Đề tài thực hiện trên phần cứng tự thiết kế và thi công, bao gồm các mạch cảm biến lấy dữ liệu vật lý từ môi trường, và mạch công suất điều khiển thiết bị một chiều, một mạch trung tâm g
Đặt vấn đề
Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hoá mạnh mẽ của đất nước và thế giới cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật cả về phần cứng lẫn phần mềm, sự kết hợp của Điện - Điện tử và công nghệ thông tin sẽ tạo điều kiện phát triển nhanh cho nền công nghiệp 4.0 Trong xu hướng chung đó thì thuật ngữ “Internet of things” (viết tắt là IoT) xuất hiện lần đầu năm 1999 đã xuất hiện khá nhiều và gần gũi hơn với nhiều người, thu hút nhiều sự quan tâm chú ý của cả thế giới khoa học công nghệ, các công ty đầu tư nghiên cứu Vì sự bùng nổ của lĩnh vực IoT trong tương lai sẽ có tác động tới sự tiện nghi của cuộc sống, công việc, những ngành nghề mới xuất hiện ảnh hưởng đến xã hội trong tương lai
Hình 1.1: Internet of Things Ứng dụng của IoT:
IoT có ứng dụng rộng rãi có thể kể ra một số lĩnh vực như sau:
- Y tế và chăm sóc sức khoẻ
- Xây dựng và nhà thông minh
Nông nghiệp công nghệ cao là một lĩnh vực đang dần được IoT hoá Với sự gia tăng theo cấp số nhân của dân số thế giới, theo Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp
Liên Hợp Quốc, thế giới sẽ cần sản xuất thêm 70% lương thực vào năm 2050, thu hẹp đất nông nghiệp và cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên đã trở thành vấn đề đáng được quan tâm Một mối quan tâm cản trở khác đối với ngành nông nghiệp là cơ cấu dịch chuyển của lực lượng lao động nông nghiệp Hơn nữa, lao động nông nghiệp ở hầu hết các quốc gia đã giảm Do lực lượng lao động nông nghiệp suy giảm, việc áp dụng các giải pháp kết nối internet trong thực hành canh tác đã được kích hoạt, để giảm nhu cầu lao động thủ công
Khảo sát của BI Intelligence dự kiến việc áp dụng các thiết bị IoT trong ngành nông nghiệp sẽ đạt 75 triệu vào năm 2020, tăng 20% mỗi năm Đồng thời, quy mô thị trường nông nghiệp thông minh toàn cầu dự kiến sẽ tăng gấp ba vào năm 2025, đạt
15.3 tỷ đô la (so với mức hơn 5 tỷ đô la một chút vào năm 2016)
Hình 1.2: Ứng dụng IoT trong nông nghiệp truyền thống
Nông nghiệp thông minh dựa trên công nghệ IoT cho phép người trồng trọt và nông dân giảm chất thải và tăng năng suất trồng trọt tuy sẽ sử dụng hiệu quả tài nguyên hơn, nhờ các giải pháp canh tác là các hệ thống công nghệ cao như các cảm biến (ánh sáng, độ ẩm, nhiệt độ, độ ẩm đất, sức khỏe cây trồng, v.v.) và các hệ tự động hóa (tưới tiêu, thu hoạch, bón phân dinh dưỡng, v.v.)
Người nông dân có thể theo dõi các điều kiện cây trồng từ bất cứ đâu, họ cũng có thể tùy chọn giữa phương pháp thủ công và tự động để thực hiện các công việc cụ thể Ví dụ, nếu độ ẩm của đất giảm, nông dân có thể triển khai các cảm biến để bắt đầu tưới, hoặc trong quá trình canh tác thuỷ canh, người nông dân có thể tăng cường độ sáng bằng đèn chiếu sáng tăng cường nếu cảm thấy cường độ ánh sáng đo được là quá thấp Nông nghiệp thông minh hay nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao sẽ cho hiệu quả cao khi so sánh với phương pháp thông thường, ngoài ra khi kết hợp với công nghệ IoT hệ thống sẽ hoạt động tối ưu hơn do khả năng kiểm soát chặt chẽ các thông số và khả năng điều khiển thiết bị từ mọi nơi Đây sẽ là xu hướng của nông nghiệp trong tương tai, do công nghệ sẽ giải quyết vấn đề về diện tích trồng trọt lẫn việc sử dụng tài nguyên tối ưu
Hình 1.3: Ứng dụng IoT trong nông nghiệp công nghệ cao
