mạch ESP_mini mặt sau
GIỚI THIỆU PHẦN MỀM
GameMaker Studio là một game engine để lập trình game cho nhiều nền tảng, được phát triển bởi YoYo Games
Nguồn: www.en.wikipedia.org/wiki/GameMaker_Studio
GameMaker Studio có thể tạo ra các game chạy trên Windows, Android, Linux, macOS, Windows Phone,
Hình 32 Giao diện của GMS
3.1.2 Lý do sử dụng GameMaker Studio
Với khả năng hỗ trợ lập trình UI mạnh mẽ, ngoài ra còn có hỗ trợ lập trình giao thức mạng TCP, dễ học, Vì vậy GMS được chọn là công cụ để thiết kế phần mềm điều khiển cho Lora-IO
3.2 Các giải pháp lập trình:
3.2.1 Giao thức điều khiển truyền vận (TCP - Transmission Control Protocol):
Giao thức TCP là gì?
TCP là một trong những giao thức chính trong mạng Internet TCP cung cấp cách thức truyền tải luồng thông tin (luồng byte) một cách đáng tin cập, có thứ tự, và có kiểm soát lỗi cho các ứng dụng chạy trên nền mạng IP Các ứng dụng lớn như World Wide Web, email, và truyền tải file, đều thực hiện việc truyền tải thông tin dựa trên TCP
Nguồn: www.en.wikipedia.org/wiki/Transmission_Control_Protocol
Giao thức TCP được sử dụng trong giao diện điều khiển Lora-IO (ứng dụng trên Smart Phone chạy Android) và được sử dụng trên thiết bị Lora-IO Master
Trong công nghệ máy tính, Json là một định dạng file tiêu chuẩn mở sử dụng dữ liệu dạng text mà con người có thể đọc hiểu được, được dùng để thể hiện các đối tượng dữ liệu dạng từng cặp attribute–value Json là kiểu định dạng dữ liệu được dùng phổ biến trong các máy chủ trình duyệt web không đồng bộ
Nguồn: www.en.wikipedia.org/wiki/JSON
Trong phạm vi bài viết này, Json được dùng để định dạng dữ liệu trong quá trình trao đổi thông tin giữa giao diện điều khiển trên điện thoại và thiết bị Lora-IO Master
Giao thức Modbus là gì?
Giao thức Modbus là một dạng cấu trúc tin nhắn được Modicon phát triển vào năm 1979
Có dùng để triển khai mô hình giao tiếp kiểu master-slave/client-server giữa các thiết bị thông minh Modbus là giao thức mở được sử dụng rộng rãi trong môi trường sản xuất công nghiệp Modbus được triển khai trên một số lượng lớn các thiết bị để thực hiện việc truyền tải các tín hiệu số, tín hiệu rời rạc, tín hiệu analog và các giá trị lưu trong cá thanh ghi dữ liệu giữa các thiết bị Theo thống kê của các nhà phân tích công nghiệp thì đã có hơn 7 triệu node (thiết bị) sử dụng Modbus ở Mỹ và Châu Âu
Nguồn: http://www.modbus.org/faq.php
Khung truyền dữ liệu của module Lora-E32: Khi muốn Lora-E32 gửi một thông điệp nào đó thì ta cần truyền một khung truyền tới chân Uart(TX và RX) tới module Lora-E32 (ở đây module gửi ta gọi là sender)
Hình 33 Cấu trúc khung truyền của Lora-E32
Hình 34 Minh họa cấu trúc khung truyền của Lora-E32
2 Byte đầu tiên là địa chỉ của module Lora bên nhận
1 Byte liền kề là kênh tần số hoạt động của module Lora bên nhận
Các Byte còn lại là dữ liệu cần chuyển đi
Khi đó bên module Lora-E32 nào có địa chỉ và kênh hoạt động trùng với địa chỉ và kênh có trong khung truyền mà sender vừa phát đi, thì module nhận đó sẽ đẩy các byte dữ liệu ra Uart
Vì chỉ đẩy ra các byte dữ liệu nên người dùng sẽ không biết module Lora-E32 của mình đã nhận được thông tin từ module nào (có địa chỉ là bao nhiêu), điều này gây cản trở tới việc áp dụng giao thức Modbus vào hệ thống truyền thông Lora, bởi vì giao thức Modbus có cơ chế phản hồi từ Slave về Master, nếu như Slave không xác định được Master là ai thì cơ chế phản hồi trong Modbus hầu như không thể thực hiện được cho hệ thống sử dụng module Lora-E32
Vì vậy, giao thức Bico-Lora ra đời nhằm khắc phục hạn chế này
- Giao thức Bico-Lora là gì?