Việc xây dựng được một bộ thiết bị gồm có các cảm biến (Sensor), có khả năng quản lý được các thông số cơ bản trong nông nghiệp (nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh sáng, nồng độ pH, v.v.) và truyền nhận dữ liệu thu được cho Webserver thông qua bộ truyền nhận trung tâm (Gateway) là tiền đồ để phát triển một hệ thống IoT hoàn chỉnh
Có rất nhiều phương thức truyền nhận dữ liệu khác nhau như RF, Bluetooth ZigBee,
LoRa… để trao đổi thông tin qua lại giữa Sensor và Gateway Việc truyền nhận không dây giữa các thiết bị vật lý là rất quan trọng, việc này sẽ giảm tải được số lượng dây giữa các thiết bị và giúp cho việc lắp đặt tháo ráp đơn giản hơn
Hình 1.4: Các chuẩn truyền dữ liệu không dây thông dụng
Trong đó NRF24L01x là một IC thu phát sóng RF 2.4 GHz do Nordic
Semiconductor nghiên cứu thiết kế và phát triển, trong IC được nhúng sẵn một giao thức nền có tên (Enhanced ShockBurst TM ), phù hợp cho các ứng dụng không dây có công suất cực thấp NRF24L01x được thiết kế để hoạt động trong dải tần số ISM trên toàn thế giới ở mức 2.400 - 2.4835GHz
Hình 1.5: IC thu phát sóng RF NRF24L01+ Để thiết kế một hệ thống vô tuyến sử dụng IC NRF24L01x rất đơn giản, chỉ cần
MCU điều khiển và một vài linh kiện thụ động là có thể vận hành được, điều này giúp cho các hệ thống sử dụng NRF24L01x trở nên rất nhỏ gọn, giá thành rẻ, khoảng cách truyền nhận khi đã được khuếch đại có thể lên tới 1500m IC NRF24L01x sử dụng giao tiếp ngoại vi nối tiếp (SPI), vận hành cũng như cấu hình NRF24L01 Tất cả các thanh ghi chứa các cấu hình cũng như các chế độ hoạt động của NRF24L01x đều, có thể truy cập thông qua SPI
Hình 1.6: giao thức Enhanced ShockBurst TM
Giao thức nền (Enhanced ShockBurst TM ) nhúng trong NRF24L01x, là giao thức truyền nhận các gói dữ liệu, hỗ trợ giữa các gói dữ lẫn thủ công và tự động Bộ FIFOs tích hợp đảm bảo việc dữ liệu truyền nhận được di chuyển một cách linh động giữa dữ liệu nhận từ antenna với dữ liệu nhận từ MCU điều khiển Enhanced ShockBurst TM giúp giảm giá thành hệ thống do bản thân nó đã xử lý sự vận hành của lớp liên kết dữ liệu (link layer) tốc độ cao
Phần front end của NRF24L01x sử dụng bộ điều chế GFSK, bộ điều chế có các thông số cấu hình như kênh tần số, công suất đầu ra và tốc độ dữ liệu không khí
NRF24L01x hỗ trợ tốc độ truyền nhận dữ liệu không khí 250 kbps lến đến 1 Mbps và 2Mbps Tốc độ truyền nhận dữ liệu trong không khí cao kết hợp với hai chế độ tiết kiệm năng lượng khiến NRF24L01x rất phù hợp với các hệ thống sử dụng công suất cực thấp
Vì thế tôi chọn đề tài thiết kế hệ thống IoTs điều khiển và giám sát vườn rau/quả trong nông nghiệp, giao tiếp bằng sóng RF sử dụng NRF24L01x để xây dựng một bộ thiết bị từ Sensors đến Gateway sử dụng IC NRF24L01x với mục tiêu, chính xác, sử dụng hiệu quả năng lượng (nguồn cấp) và giá thành phải chăng.
Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu, thiết kế một hệ thống điều khiển, giám sát, ứng dụng công nghệ IoT phục vụ trong nông nghiệp, giao tiếp với nhau thông qua chuẩn truyền dữ liệu không dây dùng sóng RF trên nền tảng sử dụng IC NRF24L01x+ của hãng Nordic Semiconductor Thiết kế phần cứng, mạch điện công suất để điều khiển DC, mạch Sensors để giám sát, mạch Gateway để thu nhận dữ liệu Trong đó các mạch Sensor sẽ có nhiệm vụ lấy các giá trị vật lý từ môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh sáng, nồng độ pH, độ điện dẫn (EC) Dữ liệu thu được sẽ gửi lên
Webserver thông qua Gateway để lưu vào database, từ đó có thể quản lý, giám sát, và điều khiển các ngoại vi từ xa.
Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
1 Tìm hiểu các phương pháp canh tác trong nông nghiệp để hệ thống sau khi thiết kế có hiệu quả cao và dễ sử dụng
2 Thiết kế phần cứng theo kiểu Module, chia ra thành 3 phần gồm: a Gateway là PCB có nhiệm vụ giám sát, điều phối dữ liệu từ lớp Vật lý đến Webserver b Sensors là PCB có nhiệm vụ thu nhập các thông số vật lý từ môi trường và gửi đến cho Gateway c Power là PCB có nhiệm vụ nhận thông tin từ Gateway để điều khiển các thiết bị ngoại vi
3 Tìm hiều nguyên lý hoạt động của các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh sáng Nghiên cứu thiết kế PCB cảm biến (Sensors) phải đảm bảo kết quả đo được là chính xác nhất (không bị ảnh hưởng bởi phần cứng và các yếu tố khách quan) Mặt khác, PCB phải đảm bảo nhỏ gọn, sử dụng pin và có thể sạc được
4 Nghiên cứu thiết kế một mạch Power để điều khiển các thiết bị DC, đảm bảo số lượng ngõ ra không quá ít, có công suất vừa đủ, thiết kế hợp lý và có thể sử dụng PWM để điều khiển các ngõ ra
5 Nghiên cứu thiết kế một mạch Gateway được tích hợp màn hình OLED
1.3” và nút bấm điều khiển Gateway có nhiệm vụ truyền nhận thông tin đến các mạch Sensors và Power thông qua IC NRF24L01x+ để điều khiển hay thu nhập thông tin Ngoài ra Gateway có khả năng giao tiếp với
Webserver thông qua mạng Wifi để giám sát/điều khiển hệ thống.
Phương pháp nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu sử dụng các phương pháp sau:
- Phương pháp kiểm chứng và ứng dụng cơ sở lý thuyết trong thiết kế
- Phương pháp thu thập thông tin bằng thực nghiệm
- Nghiên cứu về kỹ thuật lập trình MCU 32bit
- Sử dụng và thiết kế PCB trên phần mềm Eagle
- Sử dụng và thiết kế vỏ hộp trên phần mềm SolidWork
- Nghiên cứu sử dụng phần mềm Keil C để thiết kế Firmware cho các dòng MCU STM32F103x
- Kiểm chứng PCB sau khi thi công bằng mô hình thực nghiệm.
Nội dung đề tài
Chương này trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu, nội dung nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, các giới hạn đề tài
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Tổng hợp các cơ sở lý thuyết có liên quan trong đề tài, làm nền tảng để thực hiện thiết kế thi công và xây dựng giải thuật cho đề tài
Thiết kế sơ đồ nguyên lý đường mạch, sơ đồ khối và lưu đồ giải thuật của các mạch trong hệ thống gồm bộ điều khiển trung tâm Gateway (bao gồm mạch điều khiển và mạch Shield), mạch cảm biến (Sensors) để đưa dữ liệu, mạch công suất
(Power) để điều khiển thiết bị ngoài vi Sau đó thiết kế giao diện trên nền tảng Web
Chương 4: Kết quả thực hiện và Thực nghiệm
Hoàn thành, thi công mạch in từ sơ đồ đi dây, chạy thử nghiệm và đánh giá kết quả hoạt động của hệ thống
Chương 5: Kết luận và Hướng phát triển
Kết luận kết quả thực hiện của đề tài và đưa ra hướng phát triển.
Các vấn đề về Kỹ thuật
2.1 Giới thiệu công nghệ IoT
Internet of Things là một khái niệm khá phổ biến trong những năm gần đây
Khái niệm này càng được nhắc đến khi ngày càng có nhiều thiết bị có khả năng kết nối với Internet Cụm từ này được đưa ra bởi Kevin Ashton vào năm 1999 Ông là một nhà khoa học đã sáng lập ra Trung tâm Auto-ID ở đại học MIT, nơi thiết lập các quy chuẩn toàn cầu cho RFID cũng như một số loại cảm biến khác
Theo lịch sử, vấn đề xây dựng một mạng các thiết bị thông minh đã được đề cập đến trong đầu những năm 1982 Internet of Things hay (IoT) là một hệ thống tập hợp những thiết bị tính, cơ khí, cơ điện tử, vật, con người thậm chí cả động vật được cung cấp một địa chỉ độc nhất và có khả năng truyền nhận dữ liệu trong mạng mà không cần đến sự can thiệp của người đến người hay người đến máy
Hình 2.1: Hệ sinh thái IoT
Trên thực tế, gần như mọi sự vật đều có thể được IoT hoá nếu bằng cách nào đó vật có thể được kết nối với Internet và có khả năng truyền nhận dữ liệu Một bóng một chiếc máy lạnh có khả năng kết nối với Internet để biết khi nào người dùng về đến nhà để thay đổi trước nhiệt độ, và nhiều hơn thế nữa Ở một quy mô lớn hơn, một thành phố thông minh khi được IoT hoá sẽ cần đến hàng triệu cảm biến để giúp cho chúng ta biết được các thông số thực tế và nhu cầu của người dân IoT đang dần thay đổi cách chúng ta sống, cũng như thay đổi cách thức hoạt động của nền công nghiệp tự động hoá IoT giúp chúng ta giám sát thông số thiết bị, cũng như các thông số xung quanh thiết bị để kịp thời thay đổi, sửa chữa khi có sự cố xảy ra IoT có thể kết nối với các thiết bị xung quanh, tạo ra được môi trường các thiết bị thông minh, giúp người sử dụng tiết kiệm thời gian, chi phí, và công sức [9]
Hình 2.2: Ứng dụng của IoT
Theo Gartner, trước năm 2020, sẽ có ít nhất 26 tỉ thiết bị được kết nối với
Internet IoT là một mạng lưới khổng lồ nơi mà tất cả mọi vật kết nối với nhau (con người với con người, con người với máy móc, máy móc với máy móc) Tại Việt Nam, một số công ty công nghệ trong đó có EZLINK Technologies đã bắt đầu tiên phong nghiên cứu và thiết kế các sản phẩm về Internet of Things vào những năm 2010 Và cho đến nay tại Việt Nam, IoT trở nên thong dụng hơn bao giờ hết và được các công ty công nghệ đầu tư nhân sự và hạ tầng cho việc phát triển sản phẩm và thiết bị IoT
Hình 2.3: Cấu trúc cơ bản của một hệ thống IoTs
Cấu trúc IoT được đại diện cơ bản bởi 4 phần: Thiết bị điều khiển và thu nhập dữ liệu (Sensors/Actutors), trạm kết nối (Gateways), hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud) và các lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services-creation and
- Thiết bị điều khiển và thu nhập dữ liệu (Sensors/Actutors): Ngày nay có hàng tỷ vật dụng đang hiện hữu trên thị trường gia dụng và công nghệ, ở trong nhà hoặc trên tay của người dùng Chẳng hạn như xe hơi, thiết bị cảm biến, thiết bị đeo và điện thoại di động đang được kết nối trực tiếp thông qua băng tầng mạng không dây và truy cập vào Internet Giải pháp IoT giúp các thiết bị thông minh được sàng lọc, kết nối và quản lý dữ liệu một cách cục bộ, còn các thiết bị chưa thông minh thì có thể kết nối được thông qua các trạm kết nối
- Trạm kết nối (Gateways): Một rào cản chính khi triển khai IoT đó là gần 85% các vật dụng đã không được thiết kế để có thể kết nối với Internet và không thể chia sẻ dữ liệu với điện toán đám mây Để khắc phục vấn đề này, các trạm kết nối sẽ đóng vai trò là một trung gian trực tiếp, cho phép các vật dụng có
- Hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud):
Cơ sở hạ tầng kết nối: 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
Trung tâm dữ liệu/hạ tầng điện toán đám mây: Các trung tâm dữ liệu và hạ tầng điện toán đám mây bao gồm một hệ thống lớn các máy chủ, hệ thống lưu trữ và mạng ảo hóa được kết nối
- Các lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services-Creation and Solutions Layers):
Intel đã kết hợp những phần mềm quản lý API hàng đầu (Application
Progmraming Interface) là Mashery và Aepona để giúp đưa các sản phẩm và giải pháp IoT ra thị trường một cách nhanh chóng và tận dụng được hết giá trị của việc phân tích các dữ liệu từ hệ thống và tài sản đang có sẵn
2.1.3 Giao tiếp giữa các thiết bị IoT Để thu thập dữ liệu, các thiết bị phải kết nối được với nhau Nếu là sản phẩm của một nhà sản xuất thì không phải vấn đề, nhưng các thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau sẽ không “giao tiếp” được với nhau
Nguyên do là chưa hình thành một chuẩn chung để kết nối tất cả các thiết bị