54 Đây là một giao thức nhỏ gọn, đơn giản, được sinh ra nhằm khắc phục trở ngại trong việc áp dụng Modbus vào hệ thống Lora
Cấu trúc của giao thức:
Hình 35 Khung truyền của giao thức Bico-Lora
Nhờ vào việc ghép vào 2 Byte địa chỉ của Module gửi mà bên module nhận có thể biết được ai đã gửi thông tin cho mình (giả định các module đều hoạt động trong cùng một kênh), và có thể gửi lại phản hồi cho Module gửi nếu cần thiết
Dưới đây là sự sự kết hợp giữa Modbus với các tầng giao thức thường được sử dụng
Hình 36 Modbus trên các tầng giao thức Dựa trên công thức kết hợp đó, giao thức Lora Modbus là giao sự kết hợp của giao thức Bico-Lora và giao thức Modbus, và chỉ được nêu ra ở bài viết này
Hình 37 Sự kết hợp giữa Bico Lora và Modbus
- Lập trình hướng đối tượng (OOP - Object-oriented programming)
Lập trình hướng đối tượng là kiểu lập trình dựa trên lý thuyết “đối tượng” (object) Đối tượng có thể bao gồm dữ liệu (attributes) và các thủ tục (methods)
Nguồn: www.en.wikipedia.org/wiki/Object-oriented_programming
Khái niệm tập trung của lập trình hướng đối tượng là lớp (class) Có thể xem lớp là sự kết hợp các thành phần dữ liệu và các hàm Cũng có hể xem lớp là sự mở rộng của cấu trúc trong C (struct) bằng cách đưa thêm vào các phương thức (method) hay còn gọi là hàm thành viên (member funciton)
Nguồn: C++ Lập trình hướng đối tượng – GS.Phạm Văn Ất
3.3 Giao diện điều khiển trên Smart Phone (WiFi Switch)
Wifi Switch là phần mềm có thể chạy trên Windows, Andoird, Web-brower (vào thời điểm hiện tại) Wifi Switch cung cấp giao diện điều khiển trực quan cho người dùng để điều khiển các thiết bị Lora-IO Slave
Hình 38 Nút cộng thêm trạm
Khi Click vào nút này, đồng nghĩa với việc tạo ra một công tắc mới tương ứng với một ngõ ra trên một Lora-IO Slave nào đó Sau khi click vào nút này sẽ lần lượt xuất hiện các ô để nhập thông tin cho công tắc sắp được tạo Địa chỉ của thiết bị Lora-IO Slave, địa chỉ này là địa chỉ của module Lora-E32 bên trong Lora-IO Slave Giá trị có thể nhập vào là từ 1 đến 65534, mỗi Lora-IO Slave sẽ được đánh dấu trên vỏ hộp thiết bị
Hình 39 nhập địa chỉ thiết bị
THI CÔNG
4.1 Sơ đồ nguyên lý thiết bị Lora-IO
- Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
Hình 50 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
4.2 Tạo phần mềm điều khiển
- Các bước tạo phần mềm điều khiển:
Hình 53 Tạọ object phần điều khiển
Hình 54 Tạọ sprite trong phần điều khiển
Đăng ký sprite cho object:
68 Hình 55 Đăng ký sprite cho object cho thiết kế điều khiển
Code cho từng sự kiện của từng object:
Cài đặt kích thước room:
Hình 56 Code cho từng sự kiện của từng object
Hình 58 Cài đặt kích thước room
Hình 59 Đặt background cho room
Thêm object cần thiết vào room:
Hình 60 Thêm object cần thiết vào room
Chọn Targer là Android/Fire sau đó build app:
Hình 61 Chọn Targer là Android/Fire sau đó build app
4.6.1 Bộ thư viện Modbus: Đọc tài liệu từ Modbus_Application_Protocol_V1_1b sau đó xây dự cây module như hình
Hình 62 Bộ thư viện Modbus Trong đó:
- Modbus Definition: Việc định nghĩa các Function Code và Exception Code được thực hiện bên trong module này
- Modbus Master: Trong module này, ta xây dựng các thủ tục để thuận tiện cho việc tạo ra các Master PDU
- Modbus Slave: Trong module này, ta xây dựng các thủ tục để thuận tiện cho việc tạo ra các Slave PDU
- Modbus Slave Handling: Trong module này, ta xây dựng các thủ tục để xử lý yêu cầu từ Master, truy xuất vùng nhớ và trả lại kết quả cho Master
- Modbus Master: Trong module này, ta xây dựng các thủ tục để thuận tiện cho việc tạo ra các Master ADU kiểu Modbus RTU
- Modbus Slave: Trong module này, ta xây dựng các thủ tục để thuận tiện cho việc tạo ra các Slave ADU kiểu Modbus RTU
4.6.2 Thư viện Bico Lora ( Bico_Lora_Soft)
Trong thư viện này ta xây dựng class có có attribute và method được kế thừa từ class