IoT Đây là vấn đề của nhiều nhà thiết kế cũng như sản xuất các thiết bị IoT do chưa tìm được một chuẩn bức điện đồng nhất, vẫn còn sự bất tương đồng giữa các thiết bị
IoT Nên thường một trạm kết nối hay (Gateway) sẽ đóng vai trò như một thông dịch viên giữa các thiết bị để có thể đồng nhất thành một hệ Điểm quan trọng của IoT đó là các đối tượng phải có thể được nhận biết và định dạng Nếu mọi đội tượng, kể cả con người lẫn động vật đều có một UID (Unique
ID-địa chỉ định danh) thì việc giao tiếp kết nối với nhau thông qua các thiết bị điện tử sẽ trở nên đơn giản
Trong quá trình phát triển các ứng dụng IoT, việc lựa chọn chuẩn giao thức kết nối sao cho hợp lý là một vấn đề rất quan trọng Hiện nay có nhiều công nghệ giao tiếp được biết đến như Wifi, Bluetooth, Zigbee, LoRa, RF v.v
Hình 2.4: Mô hình giao tiếp trong mạng thiết bị IoT
Các giao thức giao tiếp không dây trong thế giới IoT được thiết kế để thỏa mãn các yêu cầu cơ bản:
- Tiêu tốn ít năng lượng cho việc thu/phát sóng
- Tiêu tốn ít băng thông (để giảm gánh nặng cho router và hệ thống mạng)
- Có thể dễ dàng thêm bớt thiết bị
- Tiết kiệm chi phí một cách hợp lý
Wifi hiện đã và đang chiếm vai trò rất quan trọng trong cuộc sống, công việc cũng như giải trí thường ngày của chúng ta Hiểu theo cách nôm na thì Wifi mà mạng kết nối Internet không dây, sử dụng sóng vô tuyến để truyền tín hiệu Loại sóng vô tuyến này tương tự như sóng điện thoại, truyền hình và radio Và trên hầu hết các thiết bịđiện tử ngày nay như máy tính, laptop, điện thoại, máy tính bảng… đều có thể kết nối Wifi
Kết nối Wifi dựa trên các loại chuẩn kết nối IEEE (Institute of Electrical and
Electronics Engineers) 802.11, và chủ yếu hiện nay Wifi hoạt động trên băng tần 54
Mbps và có tín hiệu mạnh nhất trong khoảng cách 100 feet (gần 31 mét)
Các vấn đề về nông nghiệp công nghệ cao
2.9 Tình trạng nghiên cứu ngoài nước
Trong bối cảnh dân số không ngừng tăng, nhưng các nguồn tài nguyên thì đang dần cạn kiệt, an ninh lương thực trở thành vấn đề được quan tâm hàng đầu ở mỗi quốc gia Vì vậy, việc phát triển các mô hình nông nghiệp công nghệ cao đang được nhiều nước chú trọng, nhằm tăng năng suất và chất lượng ngành nông nghiệp, đồng thời nâng cao tính cạnh tranh của nông sản trên thị trường toàn cầu Ứng dụng công nghệ cao (CNC) trong sản xuất nông nghiệp đang được phát triển không ngừng trên toàn thế giới Hiệu quả từ các mô hình ứng dụng công nghệ thông minh trong sản xuất nông nghiệp từ các quốc gia: Israel, Hà Lan, Nhật Bản, Hàn Quốc, Mỹ…Đặc biệt là
Israel, quốc gia với hơn một nửa diện tích đất là sa mạc đã trở thành nhà xuất khẩu lớn của thế giới về nông sản và đứng hàng đầu trong lĩnh vực công nghệ nông nghiệp
Người Israel làm nông nghiệp với 95% là khoa học, chỉ 5% lao động Các công nghệ đã được ứng dụng và rất thành công trong sản xuất nông nghiệp ở Israel:
Hệ thống phần mềm CropX phục vụ tưới tiêu tiên tiến đang thu hút sự chú ý của các trang trại lớn tại Mỹ Các trạm cảm biến được đặt chiến lược tại các cánh đồng theo một ứng dụng trên điện thoại thông minh được kích hoạt GPS cho phép đồng bộ hóa để truyền tải dữ liệu cập nhật về các điều kiện đất đai
Nông nghiệp chính xác có hai giai đoạn: thu thập dữ liệu và phân tích nó cho mục đích thực tiễn Giai đoạn đầu tiên có thể thành công nhờ các công nghệ như cảm biến và hình ảnh vệ tinnh Taranis có thể xử lý cả hai giai đoạn
Công nghệ tưới này dựa trên nghiên cứu của Viện Volcani thuộc Bộ Nông nghiệp Israel, tự động hóa toàn bộ quá trình tưới và bón phân tùy chỉnh Bộ cảm biến không dây của Tevatronic thu thập dữ liệu chính xác từ đất tại từng khu vực của trang trại Một bộ điều khiển thông minh sẽ chuyển đổi dữ liệu được lưu trữ trên đám mây trong thời gian thực thành một chu trình phân bổ tưới tiêu chính xác mà không cần sự can thiệp của con người Hệ thống này giúp tăng năng suất từ 15-31% và tiết kiệm tới 27-75% lượng nước và phân bón, phù thuộc vào từng loại cây trồng
ATP Labs sử dụng phân tích dữ liệu và trí tuệ nhân tạo để thu thập dữ liệu từ nhiều người trồng trọt để tạo ra các khuyến nghị thực tế trên công nghệ đám mây tốt nhất Các hình ảnh số trực tiếp giúp người nông dân tăng năng suất, lợi nhuận và tính bền vững của quá trình sản xuất lương thực
2.10 Tình trạng nghiên cứu trong nước
Hiện nay, phát triển nông nghiệp công nghệ cao đang là lĩnh vực nhận được nhiều sự quan tâm của nhà nước, doanh nghiệp và người dân Ở nước ta chính phủ cũng đã có những biện pháp đầu tư, khuyến khích nghiên cứu phát triển, xây dựng những mô hình nông nghiệp công nghệ cao Tuy nhiên do điều kiện kinh tế, việc áp dụng trình độ khoa học kĩ thuật mới còn hạn chế nên chỉ thực hiện ở một số nơi Một hệ thống tự động giám sát và điều khiển môi trường sử dụng mạng không dây RF vẫn chưa được thật sự quan tâm nhiều ở Việt Nam
Hình 2.17: Nông nghiệp công nghệ cao tại KDL Phú An Khang, Bến Tre
Cùng với sự phát triển của mạng lưới vạn vật kết nối (Internet of Things), việc áp dụng mạng cảm biến không dây (WSN-Wireless Sensor Networks) và mạng điều khiển không dây (WCN-Wireless Controller Network) vào sản xuất nông nghiệp làm chế tối đa tác động từ môi trường Trong lĩnh vực áp dụng IoT vào nông nghiệp,
MimosaTEK đã thành công trong việc xây dựng hệ thống tưới thông minh từ xa dựa vào việc phân tích dữ liệu về môi trường Các tập đoàn: Hoàng Anh Gia Lai,
Vingroup, Hòa Phát đã sử dụng công nghệ của Israel trong việc canh tác nông nghiệp Tuy nhiên, các hệ thống từ nước ngoài (Israel, Mỹ, châu Âu ) thường áp dụng trên quy mô lớn với giá thành cao (60-80 triệu đồng/bộ), quá trình vận hành tương đối phức tạp, nên khó có khả năng áp dụng tại Việt Nam Một số công ty trong nước cũng tiến hành thiết kế bộ điều khiển, tuy nhiên chức năng chưa đầy đủ, thường chỉ có một chức năng điều khiển nhiệt độ hoặc ẩm độ không khí, hoặc chức năng bật tắt các thiết bị theo thời gian
Hình 2.18: Bản thân tham quan nghiên cứu tại các nông trại công nghệ cao
Cây trồng cũng như “con nguời” đối với mỗi loại cây sẽ có các “cá tính” khác nhau, một vài loại thích khí hậu nóng khô, một vài loại thích lạnh ẩm, vậy không một loài cây nào thật sự giống một loài nào về mọi phương diện, các kỹ sư nông nghiệp luôn vấp phải một vấn đề là thời gian Để hiểu rõ được đặc tính sinh ký của một giống cây, như nó cần nhiệt độ như thế nào, độ ẩm ra sao, độ dinh dưỡng như nào là phù hợp, các kỹ sư hay người nông dân cần nhiều tháng có khi nhiều năm để nghiệm thu, thử sai với các điều kiện thời tiết khác nhau
Tổng quát hơn, không thể biết chính xác được điểm tối ưu của một loại cây nhưng hoàn toàn có thể biết được các yếu tố then chốt để tạo nên một môi trường phù hợp cho cây trồng, có 4 yếu tố: Cường độ ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, dinh dưỡng
Trong quá trình quang hợp, cây trồng sẽ hấp thụ năng lượng từ ánh sáng mặt trời để chuyển hoá carbon dioxide (CO2) và Oxygen (O2), nước (H2O) thành tinh bột và đường, đây sẽ là “thức ăn” của cây trồng Đối với việc quang hợp xảy ra trong thiên nhiên, ánh sáng phụ thuộc hoàn toàn vào ánh sáng mặt trời Ánh sáng mặt trời là sự tổng hợp của ánh sáng khả kiến và các dãy bước sóng gần với ánh sáng khả kiến
(hồng ngoại hay cực tím) Sự hấp thụ ánh sáng chính của cây trồng chỉ nằm trong hai dải bước sóng là (425nm – 475nm màu xanh dương) và (620nm – 730nm màu đỏ)
Khi có dải bước sóng phù hợp phải đảm bảo được cường độ ánh sáng chiếu đến mặt lá của cây phải nằm trong khoảng từ 8000 đến 10000 lux để đảm bảo được cây trồng có đủ năng lượng để tổng hợp được dinh dưỡng; Ta biết ánh sáng mặt trời giữa trưa có thể lên đến 15000 lux [10]