SoftwareSerial(thư viện chuẩn của Arduino IDE) để vi điều khiển ATMEGA328-P giao tiếp với module Lora E32 Nhưng có một số bổ sung và khác biệt là:
- Hàm dựng của class Bico_Lora_Soft có mục đích khởi tạo giá trị ban đầu cho các attribute address và channel
- Bổ sung method messageParse để phân tích khung truyền của giao thức Bico Lora, kết quả trả về là một đối tượng kiểu Bico_Lora_Mess_Struct chứa đựng địa chỉ của sender và tin nhắn từ sender
- Method write được thay đổi để phù hợp với việc giao tiếp cùng module Lora
4.6.3 Sự kết hợp giữa Bico Lora và Modbus
Từ việc kết hợp các thư viện theo mô hình phân lớp, ta được thư viện Arduino Master RTU
Soft Serial Lora và Arduino Slave RTU Soft Serial Lora nhằm phục vụ cho việc trao đổi thông tin của Lora-IO Master và Lora-IO Slave
4.6.4 Sơ đồ nguyên lý thiết bị Lora-IO
Thư viện khối Input: Để thuận tiện hơn trong việc thiết kế nguyên lý, việc xây dựng thư viện cho module input là điều cần thiết
Vào Altium chọn File->New->Project->Intergrated Library để tiến hành tạo thư viện
Hình 64 Thư viện khối Input
Với mục đích tương tự như việc xây dựng thue viện Input, ta tiến hành xây dựng thư viện cho khối Output, kết quả là:
Hình 65 Thư viện khối Output
4.3 Lưu đồ giải thuật hoạt động của giao diện điều khiển
Hình 66 Lưu đồ giải thuật giao diện điều khiển
Hoạt động: Khi có tín hiệu từ người dùng tức là tín hiệu từ điện thoại là đúng kết nối TCP từ phần mềm tới Module Lora –IO Master được mở ra khung Json được đóng gói dưa trên thông tin của công tắc hay nhiệt độ độ ẩm, Lora-IO sẽ phản hồi tại gói tin vừa nhân được để thông báo rằng đã thực hiện được yêu cầu từ người dùng, khi nhận được phản từ phần cứng của board IO Slave thì nút nhấn sẽ chuyển từ hình dạng từ sáng lên tối
4.4 Lưu đồ giải thuật hoạt động của Lora-IO Master
Hình 67 Lưu đồ giải thuật giao diện điều khiển Lora IO Master
Hoạt động: Khi có tín hiệu từ người dùng tức là tín hiệu từ điện thoại là đúng kết nối TCP từ phần mềm tới Module Lora –IO, dữ liệu dạng Json được tách ra, và lưu vào các biến có tên giống như atribute và các biến này có giá trị value Lora IO Master dựa vao những giá trị
78 này để tạo nên khung truyền modbus để gửi đến Slave, Master sẽ thực hiện lệnh truy vấn vùng chứa giá trị hồi tiếp tải về từ Slave ở thanh ghi có vị trí pin+10 sau đó chuyển phản hồi về giao diện điện thoại
4.5 Lưu đồ giải thuật hoạt động của Lora-IO Slave
Hình 68 Lưu đồ giải thuật giao diện điều khiển Lora IO Slave
Hoat động: Slave kiểm tra lệnh từ Master gửi tới nếu có lệnh từ Master gửi tới thì Slave tiếp nhận gói tin Modbus cập nhật vùng nhớ Modbus Holding Register sẽ chọn vị trí 0 hay 1 từ giao diện điều khiển sau đó sẽ xuất dữ liệu ra ngoài theo lựa chọn của giao diện
2 #include "Arduino_Master_RTU_Soft_Serial_Lora.h"
3 Arduino_Master_RTU_Soft_Serial_Lora master(2, 3, 23, 0x000A);
5 // put your setup code here, to run once:
11 // put your main code here, to run repeatedly:
16 DeserializationError error = deserializeJson(doc, json);
25 master.RTUSoftSerialWriteSingleRegisterRequest(1, pin, value, 23, address);
6 #include "Arduino_Slave_RTU_Soft_Serial_Lora.h"
11 Arduino_Slave_RTU_Soft_Serial_Loramodbus(MODBUS_RX_PIN,
MODBUS_TX_PIN, LORA_CHANNEL, LORA_ADDRESS);
13 // put your setup code here, to run once:
19 // put your main code here, to run repeatedly:
34 slave_analog_output_holding_register_list[10] = digitalRead(IN0);
35 slave_analog_output_holding_register_list[11] = digitalRead(IN1);
36 slave_analog_output_holding_register_list[12] = digitalRead(IN2);
37 digitalWrite(OUT0, slave_analog_output_holding_register_list[0]);
38 digitalWrite(OUT1, slave_analog_output_holding_register_list[1]);
TCP-Serial gateway (module chuyển đổi gói tin TCP Serial phục vụ cho việc giao tiếp giữa lõi của Lora-IO Master với người dùng)
1 include "TCP_Serial_Bridge_One_Client_Supported.h"
4 // put your setup code here, to run once:
7 Serial.setTimeout(MAX_CONFIGURATION_STRING_SIZE);
8 EEPROM.begin(MAX_CONFIGURATION_STRING_SIZE);
26 WiFi.config(ip, gateway, subnet);
27 WiFi.begin(ssid.c_str(), pwd.c_str());
28 while(WiFi.status() != WL_CONNECTED)
34 Serial.printf("Connected to %s \r\n", ssid.c_str());
35 Serial.printf("Static IP: %s\r\n", ip.toString().c_str());
43 // put your main code here, to run repeatedly:
44 WiFiClient client = my_server.available();
81 if(millis() - end_point > time_life)
Chương trình cho EPS _mini:
1 #include //this needs to be first, or it all crashes and burns
2 #include "TCP_Serial_Bridge_One_Client_Supported.h"
10 #define APSSID "TRAM DIEU KHIEN"
13 const char *softAP_ssid = APSSID;
14 const char *softAP_password = APPSK;
15 /* hostname for mDNS Should work at least on windows Try http://esp8266.local */
17 /* Don't set this wifi credentials They are configurated at runtime and stored on EEPROM */
28 /** Should I connect to WLAN asap? */
30 /** Last time I tried to connect to WLAN */
33 unsigned int status = WL_IDLE_STATUS;
37 Serial.setTimeout(MAX_CONFIGURATION_STRING_SIZE);
38 EEPROM.begin(MAX_CONFIGURATION_STRING_SIZE);
47 Serial.println("Configuring access point ");
48 /* You can remove the password parameter if you want the AP to be open */
49 WiFi.softAPConfig(apIP, apIP, netMsk);
50 WiFi.softAP(softAP_ssid, softAP_password);
51 delay(500); // Without delay I've seen the IP address blank
52 Serial.print("AP IP address: ");
54 /* Setup the DNS server redirecting all the domains to the apIP */
56 dnsServer.start(DNS_PORT, "*", apIP);
57 /* Setup web pages: root, wifi config pages, SO captive portal detectors and not found */
61 server.on("/generate_204", handleRoot); //Android captive portal Maybe not needed Might be handled by notFound handler
62 server.on("/fwlink", handleRoot); //Microsoft captive portal Maybe not needed Might be handled by notFound handler
64 server.begin(); // Web server start
65 Serial.println("HTTP server started");
66 loadCredentials(); // Load WLAN credentials from network
67 connect = strlen(ssid) > 0; // Request WLAN connect if there is a SSID
72 Serial.println("Connecting as wifi client ");
89 /* If WLAN disconnected and idle try to connect */
90 /* Don't set retry time too low as retry interfere the softAP operation */
93 if (status != s) { // WLAN status change
106 Serial.println("Error setting up MDNS responder!");
108 Serial.println("mDNS responder started");
109 // Add service to MDNS-SD
112 } else if (s == WL_NO_SSID_AVAIL) {
125 WiFiClient client = my_server.available();
156 client.write(data.c_str(), data.length());
160 if(millis() - end_point > time_life)
4.7 Giao diện trên điện thoại đạt được
Hình 69 Giao diện trên điện thoại
4.8 Kiểm tra mức độ tiêu thụ năng lượng của Lora-IO:
Dòng tiêu thụ trung bình của Lora-IO là 28mA
Hình 70 Kiểm tra độ tiêu thụ điện năng của Lora-IO
Sau khi được khảo sát với 3 viên pin 18650 1500mAh mắc nối tiếp cấp nguồn liên tục cho Lora-IO thì điện áp tổng của 3 viên pin từ 12.2V xuống còn 9.3V trong vòng 51 giờ
Quá trình kiểm tra thực nghiệm tại Bình Thuận đối với Accu 12V 20Ah thời gian 45 ngày lượng pin xuống Accu xuống còn 9.3V
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Nhóm nghiên cứu đã hoàn thành board chủ và board tớ điều khiển phân tán các trạm ở vườn thanh long Bình Thuận, đồng thời cũng đã viết được áp trên điện thoại sử dụng phần mềm android trên điện thoại sử dụng logo Trường Đại Học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh, giao diện có thể thêm trạm và tính năng điều khiển nhiệt độ và áp xuất, mạch đã vận hành và chạy ổn định ngoài tự nhiên đạt khoảng cách 1km, Sau quá trình kiểm tra thực tế thì Lora-IO có thể hoặt động ổn định sử dụng accu 12v 20Ah sử dụng 45 ngày
5.2 Hướng phát triển đề tài
Sử dụng giao thức MQTT để kết nối vưới Cloud (dữ liệu trên đám mây)