Mô hình của đề tài
Hệ thống được thiết kế theo mô hình sau:
Hình 3.1: Mô hình tổng thể của đề tài
Thiết kế phần cứng
3.2.1 Thiết kế bộ điều khiển trung tâm (Gateway)
Gateway là thiết bị đóng vai trò trung tâm điều khiển và điều phối dữ liệu cho toàn hệ thống Gateway phải có những yêu cầu tiên quyết sau:
1 Giao tiếp với người dùng thông qua OLED và nút nhấn cảm ứng
2 Giao tiếp với Web Server để thực hiện POST hay GET dữ liệu thông qua
3 Mã nguồn (Firmware) phải thiết kế sao cho việc thêm bớt cảm biến
(Sensors) cũng như mạch công suất (Power) phải dễ dàng để hệ thống có thể phát triển nên thành qui mô lớn
4 Có giao diện thiết kế dễ hiểu và dễ điều khiển
Khi thiết kế Gateway cho hệ thống, để tránh việc gây phức tạp trong quá trình thiết kế, ta thiết kế thiểu kiểu Module – Shield, với Module là thiết bị chính, module này đóng vai trò chủ đạo gồm có các khối nguồn, khối xử lý tín hiệu và các khối mở rộng khác Shield đóng vai trò là mạch phụ và sẽ chứa OLED và các bút bấm cảm ứng, hoặc các thiết bị mở rộng khác nếu có
3.2.1.1 Sơ đồ nguyên lí mạch
(Đính kèm phụ lục mục 1.1.1)
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lí mạch Gateway (trang 1-Các khối xử lý chính)
(Đính kèm phụ lục mục 1.1.1)
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lí mạch Gateway (trang 2-Các khối mở rộng)
(Đính kèm phụ lục mục 1.1.1)
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lí mạch Gateway (trang 3-Các khối nguồn )
(Đính kèm phụ lục mục 1.1.1)
Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lí mạch Shield (chứa nút bấm cảm ứng và OLED)
(Đính kèm phụ lục mục 1.1.2)
Sơ đồ khối của mạch được khái quát như sau:
Hình 3.6: Sơ đồ khối của mạch Gateway và Shield
Khối nguồn cho mạch nhờ sử dụng nguồn xung (switching) nên có khả năng hoạt động với nhiều mức điện áp (9-24VDC/10W) giúp cho việc chọn Adapter đơn giản hơn, tiết kiệm hơn Sau khi nguồn được giảm xuống 5VDC, việc lấy nguồn
3VDC sẽ thông qua nguồn tuyến trính AMS1117-3.3 Việc sử dụng xen kẽ giữa nguồn tuyến tính và nguồn xung giúp ta tối ưu hoá được thiệt kế, tiết kiệm được chi phí khi mua linh kiện, và tiết kiệm được diện tích bố trí linh kiện trên mạch
Khối xử lí trung tâm dùng dùng STM32F103C8T6 nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng, một IO có nhiều chức năng, việc này giúp cho việc thiết kế mạch đi dây trở nên đơn giản hơn STM32F103C8T6 cũng sẽ là nơi được nạp Firmware điều khiển chủ đạo cho toàn hệ thống, MCU này sẽ điều khiển, quản lý tất cả các thông tin liên quan đến các Sensors, Actutors cũng như toàn hệ thống
Khối NRF24L01x sẽ nhận yêu cầu từ MCU và chuyển tiếp yêu cầu này đến các Sensors hoặc Actutors lân cận Hoặc ngược lại, khi có thông tin đến từ một
Sensors nào đó trong hệ thống NRF24L01x sẽ báo cho MCU và chuyển tiếp gói thông tin này đến MCU để chuẩn bị xử lý
Khối module ESP8266 sẽ nhận yêu cầu từ MCU để thực hiện việc POST hoặc
GET gói dữ liệu từ Web Server đến hệ thống hoặc ngược lại
Khối EEPROM dùng để lưu lại các thông tin của hệ thống khi làm việc: như token của cảm biến, các giá trị ngày giờ, các thông số tuỳ chỉnh, v.v
Khối Module RS232 giúp hệ thống có khả năng chuyển tiếp thông tin nhận được từ Sensors hoặc để thay đổi các thông số điều khiển, module này hỗ trợ cho việc phát triển trong tương lại
Khối màn OLED 1.3” đi kèm với 3 nút bấm cảm ứng điện dung, giúp cho người dùng có thể giao tiếp với hệ thống
3.2.1.2 Khối chính trong sơ đồ mạch a Khối MCU STM32F103C8T6
STM32 là một trong những dòng chip rất phổ biến của hãng ST với nhiều họ thông dụng như F0, F1, F2, F3, F4.v.v STM32F103C8T6 thuộc họ F1 với lõi là ARM
COTEX M3 STM32F103C8T6 là vi điều khiển 32 bit, có tốc độ tối đa là 72Mhz
Giá thành của STM32F103C8T6 cũng khá rẻ so với các loại vi điều khiển có chức năng tương tự Số lượng GPIO phù hợp để giao tiếp và kết nối với các thành phần khác trong mạch Mạch nạp và công cụ lập trình khá đa dạng và dễ sử dụng
Một số ứng dụng chính: dùng cho driver để điều khiển ứng dụng động cơ bước, servo, điều khiển ứng dụng thông thường, thiết bị cầm tay, GPS, SIM cơ bản, các ứng dụng trong công nghiệp, thiết bị lập trình PLC, biến tần, máy in, máy quét, hệ thống cảnh báo, thiết bị liên lạc nội bộ…[7]
Hình 3.7: Vi điều khiển STM32F103C8T6
STM32F103C8T6 giao tiếp với NRF24L01x và màn hình OLED thông qua chuẩn SPI (Serial Peripheral Bus) của hãng Motorola SPI là chuẩn truyền dữ liệu song công (full duplex) tại cùng một thời điểm quá trình truyền và nhận dữ liệu có thể xảy ra đồng thời ở cả Master và Slaves Đồng thời STM32F103C8T6 giao tiếp với module ESP qua chuẩn kết nối UART để ESP kết nối wifi đưa dữ liệu thu thập được từ các node lên Webserver b Khối module ESP8266
Sử dụng module ESP8266 để truyền nhận dữ liệu bằng wifi qua internet
Module ESP được lập trình bằng trình biên dịch Arduino IDE với thư viện hỗ trợ trong trình biên dịch
- Điện áp hoạt động: 2.7V đến 3.6V
- Dòng tiêu thụ trung bình: 80mA
- Dòng khi truyền nhận dữ liệu: 240mA
- Chuẩn kết nối: 802.11 b/g/n c Khối NRF24L01x
Hình 3.8: Module NRF24L01+PA+LNA sử dụng trong đề tài
Sử dụng module NRF24L01+PA+LNA thu phát RF 2.4GHz tích hợp cổng
Antenna Ipe Module sử dụng chip truyền sóng NRF24L01+ mới nhất từ hãng Nordic với nhiều cải tiến so với chip NRF24L01 cũ về tốc độ lẫn tính năng, khoảng cách và
- Tần số hoạt động: 2.4-2.525GHz
- Khoảng cách truyền: 2000m (khi không có vật cản) do có bộ khuếch đại tín hiệu PA
- Điện áp hoạt động: 1.8-3.6VDC
- Loại Antenna: IPEX d Khối EEPROM
Sử dụng IC 24LC0256-I/SN để làm EEPROM, đây là IC phát triển bởi nhà sản xuất Microchip Technology và có tần số ghi chép lên đến 400kHz, có dung lượng bộ nhớ tuy biến theo mỗi dòng IC, với IC 24LC0256 có khả năng lưu trữ 256Kb tức là 32K trang, mỗi trang gồm 8bits
- Điện áp hoạt động: 2.5-5.5VDC
- Nhiệt độ hoạt động: -40-85C e Khối module RS232
Giao tiếp giữa các MCU trong luận văn này sử dụng mức giao tiếp TTL, mức giao tiếp này hoạt động trong khoảng từ 0-5VDC, ở mức điện áp này, năng lượng rất dễ bị triệt tiêu khi truyền đi xa, vậy muốn chuyển tiếp được tín hiệu này đến cho các hệ thống khác, hoặc các Gateway khác, hoặc sử dụng chung với PLC thì ta cần phải sử dụng giao thức RS232 công nghiệp
Sử dụng IC Max232 là IC chuyên dùng cho giao tiếp RS232 với các thiết bị ngoại vi, đây là loại IC được sử dụng rất thông dụng và kinh điển trong giao tiếp
RS232 Max232 vừa có giá thành rẻ vừa được tích hợp bên trong 2 kênh truyền RS232 song công Các dòng IC Max232 nói chung được coi như các bộ điều khiển kinh điển trong chuẩn giao tiếp RS232
- Điện áp hoạt động: 4.5-5.5VDC
- Tốc độ dữ liệu: 120Kb/s
- Số cổng giao tiếp: 2 f Khối màn hình OLED và nút bấm cảm ứng
Ứng dụng Web
Sử dụng ứng dụng web trên nền tảng API để POST và GET dữ liệu điều khiển thiết bị công suất, hay gửi giá trị cảm biến Do chạy trên Web chứ không dùng App như các hệ thống khác nên ta có thể đăng nhập vô để giám sát/điều khiển hệ thống từ bất cứ đâu trên bất cứ thiết bị nào, kể cả Laptop lẫn Smart phone, chỉ cần kết nối với
Hình 3.17: Đăng nhập tài khoản truy cập
Người sử dụng sau khi đăng ký có thể tạo một dự án, tạo thêm cảm biến hoặc nút bấm tuỳ ý
Hình 3.18: Giao diện điều khiển và giám sát trên web
Hình 3.19: Giao diện giám sát các cảm biến trên Web
Hình 3.20: Giao diện điều khiển các Output trên Web